Материал: Материалы резинового производства

Материалы резинового производства

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

РОССИЙСКИЙ ЗАОЧНЫЙ ИНСТИТУТ ТЕКСТИЛЬНОЙ И ЛЕГКОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ

Филиал в г. Омске

Контрольные работы № 1, 2

Материалы резинового производства

Выполнила:

Студентка 5 курса ХТФ

Специальность 240502

Шифр 0-302059-С

Гостищева А.В.

Проверила:

Киселёва Е. А.

Омск 2007

Содержание

Контрольная работа №1

*Синтетические изопреновые каучуки. Получение молекулярная структура, фракционный состав и физико-химические свойства. Зависимость свойств от структуры.

* Теоретические основы и методы определения упруго-гистерезисных свойств резин в динамических условиях нагружения

Контрольная работа №1

Синтетические изопреновые каучуки. Получение молекулярная структура, фракционный состав и физико-химические свойства. Зависимость свойств от структуры

изопреновый каучук резина упругий

Полиизопрен приближающийся к натуральному каучуку по молекулярному составу, был получен в пятидесятых годах методом ионно-координационной полимеризации. Начиная с 1964 г., когда было организовано промышленное производство синтетического изопренового каучука, потребление натурального каучука в промышленности СССР быстро уменьшается (в 1979 г. оно составляло всего 8%). Доля стереорегулярных изопренового и бутадиенового каучуков в общем объеме производства каучуков в СССР в 1980 г. составила 51%, и более этого количества приходится на синтетический полиизопрен.

Синтетический полиизопрен превосходит природный (натуральный каучук) по чистоте, его состав не зависит от климатических и погодных условий. В синтетическом полиизопрене отсутствуют некаучуковые вещества (природные белковые соединения и др.), обнаруживаются также отличия в составе мономерных звеньев, молекулярной массе, ММР и разветвленное макромолекул. Чаще всего изопреновые каучуки синтезируют на комплексных (СКИ-3) и литийорганических (СКИ-Л) катализаторах. Получаемые продукты содержат 90-93 и 95-98% звеньев цис-1.4 и соответственно более 6 и 2-3% 3,4-звеньев. Оба вида синтетических полиизопренов по стереорегулярности уступают натуральному каучуку, макромолекулы которого содержат близкое к 100% количество цис-1,4-звеньев, присоединенных почти исключительно по типу «голова к хвосту».

Каучук, полученный на литийорганических катализаторах, отличается высокой молекулярной массой (08*106-3*106) и узким ММР (1,05-1,15). Для каучука, полученного на комплексных катализаторах (типа Циглера - Натта), характерна меньшая моле кулярная масса (0,35* 106 -1,3- 106 ) и более широкое ММР (1.4- 1,6). Каучук СКИ-3 содержит 15-40% гель-фракции.

Указанные особенности являются причиной некоторого различия в физических и технологических свойствах синтетического и натурального полиизопренов.

Стереорегулярный изопреновый каучук кристаллизуется при растяжении или понижении температуры, обладает низкой температурой хрупкости (около -70 °С), а вулканизаты его - низкой температурой стеклования (около -58°С). Наличие звеньев 1,2-и 3,4- затрудняет его кристаллизацию. Так, если СКИ-3 при -26 °С все же кристаллизуется при хранении с небольшой скоростью (в течение 140 ч), то изопреновые каучуки, полученные на литийорганическом катализаторе, вообще кристаллизуются только при растяжении. При этом кристаллическая фаза СКИ-Л возникает при значительно большем удлинении, чем для натурального каучука. Температура плавления кристаллитов как натурального, так и синтетического цис-1,4-полиизопренов составляет около 25 °С. Содержание кристаллической фазы в растянутом вулканизате натурального каучука достигает 40%, а синтетического изопренового не превышает 25%. Возможно, меньшая склонность к кристаллизации синтетических полиизопренов (по сравнению с натуральным каучуком) обусловлена не только меньшей регулярностью их строения, но и тем, что в натуральном каучуке содержатся некаучуковые вещества, являющиеся зародышами кристаллизации.

По химической активности синтетический цис-1,4-полиизопрен аналогичен натуральному каучуку. Из СКИ-3, в частности, полу чают хлоркаучук и циклокаучук с такими же свойствами, как и из натурального каучука.

Стереорегулярный цис-1,4-изопреновый каучук, приближающийся по строению и свойствам к натуральному, выпускается как каучук общего назначения (в СССР это главным образом СКИ-3 и его разновидности) для изготовления широкого ассортимента резиновых изделий.

Для резиновых смесей на основе синтетического полиизопрена характерна пониженная когезионная прочность, что затрудняет сборку многослойных резиновых изделий и препятствует полной замене натурального полиизопрена на синтетический. Это объясняют пониженной скоростью кристаллизации синтетического полиизопрена, а также отсутствием в макромолекулах последнего полярных функциональных групп, имеющихся в молекулах натурального, каучука.

Для повышения прочности резиновых смесей на основе синтетического полиизопрена предложено большое число методов модификации каучука в процессе его получения и при изготовлении резиновых смесей. В настоящее время организован промышленный выпуск когезионнопрочного каучука СКИ-3-01, представляющего собой серийный каучук СКИ-3, в молекулы которого введены полярные функциональные группы.

. Теоретические основы и методы определения упруго-гистерезисных свойств резин в динамических условиях нагружения

При эксплуатации таких изделий, как амортизаторы, шины, приводные ремни, транспортерные ленты и др., резина подвергается знакопеременным деформациям, амплитуда которых значительно меньше, чем удлинение резин при разрыве. Для оценки поведения резин в таких условиях недостаточно прочностных и усталостных характеристик.

Выбор резин с оптимальными свойствами применительно к конкретным особенностям динамического режима, реализуемого при эксплуатации того или иного изделия, должен базироваться на знании комплекса показателей, характеризующих:

) взаимосвязь между напряжением и деформацией при циклическом нагружении (упруго-гистерезисные свойства);

) взаимосвязь между динамическими напряжениями и выносливостью резин, т.е. числом циклов нагружения, которое может выдержать образец данного материала, не разрушаясь (усталостно-прочностные свойства).

УПРУГО-ГИСТЕРЕЗИСНЫЕ СВОЙСТВА

Простейшим видом нагружения, который реализуется на практике и используется в большинстве приборов для определения динамических свойств, является гармонический синусоидальный режим.

При симметричном цикле могут быть реализованы три режима: за данной амплитуды деформации (ε0 = const), заданной амплитуды напряжения (f = const) и заданной энергии цикла динамического нагружения (W0 = const). Для характеристики симметричного цикла достаточно указать частоту и амплитуду гармонически изменяющегося напряжения или деформации.

Для характеристики несимметричного цикла наряду с частотой и амплитудой переменной составляющей следует указать заданное значение средней статической составляющей напряжения (f) либо деформации (έ)

В случае несимметричного цикла следует различать режимы, в которых задано:

1)         среднее έ и амплитудное ε0 значения деформаций;

)           среднее f и амплитудное f 0 значения напряжений;

)           среднее f значение напряжения и амплитудное ε0 значение деформации

)           среднее έ значение деформации и амплитудное f0 значение напряжения.

Выбор режима испытания зависит в первую очередь от вязкоупругих свойств резины.

При гармоническом синусоидальном режиме нагружения напряжение изменяется во времени по закону

= f0 sinω t                                                                             (.1)

гдеf - амплитудное значение напряжения; t - время; ω - круговая частота, связанная с периодом колебания нагрузки соотношением

В связи с релаксационной природой эластичности резин деформация, соответствующая данному напряжению, развивается не сразу, а через какое-то время. Деформация сдвинута по фазе от напряжения. Ее изменение во времени описывается уравнением

ε = ε0 sin ( ωt - φ ),                                                      (.2)

где ε0 - амплитудное значение деформации; φ- угол сдвига фаз. Для количественной оценки упруго-гистерезисных свойств используют следующие показатели.

Динамический модуль Е, представляющий собой отношение амплитуды напряжения к амплитуде деформации (Е=f0/ε0 ), характеризующий динамическую упругость резины.

Угол сдвига фаз , его также называют углом потерь (sinφ = Е"/Е; tg φ = Е"/Е') (см. рис.1).

Следствием сдвига фаз между напряжением и деформацией является динамический гистерезис q, приводящий к механическим потерям и теплообразованию при циклическом нагружении. Механические потери пропорциональны углу сдвига фаз

 = π f0ε0sinφ                                                (3)

Наибольший интерес представляет комплексный динамический модуль, применение которого основывается на широко распространенном методе описания колебательных процессов с помощью комплексных чисел.

Физической основой метода комплексных параметров является разложение периодической функции, описывающей циклическое нагружение, на две составляющие: одну - совпадающую по фазе с функцией деформации, другую - сдвинутую относительно нее на угол π/2. Вещественная Е' и мнимая Е" составляющие комплексного динамического модуля Е есть коэффициенты пропорциональности между соответствующими амплитудными значениями напряжения и деформации (рис.1). Динамический модуль или коэффициент пропорциональности между амплитудой напряжения и амплитудой деформации (сдвинутой относительно напряжения на уголφ) выражается через компоненты комплексного модуля соотношением

Е* = Е' +iЕ" = Еcosφ + E"sinφ ,                  (4)

где

или на основании известной формулы Эйлера

Е* = Ееiφ ,                                                    (5.)

где Е = |Е*| = (Е')2 + (Е")2 .

Если в формулу q = π f0ε0sinφ подставить значение sinφ= Е"/Е и учесть, чтоf0 = Еε0, то получим q = 2π Е"ε20, откуда следует, что мнимая составляющая комплексного динамического модуля характеризует способность резины к рассеянию упругой энергии при циклической деформации, т.е. внутреннее трение. Поэтому часто мнимая составляющая комплексного динамического модуля называется модулем потерь.

Таким образом, метод комплексного модуля позволяет характеризовать упруго-гистерезисные свойства двумя независимыми показателями Е' и Е", один из которых Е' (модуль накопления) характеризует только упругость, другой Е" (модуль потерь) - только внутреннее трение.

Графическая связь между напряжением f и деформацией ε при гармоническом режиме изобразится замкнутой эллиптической петлей, площадь которой пропорциональна механическим потерям цикла и поэтому носит название гистерезисной петли или петли гистерезиса (рис.2).

При негармоническом режиме нагружения для характеристики упруго-гистерезисных свойств используются дополнительные показатели: относительный гистерезис Г и модуль внутреннего трения К.

Относительный гистерезис есть отношение механических потерь к полной энергии цикла W

Г=q/W=2q/Eε20.                                          (6)

К = 2q/ε0 .                                                    (7)

Между всеми этими характеристиками существуют простые соотношения.

Влияние условий погружения на упруго-гистерезисные свойства

Для резины, как и для всех полимерных материалов, характерна зависимость деформационных свойств от температуры и временного режима нагружения.

При повышении температуры динамический модуль уменьшается, относительный гистерезис и tgφ изменяются по кривой с максимумом (рис.3).

Повышение скорости деформирования (частоты деформации) приводит к увеличению динамического модуля (рис 4), причем при изменении температуры происходит смещение кривых Е - lgω вдоль оси частот при сохранении подобия формы кривых.

= C1 (T-Ts)                                                  (8)