Как появился каучук?
Хроника появления каучука в странах Европы каучука началась тогда, когда Колумб в 1493 году привез с нового континента диковинные сокровища. Среди них оказался удивительно прыгучий мяч, который сделали местные туземцы из млечного сока дерева гевеи. Этот сок индейцы называли «каучу» (от «кау» — дерево, «чу» — слезы, плакать) и использовали в ритуальных обрядах. Название закрепилось и при испанском королевском дворе. Однако в Европе о существовании необычного материала забыли вплоть до 18 века.
Всеобщий интерес к каучуку возник лишь после того как французский мореплаватель Ш. Кондамин в 1738 году представил ученым из Парижской академии наук некий упругий материал, образцы изделий из него, его описание и методы добычи. Эти вещи Ш. Кондамин привез из экспедиции по Южной Америке. Там туземцы делали различные предметы обихода из смолы особых деревьев. Такой материал получил название «резина», от лат. resina – «смола». Именно с этих пор и начался поиск способов применения этого вещества.
Вулканизация каучуков. Резина
Каучуки являются основой производства разнообразных резино-технических изделий (РТИ).
РТИ
— многочисленная группа резиновых, резино-тканевых и резино-металлических изделий: шины, конвейерные ленты, приводные ремни, аэростаты, надувные лодки, сборно-разборные сооружения, изделия бытового и медицинского назначения и др.
Характеристика важнейших промышленных каучуков
Источник — Химическая энциклопедия (1) или Химическая энциклопедия (2)
При изготовлении РТИ необходимо учитывать, что каучук, состоящий из отдельных, несвязанных макромолекул («сырой» каучук), обладает
пластичностью
от греч.
plastikós
— годный для лепки, податливый, пластичный. — способностью под действием механических нагрузок
необратимо изменять свою форму
(пластически деформироваться). Это свойство не позволяет непосредственно применять «сырой» каучук в РТИ, но может использоваться при подготовке и формовании изделий. Кроме того, «сырой» каучук способен растворяться в неполярных органических растворителях, например, в бензине (на этом основано приготовление резинового клея).
Для устранения пластических деформаций и растворимости с целью практического использования каучук превращают в резину
.
Резина (от лат. resina
– смола) – эластичный материал (вулканизат), образующийся в результате вулканизации натурального и синтетических каучуков. Представляет собой нерастворимый сетчатый эластомер – продукт поперечного сшивания молекул каучуков химическими связями.
При получении изделий из резины готовят резиновые смеси
, которые, кроме
каучука
, содержат
вулканизующий агент
(например, серу),
наполнитель
(сажа или мелкодисперсные диоксид кремния, силикаты алюминия и кальция) и другие ингредиенты. Из резиновой смеси формуют заготовку изделия, которая затем подвергается вулканизации.
Оптимальной является резиновая смесь, в которой до вулканизации преобладают пластические деформации, а после вулканизации, в уже готовом изделии, должна в основном развиваться эластическая деформация с минимальной долей пластичности.
Суть процесса вулканизации заключается в том, что при нагревании резиновой смеси макромолекулы каучука и сера образуют трехмерную сетчатую структуру, обладающую повышенной прочностью за счёт устранения пластичности. Атомы серы присоединяются по двойным связям макромолекул и создают между ними сшивающие сульфидные мостики: В зависимости от количества сшивающего агента (серы) можно получать сетки с различной частотой сшивки. Предельно сшитый каучук –
эбонит
– не обладает эластичностью и представляет собой твердый материал.
Вулканизация каучуков лежит в основе производства разнообразных резино-технических изделий. Это многочисленная группа резиновых, резино-тканевых и резино-металлических изделий: шины, конвейерные ленты, приводные ремни, сальники, муфты, прокладки, амортизаторы, диэлектрические ковры, аэростаты, надувные лодки, понтоны, сборно-разборные сооружения, резиновая обувь, изделия бытового и медицинского назначения и др. Примером может служить процесс изготовления шин, показанный на видео:
Технология производства шин
Кроме использования в производстве резино-технических изделий, бутадиеновый и бутадиен-стирольный каучуки
применяют для получения
ударопрочных конструкционных материалов
— АБС-пластиков.
Ценность каучука
Сегодня наиболее массовое применение каучук получил в производстве резины. Современная промышленность изготавливает различные виды для автомобильных, авиационных, велосипедных покрышек. Ее используют при изготовлении всевозможных уплотнителей для разъемных элементов в гидравлических, пневматических и вакуумных устройствах.
Продукт, полученный в процессе вулканизации каучука серой и другими химическими элементами, используют для электроизоляции, в производстве медицинских и лабораторных приборов и приспособлений. Кроме того, различные каучуки применяются для изготовления конвейерных лент, работающих под большими нагрузками, антикоррозийных покрытий котлов и труб, различных видов клея и тонкостенных высокопрочных мелких изделий. Синтезирование искусственного каучука дало возможность создать некоторые виды твердого ракетного топлива, где этот материал играет роль горючего.
Что такое вулканизация каучука и что она дает?
Технологический процесс вулканизации подразумевает смешение каучука, серы и других веществ в необходимых пропорциях. Их подвергают тепловой обработке. При нагревании каучука с агентом серы молекулы этого вещества скрепляются друг с другом серными связями. Некоторые их группы образуют единую трехмерную пространственную сетку.
В состав каучука входит большое количество углеводорода полиизопрена (C5H8)n, белков, аминокислот, жирных кислот, соли некоторых металлов и другие примеси.
