Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский государственный университет тонких химических технологий имени М.В. Ломоносова"

Кафедра ФХП

Лабораторная работа №2

«Сетчатые эластомеры»

Студентка: Шульженко М.Г.

Группа: ВХТ-41

МОСКВА 2015

Цель работы: Ознакомиться с методикой испытаний эластомеров на растяжение, определить влияние времени вулканизации на структурные и физико-механические характеристики вулканизованных эластомеров.

Объекты исследования: Сырая (невулканизованная) резиновая смесь и образцы резины в виде пластин вулканизованных в электропрессе в течение различного времени. Состав смеси-3.

Оборудование и материалы: разрывная машина(динамометр), толщиномер, штангенциркуль, линейка, образцы резины в виде двусторонних лопаток для растяжения, мелко нарезанная стружка из резины, сульфит натрия, уксусная кислота, формалин, крахмал, толуол, весы.

Теоретическая часть:

Вулканиза́ция— технологический процесс взаимодействиякаучуковс вулканизующим агентом, при котором происходит сшивание молекул каучука в единую пространственную сетку. При этом повышаются прочностные характеристики каучука, его твёрдость и эластичность, снижаются пластические свойства, степень набухания и растворимость в органических растворителях. Вулканизующими агентами могут являться:сера,пероксиды, оксиды металлов, соединения аминного типа и др. Для повышения скорости вулканизации используют различные катализаторы-ускорители.. Вулканизация полиизопрена(натуральногокаучука)серой.

Вулканизации обычно подвергается смесь каучука с различными компонентами, обеспечивающими необходимые эксплуатационные свойства резин.

Реакции межмакромолекулярного взаимодействия приводят к образованию сетчатых структур ,по средствам соединения исходных линейных или разветвленных макромолекул полимера.

Данные реакции могут протекать по двум направлениям:

• Реакции функциональных групп разных макромолекул друг с другом с образованием устойчивых химических связей между макромолекулами

• Реакции низкомолекулярных веществ с реакционно способными, относительно их, участками разных макромолекул полимера (сшивание)

Сетчатые структуры в полимерах могут образовываться и по принципиально иному пути.

Этот путь заключается в образовании разветвленных и далее сетчатых структур при ступенчатых реакциях синтеза полимеров из мономеров или олигомеров с концевыми функциональными группами при их содержании не менее трех, хотя бы в одной из данных молекул. Получающиеся при этом сетчатые структуры, обычно, являются более совершенными и лучше описываются количественно по сравнению с сетками, полученными при сшивании макромолекул полимеров.

Стоит также отметить, что реакции сшивания исходных макромолекул полимеров можно так же разделить на несколько путей:

• Сшивание ненасыщенных и насыщенных полимеров пероксидами и излучением высоких энергий (пероксидное и радиационное сшивание)

• Сшивание ненасыщенных эластомеров серой и ускорителями (вулканизация)

Реакции функциональных групп исходных макромолекул друг с другом и реакции низкомолекулярных реагентов по функциональным группам, расположенным вдоль макромолекулярных цепей.

Общая схема реакций может быть представлена в следующем

виде:

R-S-S-R ↔ 2RS; KaH + RS*→ Ka* + RSH

Ka* +Ka* → Ka --Ka (сшивка);

Ka* + RS*→ KaSR (модификация цепи)

RS* + RSSR → RSR + RSS* ;

Ka + RSS* → KaSSR (модификация цепи)

KaSSR→ KaS +RS* +KaH → KaS* +Ka* +RSH→ Ka-S-Ka (сшивка)

Продукты превращения дисульфидных ускорителей (меркаптаны -

RSH) могут присоединяться к двойным связям эластомеров, приводя к

их модификации.

В присутствии серы дисульфиды и меркаптаны реагируют с ней с образо-

ванием активных промежуточных полисульфидов, распад которых приводит

к сшиванию макромолекул каучука:

R-S-S-R + S8 → RSS8 SR + KaH → Ka-Sx-SR + RS8-xH;

Ka-SxSR→ Ka-Sx+ RS* + KaH → Ka-Sx+ Ka* + RSH →Ka -Sx- Ka (полисульфидная сшивка)

RSH + S8 → RSxH—RS*(x-y) +*Sy-H;

Ka* + *SyH → KaSyH + KaH →

→KaS*(y-1) + Ka* + H2 S → KaS(y-1) –Ка

Одной из важных характеристик процесса вулканизации эластомеров помимо механизма действия сшивающих систем являются его кинетические параметры: окисление макромолекул, их циклизация, цис-транс-изомеризация, разветвление, внутримолекулярное присоединение фрагментов вулканизующего агента или ускорителей и др. Развитие этих процессов опре­деляется условиями вулканизации (температурой и продолжительностью) и составом ре­зиновой смеси.

Для измерения кинетики вулканизации существуют различные химические и физиче­ские методы.

Химические методы позволяют оценить кинетику вулканизации по расходу вулкани­зующего агента или отдельных компонентов вулканизующей группы.

Физические методы основаны на определении физико-механических свойств образ­цов изготовленных в течение различных времен вулканизации. В особую группу можно выделить динамические методы, в основе которых лежит определение момента сопротивление деформирования образца при знакопеременных сдвиговых деформациях при сравнительно малых амплитудах в широком диапазоне частот колебаний.

Характеристика объектов исследования:

Объектом исследования являются вулканизованные пластины из резиновой смеси-3 с продолжительностью вулканизации 10,15,30,40 минут. Рецептура резиновой смеси приведена в таблице 1.

