Часть I

ОБЩИЕ ПОНЯТИЯ

Понятие «резина» объединяет большую группу композиционных материалов, способных легко деформироваться под действием не­больших нагрузок и восстанавливать свою форму после весьма значительных деформаций. При растяжении стали лучшие ее сорта сохраняют свои упругие свойства при деформациях, обычно не превышающих 1%. Резина же способна, не разрушаясь, без замет­ных остаточных деформаций выдерживать многократные растя­жения на 500—1000%. Это свойство резины получило название высокоэластичности. При растяжении стального бруска в два ра­за (при допущении, что при такой деформации он не разрушится) потребовалось бы усилие около 10^s МПа, а для растяжения раз­личных резин — от 5 до 10,0 МПа. Широкое применение резины определяется, кроме того, и рядом других ее специфических осо­бенностей. Резина не является идеально упругим телом, и при ее деформации и последующем восстановлении формы рассеивается довольно большое количество энергии. Это позволяет применять ее в качестве амортизирующего и звукопоглощающего материала.

Важной характеристикой резины является ее малая твердость (по сравнению с другими твердыми телами) в сочетании с локаль­ными деформациями упругого характера. Это делает резину неза­менимым материалом для изготовления валиков пишущих маши­нок, печатных и отжимных валов и др.

Многие области применения резин — от обычных стиральных резинок до фрикционных колец и тормозных дисков — обусловле­ны высоким коэффициентом трения. При этом резина может обла­дать очень высокой износостойкостью (протекторы шин, подошвы обуви) или быть легко истирающимся материалом (стиральные резинки).

Высокая водо- и газонепроницаемость, стойкость к действию целого ряда агрессивных сред, отличные электроизоляционные свойства обусловили применение резины во многих изделиях.

ю

Глава 1

ПРОИЗВОДСТВО РЕЗИНОВЫХ ИЗДЕЛИИ

Ассортимент резиновых изделий постоянно расширяется и в на­стоящее время превышает 60 тыс. наименований. Около половины объема производства резиновой промышленности составляют авто­мобильные шины, более трети — резиновые технические изделия, номенклатура которых особенно многообразна. Около одной деся­той объема производства резиновой промышленности составляют резиновая обувь и другие изделия народного потребления (меди­цинские изделия_игрушки, спортивные принадлежности).

Основным потребителем резиновых изделий является современ­ный транспорт — автомобильный, воздушный, железнодорожный. Так, в современном автомобиле насчитывается около 600 деталей из резины общей массой 90 кг.

Из РТИ наибольший объем составляют транспортерные ленты, приводные ремни, рукава, сложные детали машин из резины или резины с металлами и текстильными материалами, прорезиненные технические ткани и изделия из них, тормозные колодки и др.

К резинам, применяемым для изготовления изделий, предъяв­ляется определенный комплекс требований в соответствии с кон­кретными условиями эксплуатации. Диапазон требуемых свойств очень широк — механическая прочность, жесткость, эластичность, стойкость при высоких или низких температурах, стойкость к дей­ствию различных веществ (смазочных материалов, топлива, кис­лот, щелочей, кислорода, ацетилена и многих других), электроизо­лирующие свойства или электропроводность, цвет, нетоксичность и т. д. Это ставит перед специалистами весьма сложные и интерес­ные задачи по созданию материалов с нужным комплексом свойств.

РЕЗИНА КАК МНОГОКОМПОНЕНТНАЯ СИСТЕМА

Резина представляет собой сложную многокомпонентную си­стему, состоящую из полимерной основы и различных химических добавок (ингредиентов). Для получения резины применяют высо­комолекулярные полимеры с низкой (ниже комнатной) темпера-

11

турой перехода из стеклообразного или твердого кристаллического состояния в высокоэластическое — эластомеры. Эластомеры, кото­рые могут быть переработаны в резину, обычно называются каучу- ками. Большинство каучуков превращается в резину при возник­новении между их макромолекулами прочных поперечных связей и образовании пространственной сетки. До 1932 г. практически единственным материалом, из которого получали резину, был на­туральный каучук (НК). Успешное решение проблемы промыш­ленного синтеза каучуков относится к числу наиболее значитель­ных достижений науки и техники XX столетия.

