5.5. Резиновые изделия

Основой резиновых изделий является эластомер - резина, которая так же как и пластмассы, относится к высокополимерным материалам. Полуфабрикатом для получения резин служит каучук. Использование резины в качестве конструкционного материала становится возможным только после ее вулканизации, то есть образования сетчатой структуры при взаимодействии серы с реакционноспособными двойными связями макромолекул каучука. При вулканизации, в отличие от подобных процессов для термо- и реактопластов, образуется относительно небольшое количество химических связей между макромолекулами каучука, в результате чего пластичная резиновая смесь переходит в высокоэластическое состояние.

Резины способны к очень большим обратимым деформациям. Мо­дуль упругости резин находится в пределах 1 ... 10 МПа, временное сопротивление составляет от 4 до 36 МПа. Для резин характерны малая сжимаемость (коэффициент Пуассона 0,4 ... 0,5), релаксационный характер деформации, высокая стойкость к истиранию, газо- и водонепроницаемость, химическая стойкость, электроизолирующие свойства и небольшая плотность (900 ... 1250 кг/м³).

Совокупность этих свойств обусловила широкое применение резиновых материалов для изготовления амортизирующих деталей, уплотнений, герметизации, химической защиты деталей машин, для изготовления электроизоляционных деталей, мягких топливных и масляных баков, различных трубопроводов, шлангов, камер и покрышек, транспортерных лент и ремней и т.д. Номенклатура резинотехнических изделий насчитывает несколько десятков тысяч наименований.

Применяемые в машиностроении резиновые детали классифицируют по назначению на 9 классов:

уплотнительные элементы (различные уплотнения, манжеты, сальники);

вибро- и звукоизоляционные и противоударные;

силовые (шестерни, корпуса насосов, муфты, шарниры);

опоры скольжения (резинометаллические подшипники, подпятники, опоры);

гибкие компенсационные элементы (сильфоны, муфты, патрубки);

противоизносные элементы (протекторы, катки и т.д.);

фрикционные детали и инструменты (фрикционные ремни, шлифовальные круги);

несиловые и защитные (коврики, ручки, педали и т.д.);

декоративные.

Для резин характерны большие обратимые (упругие) деформации при сравнительно низких напряжениях: до 1000% и более (для стали - 1%). Прочность резин зависит от регулярности строения каучука и энергии взаимодействия между звеньями его молекул. В отли­чие от металлов для резин характерна гистерезисная форма кривых зависимости "напряжение - деформация" (рис. 5.23), резко выраженная зависимость механических свойств от скорости нагружения и температуры.

После снятия нагрузки в резине наблюдается остаточная деформация вследствие релаксационных явлений, т.е. запаздывание реакции материала на механическое воздействие. Восстанавливаемость резин характеризует их эксплуатационные качества. По гистерезисной диаграмме определяется полезная упругость резины как отношение работы, возвращенной деформированным образцом, к общей работе, затраченной на этудеформацию. Упругогистерезисные свойства являются весьма важными для изделий, работающих при знакопеременных нагрузках, так как они во многом определяют предел выносливости резин.

М

Рис. 5.23. Диаграмма "напряжение-деформация" при растяжении (АВ) и снятии нагрузки (ВД) с одинаковой скоростью

еханические свойства резин характеризуют временным сопротивлением при растяжении_В, относительным удлинением при разрыве, сопротивлением раздируВ, твердостью по ШоруН. Общие требования к физико-механическим испытаниям резин приведены в ГОСТ 269-66. Сопротивление раздиру определяется по ГОСТ 262-93 на образцах с надрезом как отношение разрывной нагрузки к толщине надрезанного образца, раздираемого с определенной скоростью.

Свойства резин ухудшаются с течением времени в результате старения под воздействием света, тепла, окружающей среды, механических и других факторов.

Основой всякой резины является каучукнатуральный (НК) или синтетический (СК), который обеспечивает пластичность исходной резиновой смеси (сырой резины) и во многом определяет основные физико-механические свойства резинового материала. Натуральный каучук (НК) представляет собой продукт коагуляции млечного сока (латекса) бразильской гевеи. Синтетический каучук (СК) представляет собой продукт полимеризации однородных или разнородных мономеров углеводородного, нитрильного, сульфидного, силоксанового и других типов. Основными типами синтетических каучуков, имеющих промышленное значение, являются: бутадиеновые, бутадиен-стирольные, изопреновые, относящиеся к каучукам общего назначения. Применяются также хлоропреновые, бутадиен-нитрильные, бутил-каучуки, этилен-пропиленовые, уретановые, силоксановые, фтор-каучуки, полисульфидные (тиоколы) и другие, относящиеся к каучукам специального назначения.

Основным процессом переработки каучука в резину является вулканизация -сшивка макромолекул каучука при нагреве под действием специальных вулканизующих агентов. Продукт вулканизации принимает пространственно-сшитую структуру, от густоты сетки которой зависят физико-механические свойства резины.

Наиболее широкое применение в качестве вулканизующего агента нашла сера. Обычно используется сера дисперсностью 0,35...0,40 мкм. При содержании серы до 5% образуются редкосетчатые резины - мягкие, высокоэластичные. С увеличением содержания серы сетчатая структура становится более густой, резина - более твердой, и при максимально возможном насыщении каучука серой (32%) образуется твердый материал, называемый эбонитом.

