Неметаллические материалы

полуфабрикат добавляют пластификаторы (органические вещества с высокой

температурой кипения и низкой температурой замерзания, например олеиновую

кислоту, стеарин, дибутилфталат и др.). Пластификатор сообщает пластмассе

эластичность, облегчает ее обработку. Наконец, исходная композиция может

содержать отвердители (различные амины) или катализаторы (перекисные

соединения) процесса отверждения термореактивных связующих, ингибиторы,

предохраняющие полуфабрикаты от их самопроизвольного отверждения, а также

красители (минеральные пигменты и спиртовые растворы органических красок,

служащие для декоративных целей).

Свойства пластмасс зависят от состава отдельных компонентов, их сочетания

и количественного соотношения, что позволяет изменять характеристики

пластиков в достаточно широких пределах.

По характеру связующего вещества пластмассы подразделяют на

термопластичные (термопласты), получаемые на основе термопластичных

полимеров, и термореактивные (реактопласты) — на основе термореактивных

смол. Термопласты удобны для переработки в изделия, дают незначительную

усадку при формовании (1-3%). Материал отличается большой упругостью, малой

хрупкостью и способностью к ориентации. Обычно термопласты изготовляют без

наполнителя. В последние годы стали применять термопласты с наполнителями в

виде минеральных и синтетических волокон (органопласты).

Термореактивные полимеры после отверждения и перехода связующего в

термостабильное состояние (пространственная структура) хрупки, часто дают

большую усадку (до 10—15%) при их переработке, поэтому в их состав вводят

усиливающие наполнители.

По виду наполнителя пластмассы делят на порошковые (пресс-порошки) с

наполнителями в виде древесной муки, сульфитной целлюлозы, графита, талька,

измельченных стекла, мрамора, асбеста, слюды, пропитанных связующими (часто

их называют карболитами); волокнистые с наполнителями в виде очесов хлопка

и льна (волокниты), стеклянного волокна (стекловолокниты), асбеста

(асбоволокниты); слоистые, содержащие листовые наполнители (листы бумаги в

гетинаксе, хлопчатобумажные, стеклянные, асбестовые ткани в текстолите,

стеклотекстолите и асботекстолите, древесный шпон в древеснослоистых

пластиках); крошкообразные (наполнитель в виде кусочков ткани или

древесного шпона, пропитанных связующим); газонаполненные (наполнитель -

воздух или нейтральные газы). В зависимости от структуры последние

подразделяют на пенопласты и поропласты.

Современные композиционные материалы содержат в качестве наполнителей

угольные и графитовые волокна (карбоволокниты); волокна бора

(бороволокниты).

По применению пластмассы можно подразделить на силовые (конструкционные,

фрикционные и антифрикционные, электроизоляционные) и несидовые (оптически

прозрачные, химически стойкие, электроизоляционные, теплоизоляционные,

декоративные, уплотнительные, вспомогательные). Однако это деление условно,

так как одна и та же пластмасса может обладать разными свойствами:

например, полиамиды применяют в качестве антифрикционных и

электроизоляционных материалов и т. д.

Пластмассы по своим физико-механическим и технологическим свойствам

являются наиболее прогрессивными и часто незаменимыми материалами для

машиностроения.

Недостатками пластмасс являются невысокая теплостойкость, низкие модуль

упругости и ударная вязкость по сравнению с металлами и сплавами, а для

некоторых пластмасс склонность к старению.

2. ТЕРМОПЛАСТИЧНЫЕ ПЛАСТМАССЫ

В основе термопластичных пластмасс лежат полимеры линейной или

разветвленной структуры, иногда в состав полимеров вводят пластификаторы.

Термопластичные пластмассы применяют в качестве прозрачных органических

стекол, высоко- и низкочастотных диэлектриков, химически стойких

материалов; из этих пластмасс изготовляют тонкие пленки и волокна. Детали,

выполненные из таких материалов, имеют ограниченную рабочую температуру.

Обычно при нагреве выше 60-70°С начинается резкое снижение их физико-

механических характеристик, хотя более теплостойкие пластмассы могут

работать при температуре 15О-25О°С. Термостойкие полимеры с жесткими цепями

и циклические структуры устойчивы до 400-600°С.

Неполярные термопластичные пластмассы. К неполярным пластикам относятся

полиэтилен, полипропилен, полистирол и фторопласт-4.

