ПОИСК Статьи Рисунки Таблицы Каучуки из "Большие молекулы" Каучуки, или эластомеры, как их теперь называют в более общем смысле, образуют почти уникальную группу веществ. Твердые тела, жидкости и газы могут быть легко классифицированы, и закономерности существования вещества в том или ином состоянии в настоящее время хорошо изучены. Эластомеры же не поддаются обычной классификации. Их специфическим свойством является легкость, с которой они могут подвергаться очень большим деформациям так, образец каучука можно растянуть в 8 раз по сравнению с исходной длиной, не вызывая разрыва материала, а после устранения растягивающего усилия образец практически мгновенно возвращается к первоначальным размерам. При охлаждении до —100° каучук становится хрупким, а при нагревании до 200° он приобретает свойства, близкие к свойствам жидкости. Таким образом, поведение эластомера сильно зависит от температуры. Эластические свойства присущи не только веществам, которые обычно считают эластомерами ими обладают и другие вещества, которые при комнатной температуре кажутся твердыми. Для всех эластомерных материалов характерно то, что они состоят из длинных цепных молекул, что и обусловливает их эластические свойства. [c.105] Фотография модели молекулы эластомера. [c.107] В эластомере молекула такого рода непрерывно подвергается бомбардировке со стороны соседних молекул, так что непрерывно происходит вынужденное вращение вокруг связей. Поэтому, если растянутую молекулу предоставить самой себе, она немедленно свернулась бы, но приняла бы не прежнюю конфигурацию, а форму с теми же общими размерами, которые молекула имела до растяжения. Таким образом, в естественном состоянии макромолекула бывает скручена в довольно компактный клубок. Это представление подтверждается измерением длины молекул в растворе методом светорассеяния, описанным в главе 2. Однако эти идеальные условия, конечно, никогда не достигаются на практике по многим причинам. [c.108] При снятии растягивающего усилия каучук не возвращается к своей первоначальной форме. [c.109] При погружении же такого образца в теплую воду исходная форма восстанавливается, причем это происходит мгновенно. [c.109] Опыт можно повторить несколько раз с одним и тем же образцом. Если же взять другой образец, например силиконовый каучук, основная цепь которого имеет иной характер (связи —81—О—), то хрупкость при низкой температуре выражается значительно слабее. [c.109] Эти изменения в форме образца каучука сопровождаются тепловыми эффектами, которые важно учитывать в ряде практических применений каучуков, например при эксплуатации шин. [c.109] Прибор для демонстрации влияния темпера-тзфы на напряжение растянутой полоски резины. [c.109] Каучук, применявшийся в описанных выше опытах и приборах, был вулканизованным, т. е. [c.113] Листовой каучук, получаемый коагуляцией каучукового латекса, независимо от того, поступает ли он с каучуковых плантаций или с заводов синтетического каучука, состоит из длинноцепочечных молекул, не связанных поперечными связями. Такой каучук имеет не совсем обычные свойства. Если растянуть полоску такого каучука, скажем, на 600% и дать рассеяться теплоте, выделяющейся при этом, так что температура материала снизится примерно на 20°, то при устранении растягивающего усилия каучуковая полоска не принимает своих первоначальных размеров. Когда растяжение осуществляется вручную, опо происходит несколько неравномерно, рывками, и процесс отчасти напоминает холодную вытяжку пайлоновых волокон. Если растянутую каучуковую полоску нагреть в руке, она быстро возвращается к исходной длине. Подобно найлону каучук может кристаллизоваться, и небольшие кристаллиты могут ориентироваться при таком процессе растяжения. Точка плавления кристаллитов НК лежит примерно при 10°, поэтому описанные явления могли бы вызывать серьезные затруднения при практическом использовании каучука. Правильность объяснения поведения каучука подтверждается изучением его при помощи поляризационного микроскопа, где можно непосредственно наблюдать ориентацию кристаллов. Еще нагляднее это можно продемонстрировать, исследуя растрескивание образца. Для большинства типов каучука маленький надрез, сделанный на образце, очень легко разрастается при растяжении каучука. В случае невулканизованного каучука эффект зависит от того, как сделан надрез. Если он перпендикулярен к направлению растяжения, то трещина разрастается очень медленно если же надрез сделан на краю полоски