Синтез каучука из бутадиена, осуществленный в СССР в 1932 г. в крупном заводском масштабе, по способу, разработанному

С. В. Лебедевым, послужил началом развития новой отрасли про­мышленности — промышленности синтетического каучука (СК) — основного сырья резиновой промышленности. Предсказывая даль­нейшее развитие производства каучуков, С. В. Лебедев говорил: «Синтез каучуков — источник бесконечного многообразия. Теория не кладет границ этому многообразию. А так как каждый новый каучук является носителем своей оригинальной шкалы свойств, то резиновая промышленность, пользуясь наряду с натуральными также и синтетическими каучуками, получит недостающую ей сей­час широкую свободу в выборе нужных свойств. Для одного кау­чука характерна большая механическая прочность, для другого — сопротивление истиранию, для третьего — стойкость при повышен­ных температурах и т. д. Вот почему сейчас с полной уверенностью можно утверждать, что резиновая промышленность недалекого- будущего будет базироваться на нескольких каучуках — натураль­ном и синтетических».

Действительно в настоящее время каучуки являются одним из наиболее широко распространенных видов полимерных материал лов. Их мировое потребление уже в 1974 г. превысило 10 млн. т„ а ассортимент весьма разнообразен и непрерывно расширяется.

Кроме каучуков при изготовлении резиновых изделий применя­ются различные компоненты (ингредиенты), которые необходимы как для осуществления химических превращений каучуков в про­цессах их переработки (повышение пластичности, поперечное сши­вание и др.), так и для придания резиновым изделиям определен­ных свойств.

По своему действию ингредиенты разделяются на вулканизую* щие агенты, ускорители и активаторы вулканизации, наполнители, пластификаторы, противостарители и др. Они относятся к различ­ным классам химических соединений: от элементарной серы и окси­дов металлов до органических веществ весьма сложного строения; их содержание колеблется от долей до десятков процентов от со­держания каучука. Для улучшения физико-механических свойств резин: износостойкости, прочности, твердости и ряда других — применяют большие количества тонкодисперсного технического углерода (сажи).

12

Большинство резиновых изделий изготовлено не из одной рези­ны, а содержит текстильные или металлические армирующие ма­териалы. К ним относятся волокна, нити, проволока, металл. В ка­честве примера можно привести современную автомобильную шину, в которой текстильные материалы (корд) составляют 15— 35% массы.

В резиновой промышленности применяют как природные, так и химические волокна — искусственные и синтетические. Природ­ные волокна неуклонно вытесняются химическими, резко увеличи­вается производство и применение синтетических волокон, расши­ряется их ассортимент. Основную долю синтетических волокон со­ставляют полиамидные и полиэфирные.

Сырье и материалы составляют главную часть всех затрат при производстве резиновых изделий, причем высокая материалоем­кость производства приводит к большим затратам на транспорти­рование сырья и хранение его на складах.

ОБЩАЯ СХЕМА ПРОИЗВОДСТВА РЕЗИНОВЫХ

ИЗДЕЛИЙ

Существенной и отличительной особенностью производства из­делий из резины является неразрывное сочетание в нем механиче­ских и химических процессов.

Производство начинается с приемки и складирования материа­лов, а также их предварительной подготовки. Перед переработкой необходимо освободить их от тары, а некоторые, например кри­сталлизующиеся каучуки, предварительно прогреть — декристал- лизовать. Многие каучуки подвергают специальной механической обработке — пластикации — с целью придания им необходимых для переработки технологических свойств.

Для получения резины с заданным комплексом свойств готовят резиновую смесь — композицию каучуков и ингредиентов опреде­ленного состава, для чего требуется точное дозирование применяе­мых материалов, осуществляемое в основном посредством раз­вески.

Целью процесса смешения является равномерное распределение ингредиентов в среде полимера. Каучей до образования между их молекулами поперечных связей в определенных условиях нахо­дятся в вязкотекучем состоянии и обладают пластическими свой­ствами, т. е. способностью к механически необратимым деформа­циям, свойственным вязким жидкостям. Ингредиенты в массе кау­чуков распределяются под действием деформаций сдвига, возни­кающих при обработке каучуков и ингредиентов в специальных машинах. При смешении каучуков с ингредиентами происходит не только перемешивание компонентов, ио и ряд сложных физико­химических и химических явлений: структурные превращения поли­меров под действием механических напряжений; взаимодействие

13

между компонентами резиновой смеси и др. Характер этих явлений определяется условиями переработки, поэтому резиновые смеси одинакового состава могут иметь различные свойства.

Поэтому режимы приготовления резиновых смесей строго рег­ламентируются по различным параметрам.

Резиновые смеси являются основным полуфабрикатом, из кото­рого изготовляют резиновые изделия. Резиновые смеси, как и кау­чуки, обладают пластическими свойствами, поэтому при определен­ных условиях они подвергаются формованию различными метода­ми с целью получения предварительных заготовок.

Из резиновых смесей могут быть получены длинномерные про­фили методом шприцевания, гладкие или профильные листы мето­дом каландрования, сложные заготовки методом прессования и др. Резиновые смеси могут быть также нанесены на ткани, металличе­ские и другие поверхности. Отдельные простые заготовки и детали из них, полученные разными способами, собираются в сложные ре­зиновые изделия обычно посредством склеивания. Например, авто­мобильная покрышка в зависимости от размеров собирается более чем из 20 деталей (заготовок).

