Конструкционно-ремонтные материалы Резиновые материалы Свойства резины

В современном автомобиле используется несколько сот изделий, изготовленных из резины. В их числе пневматические шины и камеры, шланги, уплотнители для герметизации жидких сред, стыков и кузовных проемов, электроизолирующие и виброизолирующие детали, детали салона и кабины, приводные ремни и т. д. Общая масса резинотехнических изделий (РТИ) составляет до 8-10% от общей массы автомобиля. При ремонте автомобилей применяются специальные сорта сырой резины, из которых важнейшими являются прослоечная, протекторная и камерная. Все они предназначены для ремонта пневматических шин методом горячей вулканизации.

Широкое и разнообразное применение резины в автомобиле объясняется исключительно ценными свойствами, которыми она обладает.

Уникальным свойством резины является ее обратимая эластичная деформация, т.е. способность в сильной степени многократно изменять свою форму и размеры без разрушения под воздействием сравнительно небольшой внешней нагрузки и вновь приходить в первоначальное состояние после снятия этой нагрузки. Подобными свойствами не обладают ни металлы, ни древесина, ни пластмассы. Эластичные свойства резины характеризуются несколькими показателями.

Относительное удлинение при разрыве – это отношение прироста длины образца резины при деформации в момент разрыва к его первоначальной длине:

Остаточное удлинение (остаточная деформация) при разрыве – отношение прироста длины разорванного образца к его первоначальной длине:

l₀ – первоначальная длина образца резины,

l₁ – длина образца в момент разрыва,

l₂ – длина разорванного образца.

Предел прочности при растяжении – напряжение, которое возникает в резине в момент разрыва образца. Предел прочности при растяжении (предел прочности на разрыв) равен нагрузке Р, приложенной к образцу для его разрыва, к площади его поперечного сечения S до начала растяжения:

Среди других важнейших показателей прочностных свойств резины следует отметить высокую твердость и износостойкость, прочность при скручивании и смещении слоев.

Твердость характеризует способность резинового материала сопротивляться проникновению в него постороннего тела, а износостойкость – потерю объема образца резины на единицу работы, затраченной на истирание.

Резина обладает высоким коэффициентом трения, не пропускает влагу, газы.

Состав резины

Резина представляет сложный по составу материал, включающий различные компоненты. Для изготовления резины составляется резиновая смесь, содержащая несколько ингредиентов в определенном массовом соотношении. Смесь формуется в изделие. Выбор способа формования определяется формой и размерами самого изделия, массовостью его тиражирования, свойствами смеси. Далее сформованная смесь вулканизируется – подвергается воздействию температуры (ок. 150 ⁰С) в течение определенного времени.

Главным ингредиентом резиновой смеси является каучук. В настоящее время используются исключительно синтетические каучуки (СК). Каучуки, которые используются для изготовления массовых изделий (товаров народного потребления, шин, изделий технического назначения), называются каучуками общего назначения. Резина на базе таких СК не обладает какими-либо особыми свойствами, хотя и обладает достаточно высокими эксплуатационными показателями. СК специального назначения позволяют получать резиновые изделия, обладающие какими-либо особыми свойствами.

Доля СК общего назначения составляет свыше 95% в общем объеме производства каучуков.

СК являются высокомолекулярными соединениями, которые синтезируются полимеризацией мономеров – химических соединений с непредельными связями. Например, наиболее распространенный каучук – изопреновый – построен из молекул изопрена:

СН₂=ССН=СН₂  Н  СН₂С=СНСН₂ _n Н

| |

СН₃ СН₃

изопрен полиизопрен

Бутадиенстирольный СК является продуктом сополимеризации двух мономеров – бутадиена (СН₂=СНСН=СН₂) и стирола СН₂=СН(С₆Н₅), так что основным структурным фрагментом является СН₂СН=СНСН₂СН₂СН(С₆Н₅), включающий оба мономера.

Свойства синтетических каучуков зависят от их строения и состава, поэтому различны и свойства резины.

Изопреновый каучук (техническое обозначение СКИ) по своему составу и строению является аналогом натурального каучука, по некоторым показателям уступает ему, а по некоторым превосходит. Резина на основе СКИ отличается газонепроницаемостью, достаточной стойкостью против воздействия многих органических растворителей, масел, едких веществ. Существенным недостатком служит низкая прочность при высоких температурах и низкая атмосферостойкость.

