Материалы для производства современных шин. Из чего делают автомобильную резину

В автомагазинах можно найти самые разные шины. И перед тем, как выбрать одну из таких шин для автомобиля давайте узнаем из чего же они сделаны. Эта информация будет полезна для всех автолюбителей. Зная, из чего была изготовлена шина, сделать правильный выбор будет намного легче.

Несмотря на то, что методы изготовления резинотехнической смеси для изготовления тех или других марок шин держатся в строгом секрете, главные компоненты состава известны. Нет никакого смысла делать из этого какую-то тайну. Изменения основы состава достигаются обычно за счёт добавления целого ряда компонентов, которые выполняют различные функции. В основном же, метод приготовления смеси за несколько десятков лет практически никак не изменился. Однако даже в начальном варианте рецепта, количество составляющих может достигать 20. Согласитесь, что это не так уж и мало. Поэтому, мы с вами остановимся только на самых важных из них.

Материал для изготоления шин

Совершенно ясно, что основным материалом для шины является резина. Однако резина бывает разной. Она вполне может изготавливаться как из искусственного, так и из натурального каучука. Чаще всего встречаются шины, которые изготовлены из искусственного каучука , так как он достаточно прост в разработке, намного дешевле, а по качеству практически ничем не уступает натуральному.

Проверка качества шины из каучука

Нужно всего лишь попробовать оторвать один из усиков на шине и если резина достаточно качественная, вам этого сделать не удастся. Существует ещё один способ определения качества применяемой для шины резины: нужно резко провести по шине пальцем, и если после этого действия у вас на пальце останется след, это будет означать, что шина некачественная, производитель применил множество разнообразных химических компонентов.

Важно! Второй по своим количественным показателям элемент состава материала для шин - это углерод технический или просто сажа. Он составляет около 30% всего состава.

Для чего нужен углерод

По сути, это скрепляющий на молекулярном уровне компонент смеси, действует который на молекулярном уровне. Если бы углерод не использовался, шины для автомобилей были бы очень недолговечными, отличались бы невысокой прочностью и быстрым износом. Сегодня вместо технического углерода нередко применяется сера. Однако выбор того или другого элемента - это, скорее, вопрос «религии» и экономических соображений. С точки зрения технологии разница получается очень небольшая.

Кремниевая кислота, как альтернатива

Она применяется в качестве заменителя сажи по той простой причине, что последняя всё время дорожает. Однако такое решение вызывает определённые сомнения у профессионалов, и связаны эти сомнения с тем, что кремниевая кислота, обладая более низкой прочностью, имеет более высокую способность к сцеплению с мокрой поверхностью дороги. Другими словами, потеряв износостойкость, мы приобрели улучшенное сцепление. Между прочим, вулканизация подобных автомобильных шин происходит с помощью перекисей, и при эксплуатации такие покрышки наносят меньше вреда окружающей среде.

Добавками для приготовления компаундов в большинстве случаев являются различные смолы и масла. Они выполняют смягчающую функцию, что немало значит при производстве зимней резины. Помимо этого, отметим оксид цинка и прочие ускорители вулканизации, наполнители «экологического» плана, которые позволяют сделать меньше коэффициент сопротивления качению, а также достичь увеличения топливной смеси.

Нужно отметить то, что сам по себе факт наличия в резине кремниевой кислоты, кукурузы, крахмала и прочих модных добавок, на которых по большей части и делается реклама, ещё ни о чём не говорит. Важно изобрести, а затем соблюсти рецепт, который бы с использованием данных компонентов обеспечил бы лучшие характеристики шины для автомобилей. А получается это далеко не у всех производителей. По этой причине доверять следует тестам и реальным отзывам потребителей, а также мнению настоящих профессионалов, которые обязательно порекомендуют самый подходящий вариант покрышек на любой бюджет и при любых условиях эксплуатации.