Полиэтилен (- СН2 - СН2 — )„ — продукт полимеризации бесцветного газа

этилена, относящийся к кристаллизующимся полимерам.

По плотности полиэтилен подразделяют на полиэтилен низкой плотности,

получаемый в процессе полимеризации при высоком давлении (ПЭВД), содержащий

55-65% кристаллической фазы, и полиэтилен высокой плотности, получаемый при

низком давлении (ПЭНД), имеющий кристалличность до 74 — 95%.

Чем выше плотность и кристалличность полиэтилена, тем выше механическая

прочность и теплостойкость материала.. Теплостойкость полиэтилена невысока,

поэтому длительно его можно применять при температурах до 60-100°С.

Морозостойкость полиэтилена достигает — 70°С и ниже. Полиэтилен химически

стоек, и при комнатной температуре нерастворим ни в одном из известных

растворителей. При нагревании устойчив к воде, к ацетону, к спирту.

Недостатком полиэтилена является его подверженность старению. Для защиты

от старения в полиэтилен вводят стабилизаторы и ингибиторы (2-3% сажи

замедляют процессы старения в 30 раз).

Под действием радиоактивного облучения полиэтилен твердеет, приобретает

большую прочность и теплостойкость.

Полиэтилен применяют для изготовления труб, литых и прессованных

несиловых деталей (вентили, контейнеры и др.), полиэтиленовых пленок для

изоляции проводов и кабелей, чехлов, остекления парников, облицовки

водоемов; кроме того, полиэтилен служит покрытием на металлах для защиты от

коррозии, влаги, электрического тока и др.

Полипропилен (— СН2 - СНСН3 - ),, - является производной этилена.

Применяя металлоорганические катализаторы, получают полипропилен,

содержащий значительное количество стереорегулярной структуры. Это жесткий

нетоксичный материал с высокими физико-механическими свойствами. По

сравнению с полиэтиленом этот пластик более теплостоек: сохраняет форму до

температуры 150°С. Полипропиленовые пленки прочны и более газонепроницаемы,

чем полиэтиленовые, а волокна эластичны, прочны и химически стойки.

Нестабилизированный полипропилен подвержен быстрому старению. Недостатком

пропилена является его невысокая морозостойкость (— 10 - 20°С).

Полипропилен применяют для изготовления труб, конструкционных деталей

автомобилей, мотоциклов, холодильников, корпусов насосов, различных

емкостей и др.Пленки используют в тех же целях, что и

полиэтиленовые.

Полистирол ( - СН2 - СНС6Н5 - )„— твердый, жесткий, прозрачный, аморфный

полимер. По диэлектрическим характеристикам близок к полиэтилену, удобен

для механической обработки, хорошо окрашивается.

Будучи неполярным, полистирол растворяется во многих неполярных

растворителях (бензол), в то же время Он химически стоек к кислотам и

щелочам; нерастворим в спиртах, бензине, маслах, воде. Полистирол наиболее

стоек к радиоактивному облучению по сравнению с другими термопластами

(присутствие в макромолекулах фенильного радикала С6Н5).

Недостатками полистирола являются его невысокая теплостойкость,

склонность к старению, образование трещин.

Ударопрочный полистирол представляет собой блоксополимер стирола с

синтетическим каучуком. Такой материал имеет в 3 — 5 раз более высокую

прочность на удар и в 10 раз более высокое относительное удлинение по

сравнению с обычным полистиролом (рис. 199). Высокопрочные АБС-пластики

(акрилонитрилбутадиенстирольные) отличаются повышенной химической

стойкостью и ударной прочностью, имеют ?в = 3,5 - 6,5 кгс/мм2, Ев = 100 -

250 кгс/мм2 и теплостойкость по Вику 100—125°С). Однако диэлектрические

свойства таких сополимеров ниже по сравнению с чистым полистиролом. Из

полистирола изготовляют детали для радиотехники, телевидения и приборов,

детали машин (корпуса, ручки и др.), сосуды для воды и химикатов, пленки

стирофлекс для электроизоляции, а АБС-пластики применяются для деталей

автомобилей, телевизоров, лодок, труб и т. д.

