Производство каучука, резины и резиновых технических изделий

Размещено на http://allbest.ru

План

1. Значение каучука и резины в народном хозяйстве

2. Исходное сырье и основные способы получения синтетических каучуков

3. Классификация синтетических каучуков и области их применения

4. Технологический процесс получения резиновых смесей и полуфабрикатов

5. Классификация резины

5.1 Резины общего назначения

5.2 Резины специального назначения

6. Основные методы формообразования деталей из резины

7. Перспективы развития промышленного производства синтетического каучука и РТИ

Литература

1. Значение каучука и резины в народном хозяйстве

Уникальные свойства резины предопределили широкое ее применение в самых различных отраслях народного хозяйства и в быту, что по уровню развития резиновой промышленности в стране можно судить о состоянии тяжелой индустрии.

Чем сложнее и совершеннее техническое устройство, тем больше в нем использовано резиновых деталей.

В автомобиле «КАМАЗ» применяется более 1000 резиновых изделий, в современном самолете - 10-12 тыс.

К резиновой промышленности относится производство шин, резинотехнических и асбестотехнических изделий, резиновой обуви, шиноремонтные.

От качества шинной промышленности зависит развитие таких ключевых отраслей, как автотракторная промышленность, автотранспорт, авиация, сельское хозяйство, строительство и др.

В стоимости автомобиля и его эксплуатации на шины приходится 30-50%. Объемы, темпы развития и динамика структуры производства шин находятся в корреляционной зависимости от состояния и перспектив производства и наличия парка автомобилей и других машин в стране.

Шинная промышленность предопределяет развитие таких отраслей промышленности, как производство каучука, технического углерода, корда, химических добавок и т.п.

Рост механизации производственных процессов в добывающей и обрабатывающей промышленности, развитие транспорта и сельского хозяйства обусловливают все увеличивающийся спрос на высокопрочные конвейерные ленты, приводные ремни, маслобензостойкие рукава, антивибрационные резиновые и резинометаллические прокладки, эластичные и гибкие соединения для движущихся деталей механизмов, трубопроводов и др.

В связи с быстро растущими требованиями к резинотехническим изделиям решается комплекс сложных научно-технических задач, включающий наряду с использованием новых полимеров разработку специфических способов создания эластомерных композиционных материалов, высокомеханизированных и автоматизированных процессов, более совершенных конструкций и методов продления срока службы изделий путем дополнительной обработки.

Производство товаров культурно-бытового назначения включает помимо резиновой обуви разнообразные изделия для повседневного обихода, спорта, туризма, санитарно-гигиенических целей и т.д.

Ассортимент их непрерывно расширяется, а объем производства растет опережающими темпами по сравнению со всей продукцией отрасли.

В настоящее время приоритетное развитие получают наиболее прогрессивные методы производства: литье под давлением из термопластичных материалов и резиновых смесей, жидкое формование из олигомерных композиций и пластизолей.

Научные разработки в области производства обуви из полимерных материалов направлены на замену многостадийных технологических процессов с большой долей ручных операций высокопроизводительной автоматизированной малоотходной технологией [4].

Каучук и резины на его основе обладают уникальным комплексом свойств: эластичностью в широком диапазоне температур, высоким сопротивлением истиранию, низкой газопроницаемостью, хорошими диэлектрическими свойствами, стойкостью ко многим деформациям и ко многим средам.

Области применения очень обширны и постоянно увеличиваются. Около 60% производимого каучука расходуется на резины для механизированного транспорта.

Долгое время единственным продуктом, из которого получали резины, был натуральный каучук (НК).

С развитием новой техники постоянно увеличивалась потребность в новых специализированных резинах, а следовательно, и в каучуках с новыми свойствами.

Учитывая это, а также стратегическое значение натурального каучука, в Европе с XIX века стали уделять много внимания изучению структуры и свойств НК, а также методов получения синтетического каучука, способного частично или полностью заменить НК в резинах.

Промышленность синтетического каучука (СК) является одной из ведущих отраслей химической и нефтехимической промышленности.

В настоящее время на предприятиях, производящих синтетический каучук, благодаря постоянному совершенствованию существующих и внедрению новых технологических процессов выпускается более 200 марок синтетических каучуков и латексов, что позволяет удовлетворять потребности шинной, резинотехнической, электротехнической, легкой и других отраслей промышленности.

Характерной особенностью промышленности синтетического каучука на современном этапе являются значительные масштабы производства.

Благодаря успехам в области химии и технологии, достигнутым в начале 60-х годов, было организовано производство новых типов синтетических каучуков, обладающих комплексом ценных эксплуатационных свойств.

К ним в первую очередь следует отнести стереорегулярные изопреновый и бутадиеновый каучуки, полноценно заменяющие натуральный каучук при изготовлении основной массы шин и резинотехнической продукции.

В промышленности СК, широко используются мономеры на основе наиболее экономичного и доступного нефтяного сырья.

Современные производства мономеров и каучуков включают многочисленные технологические процессы, такие как нефтепереработка, органический синтез, выделение индивидуальных углеводородов из их смесей, дегидрирование, полимеризация и др.

В области производства мономеров за последнее десятилетие внедрены новые, более эффективные методы получения бутадиена - из пиролизной фракции и окислительным дегидрированием.

Предусматривается внедрение одностадийного способа получения изопрена из изобутилена и формальдегида, а также получение изопрена через диолы.

В производстве изопрена из изопентана предусматривается внедрение метода окислительного дегидрирования изопентана в изоамилены. [3]

2. Исходное сырье и основные способы получения синтетических каучуков

Синтез каучука, происходящий в дереве, никогда не выполнялся в лаборатории. Синтетические каучуки являются эластичными материалами; они сходны с натуральным продуктом по химическим и физическим свойствам, но отличаются от него структурой.

