Особенности производства и сырьевого состава резиновых материалов

Федеральное агентство  по образованию

Государственное учреждение высшего профессионального образования

Новосибирский Государственный  Технический Университет

Расчетно-графическая  работа по дисциплине «Эксплуатационные материалы» на тему:

ОСОБЕННОСТИ ПРОИЗВОДСТВА И СЫРЬЕВОГО СОСТАВА РЕЗИНОВЫХ МАТЕРИАЛОВ

Новосибирск – 2012

Оглавление

Введение

Резина отличается от других материалов высокими эластическими  свойствами, которые присущи каучуку - главному исходному материалу резины. Для резиновых материалов характерна высокая стойкость к истиранию, газо- и водонепроницаемость, химическая стойкость, электроизолирующие свойства и небольшая плотность.

Тема «резина» актуальна  на сегодняшний день, так как по своему значению для общества стоит в одном ряду со сталью, нефтью, каменным углем. Резина – почти идеальный конструкционный материал. Резиновые материалы пользуются популярностью, из них изготавливают огромное количество изделий.

Целью данной работы является изучение особенностей производства и сырьевого состава резиновых материалов.

В ходе работы мы узнаем, как получают резину, особенности  данного материала, область применения и ассортимент, потребительские  свойства резины, изучим методы определения  качества и распознавания материала.

1. Литературный обзор
1. История открытия

История каучука началась со времен Великих географических открытий. О резине европейцы узнали от спутников  Колумба. Когда Колумб вернулся в  Испанию, он привез вместе с картошкой, табаком и другими «экзотическими предметами» мячи, сделанные из эластичной «древесной смолы»(из белого сока растения гевея, растущего на берегах р.Амазонки).

Сок гевеи индейцы  называли «каучу» - слёзы млечного дерева («кау» - дерево, «учу» - течь, плакать). От этого слова образовалось современное название материала – каучук. Кроме эластичных мячей они делали из каучука непромокаемые ткани, обувь, сосуды для воды, ярко раскрашенные шарики-детские игрушки.

В Европе забыли про южно американскую диковинку до 18в., когда  члены французской экспедиции в Южной Америке обнаружили дерево, выделяющее затвердевающую на воздухе смолу, которой дали название «резина» (по латыни resina – смола). В 1738 г. Французский исследователь Ш. Кондамин представил в Парижской академии наук образцы каучука, изделия из него и описание способов добычи в странах Южной Америки. С тех пор начались поиски возможных способов применения этого вещества. Во Франции изобрели удобные подтяжки и подвязки  из сплетенных с хлопком резиновых ниток. А после 1823 г., когда шотландец Ч.Макинтош придумал прокладывать тонкий слой резины между двумя кусками ткани, начался настоящий «резиновый бум». Непромокаемые плащи из этой ткани, которые стали называть в честь их создателя «макинтошами», получили широкое распространение. Примерно в то же время в Америке стало модно в дождливую погоду поверх башмаков носить неуклюжую индейскую резиновую обувь – галоши.

Недолгую популярность в Европе и Северной Америке резиновые  изделия получили после того, как  англичанин Чаффи изобрел прорезиненную  ткань. Из такого материала делали не только одежду, обувь и головные уборы, но и крыши домов и фургонов. Однако у изделий был большой недостаток – эластичность каучука проявляется лишь в небольшом интервале температур, поэтому в холодную погоду резиновые изделия твердели и могли растрескаться, а летом размягчались, превращаясь в липкую, издающую зловоние массу.

Настоящая резина появилась в 1839 г., когда американец Чарльз Нельсон Гудьир, смешал каучук с серой и нагрев смесь в присутствии солей свинца получил неклейкий и термически стойкий материал. Сейчас именно новый материал, изобретенный Гудьиром, принято называть резиной, а открытый им процесс – вулканизацией каучука. С открытием процесса вулканизации началась история резиновой промышленности, и уже в середине ХIХ столетия во многих странах люди стали ходить в недорогих и практичных галошах, а к концу появились шины.

