ОБРОБКА КАУЧУКУ І ВИРОБНИЦТВО ГУМИ

пластикації. Одне з найважливіших властивостей каучуку - пластичність - використовується у виробництві гумових виробів. Щоб змішати каучук з іншими інгредієнтами гумової суміші, його потрібно спочатку пом'якшити, або пластицирован, шляхом механічної або термічної обробки. Цей процес називається пластикації каучуку. Відкриття Т. Хенкоком у 1820 можливості пластикації каучуку мало величезне значення для гумової промисловості. Його пластікатор складався з шипованої ротора, що обертається в шиповану підлогою циліндрі; це пристрій мав ручний привід. У сучасній гумовій промисловості використовуються три типи подібних машин до введення інших компонентів гумової суміші в каучук. Це - каучукотерка, змішувач Бенбері і пластікатор Гордона.

Використання грануляторів - машин, що розрізають каучук на маленькі гранули чи пластинки однакових розмірів і форм, - полегшує операції по дозуванні і управління процесом обробки каучуку. каучук подається в гранулятор після виходу з пластікатора. Що виходять гранули змішуються з вуглецевої сажею й оліями в змішувачі Бенбері, утворюючи маткову суміш, яка також гранулюється. Після обробки в змішувачі Бенбері виробляється змішування з вулканізуют речовинами, сіркою і прискорювачами вулканізації.

Готування гумової суміші. Хімічна сполука тільки з каучуку і сірки мала б обмежене практичне застосування. Щоб поліпшити фізичні властивості каучуку і зробити його більш придатним для експлуатації в різних застосуваннях, необхідно модифікувати його властивості шляхом додавання інших речовин. Усі речовини, що змішуються з каучуком перед вулканізацією, включаючи сірку, називаються інгредієнтами гумової суміші. Вони викликають як хімічні, так і фізичні зміни в каучуку. Їхнє призначення - модифікувати твердість, міцність і ударну в'язкість і збільшити стійкість до стирання, олив, кисню, хімічних розчинників, тепла і розтріскування. Для виготовлення гум різних застосувань використовуються різні склади.

Прискорювачі і активатори. Деякі хімічно активні речовини, які називаються прискорювачами, при використанні разом із сіркою зменшують час вулканізації і поліпшують фізичні властивості каучуку. Прикладами неорганічних прискорювачів є свинцеві білила, свинцевий глет (монооксид свинцю), вапно і магнезія (оксид магнію). Органічні прискорювачі набагато більш активні і є важливою частиною майже будь-якої гумової суміші. Вони вводяться в суміш у відносно малій частці: звичайно буває досить від 0,5 до 1,0 частини на 100 частин каучуку. Більшість прискорювачів цілком виявляє свою ефективність у присутності активаторів, таких, як окис цинку, а для деяких потрібно органічна кислота, наприклад стеаринова. Тому сучасні рецептури гумових сумішей звичайно включають окис цинку і стеаринову кислоту.

мягчители і пластифікатори. Мягчители і пластифікатори звичайно використовуються для скорочення часу приготування гумової суміші і зниження температури процесу. Вони також сприяють диспергирование інгредієнтів суміші, викликаючи набрякання або розчинення каучуку. Типовими мягчители є парафінове і рослинні олії, воски, оленів і стеаринова кислоти, хвойна смола, кам'яновугільна смола і каніфоль.

Ущільнюючі наповнювачі. Деякі речовини підсилюють каучук, додаючи йому міцність і опірність зносу. Вони називаються зміцнюючих наповнювачами. Вуглецева (газова) сажа в тонко подрібненої формі - найбільш розповсюджений зміцнюючої наповнювач; вона відносно дешева і є одним з найефективніших речовин такого роду. Протекторна гума автомобільної шини містить приблизно 45 частин вуглецевої сажі на 100 частин каучуку.

Іншими широко використовуваними зміцнюючих наповнювачами є окис цинку, карбонат магнію, кремнезем, карбонат кальцію і деякі глини, однак усі вони менш ефективні, чим газова сажа.

