Каучуки и резиновые материалы

⇐ ПредыдущаяСтр 2 из 11Следующая ⇒

Каучуки (эластомеры) являются высокомолекулярными полимерными материалами, находящимися при обычных температурах в высокоэластичном физическом состоянии. У каучуков линейное строение макромолекул, которые многократно изогнуты и свернуты в клубки. При растягивании каучука молекулы распрямляются, а в случае снятия механической нагрузки макромолекулы возвращаются в свернутое состояние.

Сырой каучук при комнатных температурах липкий, недостаточно прочен. С понижением температуры до (-40...-70 °С) переходит в стеклообразное физическое состояние и становится хрупким.

Каучуки применяются для изготовления резины и резиновых изделий. Используют натуральный НК и различные синтетические каучуки СК.

Натуральный каучук встречается во многих растениях тропического пояса. Лучшим каучуконосом является бразильская гевея, происходящая из бассейна реки Амазонки (Южная Америка). Это дерево достигает высоты 45 метров при 2, 5...2, 8 метров в обхвате. Каучук в гевее находится в виде взвеси мелких ча.стиц диаметром 0, 5.... 1, 0 мкм в млечном соке. На языке местных индейцев: «кау» - дерево, «учу» - плакать, течь.

По своему строению натуральный каучук представляет собой полимерное соединение изопрена и имеет стереорегулярное пространственное расположение групп СН₂ по одну сторону от двойной ковалентной связи С = С (цисконфигурация):

Рис. 5. Строение натурального каучука

Производится широкий ассортимент синтетических каучуков, различных по составу и потребительским свойствам. В качестве мономеров для их производства используются изопрен, бутадиен, стирол, хлоропрен и др.

По областям применения различают каучуки общего и специального назначения. Каучуки общего назначения обладают комплексом свойств, позволяющим применять их для производства широкого круга изделий, для которых необходимо основное свойство резин - высокая эластичность при обычных температурах (шины, транспортерные ленты, обувь и др.). Каучуки специального назначения должны обладать свойствами, обеспечивающими работоспособность изделий в специфических, часто экстремальных условиях: стойкостью к действию растворителей, масел, кислорода, озона, тепло- и морозостойкостью (т. е. способностью сохранять высокую эластичность в широком диапазоне температур) и другими специфическими свойствами.

Примеры некоторых синтетических каучуков. Среди каучуков общего назначения широко распространены бутадиеновые СКД (стереорегулярный 1, 4-цис-полибутадиен) и изопреновые СКИ (1, 4-цис-полиизопрен) каучуки (рис. 6).

Рис. 6. Строение бутадиеновых СКД (а) и изопреновых СКИ (б) каучуков

Они обладают высокой прочностью, эластичностью, износостойкостью и невысокой стоимостью, что обусловливает их широкое применение в производстве разнообразных резиновых изделий.

Для модификации потребительских свойств каучуков широко используют сополимеризацию –диен полимеризуют с добавлением какого-либо алкена. Такой полимер состоит из элементарных звеньев двух различных типов. Таким сополимером является еще один распространенный СК - бутадиеновый каучук (СКС) (рис. 7). Он применяется не только при производстве резиновых изделий, но также является основой строительного латекса и латексно-эмульсионных красок.

Рис.7. Строение бутадиенстирольного каучука СКС

Бутил каучук (БК) - сополимер 2-метилпропена с небольшим количеством изопрена - относится уже к каучукам специального назначения, так как обладает высокой стойкостью к различным воздействиям, поэтому его используют для электроизоляции, антикоррозионных и теплостойких покрытий (рис. 8, а).

Полихлоропропеновые каучуки (наирит, неопрен) - обладают высокой масло-, бензо-, озоностойкостью (рис. 8, б).

Рис. 8. Строение бутилкаучука (а) и хлоролренового каучука (6)

Кремний-органические каучуки - полиорганосилоксаны - помимо тепло- и морозостойкости и высоких электроизоляционных свойств обладают ещё и физиологической инертностью, что обусловливает их применение в изделиях пищевого и медицинского назначения (рис. 9).

Рис. 9. Строение кремиий-органических каучуков

Получение резиновых материалов проводят путем нагрева каучуков со специальными добавками - вулканизаторами (серой, органическими перекисями и др.). При этом атомы вулканизатора вступают в химическое взаимодействие с линейными молекулами каучука по месту некоторых двойных связей, образуя поперечные ковалентные связи (рис. 10). В результате, вместо линейного строения макромолекул каучука, образуется пространственная сетчатая структура резинового материала. Такой процесс преобразования структуры материала называется вулканизацией.

