Коррозия эластомеров (ч.1) : различия между эластомерами и термопластами

 Эластомеры (по определению ASTM — Американского общества по испытанию материалов) представляют собой полимерные материалы, которые при комнатной температуре могут удлиняться по меньшей мере вдвое от первоначальной длины и по снятии растягивающей нагрузки быстро возвращаются в исходное состояние. Как правило, к эластомерам относят любой материал, являющийся эластичным, или упругим, и, вообще говоря, напоминающим натуральный каучук по свойствам и внешнему виду. Эластомеры иногда относят к каучукам.

Молекулы эластомеров представляют собой длинные цепи, склонные сворачиваться в спиральные структуры, напоминающие винтовые пружины, соединенные между собой редкими связями. При наложении небольших напряжений спирали растягиваются или сжимаются, причем с увеличением нагрузки сопротивление возрастает. Для наглядности можно представить себе поведение эластичного бинта.

Оптимальных свойств эластомера можно достичь, составляя резиновые смеси как из природных, так и из синтетических каучуков. Исходные каучуки обычно становятся мягкими и липкими при повышенных температурах, и, напротив, твердыми и хрупкими при низких. Для увеличения прочности, жесткости, твердости, долговечности, для окрашивания или для придания других необходимых свойств к каучукам добавляют различные ингридиенты. Вулканизующие агенты добавляют к каучукам для расширения диапазона температур, в котором образующаяся резина сохраняет гибкость и эластичность.

Различные области применения требуют наличия у эластомера определенных свойств. Ниже приведены примеры изделий из эластомеров и их свойства, которые необходимы для успешного использования.

Износостойкость: автомобильные шины, конвейерные ленты, подошвы и каблуки обуви, кабели, рукава шлангов.

Прочность нараздир: протекторы шин, обувь, грелки, наружные слои конвейерных лент и рукавов, кольца круглого сечения.

Стойкость при многократных деформациях: автомобильные шины, приводные и клиновые ремни, опорные конструкции, обувь.

Теплостойкость: автомобильные шины, конвейерные ленты, предназначенные для транспортировки горячих материалов, рукава для подачи пара, кольца круглого сечения.

Морозостойкость: детали воздушных судов и автомобилей, шипы, холодильное оборудование, кольца круглого сечения.

Минимальный разогрев при деформации: шины, приводные ремни и клиновые ремни, опорные конструкции.

Высокая эластичность: губчатая резина, опоры, эластичные ленты, шнуры, шланги пескоструйных аппаратов, кольца круглого сечения.

Жесткость: упаковочные материалы, подошвы и каблуки обуви, клапаны, заборные рукава, батарейные отсеки.

Долговечность: пожарные рукава, приводные ремни, гибкие трубопроводы.

Высокое, удельное сопротивление: изоляционная лента, панели электрических щитков, диэлектрические перчатки, электрическая изоляция проводов.

Электропроводность: оборудование, не накапливающее электрический заряд, напольные покрытия.

Газонепроницаемость: разнообразные надувные изделия, спасательные плоты, шланги для подачи бензина, мембраны, футеровка дымовых труб.

Озоностойкостъ: уплотнители в распределителях системы зажигания, стеклоочистители.

Стойкость к действию солнечного света: одежда, рукава, стеклоочистители.

Химическая стойкость: футеровка резервуаров, уплотнительные прокладки, мембраны клапанов, шланги для транспортировки химикатов, кольца круглого сечения.

Маслостойкость: шланги для подачи бензина, заборные шланги для нефти, красок, молочных продуктов, приводные ремни, футеровка резервуаров, уплотнительные кольца, обувь.

Клейкость: замазки, изоляционная лента, клейкая (самоклеющаяся) лента.

Малый удельный вес: детали воздушных судов, надувные изделия.

Отсутствие вкуса и запаха: трубопроводы для молочных продуктов, пива и вина, ниппели, кольца круглого сечения, прокладки и манжеты.

Способность к окрашиванию: одежда, спасательные плоты, сварочные шланги.

Эластомеры часто называют каучуками. Синтез аналога натурального каучука в промышленности оказался очень сложным. Синтетические каучуки, производимые в настоящее время в промышленности, сходны, хотя и не идентичны натуральному каучуку. Мопомерным звеном натурального каучука является производное бутадиена. Молекула бутадиена, СН₂=СН-СН=СН₂, содержит два ненасыщенных фрагмента и легко полимеризуется. В промышленности его получают крекингом нефти или из этанола. Натуральный каучук представляет собой полимер метилбутадиена (изопрена).

