Что такое резина? В чем состоит процесс вулканизации? Опишите (в общем) состав и свойства резин.

Резина (от лат. resina — смола) — эластичный материал, образующийся в результате специальной обработки (вулканизации) смеси каучука, вулканизирующих веществ (агентов) и различных добавок (ингредиентов).
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.

Ингредиенты вводятся в состав резины для улучшения ее физико-химических свойств. К ним относятся ускорители (активаторы), Противостарители (антиоксиданты), мягчители (пластификаторы), наполнители и красители.

Резине присущи высокая эластичность, чему способствуют извилистая (зигзагообразная) форма молекул Каучука, малая сжимаемость, стойкость к истиранию и химическим реагентам, газо- и водонепроницаемость, хорошие электроизоляционные свойства, небольшая плотность, способность к большим деформациям при сравнительно низких напряжениях, причем такие деформации почти полностью обратимы. Недостатком резины является резко выраженная зависимость механических свойств от температуры при повышенных температурах она теряет прочность, а при пониженных — становится хрупкой (переходит в стеклообразное состояние).

Кроме того, под действием кислорода, озона и других окисляющих реагентов резина стареет, т.е. становится хрупкой и ломкой, покрывается сетью трещин, что ограничивает срок ее эксплуатации.

Резина применяется в основном для производства шин (свыше 50%), резиновых технических изделий (около 22%), кабелей, герметиков, клеев, одежды, обуви и др.

1. Вулканизация — это процесс химического взаимодействия каучука с агентами или его превращение в резину под действием ионизирующего излучения, В качестве агентов используется сера, селен, органические перекиси, тиурам (органические сернистые соединения). При максимально возможном насыщении каучука серой (около 30%) образуется твердый материал — эбонит.

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 sв = 1,041,5 МПа, после вулканизации sв == 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).

Список использованной литературы

1. Линчевский Б. В., Соболевский А. Л., Кальменев А. А. Металлургия черных металлов ― М.: Металлургия, 1986 ― 360 с.

2. Полевой Г. В., Сухинин Г. К. Газопламенная обработка металлов. ― М.: Академия, 2005 ― 333 с.

3. Стерин И. С. Машиностроительные материалы. Основы металловедения и термической обработки ― М.: Политехника, 2003 ― 344 с.