3.3.2 Резины

Резиной называется продукт специальной обработки (вулканизации) смеси каучука и серы с различными добавками.

Резина, как технический материал, отличается от других материалов высокими эластическими свойствами, которые присущи каучуку - главному исходному компоненту резины. Она способна к очень большим деформациям (относительное удлинение достигает 1000%), которые почти полностью обратимы. При нормальной температуре резина находится в высокоэластическом состоянии и ее эластические свойства сохраняются в широком диапазоне температур.

Модуль упругости лежит в пределах 1 - 10 МПа, т.е. он в тысячи и десятки тысяч раз меньше, чем для других материалов. Особенностью резины является ее малая сжимаемость (для инженерных расчетов резину считают несжимаемой); коэффициент Пуассона 0,4 - 0,5, тогда как для металла эта величина составляет 0,25 - 0,30. Другой особенностью резины как технического материала является релаксационный характер деформации. При нормальной температуре время релаксации может составлять 10^-4с и более. При работе резины в условиях многократных механических напряжений часть энергии, воспринимаемой изделием, теряется на внутренне трение (в самом каучуке и между молекулами каучука и частицами добавок); это трение преобразуется в теплоту и является причиной гистерезисных потерь. При эксплуатации толстостенных деталей (например, шин) вследствие низкой теплопроводности материала нарастание температуры в массе резины снижает ее работоспособность.

Кроме отмеченных особенностей для резиновых материалов характерны высокая стойкость к истиранию, газо- и водонепроницаемость, химическая стойкость, электроизолирующие свойства и небольшая плотность.

Основой всякой резины служит каучук натуральный (НК) или синтетический (СК), который и определяет основные свойства резинового материала.

Важным свойством является способность каучука вулканизироваться. Этот процесс обычно осуществляется в присутствии серы, в результате чего каучук из термопластичного переходит в термостабильное состояние и становится прочным, нерастворимым, теплостойким, неклейким и эластичным материалом. При вулканизации в молекулах каучука возникает сетчатая (пространственная) структура.

Для улучшения физико-механических свойств каучуков в состав вводятся различные добавки (инградиенты). Таким образом, резина состоит из каучука и инградиентов, имеющих определенное назначение. Кроме основного компонента (каучука), в состав резины входят вулканизаторы (S), наполнители (сажа, SiO₂, каолин, TiO₂, ZnO, Mg₂O, ткани, мел, тальк и т.д.), пластификаторы (фенолы, парафин, вазелин, стеориновая кислота, битум, растительные масла и др. - 8 - 30%), ускорители (оксид свинца, оксид магния и т.д.), противостарители (альдоль, неозон Д, парафин, воск), красители (минеральные или органические).

По назначению резины могут быть классифицированы на следующие группы:

• резины общего назначения;

• резины специального назначения.

В свою очередь резины общего назначения делятся на следующие подгруппы:

НК - натуральный каучук (С₅Н₈)n. Растворяется в жидких и ароматических растворителях (бензине, бензоле и др.), аморфен, образует вязкие растворы, применяемые в качестве клеев. Резины на основе НК отличаются высокой эластичностью, прочностью, водо- и газонепроницаемостью, высокими электроизоляционными свойствами.

СКБ - синтетический каучук бутадиеновый (С₄Н₆)_n. Является некристаллизующимся каучуком и имеет низкий предел прочности при испытании на растяжение, поэтому в резину на его основе вводят усиливающие наполнители.

СКС - бутадиенстирольный каучук. Получается при совместной полимеризации бутадиена (С₄Н₆) и стирола (СН₂=СН-С₆Н₅). Это самый распространенный каучук общего назначения. Из наиболее распространенного каучука СКС-30 получают резины с хорошим сопротивлением старению и хорошим сопротивлением многократным деформациям.

СКИ - синтетический каучук изопреновый - продукт полимеризации изопрена (С₅Н₈). По строению и свойствам близок к натуральному каучуку. Предназначается для получения электроизоляционных покрытий, для вакуумной техники.

Резины общего назначения могут работать в среде воды, воздуха, слабых растворов кислот и щелочей. Интервал рабочих температур от -35 до 130С. Из этих резин изготовляют шины, ремни, рукава, конвейерные ленты, изоляцию кабелей, различные радиотехнические изделия.

Резины специального назначения подразделяются на несколько видов: маслобензостойкие, теплостойкие, светоозоностойкие, износостойкие, электротехнические, стойкие к гидравлическим жидкостям.

Маслобензостойкие резины получают на основе каучуков (наирит), СКН и тиокола.

Резины на основе наирита обладают высокой эластичностью, вибростойкостью, озоностойкостью, устойчивы к действию топлива и масел, хорошо сопротивляются тепловому старению. За рубежом каучуки на основе наирита выпускают под названием неопрен, пербутан-С и др.

СКН - бутадиеннитрильный каучук. В зависимости от состава каучук выпускают следующих марок: СКН-18, СКН-26, СКН-40 (зарубежные марки: хаукар, пербутан, бутан-N и др.). Резины на основе СКН обладают высокой прочностью, хорошо сопротивляются истиранию, но по эластичности уступают резинам на основе НК, превосходят их по стойкости к старению и действию разбавленных кислот и щелочей. Резины на основе СКН применяют для производства ремней, конвейерных лент, рукавов, маслобензостойких резиновых деталей (уплотнительные прокладки, манжеты и т.д.).

Тиокол - полисульфидный каучук. Устойчив к топливу и маслам, к действию кислорода, озона и солнечного света, хороший герметизирующий материал. Механические свойства резины на основе тиокола невысокие. Эластичность сохраняется до -60С. Теплостойкость не превышает 60 - 70С. Тиколы новых марок работают при температуре до 130С.