Бутадиенстирольный (СКС) и бутадиен-метилстирольный (СКМС) каучуки наиболее широко используются в автомобилестроении. Резины на основе этих каучуков имеют хорошие прочностные свойства, высокое сопротивление износу, газонепроницаемость, морозо- и влагостойкость, однако нестойки к действию топлив и масел.

Резина на базе бутадиенового каучука (СКД) эластична, износостойка, имеет хорошие физико-механические свойства при низких температурах, однако имеются трудности при переработке резиновых смесей, недостаточная прочность связи с металлокордом при производстве армированных изделий.

Из СК специального назначения бутадиеннитрильный (СКН) каучук отличается высокой бензомаслостойкостью, сохраняет свои свойства в широком интервале температур, обеспечивает прочную связь с металлами, поэтому применяется для изготовления металлорезиновых изделий, работающих в контакте с нефтепродуктами. Недостаток этого каучука – быстрое старение.

Резины на основе фторкаучука (СКФ) и акрилатного каучука (АК) обладают очень высокими прочностными свойствами, стойки к действию топлив, масел, многих других веществ, высоких температур, однако низкая морозостойкость ограничивают их применение. Хорошим набором свойств обладают силиконовые каучуки.

В чистом виде натуральные и синтетические каучуки находят ограниченное применение, так как обладают рядом недостатков, в частности, низкой прочностью. Одним из способов увеличения прочности каучуков является вулканизация. При нагревании с некоторыми веществами, которые называются вулканизирующими, между молекулами каучука образуются мостики, что резко изменяет механические свойства смеси. Процесс вулканизации и является, собственно, процессом производства резины. Чаще всего в качестве вулканизирующего ингредиента используют серу (13% от массы каучука). Для ускорения протекания вулканизации в резиновую смесь добавляют ускорители и активаторы.

Чрезвычайно важным ингредиентом резины являются наполнители. Активные наполнители резко усиливают прочностные свойства резины. Чаще всего роль активного наполнителя выполняют различные марки технического углерода (сажи). Введение технического углерода делает резину более прочной, повышает износостойкость, упругость, твердость. Неактивные наполнители (мел, асбестовая мука и др.) служат для увеличения объема резиновой смеси, но практически ее физико-механические свойства не улучшают.

Пластификаторы облегчают приготовление резиновой смеси, формование изделий, а также улучшают эластичность резины при низких температурах. В качестве пластификаторов используют высококипящие фракции нефти, каменноугольной смолы, растительные масла, канифоль, синтетические смолы. Для замедления процессов старения резины, для увеличения продолжительности сохранения свойств резины в состав резиновой смеси вводят антиокислители и стабилизаторы.

Особо следует отличить роль армирующих наполнителей. Они не входят в состав резиновой смеси, вводятся на стадии формования изделия. Текстильная или металлическая арматура снимает часть нагрузки с резинового изделия, ограничивает его деформацию. Армированные резиновые изделия используются в виде шлангов, приводных ремней, лент, но главное – для усиления прочности автопокрышек. В автопокрышках используется текстильный и металлический корд.

Подбирая соответствующий каучук, рецептуру резиновой смеси (соотношение ингредиентов), условия вулканизации, можно создавать материал, имеющий определенные свойства. Это позволяет получать изделия, обладающие разными эксплуатационными свойствами, причем устойчиво сохраняющие исходные качества длительное время и обеспечивающие функциональное назначение деталей из резины и работоспособность узлов и агрегатов.

Под действием кислорода воздуха, ультрафиолетовых лучей, высокой температуры резина теряет свои ценные физико-механические свойства – происходит процесс старения. Резина теряет эластичность, растрескивается, утрачивает прочностные свойства. Сильно изменяются свойства резины в зависимости от температуры. При понижении температуры уменьшается эластичность, и при низких отрицательных температурах резина становится хрупкой. При высоких температурах снижаются прочностные свойства, способность к обратимой деформации. Вода не оказывает заметного влияния на свойства резины, однако вызывает потерю прочности хлопчатобумажного корда и коррозию металлического. Резины (кроме специальных) нестойки к углеводородным средам, и при контакте с ними набухают, утрачивают эластичность, прочность, твердость. Однако даже бензомаслостойкие резины не являются абсолютно стойкими к топливам и маслам, поэтому их не следует подвергать без необходимости воздействию углеводородных сред.