Подведя итог, можно сказать, что все автомобильные шины делаются из резины или других материалов, однако с обязательным добавлением каучука. У каждого из производителей существует свой оптимальный химический состав для автомобильной шины, который определяет их различные характеристики. Одни производители уделяют внимание большому сроку службы, другие - скоростным характеристикам, а третьи и вовсе поведению шины на скользком дорожном покрытии. Именно такие характеристики влияют на цену и качество шины для автомобилей.

Эластичные материалы знакомы человеку с давних времен. Они тогда применялись преимущественно в бытовых целях. Сегодня без резины и каучука трудно представить развитие промышленности, транспорта и строительства и связи, повседневную жизнь людей.

Что появилось раньше

Еще до того, как Америку открыли европейцы, индейцы, жившие там, пользовались каучуком. Его получали из сока тропической гевеи . Высушенный сок коптили, получая непромокаемый и упругий материал. Он шел на изготовление емкостей для воды, игрушек, предметов культа. Из него делали примитивную обувь и одежду.

В середине XVIII века каучук путешественники привезли в Европу. Однако долго не могли найти способ его применения. За исключением стирающих карандаш ластиков. Считалось, что из-за его высыхания и затвердевания он не имеет перспектив практического применения. В следующем веке появились непромокаемые ткани, сумки и галоши, которые твердели в холодную погоду и становились мягкими в тепле.

Через сотню лет после появления каучука в Старом Свете был придуман способ, позволивший сделать эластичность этого материала устойчивой. Он получил название вулканизации . Его суть в смешивании сырого каучука с серой и дальнейшим разогревом этой смеси. Получившийся продукт стали называть резиной. Она начала широко использоваться в качестве уплотнителя и электроизолятора. В начале ХХ века в связи с ростом потребности в резине была решена проблема производства синтетических каучуков в промышленно развитых странах.

Куда идет латекс

Натуральный каучук добывают из каучуконосных деревьев , которые растут в тропических лесах или на специальных плантациях. Такое дерево начинает давать сок через семь лет. Для этого на нем ножом делается спиралевидное углубление, по которому в емкость попадает вытекающий сок белого цвета, называемый латексом. Спустя несколько часов набирается примерно полторы сотни граммов. После загустевания и высыхания образуются комочки натурального каучука. Такую процедуру можно проводить раз в два дня.

Всего в мире натуральный каучук достигает 40% в общем производстве и потреблении всех видов каучуков. Это примерно 9 млн. тонн .

Необработанный каучук растворяется в бензине, образуя каучуковый клей, и других органических растворителях. После вулканизации он только набухает, а не растворяется.

Кроме бензина он растворяется в бензоле, хлороформе, сероуглероде и других углеводородах. Он практически не растворяется и не набухает в спирте, воде и ацетоне.

Свыше половины натурального каучука идет на производство автошин. В странах Юго-Восточной Азии (Вьетнам, Индонезия, Малайзия и Таиланд) организовано крупномасштабное его производство.

Как делают резину

Оба эластичных материала неразрывно связаны. Резину получают из натурального или синтетического каучука в результате вулканизации. Добавляется наполнитель, которым чаще всего является сажа. Нагретый до 130-160 градусов каучук начинает взаимодействовать с серой. Во время этого технологического процесса молекулы каучука сшиваются в единую сетку с помощью атомов серы. Это резко повышает его эластичность и твердость, прочностные качества. Регулируется набухаемость и растворимость органическими растворителями.

Помимо серы для вулканизации применяются оксиды металлов, соединения аминного типа, убыстряющие процесс катализаторы, и другие химические компоненты. Они обеспечивают нужную пластичность, свойства против старения и другие эксплуатационные качества. В результате каучук превращается в резину. В зависимости от содержания серы образуется материал разной степени упругости. Самой мягкой получается резина с минимальным содержанием серы, а самой твердой та, в которой она составляет треть и более.

При изготовлении резины ей задаются определенные качества для производства изделий из нее:

• Кислотостойкость.
• устойчивость в агрессивных средах.
• Маслобензостойкость.
• устойчивость против высоких и низких температур.
• Озоностойкость.
• Электропроводимость и пр.