Обеспечение промышленности СК экономичной и стабильной на длительный срок базой является надежным условием развития отрасли.

Основными видами сырья это продукты нефтеперерабатывающих и газоперерабатывающих заводов.

Кроме того, для пополнения этих ресурсов ведутся научно-исследовательские и опытные работы по использованию каменного угля и других твердых ископаемых, из которых может быть получено сырье для промышленности СК.

Мономерами называют низкомолекулярные соединения, из которых получают высокомолекулярные вещества - полимеры, в том числе эластомеры.

В качестве мономеров применяют олефины (алкены - этилен и др.), диолефины (алкадиены, диены - бутадиен, изопрен), ацетилены (алкины), полифункциональные и другие соединения.

Общей характерной особенностью этих соединений является наличие в молекуле двойных и тройных связей.

Различают основные мономеры (около 60% и более состава СК.) и вспомогательные - их называют также сомономерами или дополнительными мономерами. Основные мономеры образуют главную цепь молекулы полимера. Использование сомономеров позволяет придавать полимерам дополнительные ценные свойства.

Важнейшими мономерами для производства каучуков общего назначения являются бутадиен, изопрен, стирол и А-метил-стирол.

Для синтеза многотоннажных специальных каучуков используются также хлоропрен - для хлоропреновых СК это основной мономер, нитрил акриловой кислоты (акрилонитрил, НАК) - в качестве сомономера для производства бутадиен-нитрильных каучуков СКН, и изобутилен (метилпропен) - для получения бутилкаучука и полиизобутиленов.

Для производства остальных каучуков специального назначения используются этилен (этен), пропилен (пропен), алифатические дигалогенпроизводные, диорганодихлорсиланы, непредельные фторорганические соединения, простые и сложные олигоэфиры, эфиры акриловой кислоты. [3]

Синтез аналога натурального каучука (1,4-цис-полиизопрена и 1,4-цис-полибутадиена).

Натуральный каучук, получаемый из гевеи бразильской, имеет структуру, состоящую на 97,8% из 1,4-цис-полиизопрена.

Синтез 1,4-цис-полиизопрена проводился несколькими различными путями с использованием регулирующих стереоструктуру катализаторов, и это позволило наладить производство различных синтетических эластомеров.

Катализатор Циглера состоит из триэтилалюминия и четыреххлористого титана; он заставляет молекулы изопрена объединяться (полимеризоваться) с образованием гигантских молекул 1,4-цис-полиизопрена (полимера).

Аналогично, металлический литий или алкил- и алкиленлитиевые соединения, например бутиллитий, служат катализаторами полимеризации изопрена в 1,4-цис-полиизопрен.

Реакции полимеризации с этими катализаторами проводятся в растворе с использованием углеводородов нефти в качестве растворителей. Синтетический 1,4-цис-полиизопрен обладает свойствами натурального каучука и может использоваться как его заместитель в производстве резиновых изделий.

Полибутадиен, на 90-95% состоящий из 1,4-цис-изомера, также был синтезирован посредством регулирующих стереоструктуру катализаторов Циглера, например триэтилалюминия и четырехиодистого титана.

Другие регулирующие стереоструктуру катализаторы, например хлорид кобальта и алкилалюминий, также дают полибутадиен с высоким (95%) содержанием 1,4-цис-изомера.

Бутиллитий тоже способен полимеризовать бутадиен, однако дает полибутадиен с меньшим (35-40%) содержанием 1,4-цис-изомера. 1,4-цис-полибутадиен обладает чрезвычайно высокой эластичностью и может использоваться как наполнитель натурального каучука.

3. Классификация синтетических каучуков и области их применения

Буна S (SBR, бутадиен-стирольный каучук). Синтетический каучук типа буна S, обозначаемый как SBR, производится в больших реакторах с рубашкой, или автоклавах, в которые загружают бутадиен, стирол, мыло, воду, катализатор (персульфат калия) и регулятор роста цепи (меркаптан). Мыло и вода служат для эмульгирования бутадиена и стирола и приведения их в близкий контакт с катализатором и регулятором роста цепи.

Содержимое реактора нагревается до примерно 50°С и перемешивается в течение 12-14 ч; за это время в результате процесса полимеризации в реакторе образуется каучук.

Получающийся латекс содержит каучук в форме малых частиц и имеет вид молока, очень напоминающий натуральный латекс, добытый из дерева. Латекс из реакторов обрабатывается прерывателем полимеризации для остановки реакции и антиоксидантом для сохранения каучука. Затем он очищается от избытка бутадиена и стирола.

Чтобы отделить (путем коагуляции) каучук от латекса, он обрабатывается раствором хлорида натрия (пищевой соли) в кислоте либо раствором сульфата алюминия, которые отделяют каучук в форме мелкой крошки.

Далее крошка промывается, сушится в печи и прессуется в кипы. Из всех эластомеров SBR используется наиболее широко. Больше всего его идет на производство автомобильных шин. Этот эластомер сходен по свойствам с натуральным каучуком.

Он не маслостоек и в большинстве случаев проявляет низкую химическую стойкость, но обладает высоким сопротивлением удару и истиранию.

Низкотемпературный маслонаполненный каучук. Низкотемпературный каучук - особый тип каучука SBR. Он производится при 5°С и обеспечивает лучшую износостойкость шин, чем стандартный SBR, полученный при 50°С. Износостойкость шин еще более повышается, если низкотемпературному каучуку придать высокую ударную вязкость. Для этого в базовый латекс добавляют некоторые нефтяные масла, называемые нефтяными смягчителями.

Количество добавляемого масла зависит от требуемого значения ударной вязкости: чем оно выше, тем больше вводится масла.

