Каучуки и резины

Каучуки являются представителем особого вида органических веществ – это эластомеры. Основные особенности этого класса полимеров – очень высокая упругая деформация и малый модуль упругости. Если для металлических материалов упругая деформация составляет около 0,1%, для большинства полимеров ее значения при нормальных температурах не превышают 2...5%, то эластомеры могут растягиваться на 1000%. Это означает, что при нормальных температурах эластомеры (каучуки) находятся в высокоэластичном состоянии.

Такая исключительно высокая упругость объясняется тем, что макромолекулы в ненапряженном, равновесном состоянии имеют изгибы, витки, петли (рис. 12.5). Под действием приложенной нагрузки макромолекулы вытягива-

Рис. 12.5. Форма макромолекулы эластомера (схема)

ются, т.е. первоначальное удлинение происходит за счет распрямления макромолекулы, а не за счет растягивания связей между ее звеньями. Поэтому уже при небольших усилиях достигается значительная деформация, т.е. значения модуля упругости малы.

В процессе приложения нагрузки, по мере того как макромолекулы вытягиваются, их деформация требует больших усилий. После окончательного распрямления макромолекул деформация реализуется только путем растягивания связей между их звеньями, т.е. определяется силой ковалентных связей, что требует приложения больших напряжений. В результате по мере удлинения изменяется значение модуля упругости эластомера (он возрастает очень сильно – в 1000 раз, примерно от 10 до 10 000 МПа), т.е. материал не подчиняется закону Гука и зависимость между деформацией и напряжением не прямолинейная (рис. 12.6).

Естественными эластомерами являются натуральные каучуки (НК), их получают из сока растений гевеи бразильской, кок-сагыза, тау-сагыза. Каучуки могут быть также синтезированными (СК). Наиболее распространены натрий-бутадиеновый (СКВ), бутадиен-стирольный (CKC) каучуки.

Каучуки являются линейными полимерами. Они отличаются очень высокой эластичностью, однако из-за отсутствия поперечных межмолекулярных связей подвержены ползучести, после растяжения сохраняется заметная остаточная деформация. Каучуки являются исходным сырьем для получения резины.

Резины – продукт химической переработки каучуков, получаемый в результате вулканизации. Наиболее распространенным вулканизатором является сера. В процессе вулканизации (нагрев в парах серы) линейная

Рис. 12.6. Кривая растяжения эластомера

структура каучука (рис. 12.7, а) превращается в пространственную. Это объясняется тем, что сера, вступая в реакцию с атомами углерода, имеющими до вулканизации двойные связи, соединяет макромолекулы (рис. 12.7, б). При этом появляются точки скрепления (рис. 12.7, в). В результате вулканизации термопласт превращается в реактопласт, т.е. материал с пространственной структурой. Относительное перемещение макромолекул становится невозможным, поэтому остаточной деформации нс возникает.

В зависимости от количества вводимой серы у полимера достигается различная частота сетки и разные свойства. При содержании серы до 5% образуется редкая сетка и резина получается мягкой, эластичной. При увеличении количества серы твердость резины растет, а при содержа-

Рис. 12.7. Вулканизация каучука:

а – каучук до вулканизации; б – вулканизированный каучук; в – точки скрепления

нии S в количестве 30% насыщаются все связи и образуется твердый материал – эбонит.

Помимо каучука (НК или СК) и вулканизатора в состав резины входят:

– противостарители (антиоксиданты) – вещества, препятствующие окислению резины. Они связывают кислород, диффундировавший в резину (химические), или образуют защитные пленки, предохраняющие от окисления (физические), – парафин, воск;

– пластификаторы, облегчающие переработку резиновой смеси, – парафин, вазелин и др.;

– наполнители – активные (сажа, оксиды кремния и цинка) участвуют в образовании трехмерной структуры и поэтому повышают свойства; инертные (мел, тальк) вводятся для удешевления;

– красители минеральные или органические выполняют декоративную роль; кроме того, поглощая коротковолновую часть солнечного спектра, задерживают световое старение резины.

В процессе эксплуатации резиновые изделия подвержены различным видам старения (световое, озонное, тепловое и др.), в результате происходят необратимые изменения свойств. Скорость старения в напряженном состоянии выше, чем в свободном.

Повышение температуры снижает прочность резин; рабочая температура нетеплостойких резин не превышает 150 °С, специальных теплостойких достигает 320 °С.

При низких температурах (ниже температуры Г.) происходит переход резины в стеклообразное состояние и потеря эластичных свойств. Специальные хладостойкие резины можно эксплуатировать при отрицательных температурах от -30 до -80 °С.

По назначению резины подразделяются на резины общего назначения и специальные (табл. 12.3).

К резинам общего назначения относятся НК, СКВ, СКС, СКИ. НК – на основе натурального каучука, СК – синтетического (последняя буква марки характеризует полимер – основу каучука): СКВ – бутадиеновый, СКС – бутадиенстирольный и др. Из резин общего назначения изготавливают ремни, рукава, транспортные ленты, прокладки (низкий модуль упругости определяет высокие виброгасящие свойства) и др.

Таблица 123

Физико-механические свойства резин

Тип каучука	Плотность, кг/м3	σв, МПа		Температура, °С
				рабочая	хрупкости
Резины общего назначения
ПК	920	30	600...800	80...130	-40...-62
СКВ	920	15	500...600	80... 150	-42...-68
СКС	920	25	500...800	80...130	-48...-77
СКИ	920	30	600...800	130	-58
Резины специального назначения
Бензомаслостойкие
Наирит	1225	25	500...600	80... 150	-42...-68
СКН	960	20...30	500...800	80... 130	-48...-77
Тиокол	1350	35	600...800	130	-58
Химически стойкие
Бутилкаучук	920	16...24	650...800	до 130	-30...-70
Теплостойкие (ТС) и тепло- и химически стойкие (ТХС)
СКТ (ТС)	1850	30...80	360	250...325	-74
СКФ (ТХС)	1850	10...20	200...400	250...325	-40
Износостойкие
СКУ	-	20...60	350...550	130	-21...-50

К специальным резинам относятся маслобензостойкие, теплостойкие, морозостойкие, светоозоностойкие, износостойкие и электротехнические.

Электротехнические резины подразделяют на электроизоляционные (ρ = 101|...1015 Ом•см) и электропроводящие (ρ = 102...104 Ом•см). Электропроводность достигается введением в резину угольной сажи и графита.

Технология изготовления резинотехнических изделий (РТИ) состоит из приготовления сырой резиновой смеси (сырая резина), прессования для получения необходимой формы и вулканизации, являющейся завершающей операцией.