Что такое вулканизация и вулканизированный каучук?
Вулканизированная резина намного прочнее обычной резины. Она выдерживает большее давление и нагрузку и гораздо более эластична, поэтому многие производители предпочитают использовать вулканизированную резину в своей деятельности. Повышенная прочность и эластичность вулканизированной резины позволяют растягивать её в гораздо большей степени, не деформируя и не искривляя. Вулканизация также означает, что резина лучше защищена от истирания и других повреждений, вызванных царапинами.
Но что именно представляет собой вулканизация и как она работает? В этой статье мы подробнее рассмотрим вулканизацию, а также историю и применение вулканизированного каучука.
Что такое вулканизация?
Существует два вида каучука: натуральный и синтетический. Натуральный каучук немного прочнее и имеет менее выраженный запах, в то время как синтетический каучук более устойчив к нагреванию и старению. Синтетический каучук также используется в изделиях для людей, страдающих аллергией на белки, содержащиеся в натуральном каучуке.
Натуральный каучук состоит из молекул полиизопрена. Его получают из клеток или латексных протоков каучуконосных растений. Хотя существует более двухсот растений, способных вырабатывать латекс, большая часть натурального каучука производится из гевеи бразильской (Hevea Brasiliensis).
Синтетические каучуки — это искусственные полимеры, получаемые из побочных продуктов нефтепереработки. В исходном состоянии натуральный и синтетический каучуки не очень полезны. Они липкие, термопластичные и мягкие, с очень низкой прочностью на разрыв и эластичностью, поэтому перед использованием их необходимо подвергнуть таким процессам, как вулканизация. Натуральный и большинство видов синтетического каучука можно вулканизировать, чтобы улучшить их свойства и сделать достаточно прочными и твёрдыми для использования. Процесс вулканизации включает добавление серы и нагревание каучука для повышения его эластичности и прочности.
Полиизопрен (натуральный каучук) и стирол-бутадиеновый каучук (SBR) — это полимеры, которые чаще всего подвергаются вулканизации. Эти каучуки часто используются для производства автомобильных шин.
Методы вулканизации могут различаться, но обычно они включают в себя смешивание неочищенного каучука или других эластомерных материалов с 5–30% серы или другого агента (для запуска реакции сшивания) с активатором, ускорителем и замедлителем для образования сшитой молекулярной сети.
Вулканизация с использованием только серы происходит очень медленно и может привести к окислительной деградации, что ухудшает механические свойства. Поэтому добавляют ускорители, чтобы вулканизация происходила при более низкой температуре и с большей эффективностью. (Это также снижает необходимое количество серы, что улучшает свойства вулканизированного каучука при старении).
Обычно используемые добавки включают оксид цинка (активаторы), гуанидины, тиазолы, ксантогенаты, тиурамы (ускорители), уксусную кислоту, хлорид кальция (коагулянты), амины, фенолы и фосфиты (антиоксиданты), цветные пигменты, масла и пеногасители.
На этапах смешивания необходимо избегать активной вулканизации, чтобы предотвратить образование трещин при формовке резины.
Наука, лежащая в основе процесса вулканизации
Вулканизация произвела революцию в производстве и применении каучука. До открытия вулканизации натуральный каучук коагулировали с помощью кислоты и нагревания, чтобы сделать его податливым. При высоких температурах каучук становился липким и начинал плавиться. Однако при слишком низкой температуре он быстро становился хрупким. Использование каучука в промышленности с помощью этих методов было дорогостоящим и непрактичным.
Итак, как вулканизируется каучук? Натуральный латексный сок, получаемый из деревьев, содержит молекулы изопрена. По мере высыхания латекса молекулы сближаются и воздействуют на двойную углеродную связь соседних молекул. Двойная связь разрывается, и электроны формируют связи между молекулами изопрена, превращая их в мономеры. Этот процесс продолжается до тех пор, пока множество молекул изопрена не соединятся и не образуют длинные нити или цепочки мономеров (полимеры).
Совокупность мономерных цепочек изопрена называется полиизопреном, который скрепляется за счёт образования электростатических связей. Это позволяет цепочкам перемещаться относительно друг друга при растяжении и возвращаться в исходное состояние при расслаблении, что придаёт резине естественную эластичность.
При добавлении серы и соблюдении правильной температуры и давления атомы серы атакуют двойные связи атомов углерода в цепочках изопрена и связывают их. Атомы серы также связываются между собой, а затем соединяют различные цепочки изопрена. Это называется сшивкой в постоянном состоянии.
Сшивание — это механизм реакции, который придаёт вулканизированному каучуку прочность на разрыв. Проще говоря, сшивание — это химический процесс, при котором полимерные цепи связываются между собой. Это можно сравнить с тарелкой сырых спагетти. Каждую ниточку очень легко вытащить из тарелки, но после приготовления и высыхания они слипаются, и их сложнее разделить.
Полимерные цепи, которые не были сшиты, свободно перемещаются, в то время как сшитые цепи с гораздо меньшей вероятностью будут деформироваться под воздействием нагрева или растяжения. Они также более устойчивы к растворителям и могут использоваться для более прочных покрытий или связующих материалов.
Сшивание создаёт сетчатую структуру, которая придаёт резине более стабильную эластичность, и после создания такой структуры её уже невозможно легко разрушить. Такое необратимое изменение химического состава резины называется термоотверждением.
Существует три стадии вулканизации: индукция, сшивание и оптимальное состояние:
На этапе индукции (или прижигания) при температуре от 82°C до 110°C начинается медленная реакция сшивания. Формованный каучук обычно придают форму до нагревания, так как при сшивании придать каучуку форму невозможно.
На этапе сшивания или отверждения образуются постоянные поперечные связи. Смесь нагревают до 250–400 °F, чтобы ускорить вулканизацию и обеспечить быстрое сшивание.
В оптимальном состоянии вулканизированный каучук может вернуться к своей первоначальной длине после десяти циклов деформации при растяжении. Если процесс вулканизации продолжается после достижения оптимального состояния, это называется перевулканизацией. Окончательное оптимальное состояние вулканизации или перевулканизации означает, что все свойства каучуковых соединений формируются до тех пор, пока каучук не станет эластичным.
Образующиеся поперечные связи зависят от количества вулканизирующего агента, времени реакции, температуры и свойств самого каучука.
Что такое вулканизация и Вулканизированный каучук
Вулканизированный каучук прочнее и эластичнее натурального.
Кто изобрел вулканизацию резины?
Люди используют каучук уже тысячи лет. Древние ольмеки были первыми, кто начал изучать каучук. Они смешивали сок виноградной лозы и варёный каучуковый сок, чтобы получить вулканизированный каучук. Его использовали для гидроизоляции и, конечно, для создания ранней версии баскетбола!
В 1820-х годах химик Чарльз Макинтош объединился с изобретателем Томасом Хэнкоком, чтобы усовершенствовать этот процесс. Они растворяли натуральный каучук в бензоле и нагревали его, чтобы получить резиновые листы и водонепроницаемую ткань. В последующие годы в процесс стали добавлять серу.
Однако современная вулканизация в том виде, в каком мы её знаем, была изобретена Чарльзом Гудиером. Гудиер увлёкся резиной после того, как увидел спасательный жилет в универсальном магазине. Гудиер посвятил резине всё своё время и ресурсы. Однажды он случайно пролил смесь резины и каучука на горячую плиту, где она «обуглилась, как кожа», и затвердела. Он решил, что если остановить процесс в нужный момент, то резина станет более клейкой и устойчивой. Гудиер начал «вылечивать» резину и отправил образцы Томасу Хэнкоку. Хэнкок заметил серу на поверхности и начал добавлять серу в процесс обработки каучука.
Гудиер получил патент на вулканизацию в США через несколько недель после того, как Хэнкок опередил его с патентом в Великобритании. Термин «вулканизация» был придуман другом Хэнкока и отсылает к римскому богу огня Вулкану.
Изобретение Гудиера положило начало промышленной революции, но, к сожалению, его упорство не принесло плодов, и он умер с долгами более 200 000 долларов. Знаменитая компания по производству шин Goodyear была позже названа в его честь в знак признания его важного вклада в индустрию.
Как упоминалось ранее, использование только серы в процессе вулканизации не очень эффективно, быстро и экономично, поэтому каучук не получил широкого распространения до тех пор, пока в 1912 году американский химик Джордж Оэнслагер не обнаружил, что добавление ускорителей в процесс вулканизации улучшает процесс отверждения. Изобретённый им метод вулканизации до сих пор широко используется.
Каковы преимущества вулканизированной резины?
Вулканизация повышает эластичность, твёрдость, прочность на разрыв и устойчивость к органическим растворителям и истиранию. Она также обеспечивает отличную гибкость, низкое водопоглощение и устойчивость к окислению, а также является отличным электроизолятором.
Если натуральный каучук вулканизирован правильно, он сохраняет и усиливает свои свойства, не имея недостатков, присущих ему на молекулярном уровне. После вулканизации вновь созданные полимерные цепочки укрепляют каучук, он сжимается и становится твёрже. Это делает вулканизированный каучук гораздо менее подверженным повреждениям или деформации и повышает его прочность на разрыв.
Благодаря своей прочности вулканизированный каучук является отличным материалом для использования в ряде изделий, где прочность и водонепроницаемость имеют первостепенное значение (например, в ремешках для спортивных часов или в резиновых подошвах для обуви). Чаще всего вулканизированный каучук используется в шинах. Шины часто армируют сажей для ещё большей прочности. Ежегодно во всём мире производится более миллиарда шин.
Вулканизированный каучук также используется для производства резиновых шлангов, подошв для обуви, изоляционных материалов, виброгасителей, ластиков, амортизаторов, детских игрушек, конвейерных лент, резервуаров с резиновой облицовкой и многого другого.
Безопасна ли вулканизированная резина для окружающей среды?
Вулканизированный каучук более прочный и с меньшей вероятностью разлагается, чем натуральный каучук, но есть свидетельства того, что вулканизированный каучук разлагается в горячих контейнерах для компоста. Преимущество вулканизации в том, что резиновые изделия можно легко отремонтировать или перепрофилировать, поскольку они очень прочные. Старые резиновые шины можно переобуть или использовать в качестве асфальта, мульчи для ландшафтного дизайна, наполнителя для газона или подстилки для скота. Их также можно добавлять в смеси.
Заключение
Вулканизация позволяет создавать более прочные, жёсткие и долговечные резиновые изделия с минимальными затратами. Благодаря таким изобретателям, как Хэнкок и Гудиер, вулканизированная резина стала доступным и недорогим продуктом, который можно использовать и перерабатывать из года в год.
ВСЕГДА С ВАМИ РТИ 100! Производитель РТИ на заказ, по техническому заданию от проектирования до исследований и разработок, от производства до тестирования. Для получения дополнительной информации, пожалуйста, свяжитесь напрямую с компанией РТИ 100. Электронная почта: tdpoligran@mail.ru