В России же впервые, в 1932 г., был получен синтетический  каучук в промышленных условиях по методу, предложенному академиком С.В. Лебедевым. Метод заключался в том, что каучук изготовляли путем полимеризации бутадиена, получаемого каталитическим разложением пищевого спирта.

Первоначально сырьем для  получения синтетического каучука (СК) служил этиловый спирт. Но на получение  спирта расходовалось большое количество продовольственных ресурсов. Проводились исследования, чем же можно заменить, и в итоге, с 1951 г. Началось производство каучука из нефтяных газов и продуктов переработки нефти.

2. Классификация резиновых материалов

1. По виду сырья:

• НК (натуральный каучук)
• СКБ (синтетический каучук бутадиеновый)
• СКС (бутадиен-стирольный каучук)
• СКИ (синтетический каучук изопреновый)
• СКН (бутадиен-нитрильный каучук)
• СКФ (синтетический фторосодержащий каучук)
• СКЭП (сополимер этилена с пропиленом)
• ХСПЭ (хлорсульфополиэтилен)
• БК (бутилкаучук)
• СКУ (полиуретановые каучуки)

2. По виду наполнителя:

• порошкообразные
• ткани

3. По степени упорядочения макромолекул и пористости:

• мягкие
• жесткие (эбонитовые)
• пористые (губчатые)
• пастообразные

4. По технологическим способам переработки:

• выдавливание
• прессование
• литьё

5. По тепловому старению:

• семь типов: Т07,…,Т25

6. По изменению объема после пребывания в нефтяной жидкости:

• семь классов: К1,….,К7

7. По назначению и области применения:

• общего назначения:
• основа каучук с неполярными связями (НК, СКИ, СКС, СКБ)
• для изготовления изделий, в которых реализуется основной признак резины – высокая эластичность.
• специального назначения (для изготовления изделий, которые должны быть стойкими к специфическим воздействиям, например к теплу или агрессивным средам):
• бензиномаслостойкие
• химически стойкие
• коррозионно-стойкие
• светостойкие
• теплостойкие
• морозостойкие
• электротехнические: изоляционные и проводящие
• износостойкие

3. Особенности сырьевого состава

Основной компонент  резиновых материалов – каучук натуральный (НК) или синтетический (СК), который и определяет основные свойства резинового материала. При производстве резиновых материалов используются различные добавки (ингредиенты). Рассмотрим подробнее особенности их состава:

• Вулканизирующие вещества (вулканизаторы) – обязательные компоненты резиновых материалов; они участвуют в образовании пространственно-сетчатой структуры резины. Для вулканизации наиболее широко применяется сера. Её количество в резиновых материалах может изменяться от 1 до 40% массы каучука, при этом увеличение содержания серы приводит к возрастанию твердости резиновых материалов.

Наряду с серой в  качестве вулканизаторов применяют  селен и тиурам. Селен – это  аналог серы, хрупкий блестящий на изломе неметалл черного цвета.

Тиурам – органическое сернистое соединение, в отличие от серы не взаимодействующее с медью.

• Ускорители процесса вулканизации – это полисульфиды в количестве 0,5…1,5% массы каучука,  оксиды свинца, магния, альтакс, каптакс. Активаторами ускорителей являются цинковые белила и магнезия. Их содержание до 5% массы каучука.
• Противостарители (антиоксиданты). Содержание 1…2% массы каучука. Различают:

• Химические – это альдоль, неозон Д и др.
• Физические – это парафин, воск и др.

• Мягчители (пластификаторы) – смеси ряда органических веществ, представляющих собой продукты переработки нефти (мазут, гудрон, парафин, церезин, минеральные масла), каменноугольные смолы, продукты растительного происхождения (растительные масла, канифоль, сосновая смола), жирные кислоты (стеариновая кислота, олеиновая кислота), синтетические продукты (полидиены, сложные эфиры). Количество мягчителей может составлять 8…30% массы каучука.

