8.8. Резины и их свойства

Резина – это продукт вулканизации смеси каучука с различными добавками. Резина отличается высокой эластичностью и упругостью, малой плотностью, непроницаемостью для газов и жидкостей, хорошими электроизоляционными свойствами, химической стойкостью. Некоторые специальные резины обладают высокой стойкостью к действию топлив и масел, высокой износостойкостью, хорошими деформирующими свойствами, способностью выдерживать многократные переменные нагружения.

По совокупности технических свойств резину широко применяют в конструкциях авиационной техники: для изготовления покрышек и камер колес самолетов, различных гибких шлангов, трубопроводов, а также мягких топливных баков; для амортизации и демпфирования; для уплотнения и герметизации воздушных и жидкостных сред и т. д.

Резина и каучуки отличаются от основных металлических и неметаллических материалов рядом особенностей, поэтому количественные характеристики их свойств оценивают несколько иначе.

Физико-механические свойства резины оценивают путем испытания на растяжение, определения твердости, морозостойкости и стойкости к органическим растворителям.

При испытании на растяжение определяют временное сопротивление σ_z (МПа), относительное удлинение в момент разрыва ε_z (%), остаточное относительное удлинение θ_Z (%).

Для оценки сопротивления резины действию высоких температур или старению в процессе эксплуатации ее испытывают на старение. Старение резины проводят при 70 °С в течение 144 ч.

Коэффициент старения k_c находят по формуле:

k_c = ε'_z / ε_z,

где ε_z, ε'_z – относительное удлинение в момент разрыва образца резины до и после старения соответственно.

Твердость определяют в основном на двух приборах: ТМ-2 (твердость по ТИР) – путем вдавливания тупой иглы в образец резины; ТШМ-2 (твердость по ТШР) – путем погружения стального шарика и последующего измерения деформации. Твердость по ТИР выражается в условных единицах; твердость по ТШР – в МПа.

Работоспособность резины при пониженных температурах оценивают, как правило, температурой хрупкости t_xp – наибольшей температурой, при которой резиновый образец при замораживании теряет эластичные свойства и хрупко разрушается при ударной нагрузке. Существуют и другие методы оценки морозостойкости, например определение коэффициента морозостойкости.

Стойкость резины к органическим растворителям определяют по изменению массы стандартного образца (20 х 20 х 2 мм) после выдержки его в течение 24 ч в определенном растворителе (бензин, керосин и т. д.).

8.9. Получение и свойства каучуков

Важнейшей составляющей резины является каучук натуральный или синтетический, который определяет ее основные свойства.

Основные свойства натурального и некоторых синтетических каучуков, применяемых при производстве авиационной резины, приведены в табл. 8.2.

Натуральный каучук получают из сока (латекса) каучуконосного дерева – бразильской гевеи, культивируемой в тропических странах. В латексе содержится 30...37 % (об.) каучука в виде округлых частиц-глобул диаметром 0,14...6,0 мкм. Каучук выделяют из латекса коагуляцией с помощью органических кислот, затем отжимают, промывают и сушат. Получаемые сорта натурального каучука – смокедшит, светлый креп и др. имеют состав (С₅Н₈)_n, где п = 1000...4000.

Натуральный каучук представляет собой мягкий эластичный продукт плотностью 0,91...0,94 г/см³. Высокая эластичность каучука объясняется строением его молекул, имеющих форму нитевидных спиралей. При приложении нагрузки молекулы выпрямляются, а после ее снятия восстанавливают спиральную форму. Натуральный каучук хорошо растворяется в органических растворителях (бензине, бензоле, хлороформе и т. д.). При нагреве выше 70 °С каучук становится пластичным, а при 200 °С разлагается; при температуре –70 °С он становится хрупким.

Таблица 8.2

Важнейшие свойства некоторых каучуков, применяемых при производстве авиационной резины

Каучук	σz, МПа, не менее	εz, %, не менее	θz, %, не менее	txp, °С	Отношение к органическим растворителям
Натуральный Натрийбутадиеновый Бутадиенстирольный Изопреновый Хлоропреновый Бутадиеннитрильный Полисилоксановый Фторорганический	25 15 18 25 12 13 2,5 12…20	800 600 500 700 650 400 200 60…200	20 40 15 18 25 15 20 15	–70 –50 –70 –70 –35 –50 –70 –25	Нестойкий » » » » Стойкий Нестойкий Стойкий

Примечание. Здесь и в табл. 8.3 σ_z – временное сопротивление, ε_z – относительное удлинение при разрыве, θ_z – относительное остаточное удлинение.

Резина на основе натурального каучука отличается высокой прочностью и эластичностью, но не стойка к действию нефтепродуктов.

