Основные свойства резин
Резины характеризуются высокой эластичностью, упругостью, проч-ностью, непроницаемостью для жидкостей и газов, химической стойкостью, хорошими электроизоляционными свойствами. Специальные резины обладают демпферирующими свойствами, амортизационными (способностью поглощать и рассеивать энергию) свойствами, высокой износостойкостью, устойчивостью к действию топлив и масел.
Резины обладают эластичностью. Эластичность – это свойство материала подвергаться большим обратимым деформациям при малых значениях напряжений, которые вызывают эти деформации. Относительное удлинение резины может достигать 100 %.
Структура резины и температура определяют скорость развития деформации под нагрузкой. Под действием приложенной нагрузки свернутые макромолекулы раскручиваются. Деформация развивается медленно и отстает по фазе от напряжения. При разгрузке резины макромолекулы принимают первоначальную зигзагообразную форму. Наблюдается остаточная деформация резины, состоящая из не успевшей восстановиться замедленной высокоэластической деформации и из деформации текучести, вызванной частичным разрывом поперечных химических связей при нагружении. Разность работ нагружения и разгрузки количественно отражает амортизационные свойства резины (рис. 4. 1).
Площадь петли характеризует величину внутреннего трения и степень разогрева резины при циклическом нагружении (шины, муфты, амортизаторы). Число циклов нагружения, которое выдерживает резина, не разрушаясь, называется усталостной выносливостью.
Механические свойства резин определяют по результатам испытаний на растяжение и на твердость.
При вдавливании тупой иглы или стального шарика диаметром 5 мм по величине измеренной деформации оценивают твердость.
При испытании на растяжение определяют прочность σz (МПа), относительное удлинение в момент разрыва εz (%) и остаточное относительное удлинение z (%). Величина Z = σzεz/100 – произведение упругости, характеризует прочность и эластичность.
Сроки службы или хранения резиновых изделий определяются по изменению остаточной деформации сжатия εост, которая для уплотнительных материалов допускается до 80 %, и релаксации напряжений.
Нагрев снижает прочностные свойства резин (рис. 4. 2).
Термическая стабильность резин определяется прочностью химических связей в макромолекулах и их структурой. Наиболее интенсивно прочность снижается у резины на основе хлоропрена. Органические резины после нагрева (150 °С) в течение 1–10 ч теряют прочность.
Детали из резин СКФ и СКТ (уплотнители подвижных и неподвижных соединений, прокладки, колпачки и т. п.) способны работать длительное время при температуре 250–300 °С.
При повышенных температурах протекает деструкция макромолекул, выделяются жидкие и газообразные продукты, образуются структуры, обладающие высокой термостойкостью. При температуре в сотни и тысячи градусов термическая стойкость определяется по потере половины массы полимера за 30 мин (для НК, СКИ – 330 °С, для СКТ – 410 °С).
В процессе эксплуатации под воздействием внешних факторов (свет, температура, озон, кислород, радиация и т. д.) резины изменяют свои свойства – стареют.
Старение резин оценивается коэффициентом старения Кстар, который определяют, выдерживая стандартизованные образцы в процессе в термостате при температуре -70 °С в течении 144 часов, что соответствует естественному старению резины в течении 3 лет: Кстар = Z1/Z2 , где Z1 и Z2 – произведение упругости до и после старения.
Под действием атмосферных явлений, озона происходит растрескивание резин. Свет вызывает фотоокисление каучуков, которое зависит от наличия в них двойных связей.
Фотопроцесс ускоряется при повышении температуры. Светостойкие резины получают на основе СКФ и СКТ.
Скорость старения резин в напряженном состоянии выше, чем в свободном состоянии. Повышение озоностойкости достигается введением соответствующих добавок и нанесением защитных пленок из полиуретана.
Морозостойкость резины определяется температурой хрупкости tхр, при которой резина теряет эластичность и при ударной нагрузке разрушается хрупко.
Для оценки морозостойкости резин используют коэффициент Км, равный отношению удлинения (εzм) образца при температуре замораживания к удлинению (εzо) при комнатной температуре Км = εzм/εzо.
Утрачивая высокоэластические свойства, резины переходят в стеклообразное состояние, и возрастает жесткость резины в тысячи и десятки тысяч раз. Уровень потери свойств больше проявляется в условиях сдвига, чем сжатия или растяжения.
Под действием радиации резины стареют. Проявляется старение в повышении твердости и уменьшении вязкости. Стойкость резин к радиации зависит от природы каучука, среды, состава резин (наличия антирадов). Наибольшая скорость старения отмечается у резин на основе СКН и СКБ, найрита, а более низкая скорость старения – у резин на основе НК и СКИ.
Скорость старения зависит от мощности дозы облучения. В ядерной технике применяют для изготовления уплотнительных деталей резины на основе СКИ и НК.
При работе в вакууме при различных температурах резиновые изделия оцениваются на вакуумную стойкость, по которой они разделяются на три группы:
1) устойчивые в вакууме (термовакуумная стойкость выше термо-окислительной);
2) устойчивые в вакууме (термовакуумная стойкость ниже термо-окислительной);
3) неустойчивые в вакууме.
Оценка вакуумной стойкости проводится по потере массы и зависит от типа каучука. Свойства резин приведены в табл. 4.1.
Резины в зависимости от твердости делятся на пористые (губчатые) мягкие, твердые и жесткие; по назначению бывают специальные (топливостойкие, износостойкие, морозостойкие и др.) и общего назначения . В зависимости от типа и конструкций изделий они делятся на шинные, протекторные, камерные, амортизационные и др.