Физико-механические свойства неполярных термопластов

Таблица 1

| | |Рабочая |Предел прочности, |

|Материал |Плотност|температура, °С |кгс/мм2 |

| |ь, г/см3| | |

|Тип волокна |ность,|прочно-|упругост|тельное|стабильности.|

| | | |и, | | |

| |г/см3 |сти, |103 | |СС |

| | | | |удлинен| |

| | | | |ие, % | |

| | |кгс/мм2|кгс/мм2 | | |

|Стеклянные: | | | | | |

|алюмоборосиликатные |2,5-2,|140-220|6 |2-3 |700* |

| |6 | | | | |

|высокомодульные |2,5-2,|390-470|9,5-11 |4,4-5. |До 870 |

| |6 | | | | |

|Углеродные |1,75-1|230-290|28-31 |0,7-1 |2200 |

|высокомодульные |,95 | | | | |

|Борные |2,5 |280-320|39-40 |0,7-0,8| |

| | | | | |TТразм = |

| | | | | |3650) 980 |

| | | | | |(Тпл = 2200) |

|Окись алюминия |3,97 |210 |17 |— |1000 - 1500 |

|Карбид кремния |3,18 |350 |42 |_ |(Tпл = 2050) |

| | | | | |1200 - 1700 |

|Синтетические: | | | | |(Tпл = 2090) |

|полиамидное (капрон) |1,14 |77-85 |0,32-0,3|13-17 |196-216** |

| | | |5 | | |

|полиэфирное (лавсан) |1,38 |48-62 |1,02-1,1|14-15 |235-255** |

| |1,17 |46-56 |0,46-0,5|16-17 |— |

|полиакрилонитрильное | | |8 | | |

|(нитрон) | | | | | |

| | | | | | |

|поливинилспиртовое | | | | | |

|(винол) | | | | | |

|Поливинилспиртовое |1,26 |60-100 |2,5 |7-12 |- |

|(винол) | | | | | |

|Из ароматического |1,4 |200-280|11-12 |2-5 | |

|полиамида | | | | | |

|Проволоки: | | | | | |

|вольфрамовая |19,3 |220-430|35-42 |— |— |

|молибденовая |10.2 |215 |36 |_ |__ |

|титановая |4,72 |190-200|12 | |_ |

|стальная |7,9 |420 |20 |— |- |

*Температура плавления.

**Температура деструкции

Преимуществом композиционных материалов являются высокие прочность и

жесткость (для карбоволокнитов ?в = 65 - 170 кгс/мм2, Е= 12000 - 18 000

кгс/мм2; для бороволокнитов ?в = 90 - 175 кгс/мм2, Е =

21400 - 27000 кгс/мм2), хорошее сопротивление хрупкому разрушению,

жаропрочность и термическая стабильность. Плотность композиционных

материалов составляет от 1,35 до 4,8 г/см3.

Композиционные материалы являются перспективными конструкционными

материалами для различных отраслей машиностроения.

1. КАРБОВОЛОКНИТЫ

Карбоволокниты (углепласты) представляют собой композиции, состоящие из

полимерного связующего (матрицы) и упрочнителей (наполнителей) в виде

углеродных волокон (карбоволокон).

Углеродные волокна получают термообработкой органических волокон. В

зависимости от температуры термообработки и содержащегося углерода волокна

подразделяют на частично карбонизованные (900°С, 85-90%), карбонизованные

(900-1500°С, 95-99%) и графитированные, (1500 — 3000°С, >99.%). Два

последних типа имеют наибольшее значение.

В зависимости от формы исходного сырья углеродные волокна могут быть в

виде нитей, жгутов, войлока, тканей; волокна можно перерабатывать на

обычном текстильном оборудовании.

Практическое применение нашли вискозные кордные волокна (ВК) и

полиакрилонитрильные (П АН-вол окна).

Свойства волокон зависят от термообработки, с увеличением температуры

происходит образование гексагональных углеродных слоев, их рост и

упорядочение. Структура волокон фибриллярная. Каждая фибрилла состоит из

лентообразных микрофибрилл, разделенных узкими и длинными продольными

порами.

В результате вытяжки достигается ориентация кристаллитов, что позволяет

получать высокопрочные и высокомодульные углеродные волокна.

Обычные углеродные волокна имеют ?в = 50 - 100 кгс/мм2 и Е = = 2000--7000

кгс/мм2; для высокопрочных и высокомодульных волокон ?в >150 кгс/мм2 и Е>

15000 кгс/мм2. По удельным прочности (?/р) и жесткости (Е/р) последние

превосходят все жаростойкие волокнистые материалы.