Акрилатные каучуки можно отнести к маслобензостойким каучукам. Каучуки выпускают марок БАК-12, БАКХ-7, ЭАХ. Для получения высокопрочных резин вводят усиливающие наполнители. Достоинством этих резин является стойкость к действию серосодержащих масел при высоких температурах; их широко применяют в автомобилестроении. Они стойки к действию кислорода, достаточно теплостойки, обладают адгезией к полимерам и металлам. Недостатками БАК являются малая эластичность, низкая морозостойкость, невысокая стойкость к действию горячей воды и пара.

Теплостойкие резины получают на основе каучука СКТ. Это синтетический каучук теплостойкий, обладает хорошими диэлектрическими свойствами. Диапазон рабочих температур СКТ составляет от -60 до 250С. Является водостойким и гидрофобным каучуком (например, применяется для защиты от обледенения). В зависимости от введенных добавок каучуку можно придать те или иные свойства: СКТВ - устойчив к тепловому старению и обладает небольшой текучестью при сжатии, температура эксплуатации до 300С; СКТФВ - обладает повышенной морозостойкостью (до -100С) и сопротивляемостью к действию радиации.

Морозостойкими являются резины на основе каучуков, имеющих низкие температуры стеклования. Например резины на основе СКС-10 и СКД могут работать при температуре до -60С; НК, СКБ, СКС-30, СКН - до -50С; СКТ - ниже -75С.

Светоозоностойкие резины вырабатывают на основе фторсодержащих (СКФ), этиленпропиленовых (СКЭП), бутилкаучука.

Фторсодержащие каучуки выпускают марок СКФ-32, СКФ-26 (зарубежные марки - кель-Ф и вайтон). Каучуки устойчивы к тепловому старению, воздействию масел, топлива, различных растворителей (даже при повышенных температурах), негорючи, обладают высоким сопротивлением истиранию. Теплостойкость длительная (до 300С). Недостатком является малая стойкость к большинству тормозных жидкостей, низкая эластичность. Резины из фторкаучуков широко применяются в авто- и авиапромышленности.

СКЭП - белая каучукообразная масса, которая обладает высокой прочностью и эластичностью, очень устойчива к тепловому старению, имеет хорошие диэлектрические свойства. Кроме СКЭП выпускают тройные сополимеры СКЭПТ (за рубежом - вистол и дутрал).

Светостойкие резины первых двух видов применяют для уплотнительных изделий, диафрагм, гибких шлангов и т.д., они не разрушаются при работе в атмосферных условиях в течение нескольких лет.

ХСПЭ - хлорсульфополиэтилен обладает повышенным сопротивлением истиранию при нагреве, озоно-, масло-, и бензостойки, хорошие диэлектрики. Интервал рабочих температур от -60 до 215С. Применяют эти резины как защитный и конструкционный материал (противокоррозионные, не обрастающие в морской воде водорослями и микроорганизмами покрытия, для защиты от воздействия  - излучения).

БК - бутилкаучук обладает стойкостью к кислороду, озону и другим химическим реагентам. Каучук кристаллизующийся, что позволяет получить материал с высокой прочностью (хотя эластические свойства низкие). Обладает высоким сопротивлением истиранию и высокими диэлектрическими свойствами, химически стоек. Предназначен для работы в контакте с концентрированными кислотами и другими химикатами; кроме того, его применяют в шинном производстве (срок службы покрышек в 2 раза выше, чем покрышек и НК).

Износостойкие резины получают на основе полиуретановых каучуков СКУ.

СКУ обладают высокой прочностью, эластичностью, сопротивлением истиранию, маслобензостойкостью, стоек к кислороду и озону, его газонепроницаемость в 10 - 20 раз выше, чем газонепроницаемость НК, стойки к воздействию радиации. Выпускаются марок СКУ-7, СКУ-8, СКУ-50, СКУ-ПФ, СКУ-ПФЛ (зарубежные названия - вулколлан, адипрен, джентан, урепан). Резины на основе СКУ применяют для автомобильных шин, конвейерных лент, обкладки труб и желобов для транспортирования абразивных инструментов, обуви и др.

Электротехнические резины включают электроизоляционные и электропроводящие резины. Электроизоляционные резины изготовляют только на основе полярных каучуков НК, СКБ, СКС, СКТ и бутилкаучука. Их применяют для изоляции токопроводящей жилы электропроводов и кабелей, для специальных перчаток и обуви. Электропроводящие резины для экранированных кабелей получают из каучуков НК, СКН, наирита, особенно из полярного каучука СКН-26 с введением в него углеродной сажи и графита.

Резину стойкую к воздействию гидравлических жидкостей используют для уплотнения подвижных и неподвижных соединений гидросистем, рукавов, диафрагм, насосов. Для работы в масле применяют резину на основе каучука СКН. Для кремнийорганических жидкостей применимы неполярные резины на основе каучуков НК, СКМС-10 и др.

Таким образом, рассмотрев различные виды резин, можно сделать вывод о том, что резины находят широкое применение в различных областях промышленности, строительства и т.д. Следует отметить и специальные области применения резин. Так резины применяются в сельском хозяйстве в виде смесей определенного состава для стабилизации страдающих от ветровой коррозии песчаных грунтов, для укрепления плотин, каналов, для автомобильных дорог. Каучуки вводят в асфальт, что повышает его износостойкость и безопасность движения на дорогах. Губчатые резины широко применяются в качестве обивочных материалов для мебели, автомобилей, для обработки текстильных материалов - в частности пропитки изнанки ковровых изделий и т.д.

Физико-механические свойства резин приведены в табл. 3.6.