• Наполнители по воздействию на каучук подразделяют на активные (усиливающие) и неактивные (инертные). Активные наполнители – это углеродистая сажа и белая сажа – кремнекислота, оксид цинка и оксид магния, углекислая магнезия, каолин (белая фарфоровая глина). Неактивные наполнители – это мел, тальк, барий, отмученный мел, асбестовая мука (их содержание 30…40% массы каучука).
• Красители – это минеральные или органические, вводят для окраски резин. В качестве красителей применяют охру, ультрамарин и др. в количестве до 10% массы.

4. Основные свойства резиновых материалов

Резина обладает большим  количеством свойств, такими  как  эластичность, пластичность, износостойкостью и др. Что они из себя представляют и какие же еще могут быть свойства у резины, рассмотрим подробнее.

• Механические свойства.

К особенностям механических свойств каучуков и резин следует  отнести:

1) высокоэластический  характер деформации каучуков

2) зависимость деформаций  от их скорости и продолжительности  действия деформирующего усилия, что проявляется в релаксационных  процессах и гистерезисных явлениях.

3) зависимость механических  свойств каучуков от их предварительной  обработки, температуры и воздействия различных немеханических факторов (света, озона, тепла и др.).

• Деформационно-прочностные свойства.

1. Пластические и эластические свойства.

Пластичность – это способность материала легко деформироваться и сохранять форму после снятия деформирующей нагрузки (способность материала к необратимым деформациям).

Эластичность -  способность  материала легко деформироваться  и восстанавливать свою первоначальную форму и размеры после снятия деформирующей нагрузки, т. е. способность  к значительным обратимым деформациям.

Пластические и эластические свойства каучука проявляются одновременно; в зависимости от предшествующей обработки каучука каждое из них  проявляется в большей или  меньшей степени. Пластичность невулканизированного каучука постепенно снижается при вулканизации, а эластичность возрастает. В зависимости от степени вулканизации соотношение этих свойств каучука постепенно изменяется. Для невулканизированных каучуков более характерным свойством является пластичность, а вулканизованные каучуки отличаются высокой эластичностью. Но при деформациях невулканизированного каучука наблюдается также частичное восстановление первоначальных размеров и формы, т. е. наблюдается некоторая эластичность, а при деформациях резины можно наблюдать некоторые неисчезающие остаточные деформации.

2. Прочность при растяжении (предел прочности) – это  наибольшее напряжение, которое регистрируется при растяжении образца до его разрушения.
3. Относительное удлинение при разрыве -  способность материала, характеризующееся отношением максимальных размеров образца материала в момент его разрушения к первоначальным размерам образца в %.
4. Остаточное удлинение после разрыва - это выраженное в процентах отношение длины разорванного образца к его первоначальной длине.
5. Условные напряжения при заданном удлинении .
6. Условно-равновесный модуль - характеризует деформацию, установившуюся после выдержки растянутых образцов при 70° С в течение 1 ч.
7. Модуль эластичности - отношение между напряжением и вызванным им относительным удлинением.
8. Гистерезисные потери - это разность между работой или энергией, затраченной на деформацию резины и возвращенной ею при разгрузке.
9. Сопротивление раздиру.
10. Твердость - сопротивление вдавливанию в резину металлической иглы или шарика (индентора) под действием усилия сжатой пружины или под действием груза.

• Фрикционные свойства.

1. Износостойкость - сопротивление материалов изнашиванию.
2. Коэффициент трения - отношение силы трения к нормальной составляющей внешних сил, действующих на поверхности тела.

• Специфические свойства

1. Температура хрупкости - это температура, при которой происходит разрушение материала или изделия в условиях постоянно действующей нагрузки.
2. Морозостойкость - способность резины сохранять высокоэластические свойства при пониженных температурах.
3. Теплостойкость - способность резиновых материалов не размягчаться (сохранять жесткость) при повышении температуры.
4. Сопротивление старению – это сохранение механических свойств после воздействия света, озона, тепла и других факторов.

5. Способы получения

Резину получают специальной обработкой (вулканизацией) смеси каучука с различными добавками. В результате каучук приобретает свойства эластичности, прочности, нерастворимости в нефтепродуктах, температурную стойкость, износостойкость и другие ценные свойства.

