А27878 Андреев АК Материалы для низкотемпературной техники

Упругопрочностные свойства резины при растяжении

характеризуются:

а) условным пределом прочности (временным сопротивлением) – отношением силы, вызывающей разрыв образца, к его первоначальному сечению;

б) относительным удлинением – отношением длины образца в момент разрыва к его первоначальной длине;

в) условным напряжением при заданном удлинении образца, а также величиной истинного напряжения при заданном удлинении и истинной прочностью.

Условно-равновесный модуль резины характеризует де-

формацию, установившуюся после выдержки растянутых образцов при + 70 °С в течение 1 ч.

Усталостная выносливость резины при знакопеременном изгибе с вращением определяется числом циклов до разрушения образца с учетом амплитуды деформации и температуры в испытательной камере. Усталостная выносливость резины при многократном растяжении определяется числом циклов до разрушения образца.

Температура хрупкости резины Тхр определяется на кон-

сольно закрепленном образце толщиной 2 мм посредством изгиба ударом в газовой или жидкой среде с пониженной температурой. Температуру Тхр вычисляют как среднее арифметическое трех наивысших значений температуры, при которых образец разрушается, т. е. образуются видимые трещины.

Хрупкость эбонита (ζz, Дж/м3) определяют по разрушению образца 100 15 10 или 120 15 10 мм на маятниковом копре: ζz = А/ bsl, где А – работа разрушения образца, Дж; B и s – ширина и толщина образца; l – расстояние между опорами, м.

Остаточное сжатие губчатой резины ζ (в процентах) опре-

деляют отношением ζ = [(h2 – h1)/ h0] 100 %, где h0 – первоначальная высота образца; h1 – высота того же образца, сжатого до указанной в нормативной документации величины и выдержанного 22 ч при 70 °С в этом состоянии; h2 – высота образца после снятия нагрузки и отдыха в течение 30 мин.

Эластичность – свойство резины упруго деформироваться без разрушения под действием силы и восстанавливаться после прекращения действия силы. Определяют на специальном (типа Шора) приборе посредством удара бойком маятника, падающего (качающегося)

341

с установленной высоты по испытываемому образцу. Эластичность – отношение возвращенной энергии к энергии, затраченной на деформацию образца при ударе, измеряется в процентах.

5.7.2. Основные свойства резины и эластомеров

Резина как конструкционный материал отличается высокими эластическими свойствами. Она способна к большим, практически почти полностью обратимым деформациям в широком диапазоне температур под действием относительно небольших напряжений. Модуль упругости резины составляет 1–10 МПа, коэффициент Пуассона 0,4–0,5. К особым свойствам резины относится ее способность к поглощению энергии при деформации, т. е. амортизационная способность.

На рис. 5.25 показана степень деформации резины при растяжении под нагрузкой и обратном сокращении после разгрузки. Площадь, заключенная между кривыми растяжения и сокращения, характеризует способность резины поглощать работу (амортизирующие свойства) и называется гистерезисом. Поглощенная при амортизации энергия расходуется на внутримолекулярное и межмолекулярное трение в самом каучуке и на трение между молекулами каучука и частицами примесей (ингредиентов). Эта энергия превращается в тепло, резина нагревается, что отрицательно сказывается на ее работоспособности.

Рис. 5.25. Гистерезис резины

342

Ассортимент резины, используемой только в промышленности России, составляет десятки тысяч наименований, что обусловлено разнообразием технологических и технических требований к резиновым материалам и изделиям, работающим в различных условиях эксплуатации. В целях упорядочения их применения был разработан ряд способов их классификации. В зависимости от эксплуатационных свойств и назначения обычно выделяют резину общего назначения, масло- и бензостойкую, тепло- и морозостойкую, стойкую к действию агрессивных сред, электоизоляционную, электропроводную, теплопроводную, огнестойкую, антифрикционную, вакуумстойкую, магнитную, пищевую, медицинскую и др. Некоторые области применения резины приведены в табл. 5.77, а основные характеристики представлены в табл. 5.78.

Таблица 5.77

Некоторые области применения резины

343

Окончание табл. 5.77

344

Окончание табл. 5.78

_______________

*1 – натуральный НК и синтетический изопреновый СКИ; 2 – бутадиеновый – СКД; 3 – бутадиен-стирольный – СКД; 4 – бутилкаучук – БК; 5 – этиленпропиленовые – СКЭП и СКЭПТ; 6 – бутадиен-нитрильный; 7 – хлоропреновый ХП; 8 – хлорсульфированный полиэтиленовый ХСПЭ; 9 – уретановый – СКУ; 10 – полисульфидный – ПСК; фторкаучуковый – СКФ; силиксановый – СКТ.

