Состав и классификация резин

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. Вулканизирующие вещества (агенты) участвуют в образо­вании пространственно-сеточной структуры вулканизата. Обычно в качестве таких веществ применяют серу и селен, 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, оксиды свинца, магния и другие влияют как на режим вулканизации, так и на физико-механические свойства вулканизатов. Ускори­тели проявляют свою наибольшую активность в присутствии окси­дов некоторых металлов (цинка и др.), называемых поэтому в составе резиновой смеси активаторами.

2. 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 альдоль, неозон Д и др.). физические Противостарители (парафин, воск) образуют поверхностные защитные пленки, они применяются реже.

3. 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 составляет 8—30 % массы каучука.

4. Наполнители по воздействию на каучук подразделяют на активные (усиливающие) и неактивные (инертные). Активные наполнители (углеродистая сажа и белая сажа — кремнекислота, оксид 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.

Подавляющее большинство каучуков является непредельными, высокополимерными (карбоцепными) соединениями с двойной химической связью между углеродными атомами в элементарных звеньях макромолекулы. (Некоторые каучуки получают на основе насыщенных линейных полимеров.) Молекулярная масса каучу­ков исчисляется в 400 000—450 000. 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 каучуков с серой в технике назы­вается вулканизацией.

В зависимости от количества вводимой серы получается раз­личная частота сетки полимера. При введении 1—5 % 8 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 за собой изменение его физико-механических свойств: резко возрастает прочность при растяжении и эластичность каучука, а пластич­ность почти полностью исчезает (например, натуральный каучук имеет в = 1,01,5 МПа, после вулканизации в == 35 МПа); увеличиваются 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 100°С).

На изменение свойств резины влияет взаимодействие каучука с кислородом, поэтому при вулканизации одновременно происхо­дят два процесса: структурирование под действием вулканизую­щего агента и деструкция под влиянием окисления и температуры. Преобладание того или иного процесса сказывается на свойствах вулканизата. 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—, наименьшая прочность у полисульфидной связи —С—C—С,

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).

Резины общего назначения

К группе резин общего назначения относят вулканизаты неполярных каучуков — НК, СКБ, СКС, СКИ.

Н К — натуральный каучук является полимером изопрена (С5Н8)n. Он растворяется в жирных и ароматических растворите­лях (бензине, бензоле, хлороформе, сероуглероде и др.), обра­зуя вязкие растворы, применяемые в качестве клеев. При нагреве 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: v = 31014  231018 Омсм;  = 2,5.

СКБ — синтетический каучук бутадиеновый (дивинильный) получают по методу С. В. Лебедева. Формула полибутадиена (С4Н6)n. Он является некристаллизующимся каучуком и имеет низкий предел прочности при растяжении, поэтому в резину на его основе необходимо вводить усиливающие наполнители. Моро­зостойкость бутадиенового каучука невысокая (от —40 до —45 °С). Он набухает в тех же растворителях, что и НК. Стереорегулярный дивинильный каучук СКД по основным техническим свойствам приближается к НК. Дивинильные каучуки вулканизуются серой аналогично натуральному каучуку.

СКС — бутадиенстирольный каучук получается при совмест­ной полимеризацией бутадиена (С4Н6) и стирола (СН2=СН—С6Н5). Это самый распространенный каучук общего назначения.

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 cопротивлением 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 (от —74 до —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. По строению, химическим и физико-механическим свойствам СКИ близок к на­туральному каучуку. Промышленностью выпускаются каучуки СКИ-3 и СКИ-ЗП, наиболее близкие по свойствам к НК; каучук СКИ-ЗД, предназначенный для получения 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 до 130 °С. Из этих резин изгото­вляют шины, ремни, рукава, конвейерные ленты, изоляцию кабе­лей, различные резинотехнические изделия.

Резины специального назначения

Специальные резины подразделяют 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==ССI—СН=СН2.