Наповнювачі. На зорі каучукової промисловості ще до появи автомобіля деякі речовини додавалися до каучуку для здешевлення одержуваних з нього продуктів. Зміцнення ще не мало великого значення, і такі речовини просто служили для збільшення обсягу і маси гуми. Їх називають наповнювачами чи інертними інгредієнтами гумової суміші. Поширеними наповнювачами є барити, крейда, деякі глини і діатоміт.

Антиоксиданти. Використання антиоксидантів для збереження потрібних властивостей гумових виробів у процесі їх старіння й експлуатації почалося після Другої світової війни. Як і прискорювачі вулканізації, антиоксиданти - складні органічні сполуки, які при концентрації 1-2 частини на 100 частин каучуку перешкоджають росту твердості і крихкості гуми. Вплив повітря, озону, тепла і світла - основна причина старіння гуми. Деякі антиоксиданти також захищають гуму від ушкодження при вигині і нагріванні.

Пігменти. Ущільнюючі й інертні наповнювачі й інші інгредієнти гумової суміші часто називають пігментами, хоча використовуються і дійсні пігменти, що додають колір гумовим виробам. Оксиди цинку і титана, сульфід цинку і літопон застосовуються як білі пігменти. Жовтий крон, залізоокисний пігмент, сульфід сурми, ультрамарин і лампова сажа використовуються для додання виробам різних колірних відтінків.

Каландування. Після того як сирий каучук пластицирован і змішаний з інгредієнтами гумової суміші, він піддається подальшій обробці перед вулканізацією, щоб додати йому форму кінцевого виробу. Тип обробки залежить від області застосування гумового вироби. На цій стадії процесу широко використовуються каландрование і екструзія.

Каландри являють собою машини, призначені для розкочування гумової суміші в аркуші або промазки нею тканин. Стандартний каландр зазвичай складається з трьох горизонтальних валів, розташованих один над іншим, хоча для деяких видів робіт використовуються чотирьохвальні і п'ятивальні каландри. Порожні каландрові вали мають довжину до 2,5 м і діаметр до 0,8 м. До валів підводяться пара і холодна вода, щоб контролювати температуру, вибір і підтримку якої мають вирішальне значення для одержання якісного виробу з постійною товщиною і гладкою поверхнею. Сусідні вали обертаються в протилежних напрямках, причому частота обертання кожного вала і відстань між валами точно контролюються. На каландрі виконуються нанесення покриття на тканині, промазка тканин і розкочування гумової суміші в аркуші.

Екструзія. Екструдер застосовується для формування труб, шлангів, протекторів шин, камер пневматичних шин, ущільнювальних прокладок для автомобілів і інших виробів. Він складається зі сталевого циліндричного корпуса, що має сорочкою для нагрівання чи охолодження. Щільно прилеглий до корпуса шнек подає невулканізовану гумову суміш, попередньо нагріту на вальцях, через корпус до голівки, у яку вставляється змінний формующий інструмент, що визначає форму одержуваного виробу. Вихідний з голівки виріб звичайний прохолоджується струменем води. Камери пневматичних шин виходять з екструдера у виді безупинної трубки, що потім розрізається на частини потрібної довжини. Багато виробів, наприклад ущільнювальні прокладки і невеликі трубки, виходять з екструдера в остаточній формі, а потім вулканізуються. Інші вироби, наприклад протектори шин, виходять з екструдера у вигляді прямих заготовок, що згодом накладаються на корпус шини і привулканізовуються до нього, змінюючи свою первісну форму.

Вулканізація. Далі необхідно вулканізувати заготовку, щоб одержати готовий виріб, придатний до експлуатації. Вулканізація проводиться декількома способами. Багатьом виробам надається остаточна форма тільки на стадії вулканізації, коли укладена в металеві форми гумова суміш піддається впливу температури і тиску. Автомобільні шини після зборки на барабані формуються до потрібного розміру і потім вулканізуються в рифлених сталевих формах. Форми встановлюються одна на іншу у вертикальному вулканізаційному автоклаві, і в замкнутий нагрівач запускається пара. У невулканізовану заготовку шини вставляється пневмомешок тієї ж форми, що і камера шини. По гнучких мідних трубках у нього запускаються повітря, пара, гаряча вода окремо або в поєднанні один з одним; вони слугують для передачі тиску даного середовища розсовують каркас шини, змушуючи каучук втікати у фасонні поглиблення форми. У сучасній практиці технологи прагнуть до збільшення числа шин, вулканизуемих в окремих вулканізаторах, названих прес-формами. Ці литі прес-форми мають порожні стінки, що забезпечують внутрішню циркуляцію пари, гарячої води і повітря, що підводять тепло до заготовки. У заданий час прес-форми автоматично відкриваються.

