Вопросы для самопроверки
1. Назовите основные материалы, получаемые из сложных эфиров целлюлозы.
2. Опишите способы получения и составы нитратов целлюлозы.
3. Что представляет собой целлуоид и этрои нитроцеллюлозный
4. Опишите свойства и назначение ацетатов и ацетатобутерата целлюлоцы.
5. Назовите основные материалы, получаемые из простых эфиров целлюлозы и их назначение.
Глава 10. Резиновые материалы
В автомобилестроении широкое применение находят резинотехнические изделия (РТИ), выполняющие ответственные функции и влияющие на безопасность движения, надежность работы, комфортабельность езды и многие другие эксплуатационные характеристики автомобилей. Количество наименований таких деталей на автомобилях превышает 500, а их масса составляет более 5 % общей массы легковых и свыше 10 % грузовых автомобилей.
Благодаря высоким деформационно-прочностным свойствам, способности поглощать вибрации и ударные нагрузки, низкой теплопроводности и звукопроводности, высокому сопротивлению истиранию, газо- и водонепроницаемости, устойчивости к действию агрессивных сред, морозостойкости, хорошим электроизоляционным свойствам, низкой плотности, сравнительно невысокой стоимости и другим специальным свойствам резиновые материалы в ряде случаев являются незаменимыми для изготовления многих автомобильных деталей.
10.1. Классификация каучуков
Резины получают вулканизацией резиновых смесей, в состав которых входят следующие ингредиенты: натуральный (НК) или синтетические каучуки (СК), вулканизующие агенты, ускорители и активаторы вулканизации, противостарители (антиоксиданты), активные и инертные наполнители, красители, мягчители (пластификаторы) и другие ингредиенты специального назначения, общее число которых может достигать до10 и более. Выбор типа каучука и ингредиентов, их оптимальное количественное соотношение в смеси определяются функциональным назначением резины, а также технико-экономической целесообразностью.
Для обеспечения высокого качества резиновых смесей все компоненты должны быть однородными и стабильными в условиях хранения, иметь высокую степень дисперсности, минимальное количество влаги, летучих веществ и не иметь посторонних включений.
Натуральный и синтетические каучуки в чистом виде находят ограниченное применение, так как обладают рядом недостатков. В исходном состоянии они применяются для изготовления изоляционных лент, уплотнительных прокладок и других материалов.
Каучуки являются основными компонентами резиновых смесей и определяют качество и условия образования резин. Например, в шинных резиновых смесях содержание каучука составляет примерно 50 – 60 %.
Натуральный каучук получают из млечного сока (латекса) каучуконосных деревьев, в которых его содержится до 40%. По международной классификации подразделяется на 8 типов и 35 сортов. Содержит 93 – 94 % углеводородной основы (полиизопрен) и 6 – 7 % низкомолекулярных веществ. Вулканизация каучука осуществляется серой в сочетании с другими добавками.
НК является кристаллизующимся полимером, макромолекулы которого состоят из большого числа повторяющихся изопентановых групп, содержащих двойные связи:
Вулканизация представляет собой химическую реакцию взаимодействия между линейными макромолекулами каучука и вулканизующими добавками, в результате которой образуется пространственно-сетчатая структура резины (вулканизат). При использовании серы вулканизация осуществляется путем разрыва двойных связей между атомами углерода в макромолекулах каучука, присоединения по месту разрыва двухвалентной серы и образования поперечных серных мостиков, связывающих макромолекулы. Поперечные химические связи между макромолекулами каучуков могут образовываться также за счет атомов кислорода или валентных химических связей атомов углерода.
Вулканизация некоторых каучуков осуществляется при нагреве без вулканизирующих добавок. Температура вулканизации должна быть ниже температуры плавления каучука. Например, для шинных резин температура вулканизации составляет 130 - 140°С.
Резины на основе НК характеризуются высокой прочностью, эластичностью, износостойкостью, морозостойкостью, хорошими электроизоляционными свойствами, но вследствие высокой стоимости находят ограниченное применение.
Основная масса резин в виде резиновых, резинометаллических и резинотканевых изделий получается на основе синтетических каучуков. Например, в производстве шин доля синтетических каучуков составляет порядка 85 %.
Промышленностью производится большой ассортимент СК (свыше 200 наименований) с использованием в качестве исходного сырья попутных нефтяных газов и газов крекинга, что позволяет получать каучуки сравнительно невысокой стоимости. Некоторые СК по ряду технических свойств не уступают, а по некоторым и превосходят НК.
Многие синтетические каучуки относятся к карбоцепным полимерам, главные цепи которых состоят из атомов углерода. Однако макромолекулы некоторых каучуков, например уретановых, содержат в главной цепи гетероатомы в виде атомов азота, а главные цепи кремнийорганических каучуков построены из чередующихся атомов кислорода и кремния. Каучуки выпускаются в виде твердых высокомолекулярных продуктов (брикеты, рулоны, крошки, латексы) или низкомолекулярных жидких олигомеров.