и надрезанную часть отрывают от основной части полоски, каучук разрывается легко. [c.114] Это объясняется ориентацией молекул — в перво случае мы пытаемся разорвать сами молекулы каучука, что очень трудно, а во втором — молекулы просто отделяются друг от друга. Силы, действующие между молекулами углеводородного каучука, относительно слабы, так что процесс разделения молекул идет гораздо легче, чем в случае найлона. Если растянутьий каучук расплавить, то разница в разрастании трещин при растяжении в различных направлениях исчезнет. [c.115] При введении в каучук тонко раздробленных твердых веществ повышается его сопротивление истиранию. Наилучшие результаты получаются при введении сажи, полученной полным разложением углеводородов (до углерода и водорода) в нагреваемых печах или сжиганием углеводородов в атмосфере с недостатком кислорода, так что сажа, или копоть, образуется в больших количествах. При правильном выборе условий получаются мельчайшие частицы сажи с огромной удельной поверхностью, например 100 ти /г. Однако такая сажа еще не чистый углерод, в ее структуру частично входит водород. Считают, что сажу нельзя рассматривать только как инертный наполнитель, очевидно, молекула каучука все же взаимодействует с ее поверхностью. Такой вулканизованный каучук с наполнителем — сажей представляет собой очень сложную структуру частицы углерода, диспергированные в трехмерной сетке вулканизованного каучука. [c.116] Значительная часть исследовательских работ была посвящена вопросу, каким образом происходит истирание и разрыв резины. Было высказано претоложеипе, что разрушение резины, например шин, начинается с того, что появляется случайный порез, скажем, острым камнем, а затем этот порез при сгибании шины разрастается и, наконец, от нее отрываются небольшие кусочки резины. Присутствие сажи предотвращает образование таких порезов и, разумеется, их разрастание. Одна из задач при изучении разрыва резины состоит в том, чтобы проводить опыты в условиях, близких к реальным, например в автомобильных шинах. Чтобы получить правильное представление об износе, практические испытания необходимо проводить в течение очень длительного времени. Недавно был предложен гораздо более удобный метод поверхность шины делалась радиоактивной на определенную глубину измеряя радиоактивность до и после короткого пробега машины, обутой в такие шины, можно точно определить потери каучука с поверхности шины. Этот метод позволяет изучать самые различные условия, в которых происходит разрыв, так что факторы, вызывающие разрыв, могут быть оценены гораздо более точно, чем это допускали старые методы. [c.117] Обычно каучук считают изолятором, даже если он содержит до 30 вес. % сажи. Однако для некоторых целей желательно, чтобы каучук проводил электрический ток. Этого можно добиться, получая сажу не в виде отдельных частиц, а в виде цепей, состоящих из таких частиц, причем условия распределения углерода выбирают такими, чтобы получить проводящую цепь (рис. 34). Такие цепи в массе каучука, имея точки контакта между собой, обеспечивают электропроводность системы до такой степени, что любые заряды, образующиеся в результате трения, могут довольно быстро стекать . Практическое применение идет в двух различных направлениях. [c.117] НИИ проводящей резины заряды успевают стечь до того, как потенциал достигнет опасного значения. [c.119] Вследствие отклонения свойств каучука от идеальных материал аккумулирует энергию в виде тепла. Если каучук подвергнуть нескольким циклам растяжения и сжатия, то с каждым циклом количество выделяемого тепла будет все больше и больше, а поскольку каучук — довольно плохой проводник тепла, температура его может повыситься настолько, что сопротивление истиранию достигнет низких значений, и такая шина будет очень быстро изнашиваться. Это явление теплообразования имеет особенно важное значение в больших шинах для автобусов и грузовых автомашин. Независимо от того, какой применяется каучук —натуральный или синтетический, теплообразование должно быть снижено до минимума. В этом отношении натуральный каучук благодаря строению составляющих его макромолекул значительно превосходит стандартный синтетический каучук — каучук GR-S (бутадиен-стирольный). Поэтому для изготовления больших шин реко.