Высокая энергия связи С — С углеродных волокон позволяет им сохранять

прочность при очень высоких температурах (в нейтральной и восстановительной

средах до 2200°С), а также при низких температурах. От окисления

поверхности волокна предохраняют защитными, покрытиями

(пиролитическими). В отличие от стеклянных волокон карбоволокна плохо

смачиваются связующим (низкая поверхностная энергия), поэтому их подвергают

травлению, аппретированию, вискеризации.

Связующими служат синтетические полимеры (полимерные карбоволокниты);

синтетические полимеры, подвергнутые пиролизу (коксованные карбоволокниты);

пиролитический углерод (пироуглеродные карбоволокниты).

В качестве полимерных связующих применяют эпоксидные,

фенолоформальдегидные. смолы, полиимиды и др.

Эпоксифенольные карбоволокниты КМУ-1л, упрочненный углеродной лентой, и

КМУ-lл на жгуте, вискеризованном нитевидными кристаллами, могут длительно

работать при температуре до 200°С.

Карбоволокниты КМУ-3 и КМУ-Зл получают на эпоксианилиноформальдегидном

связущем, их можно эксплуатировать при температуре до 100°С, они наиболее

технологичны. Карбоволокниты КМУ-2 и КМУ-2л на основе полиимидного

связущего можно применять при температуре до 300°С [43].

Карбоволокниты отличаются высокой статической и динамической

выносливостью (рис. 215), сохраняют это свойство при нормальной и очень

низкой температуре (высокая теплопроводность волокна предотвращает

саморазогрев материала за счет внутреннего трения). Они водо- и химически

стойки. После воздействия на воздухе рентгеновского излучения ?и и ?и почти

не изменяются.

Теплопроводность углепластиков в 1,5-2 раза выше, чем у стеклопластиков.

Они имеют следующие электрические свойства: р„ = 0,0024 4- 0,0034 Ом-см

(вдоль волокон); Е=10 и tg ? = 0,01 (при частоте 1010 Гц).

Карбостекловолокниты содержат наряду с угольными стеклянные, волокна, что

удешевляет материал.

Карбоволокниты с углеродной матрицей. Коксованные материалы получаются из

обычных полимерных карбоволокнитов, подвергнутых пиролизу в инертной или

восстановительной атмосфере. При температуре 800—1500°С образуются

карбонизованные, при 2500-3000°С графитированные карбоволокниты. Для

получения пироуглеродных материалов упрочнитель выкладывается по форме

-изделия и помещается в печь, в которую пропускается газообразный

углеводород (метан). При определенном режиме (1100°С и остаточном давлении

20 мм-рт. ст.) метан разлагается, и образующийся пиролитический углерод

осаждается на волокнах упрочнителя, связывая их.

Образующийся при пиролизе связующего кокс имеет высокую прочность

сцепления с углеродным волокном. В связи с этим композиционный материал

обладает высокими механическими и абляционными свойствами, стойкостью к

термическому удару.

Карбоволокнит на углеродной матрице типа КУП-ВМ: по значениям прочности и

ударной вязкости в 5 —10 раз превосходит специальные графиты; при нагреве в

инертной атмосфере и вакууме он сохраняет прочность до 2200°С, на воздухе

окисляется при 450°С и требует защитного покрытия. Коэффициент трения

одного карбоволокнита с углеродной матрицей по другому высок (0,35-0,45), а

износ мал (0,7-1 мкм на торможение).

Полимерные карбоволокниты используют в судо- и автомобилестроении (кузова

гоночных машин, шасси, гребные винты); из них изготовляют подшипники,

панели отопления, спортивный инвентарь, части ЭВМ. Высокомодульные

карбоволокниты применяют для изготовления деталей авиационной техники,

аппаратуры для химической промышленности, в рентгеновском оборудовании и

др.

Карбоволокниты с углеродной матрицей применяют для тепловой защиты,

дисков авиационных тормозов, химически стойкой аппаратуры, заменяя

различные типы графитов.

2. БОРОВОЛОКНИТЫ

Бороволокниты представляют собой композиции из полимерного связующего и

упрочнителя — борных волокон.

Бороволокниты отличаются высокой прочностью при сжатии, сдвиге и срезе,

низкой ползучестью, высокими твердостью и модулем упругости, тепло- и

электропроводностью.