Були розроблені автоматизовані вулканізаційні преси, що вставляють у заготовку шини варильну камеру, вулканізуют шину і видаляють варильну камеру з готової шини. Варильна камера є складовою частиною вулканізаційного преса. Камери шин вулканізуються в подібних прес-формах, що мають гладку поверхню. Середній час вулканізації однієї камери складає близько 7 хв при 155 ° С. При менших температурах час вулканізації зростає.

Багато виробів меншого розміру вулканізуються в металевих прес-формах, які розміщуються між паралельними плитами гідравлічного преса. Плити преса всередині порожні, щоб забезпечити доступ пари для нагрівання без безпосереднього контакту з виробом. Виріб одержує тепло тільки через металеву прес-форму.

Багато виробів вулканізуються нагріванням у повітрі чи вуглекислому газі. Прогумована тканина, одяг, плащі і гумове взуття вулканізуються таким способом. Процес звичайно проводиться у великих горизонтальних вулканізаторах з парової сорочкою. Гумові суміші, вулканізовані сухим теплом, звичайно містять меншу добавку сірки, щоб виключити вихід частини сірки на поверхню виробу. Для зменшення часу вулканізації, що, як правило, більше, ніж при вулканізації відкритою парою чи під пресом, використовуються речовини-прискорювачі.

Деякі гумові вироби вулканізуються зануренням у гарячу воду під тиском. Листовий каучук намотується між шарами мусліну на барабан і вулканізуют в гарячій воді під тиском. Гумові груші, шланги, ізоляція для проводів вулканізуються у відкритому парі. Вулканізатори звичайно являють собою горизонтальні циліндри з щільно підігнаними кришками. Пожежні шланги вулканізуються пором із внутрішньої сторони й у такий спосіб відіграють роль власних вулканізаторів. Каучуковий шланг втягується усередину плетеного бавовняного шланга, до них прикріплюються сполучні фланці і всередину заготівлі на заданий час під тиском нагнітається пара.

Вулканізація без підведення тепла може проводитися за допомогою хлористий сірки S2Cl2 шляхом або занурення в розчин, або впливу пар. Тільки тонкі аркуші чи такі вироби, як фартухи, купальні шапочки, напальчники чи хірургічні рукавички, вулканізуються таким способом, оскільки реакція протікає швидко, а розчин при цьому не проникає глибоко в заготівлю. Додаткова обробка аміаком необхідна для видалення кислоти, що утвориться в процесі вулканізації.

ТВЕРДА ГУМА

Вироби з твердої гуми відрізняються від виробів з м'якої гуми головним чином кількістю сірки, використовуваної при вулканізації. Коли кількість сірки в гумовій суміші перевищує 5%, у результаті вулканізації виходить тверда гума. Гумова суміш може містити до 47 частин сірки на 100 частин каучуку; при цьому виходить твердий і твердий продукт, називаний ебоніту, оскільки схожий на ебенове (чорне) дерево. Вироби з твердої гуми володіють хорошими діелектричні властивості і використовуються в електротехнічній промисловості як ізолятори, наприклад у розподільних щитах, вилках, розетках, телефонах і акумуляторах. Виготовлені з застосуванням твердої гуми труби, клапани й арматура застосовуються в тих областях хімічної промисловості, де потрібна корозійна стійкість. Виготовлення дитячих іграшок - ще одна стаття споживання твердої гуми.

СИНТЕТИЧНИЙ КАУЧУК

Синтез каучуку, який відбувається в дереві, ніколи не виконувався в лабораторії. Синтетичні каучуки є еластичними матеріалами; вони схожі з натуральним продуктом за хімічними і фізичними властивостями, але відрізняються від нього структурою.