Резина широко применяется для изготовления шин для транспортных средств, различных шлангов и уплотнителей, лент транспортеров, бытовых, гигиенических и медицинских товаров.

В чем сходство и разница

Резина и каучук схожи, прежде всего, своей эластичностью и тем, что они могут перерабатываться. Их отличия существеннее.

Сырой каучук:

1. Не пригоден для промышленного производства. В мире применяют не более 1% добываемого натурального каучука. В основном в виде резинового клея.
2. У него низкая прочность, и высокая липучесть, которая сильно проявляется при высокой температуре. На морозе он твердеет и ломается. Полезные качества он приобретает только после вулканизации.
3. При комнатной температуре начинается его старение, следствием которого становится потеря прочности и эластичности.
4. Когда температура поднимается до 200 градусов, он разлагается с образованием низкомолекулярных углеводородов.
5. Растворяется органическими растворителями типа бензина.
6. Служит сырьем для производства резины.

Резина, полученная в результате вулканизации каучуков, служит для массового производства многих тысяч наименований различных изделий.

Из нее изготавливают:

1. Шины для транспортных средств и авиационной техники.
2. Разнообразные уплотнители, применяемые в промышленности и строительстве, различных видах техники.
3. Электроизоляционные материалы.
4. Приводные ремни, рукава для подачи жидкостей.
5. Напольные покрытия и изолирующие пластины.
6. Резиновую обувь и водоустойчивую одежду.
7. Средства защиты от химического, радиационного и бактериологического воздействия (костюмы, перчатки, сапоги и пр.).
8. Изделия медицинской техники и гигиены.
9. Фурнитуру для одежды и пр.

Многие автовладельцы имеют общее представление о строении автомобильных шин, но о том, как делают шины, мало кто сможет рассказать. Наиболее распространено представление, что резина заливается в некую форму, из которой затем выпрессовывается готовое изделие.

На самом деле это не так, а изготовление автомобильных шин – это сложный высокотехнологичный процесс, для которого необходимо наличие сложного специализированного оборудования, тщательного автоматизированного контроля и участие специалистов высокой квалификации.

Немного истории

Первая резиновая шина была создана в далеком 1846 году Робертом Вильямом Томсоном. На тот момент его изобретением никто не заинтересовался, и повторно к идее пневматической шины вернулись лишь через 40 лет, когда в 1887 году шотландец Джон Данлоп придумал сделать из поливального шланга обручи, надеть их на колеса велосипеда своего сына и накачать их воздухом.

Спустя три года Чарльз Кингстон Уэлтч предложил разделить камеру и покрышку, вставить в края покрышки кольца из проволоки и посадить их на обод, который затем получил углубление к центру. В то же время были предложены рациональные способы монтажа и демонтажа шин, что позволило применять резиновые покрышки на автомобилях.

Процесс производства шин

Из чего делают

Основной материал, который применяется при производстве шин, резина, изготовленная на основе натурального или искусственного каучука. В зависимости от того, в каких пропорциях и какой каучук добавляется, в конечном итоге получаются летние или зимние автомобильные покрышки.

Так, в резиновую смесь для летних шин добавляется преимущественно искусственный каучук, поэтому резина получается более жесткой, устойчивой к износу, она не «плывет» при высокой температуре и обеспечивает надежное сцепление с дорожным полотном. Чтобы изготовить зимние покрышки, добавляют натуральный каучук, который делает резину более мягкой и эластичной. Благодаря этому зимние шины не «дубеют» даже при очень сильных морозах.

• Помимо каучука в резиновую смесь добавляют множество других компонентов, таких как пластификаторы, наполнители, сажа, вулканизирующие добавки.
• Шина состоит из нескольких элементов, объединенных в одно целое: каркаса или корда, слоев брекера, протектора, борта и боковой части.

Как делают каркас

Корд будущей покрышки делают из металлических, текстильных или полимерных нитей на специальном станке – «шпулярнике». От множества катушек проволока нити сходятся в одном месте. В общих чертах конструкция напоминает ткацкий станок. Далее сплетенный корд попадает в экструдер, где происходит его обрезинивание.