Добавленное масло действует как смягчитель жесткого каучука. Другие свойства маслонаполненного низкотемпературного каучука такие же, как у обычного низкотемпературного.

Бутилкаучук - еще один синтетический каучук - был открыт в 1940. Он замечателен своей низкой газопроницаемостью; камера шины из этого материала удерживает воздух в 10 раз дольше, чем камера из натурального каучука. Бутилкаучук изготавливают полимеризацией изобутилена, получаемого из нефти, с малой добавкой изопрена при температуре -100°С. Эта полимеризация не является эмульсионным процессом, а проводится в органическом растворителе, например метилхлориде.

Свойства бутилкаучука могут быть сильно улучшены термообработкой маточной смеси бутилкаучука и газовой сажи при температуре от 150 до 230°С. Недавно бутилкаучук нашел новое применение как материал для протекторов шин ввиду его хороших ходовых характеристик, отсутствия шума и превосходного сцепления с дорогой. Бутилкаучук несовместим с натуральным каучуком и SBR и, значит, не может быть смешан с ними. Однако после хлорирования до хлорбутилкаучука он становится совместимым с натуральным каучуком и SBR. Хлорбутилкаучук сохраняет низкую газопроницаемость. Это свойство используется при изготовлении смешанных продуктов хлорбутилкаучука с натуральным каучуком или SBR, которые служат для производства внутреннего слоя бескамерных шин.

Этиленпропиленовый каучук. Сополимеры этилена и пропилена могут быть получены в широких диапазонах составов и молекулярных масс. Эластомеры, содержащие 60-70% этилена, вулканизуются с пероксидами и дают вулканизат с хорошими свойствами. Этиленпропиленовый каучук имеет превосходную атмосферо- и озоностойкость, высокую термо-, масло- и износостойкость, но также и высокую воздухопроницаемость. Такой каучук изготавливается из дешевых сырьевых материалов и находит многочисленные применения в промышленности.

Наиболее широко применяемым типом этиленпропиленового каучука является тройной этиленпропиленовый каучук (с диеновым сомономером). Он используется в основном для изготовления оболочек проводов и кабелей, однослойной кровли и в качестве присадки для смазочных масел. Его малая плотность и превосходная озоно- и атмосферостойкость обусловливают его применение в качестве кровельного материала.

Коросил, каучукоподобный материал, - это пластифицированный поливинилхлорид, приготовленный из винилхлорида, который, в свою очередь, получают из ацетилена и хлороводородной кислоты. Коросил замечательно стоек к действию окислителей, в том числе озона, азотной и хромовой кислот, и поэтому используется для внутренней облицовки цистерн с целью защиты их от коррозии. Он непроницаем для воды, масел и газов и в силу этого находит применение как покрытие для тканей и бумаги. Каландрованный материал используется в производстве плащей, душевых занавесок и обоев. Низкое водопоглощение, высокая электрическая прочность, негорючесть и высокое сопротивление старению делают пластифицированный поливинилхлорид пригодным для изготовления изоляции проводов и кабелей.

4. Технологический процесс получения резиновых смесей и полуфабрикатов

Основным подготовительным процессом при выпуске любых резиновых изделий является приготовление резиновых смесей; качество смешения во многом определяет технологические свойства промежуточных материалов и технические характеристики получаемых резин. Сложность состава резиновых смесей, различное агрегатное состояние исходных продуктов, большие различия в дозировках отдельных ингредиентов требуют большой тщательности при развеске и транспортировке материалов и строго соблюдения технологического режима. Поэтому без высокого уровня механизации и автоматизации процесса невозможно добиться его стабильности и надежности в обеспечении требуемого качества резиновых смесей.

В принципе, технология смешения одинакова в различных производствах (тины, РТИ, обувь и др.) и основывается на использовании резиносмесителей различной емкости и мощности. Однако можно отметить, что в шинной промышленности используют сравнительно небольшой круг каучуков общего назначения (НК, СКИ-3, СКД, БСК, бутилкаучуки) и до 40-50 видов ингредиентов, тогда как промышленность РТИ использует, кроме названных, до 30 типов каучуков специального назначения, и число применяемых ингредиентов намного больше (до 100). В подготовительных цехах шинных заводов обычно выпускают сравнительно небольшое число различных смесей, но в значительном объеме, что делает перспективным использование смесителей большой единичной мощности. На заводах РТИ картина обратная: приготовляется большое число различных смесей, но в меньших количествах, поэтому целесообразно применять резиносмесители меньшего объема.

Другое важное отличие заключается в том, что смеси, применяемые для РТИ, часто содержат большое количество наполнителей (до 120-140 ч. на 100 ч. (по массе) каучуков против 50-60 ч. в шинных резинах), а многие применяемые каучуки специального назначения характеризуются высокой исходной жесткостью. Поэтому необходимы смесители с более мощным приводом, в результате усиливается теплообразование при смешении, и проблема отвода теплоты также ограничивает объем смесительной камеры. В ряде случаев резиновые смеси для РТИ приготавливают на вальцах (до 12-15% всех смесей). [4]

В настоящее время основное количество резиновых смесей получают по одно- или двухстадийной схемам с использованием роторных резиносмесителей периодического действия и червячных или валковых машин для доработки (гранулирования, листования, стрейнирования и т.п.) получаемых смесей.

Технологическая схема приготовления резиновых смесей на производственной линии с резиносмесителями объемом 620 дм³: включает:

1 - пневмотранспорт гранул маточных смесей;

2 - расходные бункеры техуглерода;

3 - дозирование мягчителей;

4 - продувочная емкость;

5 - дозирование техуглерода;

6 - дозирование серы и ускорителей;

7 - система подачи ингредиентов;

8 - дозирование ингредиентов;

9 - циклон;

10 - дозирование маточной смеси;

11, 17 - удаление пыли;

12 - дозирование каучуков;

13 - резиносмеснтель;

14 - охлаждающие барабаны;

15 - элеватор;

16 -экструдер;

18 - фестонная установка.

