Вибір технологічних добавок
Наповнювачі, особливо активні, різко підвищують в’язкість сумішей, температуру їх обробки та енергозатрати. У зв’язку з цим, з метою полегшення процесу обробки та поліпшення технологічних властивостей сумішей (зростання пластичності та опору підвулканізації) доцільно застосовувати технологічні добавки.
Дія технологічних добавок різноманітна і залежить, насамперед, від сумісності з каучуком. За принципом дії технологічні добавки можна умовно поділити на наступні групи:
- пластифікатори. Вони мають високу сумісність з каучуком за рахунок чого збільшують рухливість надмолекулярної структуру макромолекул, що призводить до зниження температуру склування каучуків, підвищення еластичності та морозостійкості гум;
- пом’якшувачі мають меншу сумісність с каучуком, знижують в’язкість наповненого полімеру, полегшують обробку сумішей, але не впливають на морозостійкість;
- диспергатори покращують розподіл наповнювачів та інших інгредієнтів у матриці полімеру
І пластифікатори, і пом’якшувачі, і диспергатори завдяки зниженню в’язкості сумішей, дозволяють підвищити наповнення і тим самим сприяють зниженню собівартості гум.
В якості технологічних добавок застосовуються більше 500 різних продуктів природного та синтетичного походження
Широке застосування для пластифікації каучуків знайшли продукти переробки нафти (мазут, гудрон, рубракс, масло ПН-6, парафін, церезин), кам’яного вугілля (кам’яновугільна смола, інденкумаронова смола), продукти рослинного походження (каніфоль, живиця, фактиси, ненасичені рослинні олії), жирні кислоти (стеаринова, олеїнова), синтетичні речовини (полідієни, олігоефіракрилати, синтетичні смоли – ФФС, ЕС). Загальний вміст добавок складає від 2 до 20 мас.ч. на 100 мас.ч. каучука
При виборі типу та кількості технологічних добавок необхідно враховувати наступні принципи:
1) Природу каучука, бо ефект пластифікації зростає при підвищенні сумісності пластифікаторів з каучуком:
а) для полярних каучуків застосовуємо полярні пластифікатори;
б) для неполярних – неполярні добавки;
г) у насичені каучуки вводять добавки з високим вмістом парафінових вуглеводнів.
д) у ненасичені каучуки – добавки з високим вмістом нафтенових вуглеводнів;
е) «жорсткі» каучуки з високою в’язкістю вимагають високого вмісту технологічних добавок
2) Вміст технологічних добавок залежить від типу і активності наповнювача: чим активніше наповнювач і більший його вміст в суміші, тим більше вміст добавки.
Окремі види пластифікаторів чинять специфічний вплив на властивості сумішей та гум. Для підвищення клейкості застосовують живицю та каніфоль. Збіг гум знижують фактіси, рубракс та спецбітум. Олеїнова та стеаринова кислоти активують процес вулканізації. Синтетичні смоли (ФФС, КІС, ЕС) та ОЕА підвищують комплекс фізико-механічних властивостей гум внаслідок структурування. Хлорпарафіни підвищують вогнестійкість гум. Парафіни і церезини підвищують опір гум атмосферному старінню, однак знижують клейкість сумішей.
Кращий комплекс властивостей гум досягається при введенні пластифікаторів у каучук на стадії латексу. При цьому високий рівень властивостей зберігається при більшому вмісті пластифікаторів, що економічно доцільно.
В останній час виявлена можливість різкого поліпшення опору гум втомі за рахунок структурної пластифікації, тобто введення в каучук малих кількостей (0,1-0,3мас.ч.) сполук, які мають з ним погану сумісність, наприклад, тетрафторетилену, кремнійорганічних рідин. Приведені сполуки грають роль міжструктурних мастил, які поліпшують рухомість надмолекулярних структур каучуку і підвищують за рахунок цього опір гум багаторазовим деформаціям.