**Длительная – более 1000 ч; кратковременная – до 100 ч.

***О – отличная; Х – хорошая; У – удовлетворительная; П – плохая.

345

Еще один способ классификации резины – по твердости. По этому способу классификации резина подразделяется:

–на мягкую – для пневматических шин, резиновых изделий

ипромышленных деталей, изделий широкого потребления и др., твердость по Шору – 35–90;

–жесткую, или эбонитовую, – для некоторых специальных электротехнических деталей, химически стойких обкладок и других целей; модуль упругости эбонита в 1000 раз больше модуля упругости мягкой резины;

–пористую, или губчатую, применяемую в производстве амортизаторов различных типов, сидений, матрацев и изделий ширпотреба;

–пастообразную для герметизации и уплотнения.

Существуют и другие классификации резины в зависимости

от видов сырья (резина из каучука разных типов, саженаполненная и ненаполненная и т. п.); применяемого технологического процесса (клееная, формовая, штампованная и т.п.); от типа и конструкции изделий (шинная, камерная, рукавная, галошная и др.). Одной из особенностей резины является ее старение. Старение резины вызывается окислением каучука под действием кислорода воздуха, разрушающим влиянием тепла, света, озона и механического утомления.

Изменение свойств резины в естественных условиях хранения обычно называют естественным старением, в отличие от искусственного или ускоренного старения под действием тепла, кислорода, озона, облучения и т. д. Показатели механических свойств резины после теплового или окислительного старения обычно определяют при комнатной температуре.

5.7.3.Резина общего назначения

Кэтой группе обычно относится резина, предназначенная для производства шин, ряда резинотехнических изделий (РТИ), работающих в обычных условиях окружающей среды (транспортерные ленты, амортизаторы, обувь и др.). Как правило, это резина на основе натурального и синтетического каучука НК, СКИ, БСК и их комбинаций. Основными характеристиками резины данной группы, определяющими работоспособность изготовленных из них изделий, являются прочностные, вязкоупругие и адгезионные свойства вулканизатов и их изменение в процессе эксплуатации. Эти данные следует

346

рассматривать как усредненные, так как свойства резины в большой степени определяются ее рецептурой и могут варьироваться в широких пределах в зависимости от назначения изделий, в которых она применяется. Общераспространенный термин «резины общего назначения» не вполне удачен, так как ее назначение весьма различно. Резина этой группы, как правило, имеет удовлетворительные адгезионные свойства, а для ее надежного соединения с конструкционными материалами (металлами, волокнами, пластиками) могут с успехом применяться специальные модификаторы, вводимые в рецептуру резины, клеи и адгезивы, позволяющие расширить область ее применение в зоне низких температур.

Наряду с этой группой, в области низких температур применяется специализированный тип резины, который получил название «морозостойкая резина». Морозостойкость эластомерных материалов определяют два физических процесса – стеклование и кристаллизация. С понижением температуры эти материалы переходят в твердое (некристаллическое) стеклообразное состояние, которое характерно и для многих низкомолекулярных веществ. Скорость развития высокоэластической составляющей деформации материала в сотни раз меньше, чем упругой деформации, даже при повышенной температуре. При низких значениях температуры она уменьшается еще значительнее. Таким образом, изменяя температуру, можно реализовать преимущественное развитие каждого из этих видов деформации. Переход резины из высокоэластического состояния в твердое при понижении температуры сопровождается повышением предела прочности модуля упругости и уменьшением относительного удлинения при растяжении.

Изменение свойств эластомерных материалов на основе каучука с регулярной химической структурой при низкой температуре может быть следствием не только стеклования, но и кристаллизации. В зависимости от температурных областей проявления процессов стеклования и кристаллизации доминирующим оказывается тот или иной процесс. При этом возможно и их непосредственное влияние друг на друга.

К морозостойкой резине относят эластомеры, сохраняющие способность к реализации высокоэластических деформаций при температуре ниже –50 °С. Морозостойкость резины определяют по тем-

347

пературе хрупкости, жесткости при различных видах деформации, восстанавливаемости после деформации и кристаллизуемости.

Основную роль в морозостойкости резины играют химическая природа и структура каучука. Данные по температуре стеклования каучука основных отечественных марок приведены в табл. 5.79.

Таблица 5.79

Температура стеклования каучука основных марок

______________________

На морозостойкость влияют: * кристаллизация; ** микрокристаллизация.

Некоторого повышения морозостойкости резины можно достичь подбором вулканизации системы. Однако наибольшее влияние на морозостойкость резины оказывают содержание и тип пластифи-

348

каторов. В табл. 5.80 и табл. 5.81 приведены некоторые физические свойства каучука и резины на их основе в зависимости от их состава.

349

Таблица 5.80

Молярная теплоемкость каучука Ср при низких значениях температуры, Дж/(моль ∙ К)

350