Вопрос о выборе выпускной формы маточных смесей - гранулы или лента (лист) - весьма сложен.

Применение маточных смесей в гранулированном виде позволяет: автоматизировать дозирование маточных смесей на второй стадии смешения; перемешивать смеси при охлаждении и хранении, что позволяет усреднять качество заправок, обеспечивая стабильность свойств при последующей обработке смесей. Недостаток гранулированных резиновых смесей в том, что при транспортировании и хранении на стенках пневмомагистрали, в барабанах для охлаждения и вращающихся складских барабанах происходит осаждение частиц адгезива в виде небольших зерен. Эти частицы время от времени отделяются от стенок и попадают в резиновую смесь; при дальнейшей обработке эти частицы не диспергируются, что приводит к браку при экструзии (шприцевании) и каландровании. Способ гранулирования маточных смесей требует больших капитальных затрат (по стоимости оборудования на 34%, по площади на 20%), но дает выигрыш в трудозатратах (примерно вдвое).

Преимуществом листового способа хранения маточных смесей является более высокая степень унификации производства (однотипные транспортные системы и склады, однотипное оборудование для обработки и охлаждения маточных смесей и готовых резиновых смесей и др.), более низкая энергоемкость технологического процесса, меньшие производственные площади и металлоемкость оборудования. Листовая форма выпуска маточных и готовых смесей считается в последнее время универсальной и более целесообразной.

Получаемые резиновые смеси либо после охлаждения складируются в виде, удобном для последующей переработки, либо в горячем виде прямым потоком транспортируются к потребителям: на каландровые линии, протекторные агрегаты и т.п. В последнем случае сокращаются площади производственных цехов и отпадает необходимость в разогреве смесей перед подачей в машины теплого питания.

Но прямой поток имеет и существенные недостатки: отказ в работе любой машины приводит к простою всей линии, производительность смесительного оборудования лимитируется скоростью переработки резиновых смесей, затруднены оптимизация температурного режима процесса смешения, организация питания перерабатывающей машины двумя или тремя типами смесей, переход с одного шифра смеси на другой и пр.

При установке на 1-й и 2-й стадиях смешения широко распространенных резиносмесителей 250/40 и 250/30 не удается достичь высокой степени использования оборудования. Сопоставление продолжительности операций по стадиям смешения (табл. 1) показывает, что на основные операции приходится только 60-70% технологического времени, а меньшая продолжительность смешения на 2-й стадии делает неизбежным простой этого аппарата. [4]

Табл. 1. Продолжительность операций при приготовлении резиновых смесей

Тип операции	Длительность операции
	1-я стадия	2-я стадия
Вспомогательные:
загрузка и подготовка аппарата к следующему циклу	0,5	0,45
загрузка маточных смесей и ингредиентов	0,3-0,7	0,3
Основная: Смешение под давлением	2,1-2,7	1
Общая длительность цикла	3,0-3,5	1,75

Использование резиносмесителей большей единичной мощности (до 650 дм³) позволяет уменьшить долю вспомогательных операций в 2,5-3 раза (в расчете на 1 кг резиновой смеси). Для обеспечения равномерной загрузки оборудования 1-й и 2-й стадий смешения предложено несколько вариантов технологических схем: использование на 1-й стадии смесителя большей мощности, уменьшение времени смешения на 1-й стадии за счет увеличения частоты вращения роторов до 60-80 мин., проведение обеих стадий процесса последовательно в одном аппарате с универсальной обвязкой. В последнем варианте маточная смесь проходит промежуточный склад, с которого отбирается по мере надобности на 2-ю стадию смешения. Использование оборудования нового поколения - резиносмесителей, червячных дорабатывающих машин, червячных машин холодного питания - позволяет перерабатывать жесткие резиновые смеси при высоком качестве смешения. В технологическую схему современного подготовительного цеха кроме специализированных линий для маточных или готовых смесей, как правило, включаются линии с универсальной обвязкой, предназначенные для изготовления как маточных, так и готовых резиновых смесей, а также для их повторной обработки. Включение в технологическую схему универсальных линий позволяет повысить технологическую маневренность комплекса оборудования, гибко изменять программу в случае производственных пиков и в аварийных ситуациях, повысить коэффициент использования оборудования.

Ведутся интенсивные изыскания в области создания резиносмесителей непрерывного действия. Пока ни один из уже имеющихся смесителей такого типа не нашел широкого практического применения при изготовлении наполненных техническим углеродом резиновых смесей. [4]

5. Классификация резины

5.1 Резины общего назначения

К группе резин общего назначения относят вулканизаты неполярных каучуков - НК, СКБ, СКС, СКИ.

Натуральный каучук является полимером изопрена (С₅Н₈)_n. Он растворяется в жирных и ароматических растворителях (бензине, бензоле, хлороформе, сероуглероде и др.), образуя вязкие растворы, применяемые в качестве клеев. При нагреве выше 80-100°С каучук становится пластичным и при 200°С начинает разлагаться. При температуре -70°С НК становится хрупким. Обычно НК аморфен. Однако при длительном хранении возможна его кристаллизация. Кристаллическая фаза возникает также при растяжении каучука, что значительно увеличивает его прочность. Для получения резины НК вулканизуют серой. Резины на основе НК отличаются высокой эластичностью, прочностью, водо- и газонепроницаемостью, высокими электроизоляционными свойствами: v = 310¹⁴ 4 2310¹⁸ Омсм; = 2,5.