Синтез аналога натурального каучуку (1,4-цис-поліізопрену і 1,4-цис-полібутадіена). Натуральний каучук, отриманий із гевеї бразильської, має структуру, що складається на 97,8% з 1,4-цис-поліізопрену:

Синтез 1,4-цис-поліізопрену проводився декількома різними шляхами з використанням регулюючих стереоструктуру каталізаторів, і це дозволило налагодити виробництво різних синтетичних еластомерів. Каталізатор Циглера складається з тріетілалюмінія і чотирихлористого титану; він змушує молекули ізопрену об'єднуватися (полімеризовані) з утворенням гігантських молекул 1,4-цис-поліізопрену (полімеру). Аналогічно, металевий літій чи алкіл-і алкіленлітіевие з'єднання, наприклад бутіллітій, служать каталізаторами полімеризації ізопрену в 1,4-цис-поліізопрен. Реакції полімеризації з цими каталізаторами проводяться в розчині з використанням вуглеводнів нафти як розчинників. Синтетичний 1,4-цис-поліізопрен має властивості натурального каучуку і може використовуватися як його заступник у виробництві гумових виробів. Див також ПЛАСТМАСИ.

Полібутадіен, на 90-95% складається з 1,4-цис-ізомеру, також був синтезований за допомогою регулюючих стереоструктуру каталізаторів Циглера, наприклад тріетілалюмінія і четирехіодістого титану. Інші регулюючі стереоструктуру каталізатори, наприклад хлорид кобальту і алкілалюміній, також дають полібутадіен з високим (95%) вмістом 1,4-цис-ізомеру. Бутіллітій теж здатний полімеризовані бутадієн, проте дає полібутадіен з меншим (35-40%) вмістом 1,4-цис-ізомеру. 1,4-цис-полібутадіен володіє надзвичайно високою еластичністю і може використовуватися як наповнювач натурального каучуку.

Тіокол (полісульфідний каучук). У 1920, намагаючись одержати новий антифриз з етіленхлоріда і полісульфіду натрію, Дж.Патріка замість цього відкрив нове каучукоподобное речовину, названу ним тіоколу. Тіокол високостійкий до бензину і ароматичних розчинників. Він має гарні характеристики старіння, високий опір раздиру і низьку проникність для газів. Не будучи справжнім синтетичним каучук, він, тим не менше, знаходить застосування для виготовлення гум спеціального призначення.

Неопрен (поліхлоропрен). У 1931 компанія «Дюпон» оголосила про створення каучукоподобного полімеру, або еластомеру, названого неопреном. Неопрен виготовляють з ацетилену, який, у свою чергу, одержують з вугілля, вапняку і води. Ацетилен спочатку полімеризують до вінілацетілена, з якого шляхом додавання хлороводородной кислоти виробляють хлоропрен. Далі хлоропрен полімеризують до неопрену. Крім малостійкості неопрен має високу тепло-і хімічну стійкість і використовується у виробництві шлангів, труб, рукавичок, а також деталей машин, наприклад шестерень, прокладок і приводних ременів.

Буна S (SBR , бутадіенстірольний каучук). Синтетичний каучук типу буна S, що позначається як SBR, виробляється у великих реакторах із сорочкою, чи автоклавах, у які завантажують бутадієн, стирол, мило, воду, каталізатор (персульфат калію) і регулятор росту ланцюга (меркаптан). Мило і вода служать для емульгування бутадієну і стиролу і приведення їх у близький контакт з каталізатором і регулятором росту ланцюга. Вміст реактора нагрівається до приблизно 50 ° С и перемішується протягом 12-14 ч; за цей час у результаті процесу полімеризації в реакторі утвориться каучук. Що виходить латекс містить каучук у формі малих часток і має вид молока, що дуже нагадує натуральний латекс, добутий з дерева.

Латекс із реакторів обробляється переривником полімеризації для зупинки реакції і антиоксидантом для збереження каучуку. Потім він очищається від надлишку бутадієну і стиролу. Щоб отделіть (шляхом коагуляції) каучук від латексу, він обробляється розчином хлориду натрію (харчової солі) у кислоті або розчином сульфату алюмінію, що відокремлюють каучук у формі дрібної крихти. Далі крихта промивається, сушиться в печі і пресується в стоси.

З усіх еластомерів SBR використовується найбільше широко. Більше всього його йде на виробництво автомобільних шин. Цей еластомер подібний по властивостях з натуральним каучуком. Він не маслостоек і в більшості випадків виявляє низьку хімічну стійкість, але має високий опір удару і стирання.