Таблица 1 - Рецепт резиновой смеси-2

СКИ-3	ТУ 220	Стеариновая кислота	Оксид цинка	Сульфенамид-Ц	Сера
100	50	1	5	1	2

Изопреновый каучук (CКИ-3) - Изопреновый каучук/ IR— синтетическийкаучук, получаемый применением новых комплексныхкатализаторовстереоспецифическойполимеризацииврастворителях. Изопреновый каучук – эластичная темно-серая масса без характерного запаха. Химический состав изопрена приблизительно идентичен натуральному каучуку. Поэтому свойства этих двухэластомеровпохожи.

_nСН₂=С(СН₃)-СН=СН₂ → (-СН₂-С(СН₃)=СН-СН₂-)_n

Этот синтетический каучук является в основном транс-1,4-полиизопреном. Полимеризация изопрена под действием таких инициаторов, как натрий или калий в малополярных растворителях, приводит к образованию 1,2-, 3,4- и транс-1,4-полиизопрена. Инициирование полимеризации литием в неполярном растворителе ведёт к получению каучука, содержащего 94% цис-звеньев

С увеличением содержания транс-1,4, 1,2 и 3,4-звеньев в полимере снижаются прочностные свойства при растяжении, эластичность по отскоку и, как пра­вило, относительное удлинение при разрыве, повышается темпе­ратура стеклования и ухудшается морозостойкость.

Бутадиеновый каучук (СКД) -синтетический каучук, получаемый полимери­зацией бутадиена в растворителях в присутствии комплексного ка­тализатора. Третий по объему выработки полимер.

Бутадиеновые каучуки при содержании более 80% цис-звеньев способны кристаллизоваться при охлаждении. Максимальная ско­рость кристаллизации СКД наблюдается при температурах от -55 до -60^оС. При уменьшении содержания цис-1,4-звеньев,  молеку­лярной массы каучука и в результате вулканизации скорость и сте­пень кристаллизации каучуки понижаются. Резины на основе СКД обладают рядом ценных свойств:

- высокоэластичностью, - повышенной износостойкостью и исключитель­но высокой морозостойкостью. 

Технический углерод 220 (С) - высокодисперсный аморфный углеродный продукт, производимый в промышленных масштабах, иногда для наименования технического углерода применяют термин "сажа". Технический углерод применяется в качестве усиливающего компонента в производстве резинипластических масс. Около 70 % всего выпускаемого тех углерода используется в производствешин, ~20 % в производстверезинотехнических изделий. Остальное количество находит применение в качестве чёрногопигмента; замедлителя «старения» пластмасс; компонента, придающего пластмассам специальные свойства: (электропроводные, способность поглощатьультрафиолетовоеизлучение, излучениерадаров).

Стеариновая кислота (октадекановая кислота) —одноосновная карбоновая кислота алифатического ряда. Химически чистая стеариновая кислота имеет вид бесцветных кристаллов.

Стеариновая кислота нерастворима в воде, но растворима в эфире. Не имеет запаха. Основным промышленным методом получения стеариновой кислоты является извлечение её из стеарина — продукта гидролиза жиров при производстве мыла. Хотя стеариновую кислоту можно добывать и из растительных жиров, обычно для ее производства используется жир животных. Применяется в производстве свечей и как смягчитель в производстве резины.

Оксид цинка (окись цинка) ZnO - бесцветный кристаллический порошок, нерастворимый в воде, желтеющий при нагревании и сублимирующийся при 1800 °C . Свойства оксида цинка обусловливают его широкое применение в химической, фармацевтической промышленности. Оксид цинка широко применяется в создании цементов, производстве: электрокабеля, резинотехнических изделий; промышленностях: шинной, лакокрасочной, нефтеперерабатывающей.

Сульфенамид Ц (N-Циклогексилбензотиазосульфенамид-2) C13H16N2S2 - Порошок от кремового до светло-зеленого цвета; т. пл. 103°С, т. разл. 130 °C. Растворим вбензоле, этилацетате, не растворим вводе. Широко применяемый ускоритель вулканизации замедленного действиярезиновых смесей, на основе натурального и синтетических каучуков диенового типа, бутилкаучука и полихлоропреновых. Активен при 135°С и выше. Применяется самостоятельно или в смеси с другими ускорителями, в частности тиурамами, в «эффективных» и «полуэффективных» системах вулканизации. Обеспечивает высокую стойкость резиновых смесей к скорчингу и быстрое достижение оптимума вулканизации. Дает вулканизаты с высоким значением разрушающего напряжения при растяжении и хорошей стойкостью к старению. Модификаторрезиновых смесей, на основе натурального и синтетических каучуков (изопреновых, бутадиен-стирольных, хлоропреновых), а также синтетических каучуков, содержащих амидные и альдегидные группы. Применяется в шинной промышленности и промышленности резинотехнических изделий. Повышает устойчивость вулканизатов к различным видам деформаций и прочность связи в резинокордных системах как в статических, так и в динамических условиях, значительно снижает ползучесть вулканизатов.

Сера (S) - элемент 16-й группы, третьего период апериодической системы химических элементов Д. И. Менделеева, с атомным номером 16. Проявляет неметаллические свойства. В водородных и кислородных соединениях находится в составе различных ионов, образует многие кислоты и соли. Для вулканизации каучуков, содержащих двойные связи, сера применяется совместно с ускорителями и активаторами вулканизации. Содержание серы в резиновых смесях определяется природой полимера, природой и содержанием ускорителя вулканизации и других ингредиентов. Обычно оно не превышает 3,0 масс ч на 100 масс. ч. каучука. Лишь для производства эбонита в каучук вводят до 50 масс. ч. серы.

Химические реакции формирования вулканизационной сетки:

Экспериментальная часть: