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) температурой перехода из стеклообразного или твердого кристаллического состояния в высокоэластическое — эластомеры. Эластомеры, которые могут быть переработаны в резину, обычно называются каучуками. Большинство каучуков превращается в резину при возникновении между их макромолекулами прочных поперечных химических связей и образовании пространственной молекулярной сетки. До 1932 г. практически единственным материалом, из которого получали резину, был натуральный каучук (НК). Синтез каучука из бутадиена в крупном заводском масштабе послужил началом развития новой отрасли промышленности — промышленности синтетического каучука (СК). Успешное решение проблемы промышленного синтеза каучуков относится к числу наиболее значительных достижений науки и техники XX столетия.

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 вулканизующие 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 в резине колеблется от долей до десятков процентов от содержания каучука. Для улучшения физико-механических свойств резин: износостойкости, прочности, твердости и ряда других, применяют большие количества тонкодисперсных наполнителей — технического углерода (сажи), диоксида кремния (коллоидной кремнекислоты) и других.

Большинство резиновых изделий изготовлено не из одной резины, а содержат 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.

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

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. Каучуки 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, но и ряд сложных физико-химических и химических явлений: структурные превращения полимеров иод действием механических напряжений, взаимодействие между компонентами резиновой смеси и др. Характер этих явлений определяется условиями переработки, поэтому резиновые смеси одинакового состава могут иметь различные свойства. Для воспроизводства свойств режимы приготовления резиновых смесей строго регламентируются по различным параметрам.

Рези новые смеси являются основными полуфабрикатами, из которых изготавливают резиновые изделия. Резиновые смеси, как и каучуки, обладают пластическими свойствами, поэтому при определенных условиях они подвергаются формованию различными методами с целью получения предварительных 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.

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.