мендуется применять натуральный каучук. Теплообразование вызывает бесполезный расход энергии, который увеличивает нагрузку на двигатель и ведет к увеличению расхода горючего. Это можно показать на следующем простом примере. Два резиновых шара одинакового диаметра и одного веса, сделанные из разных каучуков (например, из натурального и бутадиенстирольного), катятся по наклонной плоскости с разными скоростями, причем быстрее катится шар из натурального каучука, так как его трение качения меньше, чем у шара из бутадиенстирольного каучука. В то же время если два таких шара нагреть примерно до 100°, то они будут катиться с равными скоростями этот простой опыт показывает, что явление теплообразования очень сильно зависит от температуры. Аналогично шар из натурального каучука подпрыгивает гораздо выше, чем шар из бутадиенстирольного каучука, но опять-таки нагретые до 100° оба шара подпрыгивают одинаково. [c.120] Под действием солнечного света и кислорода воздуха свойства каучука ухудшаются он начинает растрескиваться, прочность и сопротивление истиранию заметно снижаются таким образом, срок эксплуатации каучуковых изделий весьма ограничен. Это объясняется окислением каучука, которое облегчается (промотируется) солнечным светом. В результате процесса окисления длинные цепи атомов разрушаются, причем указанные изменения свойств каучука происходят уже при разрыве небольшого числа связей. Это означает, что при относительно низкой степени окисления уже происходят существенные изменения. Предположим, что в молекуле каучука имеется 10 000 звеньев при разрыве только одной связи размер молекулы уменьшается до 5000 звеньев, а при разрыве 10 связей — до 1000 звеньев, хотя понятно, что определить столь незначительные степени окисления химическими методами невозможно. Влияние окисления более наглядно проявляется в тех существенных изменениях механических свойств, которые оно вызывает. [c.123] Однако, как правило, эти каучуки не обладают другими свойствами, которые очень важны для применения их в шинах. [c.125] Если учесть все эти, а также многие другие требования, становится понятным, что перед технологами стоит очень трудная задача правильного выбора каучука для той или иной цели. Технолог должен также правильно выбрать ингредиенты, вводимые в каучук, чтобы удовлетворить все требования. Несмотря на то, что зависимость между химическим строением и механическими свойствами эластомера в настоящее время подробно изучена, для исследований в этой области остается еще обширное поле деятельности. В этой связи можно упомянуть, что только в последние годы удалось получить химическими методами синтетический каучук, который имеет точно такой же состав и точно такое же строение молекул, как натуральный каучук свойства этого синтетического каучука очень близки к свойствам натурального каучука. [c.125] Каучук добывается из каучукового дерева в виде тонкой суспензии мельчайших шарообразных частиц (диаметром около 10 см) в воде. Эта суспензия и есть каучуковый латекс. Листовой каучук получают из латекса путем его коагуляции добавлением кислоты и солей при этом скоагулиро-вавший каучук отделяется в виде сливок от водной среды. Его промывают, сушат и формуют в листы для дальнейшего применения. Однако каучуковый латекс очень удобен для использования и как таковой из него можно получать множество изделий относительно простыми методами. Например, резиновые воздушные шары изготовляют окунанием модели в концентрированный латекс. Пленке латекса дают высохнуть, при этом частицы каучука слипаются друг с другом. В латекс вводятся вулканизаторы, пигменты и антиокислители. При нагревании пленки вулканизующие агенты вступают в химические реакции с каучуком, образуя поперечные связи между макромолекулами. Аналогично резиновые перчатки изготовляют также окунанием соответствующих моделей в латекс. Однако в этом случае модель необходимо окунать несколько раз, чтобьь получить пленки требуемой толщины. В больших количествах применяются резиновые нити для производства резинки , как ее называют в быту. Такая резинка представляет собой текстильный материал, в который вплетены резиновые нити. Один из методов получения резиновых нитей состоит в том, что из тонкого листа каучука, обмотанного вокруг цилиндра, нарезаются резцом по спирали тонкие полоски — нити требуемой толщины. Другой, более усовершенствованный метод напоминает метод получения синтетических текстильных волокон. Концентрированный латекс подается через узкую стеклянную трубку в ванну, содержащую уксусную кислоту, где и происходит коагуляция латекса. На этой стадии уже образуются нити, хотя и очень непрочные. [c.126] Вернуться к основной статье