Борное волокно получается осаждением бора из газовой фазы на поверхность

разогретой вольфрамовой проволоки. Вследствие диффузии и взаимодействия

между бором и вольфрамом последний превращается в бориды вольфрама. Таким

образом, наружная оболочка волокна состоит из металлического бора,

сердечник — из кристаллических боридов переменного состава. Борные волокна

имеют d = 90 -- 150 мкм, ?„ = 280 - 320 кгс/мм2, г = 0,7 - 0,8%, Е = 39000

-- 40000 кгс/мм2, выпускаются под марками БН и борофил (США). При

температуре > 400°С волокна окисляются и требуют нанесения защитных

покрытий (карбиды). Ячеистая микроструктура борных волокон обеспечивает

высокую прочность при сдвиге на границе раздела с матрицей.

Помимо непрерывного борного волокна применяют комплексные боростеклонити,

в которых несколько параллельных борных волокон оплетаются стеклонитью,

придающей формоустойчивость. Применение боростеклонитей. облегчает

технологический процесс изготовления бороволокнитов.

В качестве матриц для получения бороволокнитов используют

модифицированные эпоксидные и полиимидные связующие. Бороволокниты КМБ-1 и

КМБ-1к предназначены для длительной работы при температуре 200°С; КМБ-3 и

КМБ-Зк не требуют высокого давления при переработке и могут работать при

температуре не свыше 100°С; КМБ-2к работоспособен при 300°С .

Бороволокниты обладают высокой усталостной прочностью (до 35 — 40

кгс/мм2), их свойства можно изменять за счет различной укладки упрочнителя.

Бороволокниты стойки к воздействию проникающей радиации, к воде,

органическим растворителям и горюче-смазочным материалам.

3.Органоволокниты

Представляют собой композиционные материалы, состоящие из полимерного

связующего и упрочнителей в виде синтетических волокон. Они устойчивы в

агрессивных средах и во влажном тропическом климате; диэлектрические

свойства высокие, а теплопроводность низкая.

Органоволокниты применяют в качестве изоляционного и конструкционного

материала в электрорадиопромышленности, авиационной технике, автостроении;

из них изготовляют трубы, емкости.

РЕЗИНОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ______________

1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ, СОСТАВ И КЛАССИФИКАЦИЯ РЕЗИН

Резиной называется продукт специальной обработки (вулканизации) смеси

каучука и серы с различными добавками.

Резина как технический материал отличается от других материалов высокими

эластическими свойствами, которые присущи каучуку — главному исходному

компоненту резины. Она способна к очень большим деформациям (относительное

удлинение достигает 1000%), которые почти полностью обратимы. При комнатной

температуре резина находится в высокоэластическом состоянии и ее

эластические свойства сохраняются в широком диапазоне температур.

Модуль упругости лежит в пределах 0,1 — 1 кгс/мм2, т. е. он в тысячи и

десятки тысяч раз .меньше, чем для других материалов. Особенностью резины

является ее малая сжимаемость (для инженерных расчетов резину считают

несжимаемой); коэффициент Пуассона равен 0,4 — 0,5, тогда как для металла

эта величина составляет 0,25 — 0,30. Другой особенностью резины как

технического материала является релаксационный характер деформации. При

комнатной температуре время релаксации может составлять-10 ~ 4 с й более.

При работе резины в условиях многократных механических напряжений часть

энергии, воспринимаемой изделием, теряется на внутреннее трение (в самом

каучуке и между молекулами каучука и частицами добавок); это трение

преобразуется в теплоту и является причиной гистерезисных потерь. При

эксплуатации толстостенных деталей (например, шин) вследствие низкой

теплопроводности материала нарастание температуры в массе резины снижает ее

работоспособность.

Кроме отмеченных особенностей для резиновых материалов характерны высокая

стойкость к истиранию, газо- и водонепроницаемость, химическая стойкость,

электроизолирующие свойства и небольшая плотность.

В результате совокупности технических свойств резиновых материалов их

применяют для амортизации и демпфирования, уплотнения и герметизации в

условиях воздушных и жидкостных сред, химической защиты деталей машин, в

производстве тары для хранения масел и горючего, различных трубопроводов

(шлангов), для покрышек и камер колес самолетов, автотранспорта и т. д.

Номенклатура резиновых изделий насчитывает более 40000 наименований.