Рис, 10 Образование резинового материала при химическом

взаимодействии каучука с вулканизатором (серой)

В технологии резинового производства вулканизации подвергают сформованные серые заготовки, полученные из смеси каучука с различными добавками (ингредиентами). На первой стадии проводят развеску каучука и добавок для получения требуемого состава резинового материала. Затем смешивают все компоненты и выполняют формование (каландрирование) серых резиновых заготовок.

После этого следует завершающая операция производства - вулканизация – и получают готовые резиновые изделия.

В состав исходной резиновой смеси, кроме каучука и вулканизатора, входят следующие компоненты:

1. Наполнители - повышают физико-механические свойства резин: прочность, износостойкость, сопротивление истиранию. К наполнителям относятся различные типы саж (технический углерод), минеральные вещества (мел СаСОз, BaS0₄, гипс СаО 2Н₂0, тальк 3MgO SiO₂ 2Н₂0, оксид кремния SiО₂);

2. Пластификаторы (мягчители) — вещества, которые улучшают технологические свойства резины, облегчают ее обработку (понижают вязкость системы). Введение пластификаторов повышает динамическую выносливость резины, сопротивление истиранию. В качестве пластификаторов используются продукты переработки нефти (мазут, гудрон, парафины), вещества растительного происхождения (канифоль), жирные кислоты (стеариновая, олеиновая) и другие;

3. Антиокислители (стабилизаторы, противостарители) вводят в резиновую смесь для предупреждения «старения» каучука, т.е. повышения долговечности резиновых изделий;

4. Ускорители вулканизации - улучшают свойства вулканизаторов, сокращают время вулканизации и расход основного сырья. В качестве ускорителей используются неорганические соединения (оксид магния MgO, оксид свинца РbО и другие) и органические: дитиокарбаматы, тиурамы, ксантогенаты и другие;

5. Активаторы ускорителей вулканизации облегчают реакции взаимодействия всех компонентов резиновой смеси. В основном в качестве активаторов применяют оксид цинка.

Для повышения эксплуатационных свойств некоторых резиновых изделий (шин, лент транспортеров и др.) в конструкцию этих изделий вводят корд, служащий каркасом (крученая пряжа, металлическая проволока и др.).

В различных областях техники применяется большое количество марок резиновых материалов, отличающихся своими свойствами. По областям применения резины используются для следующих назначений:

3.. резины для изготовления шинной продукции с использованием каучуков общего назначения: НК, СКИ-3, СКД и др. и до 40-50 видов добавок- ингредиентов;

4.. резины для резинотехнических изделий (прокладок, уплотнителей, шлангов и т.д.), в которых применяются до 30 видов каучуков специального и общего назначения и до 100 различных ингредиентов.

Число деталей из резиновых материалов составляет от 500 в автомобиле ВАЗ 2121 и до 30 тысяч на морском судне.

Наиболее характерным свойством резин является способность к высокой обратимой высокоэластичной деформации. Относительное удлинение при растяжении ко времени разрыва образцов достигает 600...800 %. Интервал температур работоспособности резиновых материалов разных марок составляет от -60°С до +125°С.

Синтетические клеи

Операция склеивания широко применяется в различных областях техники. Она основана на адгезии, т.е. способности клеевого слоя прочно удерживаться на поверхности склеиваемых материалов. Клей должен смачивать поверхности, которые не содержат загрязнений.

Прочность склеивания определяется также когезией, т.е. прочностью самой клеевой пленки.

Клеи являются коллоидными растворами пленкообразующих полимерных материалов в растворителе (ацетон, спирт и др.). Наиболее распространено применение синтетических клеев. Они используются для склеивания пластмасс, тканей, стекла, металлов, сплавов, керамики, бумаги, древесины, кожи, резины и т.д. - практически любых материалов.

Синтетические полимерные клеи подразделяются на термопластичные и термореактивные. Особенностями термопластичных клеев является невысокая теплоемкость и гибкие, нехрупкие клеевые пленки. Эти клеи применяют при температурах эксплуатации не выше 60 °С. Термореактивные клеи отличаются повышенной теплостойкостью и прочностью; они обеспечивают работоспособность клеевых швов до 200...300°С, а клеи на основе кремнийорганических полимеров - до 1200°С.

Неорганические клеи представляют собой водные системы без органических растворителей. Больше всего применяют апюмофосфатные растворы, получаемые растворением А1(ОН)з в 65 %-ной Н3РО4.