Готовый каркас впоследствии раскраивается на полосы разной ширины, для производства шин разной размерности. И сматывается в катушки для хранения и транспортировки. Поскольку невулканизированная резина очень липкая, во избежание порчи каркаса между слоями вставляются прокладки.

Как делают протектор

Следующий этап производства – создание протектора. Лента обрезиненного корда заправляется в станок, который методом экструзии превращает ее в протектор. Чтобы работники могли визуально быстро определить размерность будущей покрышки, на протектор краской делают цветные линии.

Боковая часть

Борт покрышки состоит из бортового кольца и слоя вязкой воздухонепроницаемой резины. Производство бортов шин начинается с того, что металлическая проволока обрезинивается, после чего закручивается под требуемый радиус колесного диска и нарезается кругами. После этого на станке осуществляется сборка. Подробнее этот процесс можно посмотреть на видео.

Сборка

Предпоследний этап – сборка готовой покрышки. Осуществляется она на станке, на который поступают все готовые элементы. Обслуживают станок два работника: сборщик и перезарядчик.

Первый навешивает бортовые кольца, а второй вставляет катушки с компонентами. После этого станок все делает автоматически: соединяет части воедино и раздувает заготовку воздухом под протектор с брекером. Почти готовую шину взвешивают и осматривают на предмет наличия дефектов. Этот процесс также можно посмотреть на видео.

Вулканизация

Последний этап производства – вулканизация. Шина обрабатывается горячим паром под давлением 15 бар и при температуре порядка 200 градусов по Цельсию. В результате каучук, сажа и всевозможные присадки спекаются, а на поверхности покрышки при помощи пресс-форм наносится рисунок протектора и надписи. Готовые шины проверяются на соответствие всем требуемым характеристикам.

КАУЧУК И РЕЗИНА
Каучук - вещество, получаемое из каучуконосных растений, растущих главным образом в тропиках и содержащих млечную жидкость (латекс) в корнях, стволе, ветвях, листьях или плодах либо под корой. Резина - продукт вулканизации композиций на основе каучука. Латекс не является соком растения, и его роль в жизнедеятельности растения до конца не выяснена. Латекс содержит частицы, выделяемые путем коагуляции в виде сплошной упругой массы, называемой сырым, или необработанным, каучуком.
ИСТОЧНИКИ НАТУРАЛЬНОГО КАУЧУКА
Сырой натуральный каучук бывает двух видов:
1) дикий каучук, добываемый из произрастающих в естественных условиях деревьев, кустов и лозы;
2) плантационный каучук, добываемый из возделываемых человеком деревьев и других растений. В течение 19 в. вся масса сырого каучука промышленного применения представляла собой дикий каучук, добывавшийся подсочкой гевеи бразильской в экваториальных тропических лесах Латинской Америки, из деревьев и лозы в экваториальной Африке, на Малаккском полуострове и Зондских островах.