Синтетические каучуки в настоящее время применяются более широко, чем натуральные, так как по разнообразию свойств и возможности получения каучуков с заданными свойствами они имеют преимущества перед натуральными.

В промышленном масштабе синтетический каучук был впервые получен С.В. Лебедевым в 1928 г. Его способ был основан на переработке этилового спирта. В настоящее время для получения синтетических каучуков используют попутные газы нефтедобычи, природные газы и другие продукты.

Рассмотрим наиболее распространенные каучуки.

Натрийбутадиеновый каучук (СКБ) получают по методу Лебедева путем полимеризации бутадиена СН₂ = СН – СН = СН₂ в присутствии металлического натрия. Этот каучук по прочности уступает натуральному, растворим в неорганических растворителях, имеет сравнительно невысокую морозостойкость (–50 °С). Как каучук общего назначения в настоящее время он утратил свое значение и чаще идет на изготовление специальных резин, а его постепенно заменяют бутадиенстирольным и другими каучуками.

Бутадиенстирольный каучук (СКС) получают путем совместной полимеризации бутадиена С₄Н₆ и стирола СН₂ = СН – С₆Н₅. Этот каучук характеризуется малой стойкостью к действию органических растворителей (масел и топлив). Резины на его основе имеют высокое сопротивление истиранию, а по газонепроницаемости и диэлектрическим свойствам эти резины равноценны резинам на основе натурального каучука.

Изопреновый каучук (СКИ-3) – продукт полимеризации изопрена С₅Н₈, полученного из ацетона и ацетилена. По строению, химическим и физико-механическим свойствами он близок к натуральному каучуку и широко применяется для получения резин, используемых для изготовления амортизаторов, шин и т. д.

Многие синтетические каучуки были получены введением в структуру бутадиена полярных атомов или групп атомов, например – Сl, – СН, – S –.

Хлоропреновый каучук (наирит) получают путем полимеризации хлоропрена СН₂ = СНСl – СН – СН₂. Он обладает высокой стойкостью к действию масел, керосина, бензина, влиянию озона, высокой теплостойкостью, поэтому широко используется при производстве уплотнителей и прокладочной резины. По морозостойкости (от –30 до –40 °С) наирит уступает натуральному и другим синтетическим каучукам (см. табл. 1).

Бутадиеннитрильный каучук (СКН) – продукт совместной полимеризации бутадиена с нитрилом акриловой кислоты. Этот каучук обладает высокой стойкостью к органическим растворителям и высокой водостойкостью. Резины на его основе применяют при изготовлении топливных и масляных шлангов, прокладок и уплотнителей мягких топливных баков.

Полисилоксановый каучук (СКТ) представляет собой кремнийорганическое соединение, состоящее из чередующихся атомов кремния и кислорода. С каждым атомом кремния связаны два органических радикала. При замене метальных групп СН₃ на другие радикалы получаются другие виды силоксановых каучуков. Отличительными особенностями этих каучуков являются их высокая теплостойкость, хорошие диэлектрические свойства, стойкость к действию озона и ультрафиолетовых лучей. Они характеризуются высокой стойкостью к тепловому старению, сохраняют эластичность при низких температурах. Резины на основе силоксановых каучуков можно применять в области температур от –50 до +200 °С, а некоторые модификации от –80 до + 300 °С. Резины на основе силоксановых каучуков используют в качестве электроизоляционного материала, герметизирующих, уплотняющих и виброизолирующих прокладок.

Фторорганические каучуки, или фторкаучуки (СКФ), получают совместной полимеризацией ненасыщенных фторсодержащих углеводородов, например CF₂ = CFCl, СН₂ = CF₂ и др. Прочность фторуглеродистых связей сообщает этим каучукам повышенную стойкость к тепловому старению и действию топлив, масел, а высокое содержание фтора придает химическую инертность и негорючесть. С увеличением содержания фтора в каучуке увеличивается его химическая и термическая стойкость. Но этот каучук обладает сравнительно низкой морозостойкостью (–25 °С). Резины на основе фторкаучуков применяют для изготовления уплотнителей и герметизирующих деталей, предназначенных для работы в топливах и маслах при температурах до 300 °С. Широкое распространение получили герметики на основе фторкаучуков для герметизации кабин самолетов, уплотнений швов и стыков.

Полисульфидный каучук, или тиокол (СКТВ), образуется при взаимодействии галогенопроизводных углеводородов с многосернистыми соединениями щелочных металлов. Этот каучук устойчив к топливу и маслам, к действию озона, кислорода и солнечного света, обладает высокой влаго- и газонепроницаемостью, поэтому тиокол – хороший герметизирующий материал. На его основе приготавливают жидкие герметики, широко применяемые для герметизации топливных баков-отсеков, кабин самолетов.