Состав и классификация резин. Основой всякой резины служит каучук

натуральный (НК) или синтетический (СК), который и определяет основные

свойства резинового материала. Для улучшения физико-механических свойств

каучуков вводятся различные добавки (ингредиенты). Таким образом, резина

состоит из каучука и ингредиентов, рассмотренных ниже. 1. Вулканизующие

вещества (агенты) участвуют в образовании пространственно-сеточной

структуры вулканизата. Обычно в качестве таких

веществ применяют серу и селем, для некоторых каучуков перекиси. Для

резины электротехнического назначения вместо элементарной серы (которая

взаимодействует с медью) применяют органические сернистые соединения —

тиурам (тиурамовые резины).

Ускорители процесса вулканизации: полисульфиды, окислы свинца, магния и

др. влияют как на режим вулканизации, так и на физико-механические свойства

вулканизатов.. Ускорители проявляют свою наибольшую активность в

присутствии окислов некоторых металлов (цинка и др.), называемых поэтому в

составе резиновой смеси активаторами.

Противостарители (антиоксиданты) замедляют процесс старения резины, который

ведет к ухудшению ее эксплуатационных свойств. Существуют противостарители

химического и физического действия. Действие первых заключается в том, что

они задерживают окисление каучука в результате окисления их самих или за

счет разрушения образующихся перекисей каучука (применяются альдольнеозон Д

и др.). Физические противостарители (парафин, воск) образуют поверхностные

защитные пленки, они

применяются реже.

Мягчители (пластификаторы) облегчают переработку резиновой смеси,

увеличивают эластические свойства каучука, повышают морозостойкость резины.

В качестве мягчителей вводят парафин, вазелин, стеариновую кислоту, битумы,

дибутилфталат, растительные масла. Количество

мягчителей 8 — 30% от массы каучука.

Наполнители по воздействию на каучук подразделяют на активные

(усиливающие) и неактивные (инертные). Усиливающие наполнители

(углеродистая сажа и белая сажа — кремнекислота, окись цинка и др.)

повышают механические свойства резин: прочность, сопротивление истиранию,

твердость. Неактивные наполнители (мел, тальк, барит) вводятся для

удешевления стоимости резины.

Часто в состав резиновой смеси вводят регенерат — продукт переработки

старых резиновых изделий и отходов резинового производства. Кроме снижения

стоимости регенерат повышает качество резины, снижая ее склонность к

старению.

5.Красители минеральные или органические вводят для окраски резин.

Некоторые красящие вещества (белые, желтые, зеленые) поглощают

коротковолновую часть солнечного спектра и этим защищают резину от

светового старения.

Любой каучук является непредельным высокополимерным соединением с двойной

химической связью между углеродными атомами в элементарных звеньях

макромолекулы. Молекулярная масса каучуков исчисляется в 400000 — 450000.

Структура макромолекул линейная или слаборазветвленная и состоит из

отдельных звеньев, которые имеют тенденцию свернуться в клубок, занять

минимальный объем, но этому препятствуют силы межмолекулярного

взаимодействия, поэтому молекулы каучука извилистые (зигзагообразные).

Такая форма молекул и является причиной исключительно высокой эластичности

каучука (под небольшой нагрузкой происходит выпрямление молекул, изменяется

их конформация). По свойствам каучуки напоминают термопластичные полимеры.

Наличие в молекулах каучука непредельных связей позволяет, при определенных

условиях, переводить его в термостабильное состояние. Для этого по месту

двойной связи присоединяется двухвалентная сера (или другое вещество),

которая образует в поперечном направлении как бы «мостики» между

нитевидными молекулами каучука, в результате чего получается

пространственно-сетчатая структура, присущая резине (вулканизату). Процесс

химического взаимодействия каучука с серой в технике называется

вулканизацией

В зависимости от количества вводимой серы получается различная частота

сетки полимера. При введении 1-5% серы образуется редкая сетка, и резина

получается высокоэластичной, мягкой. С увеличением процентного содержания

серы сетчатая структура становится все более частой, резина более твердой,

и при максимально возможном (примерно 30%) насыщении каучука серой

образуется твердый материал, называемый эбонитом]

При вулканизации изменяется молекулярная структура полимера (образуется

пространственная сетка), что влечет изменение его физико-механических

свойств: резко возрастет прочность при растяжении и эластичность каучука, а

пластичность почти полностью исчезает (например, натуральный каучук имеет

?в = 0,10 - 0,15 кгс/мм2, после вулканизации ?в = 3,5 кгс/мм2);

увеличивается твердость, сопротивление износу. Многие каучуки растворимы в

растворителях, резины только набухают в них и более стойки к химикатам.