СВОЙСТВА КАУЧУКА
Сырой каучук, предназначенный для последующего промышленного применения, является плотным аморфным эластическим материалом с удельной массой 0,91-0,92 г/см3 и показателем преломления 1,5191. Его состав неодинаков для различных латексов и методов приготовления на плантации. Результаты типичного анализа представлены в таблице.
Углеводород каучука - это полиизопрен, углеводородное полимерное химическое соединение, имеющее общую формулу (C5H8)n. Как именно в дереве синтезируется углеводород каучука, неизвестно. Невулканизованный каучук становится мягким и липким в теплую погоду и хрупким - в холодную. При нагреве выше 180° С в отсутствие воздуха каучук разлагается и выделяет изопрен. Каучук относится к классу ненасыщенных органических соединений, которые проявляют значительную химическую активность при взаимодействии с другими реакционноспособными веществами. Так, он реагирует с хлороводородной кислотой с образованием гидрохлорида каучука, а также с хлором по механизмам присоединения и замещения с образованием хлорированного каучука. Атмосферный кислород действует на каучук медленно, делая его жестким и хрупким; озон делает то же самое быстрее. Сильные окислители, например азотная кислота, перманганат калия и перекись водорода, окисляют каучук. Он устойчив к действию щелочей и умеренно сильных кислот. Каучук реагирует также с водородом, серой, серной кислотой, сульфоновыми кислотами, окислами азота и многими другими реакционноспособными соединениями, образуя производные, часть из которых имеет промышленное применение. Каучук не растворяется в воде, спирте или ацетоне, однако набухает и растворяется в бензоле, толуоле, бензине, сероуглероде, скипидаре, хлороформе, четыреххлористом углероде и других галогенсодержащих растворителях, образуя вязкую массу, применяемую в качестве клея. Углеводород каучука присутствует в латексе в виде суспензии мельчайших частиц, размер которых составляет от 0,1 до 0,5 мкм. Самые крупные частицы видны через ультрамикроскоп; они находятся в состоянии непрерывного движения, которое может служить иллюстрацией явления, называемого броуновским движением. Каждая каучуковая частица несет отрицательный заряд. Если через латекс пропускать ток, то такие частицы будут двигаться к положительному электроду (аноду) и осаждаться на нем. Это явление используется в промышленности для нанесения покрытий на металлические предметы. На поверхности каучуковых частиц присутствуют адсорбированные белки, которые препятствуют сближению латексных частиц и их коагуляции. Заменяя вещество, адсорбированное на поверхности частицы, можно изменить знак ее заряда, и тогда каучуковые частицы будут осаждаться на катоде. Каучук обладает двумя важными свойствами, которые обусловливают его промышленное применение. В вулканизованном состоянии он упруг и после растяжения принимает первоначальную форму; в невулканизованном состоянии он пластичен, т.е. течет под воздействием тепла или давления. Одно свойство каучуков уникально: при растяжении они нагреваются, а при сжатии - охлаждаются. Наоборот, при нагревании каучук сжимается, а при охлаждении - расширяется, демонстрируя явление, называемое эффектом Джоуля. При растяжении на несколько сот процентов молекулы каучука ориентируются до такой степени, что его волокна дают рентгенограмму, свойственную кристаллу. Молекулы каучука, добытого из гевеи, имеют цис-конфигурацию, а молекулы балаты и гуттаперчи - транс-конфигурацию. Будучи плохим проводником электричества, каучук используется и как электрический изолятор.
ОБРАБОТКА КАУЧУКА И ПРОИЗВОДСТВО РЕЗИНЫ
Пластикация. Одно из важнейших свойств каучука - пластичность - используется в производстве резиновых изделий. Чтобы смешать каучук с другими ингредиентами резиновой смеси, его нужно сначала умягчить, или пластицировать, путем механической или термической обработки. Этот процесс называется пластикацией каучука. Открытие Т.Хэнкоком в 1820 возможности пластикации каучука имело огромное значение для резиновой промышленности. Его пластикатор состоял из шипованного ротора, вращающегося в шипованном полом цилиндре; это устройство имело ручной привод. В современной резиновой промышленности используются три типа подобных машин до ввода других компонентов резиновой смеси в каучук. Это - каучукотерка, смеситель Бенбери и пластикатор Гордона. Использование грануляторов - машин, которые разрезают каучук на маленькие гранулы или пластинки одинаковых размеров и формы, - облегчает операции по дозировке и управлению процессом обработки каучука. каучук подается в гранулятор по выходе из пластикатора. Получающиеся гранулы смешиваются с углеродной сажей и маслами в смесителе Бенбери, образуя маточную смесь, которая также гранулируется. После обработки в смесителе Бенбери производится смешивание с вулканизующими веществами, серой и ускорителями вулканизации.