СКБ - синтетический каучук бутадиеновый (дивинильный) получают по методу С.В. Лебедева. Формула полибутадиена (С₄Н₆)_n. Он является некристаллизующимся каучуком и имеет низкий предел прочности при растяжении, поэтому в резину на его основе необходимо вводить усиливающие наполнители. Морозостойкость бутадиенового каучука невысокая (от -40 до -45°С). Он набухает в тех же растворителях, что и НК. Стереорегулярный дивинильный каучук СКД по основным техническим свойствам приближается к НК. Дивинильные каучуки вулканизуются серой аналогично натуральному каучуку.

СКС - бутадиен-стирольный каучук получается при совместной полимеризацией бутадиена (С₄Н₆) и стирола (СН₂=СН-С₆Н₅). Это самый распространенный каучук общего назначения.

В зависимости от процентного содержания стирола каучук выпускают нескольких марок: СКС-10, СКС-30, СКС-50. Свойства каучука зависят от содержания стирольных звеньев. Так, например, чем больше стирола, тем выше прочность, но ниже морозостойкость. Из наиболее распространенного каучука СКС-30 получают резины с хорошим сопротивлением старению и хорошо работающие при многократных деформациях. По газонепроницаемости и диэлектрическим свойствам они равноценны резинам на основе НК. Каучук СКС-10 можно применять при низких температурах (от -74 до -77°С). При подборе соответствующих наполнителей можно получить резины с высокой механической прочностью.

СКИ - синтетический каучук изопреновый - продукт полимеризации изопрена (С₅Н₈). Получение СКИ стало возможным в связи с применением новых видов катализаторов. По строению, химическим и физико-механическим свойствам СКИ близок к натуральному каучуку. Промышленностью выпускаются каучуки СКИ-3 и СКИ-ЗП, наиболее близкие по свойствам к НК; каучук СКИ-ЗД, предназначенный для получения электроизоляционных резин, СКИ-ЗВ - для вакуумной техники.

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

5.2 Резины специального назначения

Специальные резины подразделяют на несколько видов: маслобензостойкие, теплостойкие, светоозоностойкие, износостойкие, электротехнические, стойкие к гидравлическим жидкостям.

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

Наирит является отечественным хлоропреновым каучуком. Хлоропрену соответствует формула

СН₂=ССI-СН=СН₂.

Вулканизация может проводиться термообработкой даже без серы, так как под действием температуры каучук переходит в термостабильное состояние. Резины на основе наирита обладают высокой эластичностью, вибростойкостью, озоностойкостью, устойчивы к действию топлива и масел, хорошо сопротивляются тепловому старению. (Окисление каучука замедляется экранирующим действием хлора на двойные связи.)

По температуроустойчивости и морозостойкости (от -35 до -40°С) они уступают как НК, так и другим СК. Электроизоляционные свойства резины на основе полярного наирита ниже, чем у резины на основе неполярных каучуков. (За рубежом полихлоропреновый каучук выпускается под названием неопрен, пербунан-С и др.).

СКН - бутадиен-нитрильный каучук - продукт совместной полимеризации бутадиена с нитрилом акриловой кислоты;

СН₂-СН=СН-СН₂-СН₂-СНСN-

В зависимости от состава каучук выпускают следующих марок: СКН-18, СКН-26, СКН-40. (Зарубежные марки: хайкар, пербунан, буна-N и др.). Присутствие в молекулах каучука группы СN сообщает ему полярные свойства.

Чем выше полярность каучука, тем выше его механические и химические свойства и тем ниже морозостойкость (например, для СКН-18 от -50 до -60°С, для, СКН-40 от -26 до -28°С). Вулканизируют СКН с помощью серы. Резины на основе СКН обладают высокой прочностью (в = 35 МПа), хорошо сопротивляются истиранию, но по эластичности уступают резинам на основе НК, превосходят их по стойкости к старению и действию разбавленных кислот и щелочей.

Резины могут работать в среде бензина, топлива, масел в интервале температур от -30 до 130°С. Резины на основе СКН применяют для производства ремней, конвейерных лент, рукавов, маслобензостойких резиновых деталей (уплотнительные прокладки, манжеты и т.п.).

Полисульфидный каучук, или тиокол, образуется при взаимодействии галоидопроизводных углеводородов с многосернистыми соединениями щелочных металлов:

...-СН₂-СН₂-S₂-S₂-...

Тиокол вулканизуется перекисями. Присутствие в основной цепи макромолекулы серы придает каучуку полярность, вследствие чего он становится устойчивым к топливу и маслам, к действию кислорода, озона, солнечного света. Сера также сообщает тиоколу высокую газонепроницаемость (выше, чем у НК), поэтому тиокол - хороший герметизирующий материал.

Механические свойства резины на основе тиокола невысокие. Эластичность резин сохраняется при температуре от -40 до -60°С. Теплостойкость не превышает 60-70°С. Тиоколы новых марок работают при температуре до 130°С.

Акрилатные каучуки - сополимеры эфиров акриловой (или метакриловой) кислоты с акрилонитрилом и другими полярными мономерами - можно отнести к маслобензостойким каучукам. Каучуки выпускают марок БАК-12, БАКХ-7, ЭАХ. Для получения высокопрочных резин вводят усиливающие наполнители. Достоинством акрилатных 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 воздействию; горячей воды и пара.

Теплостойкие резины получают на основе каучука СКТ.

СКТ - синтетический каучук теплостойкий, представляет собой кремнийорганическое (полисилоксановое) соединение с химической формулой

…- Si(СН₃)₂ - O - Si(СН₃)₂ -...

Каучук вулканизуется перекисями и требует введения усиливающих наполнителей (белая сажа). Присутствие в основной молекулярной цепи прочной силоксановой связи придает каучуку высокую теплостойкость. Так как СКТ слабополярен, он обладает хорошими диэлектрическими свойствами.