Полимеризация бутадиена или его производных позволяет молекулам связываться в длинные цепи, содержащие порядка 1000 мономерных звеньев. Ранние попытки получить синтетический каучук позволили установить, что полимеризация незамещенного бутадиена не дает хороший каучук, так как; получающиеся неразветвленные цепи могут лишь в малой степени сшиваться между собой¹. Введение боковых групп в цепь позволяет изменять свойства получаемого материала. Этого в частности можно достичь введением заместителей в бутадиен или же сополимеризацией бутадиена с каким-либо другим соединением. При дальнейшей разработке синтеза синтетических каучуков начали и пользовать другие мономеры, например, изобутилен и этилен.

_{¹ Автор ошибается: первый синтетический каучук, полученный СВ. Лебедевым в 1929 г., был именно полибутадиеном (СКВ). Он был не так уж плох и прекрасно сшивался, позднее в СССР и других странах был синтезирован современный качественный полибутадиен (СКД)З, широко используемый в шинной промышленности всего мира в смесях с полиизопреном и бутадиенстирольным каучуком. См. Синтетический каучук. — Л.: Химия, 1983. — Примеч. науч. ред.}

Важность рецептуростроения (кампаундирования)

Для достижения желаемого сочетания свойств материала химик-резинщик может тем или иным рецептурным приемом «подстраивать» нужные свойства, однако улучшение одних свойств может приводить к необходимости поступаться другими характеристиками. В таблице 1 приведены примеры последствий различных модификаций.

Таблица 1. Модификация свойств материала

Улучшение	Ухудшение
Предел прочности на растяжение, твердость	Растяжимость
Динамические характеристики	Динамические характеристики Термостойкость Остаточная деформация
Сбалансированные характеристики	Технологические характеристики
Оптимальные свойства	Стоимость
Уменьшения остаточной деформации	Прочность на изгиб Эластичность
Маслостойкость	Низкотемпературная эластичность
Абразивность	Эластичность
Демпфирование	Эластичность  Увеличение остаточной деформации при сжатии

Сходные черты эластомеров и термопластов

За исключением силоксанов все термопласты и эластомеры являются углеродными полимерами. Они строятся путем соединения мономеров в длинные цепи. Многие мономеры могут являться строительными блоками как для термопластов, так и для эластомеров. Примерами являются стирол, акрилонитрил, этилен, пропилен, акриловая кислота и ее эфиры. До вулканизации эластомер находится в пластическом состоянии.

Различия между эластомерами и термопластами

При комнатной температуре невулканизованный каучук может быть мягкой, гибкой, клейкой массой или же плотным, эластичным материалом, в то время как конструкционные термопласты являются твердыми веществами. Свойством, которое обусловливает различие между эластомерами, а также различие между эластомерами и конструкционными полимерами, является подвижность молекул полимера.

Различие заключается в модулях материала — отношении значения приложенной силы к величине деформации материала. Чем более подвижны молекулы, тем сильнее деформация. Факторы, влияющие на сопротивляемость подвижности, включают взаимное притяжение молекул, степень кристалличности, наличие боковых цепей и переплетение полимерных молекул. Температура стеклования полимера определяется совокупностью этих факторов. Ниже температуры стеклования термопласты и эластомеры представляют собой переохлажденные жидкости, которые ведут себя во многом аналогично твердому телу. Выше температуры стеклования сшитый эластомер проявляет эластичные свойства. Поведение термопластов при температурах выше температуры стеклования зависит от степени их кристалличности. Для некристаллического (аморфного) термопласта модуль упругости при температуре стеклования резко уменьшается. При температурах между температурой стеклования и температурой плавления модуль упругости практически не изменяется с изменением температуры. Модуль упругости частично кристаллического термопласта сравнительно мало изменяется при температуре стеклования, а при ее дальнейшем повышении постепенно уменьшается.

Конструкционные термопласты обладают широким диапазоном температур стеклования. Они могут быть как выше, так и ниже комнатной температуры. Температуры стеклования неотвержденных эластомеров находятся значительно ниже комнатной.

Главное различие между резинами и конструкционными термопластами заключается в наличии сшивок. Поперечные связи соединяют молекулы каучуков с такой частотой, что между двумя местами образования сшивок находится много несшитых звеньев. Такая степень сшивки несколько повышает сопротивление деформации, но значительно увеличивает эластичность эластомера, способствуя его свойству возвращаться в исходное состояние при снятии напряжения. В принципе большинство аморфных термопластов может быть превращено в эластомеры в некотором подходящем диапазоне температур путем контролируемого добавления определенного количества поперечных связей.

Автор: Швейцер Ф. А.
По материалам: «Коррозия пластмасс и резин», издательство НОТ
Источник: Plastinfo.ru