Пластмассы, каучук, резина, термоэластопласты

Расширение областей применения пластмасс  обусловлено тем, что способы  переработки несложны, легки при  небольших трудовых затратах, при  высокой производительности, а производственные потери невелики. Большинство пластмасс - это термопласты, их перерабатывают на непрерывно действующих аппаратах: литьевых, экструзионных и т. д.

На стадии переработки изделие  оформляется по форме и размерам, точно отвечающих требованиям к готовым изделиям. Причём последующая обработка, как в других процессах, не требуется.

Пластмассы - важнейшие конструкционные  материалы современной техники. Их используют:

• в машиностроении (резервуары; подшипники скольжения; зубчатые и червячные колеса; детали тормозных узлов; рабочие органы насосов и турбомашин; технологическая оснастка и др.);
• в элетро и радиотехнике (устройство телеграфных столбов; различных деталей и др.);
• на железнодорожном и других видах транспорта (детали автомобилей, самолетов, ракет; кузова различного транспорта; трубопроводы и др.;
• в строительстве (создание большепролетных панелей покрытия до 12 м; оболочек; в качестве отделочного материала; светопрозрачные ограждения; навесы; вентиляционные устройства; дымовые трубы;
• оконные переплеты; светопрозрачные стены и др.;
• в сельском хозяйстве (теплицы и др.);
• в медицине (приборы; аппараты; изготовление «запасных» частей человеческого организма - костей, суставов, аорт и других крупных кровеносных сосудов);
• в быту (посуда, одежда, обувь, меха и др.).

Пластмассы используются практически  во всех областях производства и жизни, а объем их применения в дальнейшем будет увеличиваться.

На ряды с высокими свойствами для  пластмасс характерны и специфические недостатки, которые сдерживают их применение. К ним относятся:

• ползучесть (крип) - особенность материала деформироваться на холоду под действием постоянный механических нагрузок;
• невысокая теплостойкость - порядка 70-120 ^оС, т.е. способность материала работать под нагрузкой при повышенных температурах;
• плохая теплопроводность;
• высокий коэффициент термического расширения. Принимая во внимание, что пластмассы малотеплопроводные, то на изделиях могут возникать значительные внутренние напряжения, а они, в конечном счете, могут быть причиной появления трещин в изделиях в процессе эксплуатации, особенно при резких изменениях температур. Эти напряжения особенно значительны, если впрессована металлическая арматура;
• пониженная прочность при переменных нагрузках;
• старение пластмасс под действием внешних условий, т.е. снижение свойств в процессе эксплуатации.

Износостойкие пластмассы типа полиамидов и полиолефинов применяют для изготовления направляющих прямолинейного движения в металлорежущих станках. При условии защиты от абразивных веществ (металлических опилок, пыли, грязи и т. д.) пластмассовые направляющие могут длительно работать даже в условиях малой смазки.

Низкие механическая прочность и жесткость, малая стабильность формы — факторы, ограничивающие применение пластмасс для силовых деталей. Для таких деталей главным образом используют стеклопластики. Из них делают крупногабаритные конструкции оболочкового типа.

Пластмассы применяют для изготовления сепараторов подшипников качения.

Положительные свойства пластмасс  широко используются при создании комбинированных изделий. Металлические предметы с нанесенным покрытием из полимеров имеют одновременно высокую прочность, присущую металлам, и положительные свойства полимеров. Особенно эффективно использование таких покрытий в том случае, если при этом удается заменить дефицитные и дорогие металлы (цветные сплавы, высоколегированные стали) дешевыми углеродистыми сталями.

В заключение следует подчеркнуть, что резкое увеличение использования пластмасс необходимо потому, что сырье для их изготовления менее дефицитно, чем руды для производства стали.

4. Каучук и резина

Каучук – вещество, получаемое из каучуконосных растений, растущих главным образом в тропиках и  содержащих млечную жидкость (латекс) в корнях, стволе, ветвях, листьях  или плодах либо под корой. Резина – продукт вулканизации композиций на основе каучука. Латекс не является соком растения, и его роль в жизнедеятельности растения до конца не выяснена. Латекс содержит частицы, выделяемые путем коагуляции в виде сплошной упругой массы, называемой сырым, или необработанным, каучуком.