В состав резиновой смеси входят следующие ингредиенты:

• Каучук
• Вулканизирующие агенты
• Ускорители вулканизации
• Активаторы вулканизации
• Противостарители
• Активные наполнители или усилители
• Неактивные наполнители
• Красители
• Регенерат
• Мягчители или пластификаторы
• Ингредиенты спец.назначения

Технология изготовления изделий из резиновых смесей состоит  из ряда операций, выполняемых в  определенной последовательности. Рассмотрим отдельно каждую операцию подробно:

1. Нарезание каучука на куски и его пластификация (умягчение) путем многократного пропускания через нагретые до 40-50⁰С валки с целью улучшения смешиваемости с другими ингредиентами.
2. Смешивание каучука с другими компонентами в строго определенной последовательности: сначала вводят противостарители; затем – вулканизаторы. Смешивание проводят в резиносмесительных или  вальцовочных машинах.
3. Каландрование резиновой смеси с целью получения сырой резины путем пропускания её через трехвалковую клеть листопрокатного станакаландра. Валки стана имеют разную температуру: верхний - 90⁰С, нижний – 15⁰С. Резиновая масса нагревается и под действием валков превращается в лист или ленту.
4. Изготовление изделий из сырой резины методами прессования в спец.пресс-формах под давлением 5-10МПа или литьем под давлением путем заполнения формы предварительно разогретой сырой резиной.
5. Вулканизация (рис.1.1) заключается в нагреве резиновой смеси до определенной температуры и выдержки её при этой температуре в течение времени, достаточного для того, чтобы атомы серы соединили в некоторых местах молекулы каучука (имеющего линейную структуру), образовав резину-материал с пространственной структурой молекул, обладающий новыми свойствами, отличающимися от свойств каучука. Температура вулканизации должна быть выше температуры плавления серы (120⁰С), но ниже температуры плавления каучука (180-200⁰С).

Рис.1.1 Вулканизация каучука

От содержания серы зависит  твердость резины. При содержании серы 40…60% массы каучука она превращается в эбонит – высокотвердый материал, поддающийся механической обработке  резанием. Эбонит один из лучших изоляторов с высокой стойкостью к кислотам и щелочам.

Если добавить в смесь  определенное количество сажи, то она станет электропроводной.

Также для вулканизации некоторых каучуков используются фенолформальдегидные смолы, оксиды металлов, пероксид бензоила и др.

6. Способы повышения качества

1. Строгое контролирование хода процесса вулканизации, особенно теплового режима.
2. для повышения прочности резину армируют (усиливают) текстильными материалами либо стальными элементами.  
3. Оснащение вулканизационных прессов автоматическими устройствами, осуществляющими контроль и регулирование температуры прогрева плит и давления в гидравлической системе. Автоматизация процесса вулканизации позволяет без участия оператора с высокой точностью выдерживать заранее установленный режим работы пресса.
4. Должна быть правильно спроектированная и изготовленная вулканизационная форма (влияет на получение высококачественных резиновых деталей с необходимыми физико-механическими свойствами) форма должна обеспечивать:

• получение резиновых и резино-металлических деталей заданной конфигурации и размеров;
• быстрое и полное заполнение полости формы резиновой смесью;
• быструю и удобную сборку и разборку формы, закладку заготовки, выемку вулканизованного изделия и очистку формы;
• прием выпрессовок и легкое удаление заусенцев, не нарушающее рабочих кромок и поверхностей резиновой детали.

5. Введение в резиновую смесь правильно подобранных ускорителей вулканизации, активаторов вулканизации, наполнителей, регенерата, пластификаторов и т.п. Они в свою очередь повышают сопротивление старению, эластичность, предел прочности, прочность при растяжении, твердость, износостойкость, пластичность, морозостойкость и другие важные свойства резины.

7. Методы определения качества и распознавание резинового материала

1. Определение предела про<span class="dash0410_0431_0437_0430_0446_0020_044