Эластомеры (каучуки), резины

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. 15.9). Под действием приложенной на­грузки макромолекулы вытягиваются, 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.

Рис. 15.9. Схематическая форма макромолекулы

В процессе нагружения, 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 этих связей, что требует приложения больших напряжений. Это означает, что 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 прямолинейна (рис. 15.10).

Рис. 15.10. Кривая растяжения эластомера

Естественными эластомерами являются натуральные каучуки (НК), их получают из сока растений гевеи бразильской, кок-сагыза, тау-сагыза. Каучуки могут быть также синтезированы. Из синтети­ческих каучуков (СК) наиболее распространены натрий-бутадиено­вый (СКБ), бутадиенстирольный (СКС) и др. По своей структуре каучуки являются линейными полимерами. Они отличаются очень высокой эластичностью, однако из-за отсутствия поперечных связей подвержены ползучести, после растяжения сохраняется замет­ная остаточная деформация. Каучуки являются исходным сырьем для получения резины.

Резины — это продукт химической переработки каучуков, полу­чаемый в результате вулканизации. Наиболее распространенным вулканизатором является сера. В процессе вулканизации (нагрев в парах серы) линейная структура каучука (рис. 15.11, а)превращает­ся в пространственную. Это объясняется тем, что сера, вступая в ре­акцию с атомами углерода, имеющими до вулканизации двойные связи, соединяет макромолекулы (рис. 15.11, б). При этом появля­ются точки скрепления (рис. 15.11, в), что препятствует относитель­ному перемещению макромолекул и, как следствие, устраняет оста­точную деформацию. Таким образом, при вулканизации термопла­стичный пластик превращается в реактопласт с пространственной структурой.

Рис. 15.11. Вулканизация каучука: а — натуральный каучук; б — вулканизированный каучук; в — точки скрепления

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 ее количества твердость резины рас­тет, при 30 % S насыщаются все двойные 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, продиффундировавший в резину (химические противостарители), или образу­ют защитные пленки, предохраняющие от окисления (физические противостарители — 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), вводят 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.). ц результате старения 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 — 320 °С. При низких температурах (ниже темпе­ратуры Т_с) происходит переход в стеклообразное состояние и поте­ря эластичных свойств. Резины можно эксплуатировать до темпера­тур от минус 30 до минус 80 °С.

По назначению резины подразделяются на резины общего на­значения и специальные.

К резинам общего назначения относятся НК, СКБ, СКС, СКИ. НК — на основе натурального каучука, СК — синтетические (по­следняя буква марки характеризует полимер — основу каучу­ка — СКБ — бутандиеновый, СКС — бутандиенстирольный и т. д.).

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

Электротехнические резины подразделяют на электроизоля­ционные (ρ = 10¹¹÷10¹⁵ Ом • см) и электропроводящие (ρ = 10²÷10⁴ Ом • см). Электропроводность достигается введением в резину угольной сажи и графита.

Свойства резин приведены в табл.15.3.

Таблица 15.3. Физико-механические свойства резин

Из резин общего назначения изготовляют ремни, рукава, транс­портные ленты, прокладки (низкий модуль упругости определяет высокие виброгасящие свойства) и др.

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