Резины имеют более высокую теплостойкость (НК размягчается при температуре

90°С, резина работает при температуре свыше 100эС).

На изменение свойств резины оказывает влияние взаимодействие каучука с

кислородом, поэтому при вулканизации одновременно происходят два процесса:

структурирование под действием вулканизующего агента и деструкция под

влиянием окисления и температуры. Это особенно характерно для резин из НК.

Для синтетических каучуков (СК) процесс вулканизации дополняется

полимеризацией: под действием кислорода и температуры образуются

межмолекулярные углеродистые связи, упрочняющие термостабильную структуру,

что дает повышение прочности.

Термическая устойчивость вулканизата зависит от характера образующихся в

процессе вулканизации связей. Наиболее прочные, а следовательно,

термоустойчивые связи — С — С — (62,7 ккал/моль), наименьшая прочность у

полисульфидной связи — С — S — С — (27,5 ккал/моль).

Современная физическая теория упрочнения каучука объясняет повышение его

прочности наличием сил связи (адсорбции и адгезии), возникающих между

каучуком и наполнителем, а также образованием непрерывной цепочно-сетчатой

структуры наполнителя вследствие взаимодействия между частицами

наполнителя. Возможно и химическое взаимодействие каучука с наполнителем.

По назначению резины подразделяют на резины общего назначения и резины

специального назначения (специальные).

2. РЕЗИНЫ ОБЩЕГО НАЗНАЧЕНИЯ

К группе резин общего назначения относят вулканизаты неполярных каучуков

- НК, СКБ, СКС, СКИ.

НК — натуральный каучук является полимером изопрена (С5Н8)„. Он

растворяется в жирных и ароматических растворителях (бензине, бензоле,

хлороформе, сероуглероде и др.), образуя вязкие растворы, применяемые в

качестве клеев. При нагревании выше 80—100°С каучук становится пластичным и

при 200°С начинает разлагаться. При температуре — 70°С НК становится

хрупким. Обычно НК аморфен. Однако при длительном хранении возможна его

кристаллизация. Кристаллическая фаза возникает также при растяжении

каучука, что значительно увеличивает его прочность. Для получения резины НК

вулканизуют серой. Резины на основе НК отличаются высокой эластичностью,

прочностью, водо- и газонепроницаемостью, высокими электроизоляционными

свойствами: р„ = 3-1014 -23?1018 Ом см; е = 2,5.

СКБ — синтетический каучук бутадиеновый (дивинильный) получают по методу

С. В, Лебедева. Формула полибутадиена (С4Н6)„. Он является

некристаллизующимся каучуком и имеет низкий предел прочности при

растяжении, поэтому в резину на его основе необходимо вводить усиливающие

наполнители (сажу, окись цинка и др.). Морозостойкость СКБ невысокая ( — 40

- 45°С). Он набухает в тех же растворителях, что и НК. Кроме СКБ выпускают

дивинильные каучуки СКВ и СКБМ, отличающиеся повышенной морозостойкостью, а

также стереорегулярный каучук СКД, который по основным техническим

свойствам приближается к НК. Дивинильные каучуки вулканизуются серой

аналогично натуральному каучуку.

СКС - бутадиенстирольный каучук получается при совместной полимеризации

бутадиена (С4Н6) и стирола (СН2 = СН — С6Н5).

В зависимости от процентного содержания стирола каучук выпускают

нескольких марок: СКС-10, СКС-30, СКС-50. Свойства каучука зависят

от содержания стирольных звеньев. Так, например, чем больше стирола, тем

выше прочность, но ниже морозостойкость. Из наиболее распространенного

каучука СКС-30 получают резины с хорошим сопротивлением старению и хорошо

работающие при многократных деформациях. По газонепроницаемости и

диэлектрическим свойствам они равноценны резинам на основе НК. Каучук СКС-

10 можно применять при низких температурах (-74; -77°С). При подборе

соответствующих наполнителей можно получить резины с высокой механической

прочностью.

СКИ — синтетический каучук изопреновый — продукт полимеризации изопрена

(С5Н8). .Получение СКИ стало возможным в связи с применением новых видов

катализаторов (например, лития). По строению, химическим и физико-

механическим свойствам СКИ близок к натуральному каучуку. В промышленности

выпускают, каучук СКИ-3, СКИ-З-П, наиболее близкий по свойствам к НК;

каучук СКИ-3Д предназначен для электроизоляционных резин, СКИ-ЗВ - для

вакуумной техники.