Диапазон рабочих температур СКТ составляет от -60 до 250°С. Низкая адгезия, присущая кремнийорганическим соединениям (вследствие их слабой полярности), делает СКТ водостойким и гидрофобным (например, применяется для защиты от обледенения).

В растворителях и маслах он набухает, имеет низкую механическую прочность, высокую газопроницаемость, плохо сопротивляется истиранию. При замене метильных групп (СН₃) другими радикалами получают другие виды силоксановых каучуков.

Каучук с винильной группой (СКТВ) устойчив к тепловому старению и обладает меньшей текучестью при сжатии, температура эксплуатации от -55 до 300°С. Вводя фенильную группу (С₆Н₅), получают каучук (СКТФВ), обладающий повышенной морозостойкостью (от -80 до -100°С) и сопротивляемостью к действию радиации. Можно сочетать различные радикалы, обрамляющие силоксановую связь. Так, фенилвинилсилоксановый каучук имеет повышенные механические свойства.

Если ввести в боковые группы макромолекулы СКТ атомы Р или группу СМ, приобретается устойчивость к топливу и маслам. Введение в основную цепь атомов бора, фосфора дает возможность повысить теплостойкость резин до 350-400°С и увеличить их клеящую способность. Силоксановые резины сгорают при 600-700°С, а в течение нескольких секунд выдерживают 3000°С.

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 насыщенных каучуков - фторсодержащих (СКФ), этиленпропиленовых (СКЭП), бутилкаучука.

Фторсодержащие каучуки получают сополимеризацией ненасыщенных фторированных углеводородов (например, СF₂=СFCl, СН₂=СF₂ и др.). Отечественные фторкаучуки выпускают под марками СКФ-32, СКФ-26; зарубежные - кель-Ф и вайтон. Каучуки устойчивы к тепловому старению, воздействию масел, топлива, различных растворителей (даже при повышенных температурах), негорючи. Вулканизованные резины обладают высоким сопротивлением истиранию. Теплостойкость длительная (до 300°С). Недостатками является малая стойкость к большинству тормозных жидкостей и низкая эластичность. Резины из фторкаучуков широко применяют в авто- и авиапромышленности.

СКЭП - сополимер этилена с пропиленом - представляет собой белую каучукообразную массу, которая обладает высокой прочностью и эластичностью, очень устойчива к тепловому старению, имеет хорошие диэлектрические свойства. Кроме СКЭП выпускают тройные сополимеры СКЭПТ (за рубежом близкие по свойствам каучуки - висталом и дутрал).

Резины на основе фторкаучуков и этиленпропилена стойки к действию сильных окислителей (HNO₃, Н₂О₂ и др.), применяются для уплотнительных изделий, диафрагм, гибких шлангов и т.д., не разрушаются при работе в атмосферных условиях в течение нескольких лет.

Хлорсульфополиэтилен (ХСПЭ) является насыщенным полимером. Его вулканизация основана на взаимодействии с группами SО₂Сl и Сl. Вулканизаты ХСПЭ имеют высокую прочность (в=1626 МПа), относительное удлинение =280 560%. Они обладают повышенным сопротивлением истиранию при нагреве, озоно-, масло- и бензостойки, хорошие диэлектрики.

Интервал рабочих температур от -60 до 215°С. Применяют эти резины как конструкционный и защитный материал (противокоррозионные, не обрастающие в морской воде водорослями и микроорганизмами покрытия, для защиты от воздействия -излучения).

Бутилкаучук (Б К) получают совместной полимеризацией изобутилена с небольшим количеством изопрена (2-3%).

В бутилкаучуке мало ненасыщенных связей, вследствие чего он обладает стойкостью к кислороду, озону и другим химическим реагентам. Каучук кристаллизующийся, что позволяет получать материал с высокой прочностью (хотя эластические свойства низкие). Каучук обладает высоким сопротивлением истиранию и высокими диэлектрическими характеристиками. По температуростойкости уступает другим резинам, превосходя их по газо- и паронепроницаемости.

Бутилкаучук - химически стойкий материал. В связи с этим он в основном 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 из НК).

Износостойкие резины получают на основе полиуретановых каучуков СКУ.

Полиуретановые каучуки обладают высокой прочностью, эластичностью, сопротивлением истиранию, маслобензостойкостью. В структуре каучука нет ненасыщенных связей, поэтому он стоек к кислороду и озону, его газонепроницаемость в 10-20 раз выше, чем газопроницаемость НК. Рабочие температуры резин на его основе составляют от -30 до 130°С. На основе сложных полиэфиров вырабатывают каучуки СКУ-7, СКУ-8, СКУ-50; на основе простых полиэфиров - СКУ-ПФ, СКУ-ПФЛ.

Последние отличаются высокой морозостойкостью (для СКУ-ПФ - до -75°С) и гидролитической стойкостью. Уретановые резины стойки к воздействию радиации. Зарубежные названия уретановых каучуков -вулколлан, адипрен, джентан, урепан. Резины на основе СКУ применяют для автомобильных шин, конвейерных лент, обкладки труб и желобов для транспортирования абразивных материалов, обуви и др. набухание которой в жидкости не превышает 1-4%. Для кремнийорганических жидкостей применимы неполярные резины на основе каучуков НК, СКМС-10 и др.

6. Основные методы формообразования деталей из резины

По технологическому признаку резинотехнические изделия классифицируют на формовые и неформовые. Формовые резиновые или резиноармированные изделия - обширная группа (около 30 000 наименований) прокладочных, уплотняющих и амортизирующих деталей (сальники, кольца различного сечения, пыле-, влаго- и маслозащитные колпачки, резинометаллические амортизаторы и др.). Эти РТИ получают формованием резиновой смеси с одновременно её вулканизацией в пресс-форме, установленной на прессе (прессование полимерных материалов) или методом литья под давлением.