Вибір стабілізаторів
При тривалому зберіганні каучуків і гум та під час експлуатації гумових виробів змінюється їх фізичні, хімічні та механічні властивості, при чому еластичні властивості можуть повністю втрачатись. Такі зміни властивостей каучуків і гум отримали назву старіння.
Основною причиною цих змін є окислення каучуків і гум. Вплив температури, світла, радіації, механічної деформації та присутність каталізаторів окислення (солей металів змінної валентності) активують та прискорюють цей процес.
Для захисту каучуків і гум від окиснення використовують спеціальні речовини – протистарювачі або антиоксиданти, які уповільнюють ланцюгові реакції окислення.
За стійкістю до окислення каучуки різко поділяються на дві групи:
- ненасичені ( натуральний, бутадієновий, ізопреновий), які мають дуже низьку стійкість до всіх видів старіння;
- насичені ( бутилкаучук, етиленпропіленовий каучук, сілоксанові та уретанові каучуки).
Проміжне положення займають ненасичені каучуки з полярними групами, які екранують подвійні зв’язки і знижують їх хімічну активність ( поліхлоропренові, нітрильні ) та сополімери, у яких поєднані насичені та ненасичені блоки (нітрильні, бутадієнстирольні, потрійний етиленпропіленовий каучук). У сополімерів при збільшенні вмісту ненасичених блоків стійкість до старіння підвищується.
При виборі стабілізатора беруть до уваги наступні його властивості: хімічний склад, густина, фізичний стан ( твердий або рідкий ), колір, летучість, можливість міграції на поверхню, вплив на вулканізацію, стабільність до світла, розчинність в каучукові та пластифікуючий вплив на суміші, токсичність.
Протистарителі повинні бути тонко дисперсними, краще діють ті з них, які добре розчиняються в каучукові при звичайній та підвищеній температурах.
При розробці рецептур гумових сумішей для виробів різного призначення також необхідно врахувати, те що кожен із протистарителів має свою оптимальну концентрацію. У більшості випадків вона складає 1-2 %.
Як правило, на практиці один протистаритель не забезпечує в достатній мірі стабілізацію каучуків та гум, тому, звичайно, використовують бінарні суміші інгібіторів. Значне поглиблення інгібуючої дії при застосуванні бінарних систем антиоксидантів пояснюється тим, що вони запобігають швидкому витраченню один одного.
Якщо захист каучуків здійснюється тільки за допомогою антиоксидантів, то для стабілізації гум ( внаслідок надзвичайної різноманітності умов їх експлуатації ) крім антиоксидантів застосовують антиозонанти, протистомлювачі, антиради, захисні воски, термостабілізатори, комплексоутворювачі та деякі інші продукти.
При експлуатації більшості гумових виробів світло та кисень діють на них сумісно. Тому необхідно враховувати їх сумарний вплив на процес старіння. Для ефективно захисту каучуків і гум від світлового старіння використовують дезактиватори ультрафіолетового світла (2-оксибензофенони) разом з приведеними раніше протистарителями.
Крім світлового старіння на поверхні гум протікає і озонне старіння, яке за характером хімічних реакцій різко відмінне від старіння під впливом звичайного атмосферного кисню.
Для захисту гум від впливу озону застосовують сумісно фізичні та хімічні озонопротистарювачів. Дія фізичних озонопротистарювачів ґрунтується на утворенні хімічно неактивної плівки, яка перешкоджає дифузії кисню у каучук та гуму. Ці протистарювачі належать до класів до класів восків, парафінів, церезинів і вводяться в склад гум. Хімічні антиозонанти відносяться, як правило, до заміщених n-фенілендіаміна і хініоліна, а також до похідних мочевини, тіомочевини і фенолу.
Слід відзначити, що використання комбінації фізичних та хімічних протистарювачів дозволяє підвищити стійкість технічних гум до різних видів старіння, враховуючи і втому. Так, для стабілізації шинних гум, як правило, використовують систему: 1-2 мас.ч. діафену ФП, 2 мас.ч. ацетонанілу-Р і 2 мас. ч. захисного воску.