Источники натурального каучука

Сырой натуральный каучук бывает двух видов: 1) дикий каучук, добываемый из произрастающих в естественных условиях деревьев, кустов и лозы; 2) плантационный  каучук, добываемый из возделываемых человеком деревьев и других растений. В течение 19 в. вся масса сырого каучука промышленного применения представляла собой дикий каучук, добывавшийся подсочкой гевеи бразильской в экваториальных тропических лесах Латинской Америки, из деревьев и лозы в экваториальной Африке, на Малаккском полуострове и Зондских островах.

Свойства каучука

Сырой каучук, предназначенный для  последующего промышленного применения, является плотным аморфным эластическим материалом с удельной массой 0,91–0,92 г/см3 и показателем преломления 1,5191. Его состав неодинаков для различных латексов и методов приготовления на плантации.

 Каучук относится к классу  ненасыщенных органических соединений, которые проявляют значительную  химическую активность при взаимодействии с другими реакционноспособными веществами. Так, он реагирует с хлороводородной кислотой с образованием гидрохлорида каучука, а также с хлором по механизмам присоединения и замещения с образованием хлорированного каучука. Атмосферный кислород действует на каучук медленно, делая его жестким и хрупким; озон делает то же самое быстрее. Сильные окислители, например азотная кислота, перманганат калия и перекись водорода, окисляют каучук. Он устойчив к действию щелочей и умеренно сильных кислот. Каучук реагирует также с водородом, серой, серной кислотой, сульфоновыми кислотами, окислами азота и многими другими реакционноспособными соединениями, образуя производные, часть из которых имеет промышленное применение.

Каучук  не растворяется в воде, спирте или  ацетоне, однако набухает и растворяется в бензоле, толуоле, бензине, сероуглероде, скипидаре, хлороформе, четыреххлористом углероде и других галогенсодержащих растворителях, образуя вязкую массу, применяемую в качестве клея.

Каучук  обладает двумя важными свойствами, которые обусловливают его промышленное применение. В вулканизованном состоянии он упруг и после растяжения принимает первоначальную форму; в невулканизованном состоянии он пластичен, т.е. течет под воздействием тепла или давления.

Одно свойство каучуков уникально: при растяжении они нагреваются, а при сжатии – охлаждаются. Наоборот, при нагревании каучук сжимается, а при охлаждении – расширяется. Будучи плохим проводником электричества, каучук используется и как электрический изолятор.

5. Отличие каучука и резины

Через 10 лет после первого применения натурального каучука и более детального изучения его химических физических свойств было предложено вводить каучук в оксиды кальция и магния. А ещё через 5 лет после изучения свойств нагретой смеси оксидов свинца и серы с каучуком научились получать резину. Сам процесс превращения каучука в резину назвали вулканизацией. Конечно же, каучук отличается от резины.

Резина – это «сшитый» полимер, который способен распрямляться и снова сворачиваться при растяжении и при действии механической нагрузки. Резина – это также «сшитые» макромолекулы, которые не способы к кристаллизации при охлаждении и не плавятся при нагревании. Тем самым резина – более универсальный материала, чем каучук, и способен сохранять свой механические и физические свойства при более широком диапазоне температур.

В начале 20 века, когда появился первый автомобиль, спрос на резину значительно возрос. В то же время возрос спрос и на натуральный каучук, так как на тот момент вся резина изготавливалась из сока тропических деревьев. Поэтому, резина и натуральный каучук считались достаточно дорогим материалом. Только в конце 20х годов русским учёным Лебедевым С.В. при химической реакции - полимеризации бутадиена-1,3 на натриевом катализаторе были получены образцы первого натрий-бутадиенового синтетического каучука.

 
Натуральный каучук

Каучук бутадиен-стирольный получил  широкое применение для производства шин легковых автомобилей, но для  тяжёлого транспорта - грузовых автомобилей и самолётов, использовался натуральный каучук.

В середине 20 века после получения  нового катализатора Циглера — Натты был получен синтетический каучук. который по своим свойствам эластичности и прочности значительно выше, чем все ранее известные каучуки, - был получен полибутадиен и полиизопрен. Полученный синтетический каучук по своим свойствам и строению подобен натуральному каучуку! А к концу 20 века натуральный каучук был почти полностью вытеснен синтетическим.