Неформовые резиновые или резиноармированные изделия принимают окончательную форму до вулканизации при прохождении через профилирующие отверстия в червячных машинах (профили, трубки) или через зазоры между валками каландров (пластина), а также при склеивании (мешки, изделия из прорезиненных тканей). Исключение составляют изделия из губчатых резин, меняющих свои размеры при вспенивании и вулканизации. [4]

В связи с большим числом типов и конструкций РТИ действующие технологические процессы их изготовления существенно различаются. Однако эти процессы обычно включают ряд общих технологических операции, характерных для всех групп изделий: приготовление резиновых смесей, изготовление заготовок и полуфабрикатов, обработка армирующих материалов, сборка, вулканизация и отделка изделий.

Литье под давлением - способ формования резиновых изделий с помощью специальных литьевых устройств. Основным узлом таких устройств является материальный цилиндр, из которого резиновая смесь, находящаяся в вязко-текучем состоянии, передавливается под давлением 60-170 МПа в форму, преодолевая сопротивление узких разводящих каналов. [1]

Литье под давлением достигается применением в промышленности разнообразных по конструкции и техническим данным видов оборудования, главными из которых являются литьевые прессы и литьевые машины.

Литьем под давлением - этапы процесса получения резиновых изделий на примере работы литьевого пресса: нагнетание резиновой смеси в форму; прохождение процесса вулканизации, пластикации и накопления очередной дозы; извлечение готового изделия из формы.

Литье под давлением осуществляется в машинах с червячно-плунжерным литьевым устройством, в котором конструктивно объединены оба узла - и узел пластикации, и узел впрыска. Узел смыкания формы - гидравлический пресс с нижним расположением привода и состоит из гидроцилиндра, установленного на нижней траверсе; плунжера, на котором смонтирован подвижный стол; верхней траверсы. Верхняя половина формы крепится к верхней траверсе, а нижняя - к столу. При работе гидропривода пресса происходит замыкание формы перед впрыском в нее резиновой смеси. В замкнутом состоянии производится вулканизация резиновых изделий, по окончании которой форма размыкается для извлечения изделий.

Узел пластикации содержит основные элементы одночервячной машины - цилиндр с загрузочной воронкой, червяк с приводом. Передней частью цилиндр пластикатора соединяется с материальным цилиндром узла впрыска. Резиновая смесь в виде ленты с катушки заправляется в загрузочную воронку пластикатора, пластицируется, разогревается, перемещаясь вдоль цилиндра, и по каналу переходит в полость материального цилиндра, накапливается в нем, смещая плунжер вверх. После наполнения цилиндра привод червяка выключается, узел пластикации приостанавливает свою работу. Включается гидропривод, который стыкует сопло литьевого устройства с предварительно замкнутой формой. После этого приводится в действие гидропривод узла впрыска, плунжер вытесняет резиновую смесь из материального цилиндра в форму по литниковым каналам. При этом клапан в сопле открыт, а другой клапан, на выходе из цилиндра пластикации - закрыт. По окончании процесса заполнения формы с помощью гидропривода литьевое устройство поднимается вверх, сопло отделяется от формы. Это делается для того, чтобы резиновая смесь, находящаяся в канале сопла, не подвергалась вулканизации.

Форма имеет систему обогрева, обеспечивающую поддержание температуры на заданном уровне (до 220°С). Системой обогрева снабжены и цилиндры узлов пластикации и впрыска. Во время вулканизации изделий включается в работу узел пластикации, происходит подготовка и накопление очередной порции резиновой смеси в материальном цилиндре. После раскрытия формы, извлечения изделий из формы и резины из литниковых каналов цикл повторяется.

За счет этого резиновая смесь вытесняется из головной части цилиндра в полость формы. После заполнения осуществляется выдержка под давлением и вулканизация резиновой смеси. После вулканизации форма размыкается, изделие извлекается из гнезда и к этому времени в цилиндре подготовлена очередная порция резиновой смеси.

Литье под давлением таким методом обеспечивает переток перерабатываемого материала из полости литьевого устройства в форму. Для изготовления крупногабаритных изделий используются одногнездные формы. Для производства менее крупных и мелких изделий применяются многогнездные формы. Резиновая смесь, заполнившая литниковые каналы, после вулканизации идет в отходы.

По этой причине форма конструируется таким образом, чтобы каналы имели минимально допустимые размеры. При течении резиновой смеси по литниковым каналам осуществляется ее нагрев за счет диссипации механической энергии и за счет теплообмена с нагретой стенкой формы.

Литье под давлением по сравнению с другими методами производства формовых резиновых изделий имеет ряд преимуществ. За счет сокращения цикла вулканизации производительность труда повышается на 35-50%. Отходы резины уменьшаются на 25-30%, качество изделий повышается, сокращается брак. Благодаря исключению операций по заготовке деталей и исключению последующей их обработки повышается съем продукции с единицы производственной площади. Метод литья под давлением позволяет получать изделия сложной конфигурации, включая резинометаллические изделия. Производство литых изделий поддается механизации и автоматизации.

Литье под давлением резиновых смесей известно было еще в 1930-1940 гг. Однако самым распространенным видом литьевого оборудования длительное время были литьевые прессы, используемые для заполнения форм при производстве резиноемких изделий или деталей сложной конфигурации.

Вулканизация осуществлялась на прессах или в автоклавах. Литье под давлением осуществляется на оборудовании более сложном и дорогом, чем обычные прессы. Более трудоемок ремонт и межремонтное обслуживание.

Однако отмеченные выше достоинства применения литьевого метода делают его перспективным.