Приготовление резиновой смеси. Химическое соединение только из каучука и серы имело бы ограниченное практическое применение. Чтобы улучшить физические свойства каучука и сделать его более пригодным для эксплуатации в различных применениях, необходимо модифицировать его свойства путем добавления других веществ. Все вещества, смешиваемые с каучуком перед вулканизацией, включая серу, называются ингредиентами резиновой смеси. Они вызывают как химические, так и физические изменения в каучуке. Их назначение - модифицировать твердость, прочность и ударную вязкость и увеличить стойкость к истиранию, маслам, кислороду, химическим растворителям, теплу и растрескиванию. Для изготовления резин разных применений используются различные составы.
Ускорители и активаторы. Некоторые химически активные вещества, называемые ускорителями, при использовании вместе с серой уменьшают время вулканизации и улучшают физические свойства каучука. Примерами неорганических ускорителей являются свинцовые белила, свинцовый глет (монооксид свинца), известь и магнезия (оксид магния). Органические ускорители гораздо более активны и являются важной частью почти любой резиновой смеси. Они вводятся в смесь в относительно малой доле: обычно бывает достаточно от 0,5 до 1,0 части на 100 частей каучука. Большинство ускорителей полностью проявляет свою эффективность в присутствии активаторов, таких, как окись цинка, а для некоторых требуется органическая кислота, например стеариновая. Поэтому современные рецептуры резиновых смесей обычно включают окись цинка и стеариновую кислоту.
Мягчители и пластификаторы. Мягчители и пластификаторы обычно используются для сокращения времени приготовления резиновой смеси и понижения температуры процесса. Они также способствуют диспергированию ингредиентов смеси, вызывая набухание или растворение каучука. Типичными мягчителями являются парафиновое и растительные масла, воски, олеиновая и стеариновая кислоты, хвойная смола, каменноугольная смола и канифоль.
Упрочняющие наполнители. Некоторые вещества усиливают каучук, придавая ему прочность и сопротивляемость износу. Они называются упрочняющими наполнителями. Углеродная (газовая) сажа в тонко измельченной форме - наиболее распространенный упрочняющий наполнитель; она относительно дешева и является одним из самых эффективных веществ такого рода. Протекторная резина автомобильной шины содержит приблизительно 45 частей углеродной сажи на 100 частей каучука. Другими широко используемыми упрочняющими наполнителями являются окись цинка, карбонат магния, кремнезем, карбонат кальция и некоторые глины, однако все они менее эффективны, чем газовая сажа.
Наполнители. На заре каучуковой промышленности еще до появления автомобиля некоторые вещества добавлялись к каучуку для удешевления получаемых из него продуктов. Упрочнение еще не имело большого значения, и такие вещества просто служили для увеличения объема и массы резины. Их называют наполнителями или инертными ингредиентами резиновой смеси. Распространенными наполнителями являются бариты, мел, некоторые глины и диатомит.
Антиоксиданты. Использование антиоксидантов для сохранения нужных свойств резиновых изделий в процессе их старения и эксплуатации началось после Второй мировой войны. Как и ускорители вулканизации, антиоксиданты - сложные органические соединения, которые при концентрации 1-2 части на 100 частей каучука препятствуют росту жесткости и хрупкости резины. Воздействие воздуха, озона, тепла и света - основная причина старения резины. Некоторые антиоксиданты также защищают резину от повреждения при изгибе и нагреве.
Пигменты. Упрочняющие и инертные наполнители и другие ингредиенты резиновой смеси часто называют пигментами, хотя используются и настоящие пигменты, которые придают цвет резиновым изделиям. Оксиды цинка и титана, сульфид цинка и литопон применяются в качестве белых пигментов. Желтый крон, железоокисный пигмент, сульфид сурьмы, ультрамарин и ламповая сажа используются для придания изделиям различных цветовых оттенков.