6. Резина

Резина - эластичный материал, образующийся в результате вулканизации натурального (НК) и синтетических каучуков (СК). Представляет собой сетчатый эластомер-продукт поперечного сшивания молекул каучуков химическими связями. Свойства определяются как применяемым каучуком, так и ингредиентами резиновой смеси (подробнее ниже). Резины, в общем, имеют более высокую теплостойкость, чем каучуки. Современная физическая теория упрочнения каучука объясняет повышение его прочности наличием сил связи (адсорбции и адгезии), возникающих между каучуком и наполнителем, а также образованием непрерывной цепочно-сетчатой структуры наполнителя вследствие взаимодействия между частицами наполнителя. Возможно и химическое взаимодействие каучука с наполнителем.

Пластикация. Одно из важнейших свойств каучука – пластичность – используется в производстве резиновых изделий. Чтобы смешать каучук с другими ингредиентами резиновой смеси, его нужно сначала умягчить, или пластицировать, путем механической или термической обработки. Этот процесс называется пластикацией каучука.

Приготовление резиновой смеси. Химическое соединение только из каучука и серы имело бы ограниченное практическое применение. Чтобы улучшить физические свойства каучука и сделать его более пригодным для эксплуатации в различных применениях, необходимо модифицировать его свойства путем добавления других веществ. Все вещества, смешиваемые с каучуком перед вулканизацией, включая серу, называются ингредиентами резиновой смеси. Они вызывают как химические, так и физические изменения в каучуке. Их назначение – модифицировать твердость, прочность и ударную вязкость и увеличить стойкость к истиранию, маслам, кислороду, химическим растворителям, теплу и растрескиванию. Для изготовления резин разных применений используются различные составы.

Одно из важнейших свойств каучука  – пластичность – используется в производстве резиновых изделий. Чтобы смешать каучук с другими  ингредиентами резиновой смеси, его нужно сначала умягчить, или пластицировать, путем механической или термической обработки. Этот процесс называется пластикацией каучука.

Приготовление резиновой смеси. Химическое соединение только из каучука и серы имело бы ограниченное практическое применение. Чтобы улучшить физические свойства каучука и сделать его более пригодным для эксплуатации в различных применениях, необходимо модифицировать его свойства путем добавления других веществ. Все вещества, смешиваемые с каучуком перед вулканизацией, включая серу, называются ингредиентами резиновой смеси. Они вызывают как химические, так и физические изменения в каучуке. Их назначение – модифицировать твердость, прочность и ударную вязкость и увеличить стойкость к истиранию, маслам, кислороду, химическим растворителям, теплу и растрескиванию. Для изготовления резин разных применений используются различные составы.

Вещества, называемые ускорителями, при  использовании вместе с серой  уменьшают время вулканизации и  улучшают физические свойства каучука. Примерами неорганических ускорителей являются свинцовые белила, свинцовый глет, известь и магнезия. Органические ускорители гораздо более активны и являются важной частью почти любой резиновой смеси.          

Некоторые вещества усиливают каучук, придавая ему, прочность и сопротивляемость износу, они называются упрочняющими наполнителями. Углеродная (газовая) сажа в тонко измельченной форме – наиболее распространенный упрочняющий наполнитель; она относительно дешева и является одним из самых эффективных веществ такого рода. Протекторная резина автомобильной шины содержит приблизительно 45 частей углеродной сажи на 100 частей каучука. Другими широко используемыми упрочняющими наполнителями являются окись цинка, карбонат магния, кремнезем, карбонат кальция и некоторые глины, однако все они менее эффективны, чем газовая сажа. Следует упомянуть, что часто в состав резиновой смеси вводят регенерат — продукт переработки старых резиновых изделий и отходов резинового производства. Кроме снижения стоимости регенерат повышает качество резины, снижая ее склонность к старению.

Воздействие воздуха, озона, тепла  и света – основная причина  старения резины. Некоторые красящие вещества (белые, желтые, зеленые) поглощают  коротковолновую часть солнечного спектра и этим защищают резину от светового старения. После того как сырой каучук пластицирован и смешан с ингредиентами резиновой смеси, он подвергается дальнейшей обработке перед вулканизацией, чтобы придать ему форму конечного изделия. Тип обработки зависит от области применения резинового изделия. На этой стадии процесса широко используются каландрование и экструзия.