Наиболее распространенными видами литьевого оборудования являются плунжерные литьевые прессы, литьевые прессы с червячными пластикаторами, однопозиционные червячно-плунжерные литьевые машины, многопозиционные литьевые агрегаты и машины. [3]

Прессование полимерных материалов компрессионное, метод изготовления изделий из пластических масс и резиновых смесей в пресс-формах, установленных на прессе (чаще всего гидравлическом).

В зависимости от температуры процесса подразделяют на высокотемпературное (горячее) и низкотемпературное (холодное). При горячем прессовании материал, например в виде пресс-порошка (обычно таблетированного или гранулированного) или листов, помещают в разомкнутую пресс-форму, нагретую до заданной температуры. При опускании плунжера пресса форма замыкается, материал в результате нагревания и создаваемого прессом давления растекается и заполняет формующую полость, приобретая размеры и конфигурацию изделия. Реактопласты и резиновые смеси, выдерживают в пресс-форме под давлением до завершения процесса отверждения или вулканизации, после чего плунжер пресса поднимают и выталкивают из разомкнутой формы готовое изделие.

Горячее прессование термопластов применяют ограниченно, т.к. в этом случае пресс-форму перед извлечением из неё изделия необходимо охлаждать. Температура Прессование полимерных материалов может изменяться в пределах 80-300°С, давление - от 2 до 90 Мн/м2 (20-900 кгс /см²), продолжительность выдержки под давлением - от долей минут до 30 мин. Давление тем выше, чем меньше текучесть материала и сложнее конфигурация изделия. Длительность прессование полимерных материалов определяется скоростью прогрева и отверждения (вулканизации) материала. Процесс ускоряется при загрузке в пресс-форму предварительно нагретого материала (например, токами ВЧ).

Холодное прессование используют главным образом для переработки термопластов, не размягчающихся при нагревании, например фторопластов. В этом случае материал прессуют (уплотняют) в холодных формах, а затем, после извлечения изделия из формы, подвергают термообработке (т.н. спекание). [5]

резина каучук синтетический

7. Перспективы развития промышленного производства синтетического каучука и РТИ

Развитие современной резиновой промышленности характеризуется следующими основными особенностями:

· расширением областей применения и ассортимента резиновых изделий,

· ужесточением условий эксплуатации (температуры, нагрузки, скорости, агрессивные среды и т.д.);

· стремлением использовать наиболее дешевые и доступные армирующие материалы, каучуки и ингредиенты при невозможности беспредельного увеличения их ассортимента;

· необходимостью снижения материалоемкости изделий и трудоемкости их изготовления;

· требованиями охраны здоровья и защиты окружающей среды.

Очевидно, что одновременное выполнение всех этих требований невозможно, и реальное решение всегда является компромиссным.

Особенно резко стоимость изделий возрастает при их создании для предельных условий эксплуатации - для работы в условиях сильно агрессивных сред, при температурах выше 250°С или ниже -100°С, так как для этого требуются очень дорогие каучуки и химические добавки.

Хотя стоимость комплектующих резиновых изделий в сравнении со стоимостью машин и механизмов, в которых они используются, обычно невелика, трудность замены резиновых деталей часто так высока, что для потребителя их долговечность является основным показателем.

Для резиновой промышленности это требование оборачивается увеличением трудоемкости и энергоемкости, снижением рентабельности, так как стоимость переработки составляет небольшую долю стоимости изделий.

Необходимость сочетания рентабельности с высоким качеством и другими противоречивыми требованиями выдвигает перед промышленностью такие организационные и научно-технические задачи:

1. Унификация и стандартизация резиновых смесей, конструкций и размеров изделий, разделение крупносерийного и мелкосерийного производств, специализация производства.

2. Создание комбинированных материалов и принципиально новых конструкций изделий с использованием наряду с резиной элементов из пластических масс, керамики и других неорганических материалов.

3. Широкое использование резин, наполненных пластиками, олигомерами, волокнистыми и нетрадиционными наполнителями, а также термоэластопластов.

4. Внедрение обработки готовых изделий (поверхностной и в массе) методами радиационной и химической модификации с целью улучшения их технических и технологических свойств.

5. Расширение ассортимента специальных химикатов-добавок для облегчения переработки смесей и создания резин с резко улучшенными свойствами из имеющихся каучуков.

6. Совершенствование традиционных и создание новых технологий изготовления изделий, разработка оборудования для реализации этих процессов, повышение производительности труда.

7. Создание материалов, методов и оборудования для ремонта резиновых изделий в ходе их эксплуатации. [4]

Синтетические каучуки имеют огромные перспективы применения в самых различных областях.

Во всех сферах, где не обойтись без технологического развития: в получении энергии с использованием ветра и солнца, исследовании воздушного и космического пространства, строительных технологиях, нанотехнологиях и даже оборудовании для спорта (обувь и мячи) - будут задействованы технические каучуки и химическая продукция для резины - невидимые, но незаменимые.

Без них инновационные разработки не смогут быть реализованы, и мы не сможем открыть для себя преимущества, которые они предлагают. [2]

Литература

1. Бекин Н.Г., Захаров Н.Д., Пеунков Г.К. Оборудование и основы проектирования заводов резиновой промышленности.

2. Яковлев А.Д. Технология изготовления изделий из пластмасс. - 1968.

3. Башкатов Т.В., Жигалин Я.Л. Технология синтетических каучуков: Учебник для техникумов. - 2-е изд. - 1987.

4. Аверко-Антонович Ю.О., Омельченко Р.Я. Технология резиновых изделий. - Л., 1991.

5. Голдинг Б. Химия и технология полимерных материалов. пер. с англ. - М., 1963.

Размещено на Allbest.ru