Резины общего назначения могут работать в среде воды, воздуха, слабых

растворов кислот и щелочей. Интервал рабочих температур составляет от — 35

--- -50 до 80-130°С. Из этих резин изготовляют шины, ремни, рукава,

транспортерные ленты, изоляцию кабелей, различные резинотехнические

изделия.

3. РЕЗИНЫ СПЕЦИАЛЬНОГО НАЗНАЧЕНИЯ

Специальные резины подразделяются на несколько видов: маслобензостойкие,

теплостойкие, светоозоностойкие, износостойкие, электротехнические, стойкие

к гидравлическим жидкостям.

Маслобензостойкие резины получают на основе каучуков хлоропренового

(наирит), СКН и тиокола.

Наирит является отечественным хлоропреновым каучуком. Хлоропрену

соответствует формула СН2 = СС1 — СН = СН2.

Вулканизация может производиться термообработкой, даже без серы, так как

под действием температуры каучук переходит в термостабильное состояние.

Резины на основе наирита обладают высокой эластичностью, вибростойкостью,

озоностойкостыо, устойчивы к действию топлива и масел, хорошо

сопротивляются тепловому старению. (Окисление каучука замедляется

экранирующим действием хлора на двойные связи). По температуроустойчивости

и морозостойкости ( — 35ч— 40°С) они уступают как НК, так и другим СК.

Электроизоляционные свойства резины на основе полярного наирита ниже, чем у

резины на неполярных каучуках. (За рубежом полихлорпреновый каучук

выпускается под названием неопрен, пербунан-С и др.).

СКН — бутадиеннитрильный каучук — продукт совместной полимеризации

бутадиена с нитрилом акриловой кислоты:

- СН2 - СН = СН - СН2 - СН2 - CHCN -

В зависимости от состава каучук выпускают следующих марок: СКН-18, СКН-

26,. СКН-40. (Зарубежные марки хайкар, пербунан, буна-N и др.). Присутствие

в молекулах каучука группы CN сообщает ему полярные свойства. Чем выше

полярность каучука, тем выше его механические и химические свойства и тем

ниже морозостойкость (например СКН-18 от -50 до -60 0С, СКН-40 от

-26 до -28°С). Вулканизируют СКН при помощи серы. Резины на основе СКН

обладают высокой прочностью (?в = 3,5 кгс/мм2), хорошо сопротивляются

истиранию, но по эластичности уступают резинам на основе НК, превосходят их

по стойкости к старению и действию разбавленных кислот и щелочей.

Маслобензостойкие резины могут работать в среде бензина, топлива, масел в

интервале

температур от — 30 -= 50 до 100-130°С. Резины на основе СКН применяют для

производства ремней, транспортерных лент, рукавов, маслобензостойких

резиновых деталей (уплотнительные прокладки, манжеты и т. п.).

Полисулъфидный каучук, или тиокол, образуется при взаимодействии

галоидопроизводных углеводородов с многосернистыми соединениями щелочных

металлов:

... — СН2 — СН2 — S2 — S2 — ...

Тиокол вулканизуется перекисями. Присутствие в основной цепи

макромолекулы серы придает каучуку полярность, вследствие чего он

становится устойчивым к топливу и маслам, к действию кислорода, озона,

солнечного света. Сера также сообщает тиоколу высокую газонепроницаемость

(выше, чем у НК), поэтому тиокол — хороший герметизирующий материал.

Механические свойства резины на основе тиокола невысокие. Эластичность

резин сохраняется при температуре — 40 -.— 60°С. Теплостойкость не

превышает 60 —70°С. Тиоколы новых марок работают при температуре до 130°С.

Теплостойкие резины получают на основе каучука СКТ.

СКТ- синтетический каучук теплостойкий, представляет собой

кремнийорганическое (полисилоксановое) соединение с химической формулой:

... -Si(CH3)2-O-Si(CH3)2- ...

Каучук вулканизуется перекисями и требует введения усиливающих

наполнителей (белая сажа). Присутствие в основной молекулярной цепи прочной

силоксановой связи придает каучуку высокую теплостойкость. Так как СКТ

Страницы: 1, 2, 3