Физико-механические испытания каучуков, резиновых смесей и резин

Механические свойства любого материала характеризуют его способность деформироваться под влиянием внешних воз­действий и сопротивляться разрушению. По механическим свойствам каучуки, резиновые смеси и резины отличаются от упругих тел и жидкостей. За счет отличительных особенностей структуры эластомера эти материалы способны к обратимым деформациям. Обратимые деформации называются высокоэла­стическими и обусловлены гибкостью макромолекул каучуков. Наряду с обратимыми деформациями в эластомерах развивают­ся необратимые или остаточные пластические деформации. Они являются следствием взаимного перемещения макромолекул друг относительно друга, т.е. вязкого течения полимера.

Вязкое течение характерно только для исходных каучуков и резиновых смесей, когда между цепями нет прочных межмо­лекулярных связей. В вулканизованных резинах образуются ва­лентные поперечные связи, свобода относительного перемеще­ния макромолекул исчезает, и они могут лишь сдвигаться друг относительно друга на расстояния, ограниченные длиной попе­речной связи. Поэтому при рассмотрении этой группы материа­лов говорят об определенном соотношении высокоэластических и пластических деформаций. Каучуки и резиновые смеси, в ко­торых преобладают пластические деформации, называют упруговязкими телами, а резины - вязкоупругими.

Особенности структуры любого материала влияют на все параметры деформации. Так, в упругих телах напряжение, воз­никающее при деформировании, зависит от величины деформа­ции и не зависит от скорости ее приложения, а в жидкостях, на­оборот, напряжение не зависит от величины деформации, а за­висит от скорости ее приложения. В эластомерах, как промежу­точных материалах, напряжение зависит и от величины дефор­мации, и от скорости деформирования. Поэтому во всех видах механических испытаний обязательно оговаривается режим де­формирования.

Как и любому полимеру, эластомеру присуща способность релаксировать, т.е. переходить из одного состояния равновесия в другое за счет перестройки молекулярных и надмолекулярных структур. В каучуках имеются макромолекулы с различной мо­лекулярной массой, поэтому протекающие в них релаксацион­ные процессы характеризуются набором времен релаксации. Короткие времена релаксации в пределах 10"⁴ - 10"⁶с соответст­вуют временам перемещения звеньев макромолекулы, очень длинные (до10⁹с) - временам перегруппировки надмолекуляр­ных структур в наполненных системах и химической релаксации вулканизатов, связанной с частичным разрушением структуры.

Крайние проявления релаксации - релаксация напряжения при постоянной деформации и релаксация деформации при по­стоянном напряжении. В реальных условиях любое деформиро­вание сопровождается релаксацией напряжения и деформации, что приводит к ухудшению механических показателей резин. Типичным проявлением этого является ослабление и разнаши­вание различных уплотнителей и прокладок.

Вследствие релаксации происходит рассеивание части энергии в образце, что приводит к несовпадению кривых нагру- жения и разгружения и появлению петли гистерезиса. Чем жест­че структура, тем выше гистерезисные потери и тем больше влияние релаксации на свойства.

За счет высокой вязкости при деформировании эластоме­ров часть рассеянной в образце энергии превращается в тепло­вую энергию, т.е. процесс деформации сопровождается тепло­образованием, величина которого также зависит от жесткости структуры. Теплообразование приводит к повышению темпера­туры внутри образца, что инициирует окисление и в конечном итоге деструкцию цепей.

Поскольку основную нагрузку несут молекулярные цепи, любое их разрушение, например при старении под влиянием химических факторов (тепло, свет, кислород, озон и влага воз­духа, радиация) или при утомлении под влиянием многократно повторяющихся циклических или ударных деформаций, приво­дит к ухудшению механических свойств эластомеров и резин на их основе.

Механические свойства резин зависят также от конструк­ции изделия, которая должна обеспечивать максимально воз­можное равномерное распределение напряжений по всему из­делию и не должна способствовать концентрации напряжения на отдельных элементах. Так, в многослойных резино- резиновых, резинотканевых, резинометаллических изделиях прочностные свойства зависят в первую очередь от прочности связи между слоями, что учитывается в конструкции изделия.

Для того чтобы оценить полный комплекс механических свойств каучуков, резиновых смесей и резин, разработаны стан­дартные методы испытаний, которые учитывают все особенно­сти механических свойств эластомеров. Поскольку релаксаци­онные процессы очень трудно компенсировать, большинство испытаний проводится на специальных образцах, частично учи­тывающих релаксацию, гистерезис, теплообразование.

В первую очередь проводятся лабораторные испытания на образцах, специально изготовленных или вырезанных из гото­вых изделий. Затем проводятся стендовые и в ряде случаев на­турные испытания изделий, от качества которых зависит безо­пасность жизнедеятельности человека. Стендовые и натурные испытания изделий, как правило, длительны.

Лабораторные испытания по назначению могут быть об­щими, контрольными, специальными.

Общие испытания дают физически обоснованные характе­ристики материалов. Контрольные необходимы для проверки стандартности качества каучука и других компонентов резино­вых смесей. Специальные методы позволяют определить пове­дение материала в конкретных условиях эксплуатации.

Независимо от назначения механические испытания могут проводиться в статическом и динамическом режимах нагруже- ния. Статический режим характеризуется постоянством скоро­стей деформирования или относительно малой скоростью их изменения. Динамический режим означает применение удар­ных, периодических и других переменных внешних воздейст­вий.