Латекси для емульсійних фарб. Бутадієн-стирольні латекси широко використовуються в емульсійних фарбах, у яких латекс утворить суміш з пігментами звичайних фарб. У такому застосуванні вміст стиролу в латексі повинно перевищувати 60%.

Низькотемпературний маслонаповнених каучук. Низькотемпературний каучук - особливий тип каучуку SBR. Він виробляється при 5 ° С и забезпечує кращу зносостійкість шин, чим стандартний SBR, отриманий при 50 ° С. Зносостійкість шин ще більш підвищується, якщо низькотемпературного каучуку додати високу ударну в'язкість. Для цього в базовий латекс додають деякі нафтові олії, називані нафтовими мягчители. Кількість додається олії залежить від необхідного значення ударної в'язкості: чим воно вище, тим більше вводиться олії. Додана олія діє як мягчители жорсткого каучуку. Інші властивості маслонаповненого низькотемпературного каучуку такі ж, як у звичайного низькотемпературного.

Буна N (NBR , бутадіенакрілонітрільний каучук). Разом з буна S в Німеччині був також розроблений маслостійкої тип синтетичного каучуку за назвою пербунан, або буна N. Основний компонент цього Нітрільниє каучуку - також бутадієн, який сополімерізуется з акрілонітрілом по суті за тим же механізмом, що і SBR. Сорти NBR розрізняються змістом акрилонітрила, кількість якого в полімері варіює від 15 до 40% в залежності від призначення каучуку. Нітрільниє каучуки маслостійке в ступені, відповідної змісту в них акрилонітрила. NBR використовувався в тих видах військового устаткування, де була потрібна маслостійке, наприклад в шлангах, самоуплотняющіхся паливних елементах і конструкціях транспортних засобів.

Бутилкаучук. Бутилкаучук - ще один синтетичний каучук - був відкритий в 1940. Він чудовий своєю низькою газопроникністю; камера шини з цього матеріалу утримує повітря в 10 разів довше, ніж камера з натурального каучуку. Бутилкаучук виготовляють полімеризацією ізобутілену, одержуваного з нафти, з малою добавкою ізопрену при температурі -100 ° С.

Ця полімеризація не є емульсійним процесом, а проводиться в органічному розчиннику, наприклад метілхлоріде. Властивості бутилкаучуку можуть бути сильно поліпшені термообробкою маткової суміші бутилкаучуку і газової сажі при температурі від 150 до 230 ° С. Недавно бутилкаучук знайшов нове застосування як матеріал для протекторів шин через його добрі ходових характеристик, відсутності шуму і чудового зчеплення з дорогою. Бутилкаучук несумісний з натуральним каучуком і SBR і, отже, не може бути змішаний з ними. Однак після хлорування до хлорбутілкаучука він стає сумісним з натуральним каучуком і SBR. Хлорбутілкаучук зберігає низьку газопроникність. Ця властивість використовується при виготовленні змішаних продуктів хлорбутілкаучука з натуральним каучуком або SBR, які служать для виробництва внутрішнього шару безкамерних шин.

Етіленпропіленовий каучук. Сополімери етилену і пропілену можуть бути отримані в широких діапазонах складів і молекулярних мас. Еластоміри, містять 60-70% етилену, вулканізуються з пероксидами і дають вулканізат з гарними властивостями. Етіленпропіленовий каучук має чудову атмосферо-і озоностойкость, високу термо-, олія-і зносостійкість, але також і високу повітропроникність. Такий каучук виготовляється з дешевих сировинних матеріалів і знаходить численні застосування в промисловості.

Найбільш широко застосовуваним типом етіленпропіленового каучуку є потрійний етіленпропіленовий каучук (з дієновим сомономером). Він використовується в основному для виготовлення оболонок проводів і кабелів, одношарової покрівлі і як присадки для мастил. Його мала щільність і чудова озоно-і атмосферостійкість обумовлюють його застосування як покрівельний матеріалу.

Вістанекс. Вістанекс, або поліізобутилен, - полімер ізобутілену, також одержуваний при низьких температурах. Він подібний каучуку по властивостях, але на відміну від каучуку є насиченим вуглеводнем і, отже, не може бути підданий вулканізації. Поліізобутилен озоностоек.

