В основе изготовления резиновых смесей и резиновых изделий лежат процессы, связанные с механическим деформированием материалов, обеспечивающие перемешивание компонентов смеси, придание резиновой смеси определенных форм и размеров и вызывающие также механохимические явления. Поэтому главным условием правильного применения необходимого технологического процесса и оборудования является понимание поведения каучуков и резиновых смесей в процессе их деформирования, т. е. их механических свойств. Механические свойства эластомеров лежат в основе прогнозирования их технологического поведения в рассматриваемых процессах.
По своим механическим свойствам эластомеры обнаруживают черты твердых и жидких тел, т. е. упругих и вязкотекучих, но в то же время и качественно отличаются от них. Как известно, в идеально упругих твердых телах напряжение пропорционально соответствующей деформации, развивающейся мгновенно, и не зависит от скорости приложения напряжения. В вязких жидкостях напряжение определяется скоростью деформации и не зависит от ее величины. В эластомерах же напряжение зависит и от величины и от скорости деформации. Эта особенность может быть определена как вязкоупругое и высокоэластическое поведение материалов.
Резина отличается большими деформациями при сравнительно низких напряжениях. Твердые же упругие тела, наоборот, характеризуются большими напряжениями при низких деформациях, есть определенные отличия и между каучуком и резиной (сшитым каучуком). Если вести деформацию при бесконечно малой скорости, то в каучуке напряжение падает практически до нуля, т. е. он обнаруживает явные признаки вязкой жидкости. В резине же с понижением скорости деформации напряжение снижается, но до некоторого конечного значения, т. е. резина ближе по механическому поведению к твердому упругому телу.
Таким образом, одной из главных особенностей механических свойств эластомеров, общей для каучуков и резин и отличающей их от упругих твердых тел, является существенная зависимость напряжения от времени действия силы или скорости деформации, т. е. известное явление релаксации напряжения или деформации. Зависимость напряжение - деформация носит сложный релаксационный характер. В свою очередь релаксационные свойства зависят от температуры, повышение которой увеличивает скорость релаксации и, таким образом, изменяет механические свойства эластомеров. При этом при данной скорости деформации напряжение в несшитых эластомерах может снижаться до нуля, а в сшитых эластомерах (резинах) — до некоторого конечного значения, обусловленного степенью сшивания. Эта особенность поведения эластомеров должна учитываться технологом при разработке режимов переработки эластомеров.
В реальных условиях эксплуатации резин и переработки эластомеров практически не встречаются случаи очень малых скоростей деформации, поэтому механические свойства эластомеров при конечных скоростях деформации будут определяться как ее равновесными свойствами, так и релаксационными.
Следует далее учитывать, что механические свойства эластомеров могут обратимо и необратимо изменяться под воздействием механических и немеханических факторов. Известно, что после воздействия деформации, хотя бы кратковременной, механические свойства изменяются, особенно в наполненных эластомерах. Часть этих изменений может быть обратимой (эффект Патрикеева—Маллинза), обусловленной разрушением слабосвязанной структурной сетки, часть — необратимой, обусловленной механо-химическими процессами разрушения структуры и химических валентных связей.
Среди немеханических факторов может быть воздействие теплоты, влияющей на процессы релаксации и приводящей к обратимому изменению свойств. При достаточно длительном воздействии теплоты и в присутствии кислорода воздуха, а также под влиянием других агрессивных веществ или сред происходят значительные необратимые изменения, связанные с необратимым разрушением первоначальной структуры и приводящие к существенным изменениям механических свойств.
Изготовление резиновых изделий осуществляется с помощью ряда последовательных процессов, которые в принципе можно рассматривать в виде трех основных этапов: приготовление резиновых смесей путем введения необходимых ингредиентов в каучук, формование и вулканизация. Из материала с ярко выраженными пластическими свойствами в итоге получают эластичное изделие, в идеале не способное к пластическим деформациям. Для того чтобы осуществить смешение и различные процессы формования, каучук и резиновая смесь должны иметь определенную пластичность, т. е. способность к необратимым деформациям. Таким образом, суть всего технологического процесса выглядит как придание каучуку пластических свойств, достигаемое механической или тепловой обработкой и добавкой необходимых веществ, сохранение этих свойств на всех этапах технологического процесса и превращение полученного материала путем вулканизации в резину, т. е. высокоэластический материал, не обладающий пластическими свойствами.
Исходя из этого основными показателями технологических свойств эластомеров являются пластичность или вязкость и стабильность этих свойств при переработке. Основной причиной изменения вязкотекучих свойств при переработке является преждевременная вулканизация или подвулканизация, которую оценивают показателями склонности к подвулканизации. Оценку вязкотекучих свойств осуществляют с помощью методов, которые рассматривает реология. Реологией называют область физики, изучающую законы деформации и течения материалов под действием внешних сил. Деформация может быть определена как изменение размеров и формы тела, т. е. изменение расстояний между различными точками или частицами тела без нарушения его сплошности. Реальные тела дискретны, так как состоят из отдельных частиц (молекул, атомов), связанных между собой силами взаимодействия (притяжения и отталкивания). Поэтому для описания полного напряжения в какой-то точке тела надо знать 9 компонент тензора напряжения. В отдельных случаях, когда на относительные перемещения частиц наложены определенные условия, деформация и напряжение могут быть определены полностью одним числом. К таким случаям можно отнести изотропное расширение (сжатие), простой сдвиг и простое удлинение. Учитывая упомянутые выше особенности механической деформации эластомеров, можно сделать вывод, что важное значение в технологии их переработки имеют две основные реологические характеристики материалов — вязкость и упругость. Они, в свою очередь, зависят от молекулярной структуры эластомера, молекулярной массы, молекулярно- массового распределения, состава резиновой смеси и от многих других факторов, а также от условий переработки, таких как температура, давление и скорость течения. Таким образом, для выбора технологического процесса, оборудования и оптимизации условий переработки эластомеров необходимо глубокое понимание взаимосвязей между реологическими характеристиками, составом резиновой смеси, характеристиками структуры каучука, с одной стороны, и между реологическими характеристиками и условиями переработки, с другой.
Однако оценки только реологических свойств для прогнозирования технологического поведения эластомеров недостаточно. Необходимы еще характеристики взаимодействия материала с металлической поверхностью рабочих органов перерабатывающего оборудования, а также характеристики способности материала сохранять приданную ему форму. Эти характеристики можно оценивать с помощью адгезионно-фрикционных и когезионных свойств материалов.