В молекуле природного каучука может присутствовать до 40 тысяч элементарных звеньев, он не растворяется в воде, но прекрасно расщепляется в органических растворителях. Однако если каучук способен практически полностью раствориться в бензине, то резина в нем лишь разбухнет.
Вулканизация этого материала способствует снижению пластических показателей резины, оптимизирует степень ее набухания и растворимость при непосредственном контакте с органическими растворителями.
Процесс вулканизации каучука обеспечивает полученный материал более прочными свойствами. Резина, изготовленная по такой технологии, способна сохранять эластичность в широком диапазоне температур. В то же время нарушения технологического процесса в виде увеличения добавления серы приводят к появлению твердости материала и утрате эластичных способностей. В результате получается совсем другое вещество, которое называют эбонитом. До появления современных видов пластмасс эбонит считался одним из лучших изолирующих материалов.
Горячая вулканизация
Технология такой вулканизации выглядит следующим образом. К отформованной из сырого каучука добавляют определенное количество серы и специальных добавок. Как правило, объем серы должен лежать в диапазоне 5 – 10% конечная цифра определяется исходя из предназначения и твердости будущей детали. Кроме серы, добавляют так называемый роговой каучук (эбонит), содержащий 20 – 50% серы. На следующем этапе происходит формование заготовок из полученного материала и их нагрев, т.е. вулканизация.
Нагрев проводят различными методами. Заготовки помещают в металлические формы или закатывают в ткань. Полученные конструкции укладывают в печь разогретую до 130 – 140 градусов Цельсия. В целях повышения эффективности вулканизации в печи может быть создано избыточное давление.
Альтернативные методики
Тем не менее наука, как известно, не стоит на месте. Сегодня известны и другие вулканизирующие агенты, однако сера до сих пор остается наиболее приоритетной. Для ускорения вулканизации каучука используется 2-меркаптобензтиазол и кое-какие его производные. В качестве альтернативных методик проводят ионизирующую радиацию с применением некоторых органических пероксидов.
Обычно при любом виде вулканизации в качестве исходного сырья используют смесь каучука и различных добавок, придающих резине требуемые свойства или улучшающих ее качество. Добавление наполнителей, например, сажи и мела, способствует снижению стоимости полученного материала.
В результате технологического процесса продукт вулканизации каучука приобретает высокую прочность и хорошую эластичность. Именно поэтому в качестве сырья для изготовления резины используют различные виды натуральных и синтетических каучуков.
Свойства материала
От вида примененного реагента во многом зависят эксплуатационные свойства полученной вулканизированной резины и изделий из нее. К таким характеристикам относят устойчивость к пребыванию в агрессивных средах, скорость деформирования при сжатии или повышении температуры, сопротивляемость термоокислительным реакциям.
Возникающие связи необратимо ограничивают подвижность молекул под механическим воздействием, одновременно сохраняя высокую эластичность материала со способностью к пластическим деформациям. Структура и численность этих связей определяется методом вулканизации резины и использованными для нее химическими агентами.
Читать также: Съемные розетки на кухне
Процесс протекает не монотонно, и отдельные показатели вулканизируемой смеси в своем изменении достигают своего минимума и максимума в разное время. Наиболее подходящее соотношение физико-механических характеристик получаемого эластомера называется оптимумом.
Вулканизируемый состав, помимо каучука и химических агентов, включает ряд дополнительных веществ, способствующих производству резин с заданными эксплуатационными свойствами. По назначению их делят на ускорители (активаторы), наполнители, мягчители (пластификаторы) и противостарители (антиокислители). Ускорители (чаще всего это оксид цинка) облегчают химическое взаимодействие всех ингредиентов резиновой смеси, способствуют сокращению расхода сырья, времени на его переработку, улучшают свойства вулканизаторов.
Наполнители, такие как мел, каолин, сажа, повышают механическую прочность, сопротивление износу, истиранию и другие физические характеристики эластомера. Пополняя объем исходного сырья, они тем самым уменьшают расход каучука и понижают себестоимость получаемого продукта. Мягчители добавляют для повышения технологичности обработки резиновых смесей, снижения их вязкости и увеличения объема наполнителей.
Также пластификаторы способны повышать динамическую выносливость эластомеров, стойкость к истиранию. Стабилизирующие процесс антиокислители вводятся в состав смеси, чтобы предупредить «старение» каучука. Разные комбинации этих веществ применяют при разработке специальных рецептур сырой резины для прогнозирования и корректировки процесса вулканизации.
Перспективы дальнейшего развития
Благодаря развитию технологий производства синтетического каучука производство резины перестало полностью зависеть от натурального материала. Тем не менее современные технологии не вытеснили потенциал природного ресурса. На сегодняшний день доля потребления натурального каучука в производственных целях составляет около 30%.
Уникальные качества природного ресурса обеспечивают незаменимость каучука. Он необходим в производстве крупногабаритных резинотехнических изделий, например, при изготовлении покрышек для спецтехники. Самые известные в мире производители шин используют в своих технологиях смеси натурального и синтетического каучуков. Именно поэтому наибольший процент применения естественного сырья выпадает на шинный сектор промышленности.
Цемент для вулканизации
Цемент для вулканизации используют для операции самовулканизации, она может начинаться с 18 градусов и для горячей вулканизации до 150 градусов. Этот цемент не включает в свой состав углеводороды. Существует также цемент типа ОТР, используемый для нанесения на шероховатые поверхности внутри шин, а также на Тип Топ RAD- и PN-пластыри серии OTR с увеличенным временем высыхания. Применение такого цемента позволяет достичь длительных сроков эксплуатации восстановленных шин, применяемых на специальной строительной технике с большим пробегом.