Для ускорения реакции взаимодействия каучука с серой вводят ускорители.Наиболее распространенные ускорители - тиурам, каптакс, альтакс, гуанидины, сульфенамидные соединения. Для повышения эффективности их действия вводят дополнительноактиваторы- оксиды металлов, в частности, цинка и магния.

В производстве резин и резинотехнических изделий применяются порошкообразные и тканевые наполнители. Основные функции наполнителей: 1) изменение физико-механических свойств резин и придание им специальных свойств (например, электропроводности, химстойкости и др.); 2) облегчение обработки резиновых смесей; 3) снижение стоимости изделий.

Наполнители, улучшающие механические свойства резин, называются активнымиилиусиливающими.Наполнители, вводимые для снижения стоимости резинотехнических изделий и не оказывающие существенного влияния на свойства резин, называютсянеактивнымиилиинертными.

В качестве активных наполнителей используют углероди­стую сажу, диоксид кремния ("белая сажа"), силикаты металлов, некоторые органические продукты (синтетические полимеры, лигнин) и др. Например, введение сажи в каучуки СКВ, СКС, СКН увеличивает их временное сопротивление.

К инертным наполнителям относятся в основном различные неорганические продукты природного происхождения: мел, каолин, тальк, регенерат резины и др.

Пластификаторы (мягчители) вводят в каучук для облегчения совмещения его с остальными компонентами резиновой смеси, заполнения форм в процессе формования изделий, повышения адгезии каучука к тканям и пластичности. Содержание пластификаторов в резиновых смесях составляет от 8 до 30% от общей массы. Пластификаторы должны быть совместимы с каучуками, стойки при температурах переработки и вулканизации, быть нетоксичными. В качестве пластификаторов используются парафины, жирные кислоты, битумы, дибутилфталат, растительные масла, различные синтетические продукты.

Для увеличения долговечности резинотехнических изделий вводятся противостарители, т.е. органические вещества, повышающие стойкость резин к воздействию кислорода воздуха и теплоты, возникающей в результате гистерезисных потерь при деформировании резин. В качестве таковых используются различные фенолы, первичные ароматические амины, ароматические диамины, в частности, неозон Д, параоксинеозон, альдоль, воск и др.

Кроме антиоксидантов в резины вводят антирады, одоранты, красители и другие специальные добавки.

Особое место в машиностроении занимают резинометаллические изделия. Номенклатура резинометаллических изделий в машиностроении довольно широка (амортизаторы, буфера, подшипники, шарниры, уплотнители и т.д.). Металлические элементы приме­няют как для повышения жесткости деталей, так и для монтажа и соединения с другими элементами конструкции. Прочность связи на границе резина-металл зависит от состояния металлической поверхности, состава резины и режимов формования. В зависимости от технологического процесса различают горячее и холодное крепление резины к металлу. Пригорячем креплении сырая резина присоединяется к металлу при вулканизации, а прихолодном -вулканизованная резина присоединяется к металлу с помощью клея.

Горячее крепление резины к металлу осуществляется с применением промежуточного подслоя (эбонитового или латунного). Подслой наносится на предварительно очищенную и обезжиренную металлическую поверхность. При использовании эбонитового подслоя сначала наносят тонкий слой клея на основе эбонитовой смеси, а затем слой (лист) эбонитовой смеси, на который укладывается резиновая смесь, и все эти слои плотно прикатываются к металлу или спрессовываются в форме. После этого изделие идет на вулканизацию. Однако такое соединение чувствительно к вибрациям и ударным нагрузкам, а также требует длительной выдержки для вулканизации эбонитовой прослойки.

В случае использования латунного подслоя стальную поверхность подвергают химическому травлению для удаления оксидов железа с поверхности и латунируют в электролизерах. Толщина слоя латуни создается в пределах 0,0002 ... 0,01 мм. Арматура крепится в соответствующую форму и форма заполняется сырой резиной. Далее изделие подвергается вулканизации. Данный способ применяется в основном для небольших металлических деталей.

Крепление с помощью клеев более просто в технологическом исполнении. На обезжиренную поверхность наносят клей и просушивают, после чего можно накладывать и прикатывать резиновую смесь или крепить арматуру в форму и заполнять форму резиновой смесью, а затем производить вулканизацию резины.

Холодное крепление резины к металлам выполняют с помощью клея. Наибольшее применение для этих целей получил клей 88Н. Металлические поверхности, подлежащие склеиванию, подготавливают, как и в предыдущих случаях. Зачищают и обезжиривают поверхность резины. На обе поверхности наносят клей, затем детали соединяют и выдерживают в зафиксированном положении под давлением 0,01 ... 0,10 МПа до завершения полимеризации клея.

Метод холодного крепления резины к металлам, безусловно проще, не требует специальных форм или специального технологического оборудования для латунирования, однако соединение уступает по масло- и теплостойкости, стойкости к воздействию агрессивных сред, вибраций и ударных нагрузок горячему креплению.