Клей характеризуется концентрацией, вязкостью, жизнеспособностью, адгезией (после склеивания). Оптимальные свойства имеют клеевые швы малой толщины 0, 05...0, 25 мм. Концентрация клея характеризуется относительной массой навески после высушивания при 100...120 °С и выражается в процентах.

Вязкость клея является важнейшим технологическим параметром. Для обеспечения вязкости клеи наносят в виде растворов, дисперсий (эмульсий), расплавов. Используют водные растворы и эмульсии, растворы на основе мономеров, жидкие олигомеры.

Жизнеспособность клея - это время с момента смешивания компонентов клея до начала желатинизации, когда клей невозможно наносить.

Адгезию клея оценивают по сопротивлению равномерному отрыву или срезу специальных образцов. Прочность адгезии не меньше прочности когезии, т.е. собственной прочности материала клея.

В случае применения термореактивных клеев для обеспечения требуемых свойств используют многокомпонентные клеевые композиции, в состав которых входят: связующее, носитель, катализаторы, отвердители, ускорители, ингибиторы, замедлители и различные модифицирующие добавки. Связующее - основа клея, которая определяет свойства клеевого соединения. Носителем клея выступает растворитель, пленка, бумага, различные ткани. Растворитель сообщает клею необходимую вязкость для нанесения слоя однородной толщины. Катализаторы и отвердители обеспечивают отверждение клея, при этом катализаторы остаются без изменения, а отвердители реагируют со связующим и обеспечивают образование сетчатой структуры.

Ингибиторы и замедлители используются для предотвращения нежелательного отверждения при хранении клея, увеличивая тем самым его сроки годности. Срок годности (срок хранения) - время, в течение которого клей сохраняет пригодность для применения.

Разнообразные модифицирующие добавки - наполнители, пластификаторы, стабилизаторы и другие - вводят для улучшения технологических свойств, уменьшения остаточных напряжений и снижения хрупкости клеевого шва.

Наиболее широко для создания термореактивных клеев применяются эпоксидные и фенолформальдегидные олигомеры, компоненты полиуретанов. Термореактивные клеи бывают горячего и холодного отверждения. Клеи горячего отверждения отверждаются при повышенной температуре, холодного - как при обычной, так и при повышенной температуре. Примером термореактивных клеев могут служить клеи БФ. Они включают фенолформальдегидную смолу и поливинилбутираль. Наиболее известны клеи марок БФ-2, БФ-4, и БФ-6.

Фенолкаучуковые клеи (ВК-32-20, ВК-3, ВК-4, ВК-13) - это растворы фе- нолформальдегидной смолы и каучука в органических растворителях. Нитрильные каучуки придают эластичность, что обеспечивает высокую прочность клеевого соединения при отдире и сдвиге.

Клеи на основе эпоксидных смол ЭД-16, ЭД-20 и др. (олигомеров с молекулярной массой 200...3500) по совокупности своих свойств отвечают всем требованиям, предъявляемым к связующим для клеев. Они нашли широкое применение в промышленности, так как отличаются хорошей адгезией к металлам, неметаллическим материалам; не выделяют летучих продуктов и имеют малую усадку в процессе отверждения.

Термопластичные клеи получают из полимеров поливинилацетата, полиэтилена, поливинилового спирта и т.д. К ним относятся также клеи-расплавы. Это термопласты, переходящие в вязкотекучее состояние при нагревании и вновь затвердевающие при охлаждении. Среди термопластичных клеев наиболее широкое распространение получили полимеры на основе поливинилацетата (ПВА). ПВА хорошо растворяется в спиртах, ацетоне, этилацетате, толуоле - эти растворы используются в виде клея.

Различают следующие виды клеев: жидкие клеи, твердые клеи, плёночные клеи, липкие ленты и клеевые нити.

Клеи на основе эластомеров. Для склеивания резины со сталью, деревом, стеклом или при склеивании резин между собой применяют клеевые композиции на основе эластомеров. Готовят их путем растворения каучуков в органических растворителях с добавками смол и наполнителей. Различают два типа клеев на основе эластомеров - вулканизующиеся и невулканизующиеся. Прочность склеивания последними невелика. Высокопрочное клеевое соединение получают вулканизацией клея при комнатной (20...30°С) или повышенной (140...150°С) температуре. Для этого в клей вводят вулканизующие вещества, активаторы и ускорители.