Коросіл. Коросіл, каучукоподобний матеріал, - це пластифікований полівінілхлорид, приготований з вінілхлориду, який, у свою чергу, одержують з ацетилену і хлороводородной кислоти. Коросіл чудово стійкий до дії окислювачів, в тому числі озону, азотної та хромової кислот, і тому використовується для внутрішнього облицювання цистерн із метою захисту їх від корозії. Він пропускає для води, олій і газів і в силу цього знаходить застосування як покриття для тканин і паперу. Каландрованний матеріал використовується у виробництві плащів, душових фіранок і шпалер. Низьке водопоглинання, висока електрична міцність, негорючість і високий опір старінню роблять пластифікований полівінілхлорид придатним для виготовлення ізоляції проводів і кабелів.

Поліуретан. Клас еластомерів, відомих як поліуретани, знаходить застосування у виробництві пеноматеріалов, клеїв, покриттів і формованих виробів. Виготовлення поліуретанів включає кілька стадій. Спочатку одержують складний поліефір реакцією дикарбонової кислоти, наприклад адипінової, з багатоатомних спиртом, зокрема етиленгліколь або діетиленгліколь. Поліефір обробляють діїзоцианата, наприклад толуілен-2 ,4-діїзоцианата або метілендіфенілендіізоціанатом. Продукт цієї реакції обробляють водою і придатним каталізатором, зокрема n-етілморфоліном, і одержують пружний чи гнучкий пінополіуретан. Додаючи діїзоцианата, одержують формовані вироби, у тому числі шини. Змінюючи співвідношення гліколя і дикарбонової кислоти в процесі виробництва складного поліефіра, можна виготовити поліуретани, що використовуються як клеї або переробляються в тверді або гнучкі пеноматеріалов або формовані вироби. Пінополіуретани вогнестійкі, мають високу міцність на розтягання, дуже високий опір раздиру і стирання. Вони виявляють винятково високу несучу здатність і гарний опір старінню. Вулканізованих поліуретанові каучуки мають високі міцність на розтягання, опір стирання, раздиру і старіння. Був розроблений процес одержання поліуретанового каучуку на основі простого поліефіра. Такий каучук добре поводиться при низьких температурах і стійкий до старіння.

Кремнійорганічні каучук. Кремнійорганічні каучуки не мають собі рівних за придатності до експлуатації в широкому температурному інтервалі (від -73 до 315 ° С). Для вулканізованих кремнійорганічних каучуків була досягнута міцність на розтягання близько 14 МПа. Їхній опір старінню і діелектричні характеристики також дуже високі.

Хайпалон (хлорсульфоетіленовий каучук). Цей еластомер хлорсульфонірованного поліетилену отримують обробкою поліетилену хлором і двоокисом сірки. Вулканізованих хайпалон надзвичайно озоно-і атмосферостійкий і має гарну термо-і хімічну стійкість.

фторовмісні еластомери. Еластомер кель-F - сополімер хлортріфторетілена і вініліденфторіда. Цей каучук має гарну термо-і малостійкості. Він стійкий до дії корозійно-активних речовин, негорючий і придатний до експлуатації в інтервалі від -26 до 200 ° С. Вітон А і флюорел - сополімери гексафторпропілена і вініліденфторіда. Ці еластомери відрізняються чудовою стійкістю до дії тепла, кисню, озону, атмосферних факторів і сонячного світла. Вони мають задовільні низькотемпературні характеристики і придатні до експлуатації до -21 ° С. фторовмісні еластомери використовуються в тих додатках, де потрібно стійкість до дії тепла й олій.

Спеціалізовані еластомери. Виробляються спеціалізовані еластомери з різноманітними фізичними властивостями. Багато хто з них дуже дорогі. Найважливіші з них - акрилатні каучуки, хлорсульфонірованний поліетилен, сополімери простих і складних ефірів, полімери на основі епіхлоргідріна, фторовані полімери і термопластичні блок-сополімери. Вони використовуються для виготовлення ущільнень, прокладок, шлангів, оболонок проводів і кабелів і клеїв. Див також Хімія органічна; ПЛАСТМАСИ; Кремнійорганічні ПОЛІМЕРИ.