Вулканизация может проводиться термообработкой даже без серы, так как под действием температуры каучук переходит в тер­мостабильное состояние. Резины на основе наирита обладают высокой эластичностью,  вибростойкостью, озоностойкостью, устойчивы к действию топлива и масел, хорошо сопротивляются тепловому старению. (Окисление каучука замедляется экрани­рующим действием хлора на двойные связи.)

По температуроустойчивости и морозостойкости (от —35 до —40 °С) они уступают как НК, так и другим СК. Электроизоляционные свойства резины на основе полярного наирита ниже, чем у резины на основе неполяр­ных каучуков. (За рубежом полихлоропреновый 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—СНСN—

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 СN сообщает ему полярные свойства. Чем выше полярность каучука,

тем выше его механические и химические свойства и тем ниже морозостойкость (например, для СКН-18 от —50 до —60 °С, для , СКН-40 от —26 до —28 °С). Вулканизируют СКН с помощью серы. Резины на основе СКН обладают высокой прочностью (в = 35 МПа), хорошо сопротивляются истиранию, но по эластичности уступают резинам на основе НК, превосходят их по стой­кости к старению и действию разбавленных кислот и щелочей. Резины могут работать в среде бензина, топлива, масел в интер­вале температур от -30 до 130 °С. Резины на основе СКН приме­няют для производства ремней, конвейерных лент, рукавов, маслобензостойких резиновых деталей (уплотнительные прокладки, манжеты и т. п.).

Полисульфидный 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 от —40 до —60 °С. Теплостойкость не превышает 60—70 °С. Тиоколы новых марок работают при температуре до 130 °С.

Акрилатные каучуки — сополимеры эфиров акриловой (или метакриловой) кислоты с акрилонитрилом и другими полярными мономерами — можно отнести к маслобензостойким каучукам. Каучуки выпускают марок БАК-12, БАКХ-7, ЭАХ. Для полу­чения высокопрочных резин вводят усиливающие наполнители. Достоинством акрилатных резин является стойкость к действию серосодержащих масел при высоких температурах; их широко применяют в автомобилестроении. Они стойки к действию кисло­рода, достаточно теплостойки, обладают адгезией к полимерам и металлам. Недостатками БАК являются малая эластичность, низкая морозостойкость, невысокая стойкость к воздействию ; горячей воды и пара.

Теплостойкие резины получают на основе каучука СКТ.

СКТ — синтетический каучук теплостойкий, представляет собой кремнийорганическое (полисилоксановое) соединение с хи­мической формулой                                        '

…—­ Si(СНз)2 — O — Si(СНз)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 слабо полярен, он обла­дает хорошими диэлектрическими свойствами. Диапазон рабочих температур СКТ составляет от —60 до 250 °С. Низкая адгезия, присущая кремнийорганнческим соединениям (вследствие их сла­бой полярности), делает СКТ водостойким и гидрофобным (напри­мер, применяется для защиты от обледенения). В растворителях и маслах он набухает, имеет низкую механическую прочность, высокую газопроницаемость, плохо сопротивляется истиранию. При замене метильных групп (СН3) другими радикалами полу­чают другие виды силоксановых каучуков. Каучук с винильной группой (СКТВ) устойчив к тепловому старению и обладает мень­шей текучестью при сжатии, температура эксплуатации от —55 до 300 °С. Вводя фенильную группу (С6Н5), получают каучук (СКТФВ), обладающий повышенной морозостойкостью (от —80 до —100 °С) и сопротивляемостью к действию радиации. Можно сочетать различные радикалы, обрамляющие силоксановую связь. Так, фенилвинилсилоксановый каучук имеет повышенные механи­ческие свойства. Если ввести в боковые группы макромолекулы СКТ атомы Р или группу СМ, приобретается устойчивость к топ­ливу и маслам. Введение в основную цепь атомов бора, фосфора дает возможность повысить теплостойкость резин до 350—400 °С и увеличить их клеящую способность. Силоксановые резины сгорают при 600—700 °С, а в течение нескольких секунд выдер­живают 3000 °С.