Клеи-расплавы. В различных отраслях народного хозяйства широко применяются клеи-расплавы. Это вызвано их преимуществами перед клеями, содержащими растворитель. Клейкость этих композиций проявляется только в расплавленном состоянии. При охлаждении они затвердевают, образуя твердую массу. Эту массу можно подвергать многократному нагреванию до температуры плавления.

Обычно клеи - расплавы состоят из нескольких компонентов: основного полимера, вещества, регулирующего вязкость расплава, наполнителя и других добавок.

В качестве полимерной основы клея применяют термопласты, устойчивые к длительному нагреванию и обладающие хорошей адгезией к склеиваемым материалам. Для регулирования вязкости расплава используют низкоплавкие смолы, которые должны хорошо совмещаться с основным полимером, увеличивать его текучесть и смачиваемость склеиваемых поверхностей. Применяют канифоль и ее производные, терпеновые и углеводородные смолы, воск и парафин. Введение наполнителей (гипса, коалина, кварцевой муки и др.) позволяет регулировать вязкость клеевой композиции, улучшать физикомеханические свойства клеев и их водостойкость. При этом снижается стоимость клея.

Клеи - расплавы применяют в тех случаях, когда требуется быстро получить надежное клеевое соединение различных материалов, эксплуатируемых при температурах от - 50 до 150 °С.

Токопроводящие клеи. Для применения в электрически связанных узлах схем используют клеи, обладающие токопроводящими свойствами, на основе порошков серебра, меди, алюминия, никеля, кобальта и железа. Токопроводные клеи наиболее рентабельны для соединения разнородных материалов. Их использование позволяет исключить высокую температуру пайки при монтаже элементов схем, повысить производительность сборочных операций.

Анаэробные клеи. Некоторые акриловые производные обладают способностью быстро полимеризоваться при комнатной температуре без доступа воздуха, а в его присутствии их можно хранить не менее года. Это свойство позволило разработать на их основе клеевые композиции, которые нашли применение для стопорения резьбовых соединений, фиксирования положения болтов, шпилек и штифтов, для замены пайки и сварки при ремонте трубопроводов и заполнения раковин в отливках.

Основой анаэробной клеевой композиции являются олигоэфиракрилаты. Кроме того, в композицию вводят минеральные наполнители (аэросил, двуокись титана и др.), загустители - полимеры акрилатов и стирола, пластификаторы и др.

Приготовленные клеевые композиции могут отверждаться в результате полимеризации при комнатной температуре без доступа воздуха при времени от нескольких минут до нескольких часов, в зависимости от содержания инициатора полимеризации и типа склеиваемых материалов.

Неорганические клеи. Эти клеи являются высокотемпературными. Клеи получают в виде концентрированных водных растворов неорганических полимеров, твердых порошков, которые сначала плавятся, а потом затвердевают, и в виде дисперсий.

Применяют фосфатные, керамические и силикатные клеи. Фосфатные клеи являются растворами фосфатов. Часто в состав клеев вводят наполнители: инертные или активные. Керамические клеи (фритты) – это тонкие суспензии оксидов щелочных металлов (А₂О₂, Si02 и др.) в воде. Прочность соединения сохраняется при температурах 500...1000°С.

Силикатные клеи. Жидкое стекло обладает клеящей способностью, им можно склеивать стекло, керамику, стекло с металлом, асбест. Алюмосил и кат- ная связка (АСС) с различными наполнителями образует клеи, отверждающиеся при 120°С за 1...2 ч.

По функциональному назначению клеи подразделяются на конструкционные, неконструкционные и специальные. К конструкционным относят композиции, обеспечивающие передачу динамических и статических нагрузок от одной части детали или изделия к другой, сопряжённой с ней посредством клеевой плёнки. Неконструкционные клеи - композиции, применяемые для приклеивания декоративных, облицовочных или изоляционных материалов и покрытий, крепления мелких ненагруженных деталей (датчиков различного назначения, токопроводящих элементов электронных приборов и т.п.). К специальным относят композиции, обладающие дополнительными функционально важными свойствами, например токопроводящие, оптические, медицинские клеи и т.п.

Ассортимент современных клеев позволяет решать самые разнообразные задачи - от создания железобетонных мостов со склеенными конструкциями до производства миниатюрных электронных приборов, от изготовления клеёной одежды и обуви до наложения клеевых швов при операциях на внутренних органах человека, от склеенных игрушек до винтов современных вертолётов и деталей космических кораблей.

⇐ Предыдущая 123 4 5 6 7 8 9 10 Следующая ⇒