Из большого разнообразия синтетических каучуков в промышленных масштабах наиболее широко применяются следующие виды каучуков: изопреновый, бутадиеновый, бутилкаучук, бутадиен-стирольные, бутадиен-нитрильные, хлоропреновые, кремнийорганические, фторсодержащие и др. Мировое производство синтетических каучуков развивается более быстрыми темпами, чем натурального каучука. Это объясняется значительно меньшей себестоимостью синтетических каучуков и возможностью получения каучуков со свойствами, превышающими свойства натурального каучука.
Изопреновый каучук (СКИ-3) по строению и комплексу свойств аналогичен натуральному каучуку, обладает высокой технологичностью и применяется для производства брекерных резин всех типов шин.
Бутадиен-стирольные каучуки (СКС) растворяются в углеводородах, устойчивы к действию воды и кислот, нестойки к действию смазочных масел. Резины на их основе по износостойкости, сопротивлению тепловому, озонному и естественному старению, водонепроницаемости превосходят вулканизаты на основе натуральных каучуков, но уступают им по эластическим свойствам, теплостойкости, клейкости и морозостойкости.
Бутадиен-нитрильные каучуки (СКН) обладают устойчивостью к действию смазочных масел, кислорода, но не стойки по отношению к свету и озону, имеют хорошую адгезию к металлам и их сплавам. Резины на их основе устойчивы к действию бензина, керосина, мазута и смазочных масел. Совмещение бутадиен-нитрильных каучуков с другими полимерными материалами, в том числе с каучуками, приводит к повышению прочности, твердости, масло - и износостойкости вулканизатов.
Бутадиеновый каучук (СКД) не уступает натуральному по эластичности и превосходит его по сопротивлению истиранию, обладает низким коэффициентом механических потерь и теплообразованием, хорошей тепло- и морозостойкостью, что позволяет использовать его в производстве морозо- и теплостойких шин. Механическая прочность каучука СКД несколько ниже натурального и основным недостатком его является низкая клейкость. Поэтому при производстве шин применяют смеси каучуков СКД с СКИ-3, а также СКД с СКС. Использование смеси каучуков СКД и СКИ-3 позволяет увеличить срок службы шин на 20 – 30 %.
Бутилкаучук (БК) отличается высокой газонепроницаемостью и устойчивостью к действию кислорода, озона и других агрессивных сред. Выпускается тринадцать марок бутилкаучука, отличающихся молекулярной массой и вязкостью. Бутилкаучук используется для изготовления камер и герметизирующих слоев бескамерных шин.
Хлоропреновые каучуки (наириты) обладают исключительно высокой устойчивостью к атмосферным воздействиям и превосходят по этому показателю все прочие эластомеры. Резины на их основе не растворяются в обычных растворителях, устойчивы к действию различных агрессивных сред, слабо набухают в маслах и бензине. Кроме того, они устойчивы к истиранию и способны длительное время выдерживать нагрев до температуры 130 - 150°С. Из них изготавливают детали (шланги системы смазки, манжеты и поршни гидравлического тормозного привода), работающие в контакте с маслами, топливами и другими средами. Клеи на основе хлоропреновых каучуков обладают хорошей адгезией и применяются для приклеивания резин к металлам.
Фторсодержащие каучуки (СКФ) отличаются устойчивостью к тепловому старению, маслам, различным растворителям, негорючестью. Резины на их основе применяются в производстве уплотнителей, рукавов шлангов, мембран, резинотканевых материалов, гуммировочных покрытий и других изделий, работающих при высоких температурах и в контакте с агрессивными средами.
Уретановые каучуки (СКУ). Резины на их основе отличаются высокой прочностью, эластичностью, сопротивлением истиранию, устойчивостью к топливам, маслам и применяются в производстве масло - и бензостойких резин. Например, устойчивость к истиранию у них в 5 - 7 раз выше, чем у вулканизатов из натурального каучука. Резины на их основе выдерживают большие нагрузки при сжатии, чем вулканизаты на основе натурального и синтетических каучуков. Уретановые каучуки широко применяются также для приготовления клеев, обладающих повышенной адгезией к различным материалам.
Кремнийорганические (силоксановые) каучуки (СКТ) отличаются высокой тепло - и озоностойкостью, отличными диэлектрическими свойствами. Изделия из них можно применять при температурах от - 90 до + 300°С.
Полисульфидные каучуки (тиоколы) отличаются устойчивостью к действию многих растворителей, масел, озона, солнечного света, влаго - и газонепроницаемостью.