Завершающим и важнейшим процессом в производстве резино­вых изделий является вулканизация. В процессе вулканизации происходит соединение макромолекул каучука поперечными хими­ческими связями в пространственную вулканизационную сетку, в результате чего пластичная резиновая смесь превращается в вы­сокоэластичную резину.

Таким образом, в процессе переработки на стадии вулканиза­ции происходит необратимое существенное изменение свойств пе­рерабатываемого материала.

Пространственная сетка образуется, как правило, в результате активированных теплом химических реакций между молекулами каучука и компонентами вулканизующей группы (вулканизующи­ми агентами, ускорителями и активаторами вулканизации).

Реакция серы с натуральным каучуком, которая протекает под действием тепла и в результате которой каучук превращается в резину, т. е. вулканизация, была открыта в 1842—1844 гг. амери­канцем Чарльзом Гудьиром и англичанином Томасом Гэнкоком. Это важнейшая веха и практически начало развития резиновой промышленности.

В промышленности при вулканизации сформованные заготов­ки из резиновой смеси, как правило, нагревают под давлением в аппаратах различного типа. В некоторых случаях процессы фор­мования и процессы вулканизации совмещают.

Наряду с традиционным технологическим процессом производ­ства резиновых изделий из «твердого» каучука в резиновой про­мышленности довольно широко распространено получение изделий из водных дисперсий каучуков — латексов.

В последнем случае энергоемкий процесс приготовления рези­новых смесей заменен процессом приготовления латексных смесей,

14

представляющих собой коллоидные системы. При этом происходит диспергирование ингредиентов в маловязкой водной среде, и по­этому отсутствуют затраты большого количества энергии. Спосо­бы формования изделий по этой технологии совершенно специфич­ны. Они основаны на разрушении латексной смеси высушиванием или действием растворов электролитов. После формования полу­фабрикат сушат, а затем вулканизуют. Применение латексов поз­воляет получать некоторые изделия, которые не могут быть изго­товлены из растворов твердого каучука.

Широкое распространение в резиновой промышленности нахо­дят растворы резиновых смесей в органических растворителях — резиновые клеи. Резиновые клеи применяются для крепления ре­зин к другим материалам, а также при производстве изделий, на­пример прорезиненных тканей, перчаток и др.

В настоящее время разработана и находит все более широкое применение в промышленности переработка каучуков и резиновых смесей в тонкодисперсном виде — так называемая «порошковая» технология изготовления резиновых изделий. Такая технология позволит автоматизировать наиболее трудоемкие стадии изготов­ления резиновых изделий — развеску и смешение, снизить энерго­затраты на их проведение и применить некоторые новые технологи­ческие операции.

Другим новым и перспективным направлением в производстве резиновых изделий является переработка «жидких каучуков» — низкомолекулярных олигомеров на основе диенов, олефинов и их сополимеров.

Применение жидких каучуков позволит создать такую техно­логию, при которой в одной стадии будут объединены процессы смешения, формования и вулканизации. Это создаст принципиаль­ные возможности для полной автоматизации предприятий резино- вой промышленности.

Конечным выпускаемым продуктом является изделие. В боль­шинстве случаев — это деталь машины, что сближает резиновую промышленность, химическую по существу основных технологиче­ских процессов, с отраслями машиностроения.

Многоступенчатый механохимический процесс производства ре­зиновых изделий осуществляется на разнообразном оборудовании, причем большую часть составляют сложные энергоемкие машины и аппараты, для обслуживания которых необходим высококвали­фицированный персонал.

Повышение качества изделий, механизация и автоматизация производственных операций — повседневная задача работников ре­зиновой промышленности. Многообразные, еще существующие руч­ные технологические операции, требующие применения значитель­ного количества рабочей силы, должны вытесняться механизиро­ванными и автоматизированными, более современными техноло­гическими процессами с использованием высокопроизводительного оборудования. Комплексная механизация и автоматизация долж­

15

ны обеспечить повышение производительности труда, высокую точ­ность проведения производственного процесса, всесторонний и не­прерывный его контроль, а также повысить рентабельность произ­водства.

Литература

Романова О. В., Якобсон В. Д. Организация и планирование предприятия , резиновой промышленности. М., «Высшая школа», 1970. 217 с.

Экономика резиновой промышленности. Под ред. А. Д. Шаха. М., «Высшая школа», 1977. 328 с.

Лепетов В. А. Резиновые технические изделия. Изд. 3-е, испр. Л_ч «Химия», 1976. 440 с.