Каландрование. После того как сырой каучук пластицирован и смешан с ингредиентами резиновой смеси, он подвергается дальнейшей обработке перед вулканизацией, чтобы придать ему форму конечного изделия. Тип обработки зависит от области применения резинового изделия. На этой стадии процесса широко используются каландрование и экструзия. Каландры представляют собой машины, предназначенные для раскатки резиновой смеси в листы или промазки ею тканей. Стандартный каландр обычно состоит из трех горизонтальных валов, расположенных один над другим, хотя для некоторых видов работ используются четырехвальные и пятивальные каландры. Полые каландровые валы имеют длину до 2,5 м и диаметр до 0,8 м. К валам подводятся пар и холодная вода, чтобы контролировать температуру, выбор и поддержание которой имеют решающее значение для получения качественного изделия с постоянной толщиной и гладкой поверхностью. Соседние валы вращаются в противоположных направлениях, причем частота вращения каждого вала и расстояние между валами точно контролируются. На каландре выполняются нанесение покрытия на ткани, промазка тканей и раскатка резиновой смеси в листы.
Экструзия. Экструдер применяется для формования труб, шлангов, протекторов шин, камер пневматических шин, уплотнительных прокладок для автомобилей и других изделий. Он состоит из стального цилиндрического корпуса, снабженного рубашкой для нагрева или охлаждения. Плотно прилегающий к корпусу шнек подает невулканизованную резиновую смесь, предварительно нагретую на вальцах, через корпус к головке, в которую вставляется сменный формующий инструмент, определяющий форму получаемого изделия. Выходящее из головки изделие обычно охлаждается струей воды. Камеры пневматических шин выходят из экструдера в виде непрерывной трубки, которая потом разрезается на части нужной длины. Многие изделия, например уплотнительные прокладки и небольшие трубки, выходят из экструдера в окончательной форме, а потом вулканизуются. Другие изделия, например протекторы шин, выходят из экструдера в виде прямых заготовок, которые впоследствии накладываются на корпус шины и привулканизовываются к нему, меняя свою первоначальную форму.
Вулканизация. Далее необходимо вулканизовать заготовку, чтобы получить готовое изделие, пригодное к эксплуатации. Вулканизация проводится несколькими способами. Многим изделиям придается окончательная форма только на стадии вулканизации, когда заключенная в металлические формы резиновая смесь подвергается воздействию температуры и давления. Автомобильные шины после сборки на барабане формуются до нужного размера и затем вулканизуются в рифленых стальных формах. Формы устанавливаются одна на другую в вертикальном вулканизационном автоклаве, и в замкнутый нагреватель запускается пар. В невулканизованную заготовку шины вставляется пневмомешок той же формы, что и камера шины. По гибким медным трубкам в него запускаются воздух, пар, горячая вода по отдельности или в сочетании друг с другом; эти служащие для передачи давления текучие среды раздвигают каркас шины, заставляя каучук втекать в фасонные углубления формы. В современной практике технологи стремятся к увеличению числа шин, вулканизуемых в отдельных вулканизаторах, называемых пресс-формами. Эти литые пресс-формы имеют полые стенки, обеспечивающие внутреннюю циркуляцию пара, горячей воды и воздуха, которые подводят тепло к заготовке. В заданное время пресс-формы автоматически открываются. Были разработаны автоматизированные вулканизационные прессы, которые вставляют в заготовку шины варочную камеру, вулканизуют шину и удаляют варочную камеру из готовой шины. Варочная камера является составной частью вулканизационного пресса. Камеры шин вулканизуются в сходных пресс-формах, имеющих гладкую поверхность. Среднее время вулканизации одной камеры составляет около 7 мин при 155° С. При меньших температурах время вулканизации возрастает. Многие изделия меньшего размера вулканизуются в металлических пресс-формах, которые размещаются между параллельными плитами гидравлического пресса. Плиты пресса внутри полые, чтобы обеспечить доступ пара для нагрева без непосредственного контакта с изделием. Изделие получает тепло только через металлическую пресс-форму. Многие изделия вулканизуются нагревом в воздухе или углекислом газе. Прорезиненная ткань, одежда, плащи и резиновая обувь вулканизуются таким способом. Процесс обычно проводится в больших горизонтальных вулканизаторах с паровой рубашкой. Резиновые смеси, вулканизуемые сухим теплом, обычно содержат меньшую добавку серы, чтобы исключить выход части серы на поверхность изделия. Для уменьшения времени вулканизации, которое, как правило, больше, чем при вулканизации открытым паром или под прессом, используются вещества-ускорители. Некоторые резиновые изделия вулканизуются погружением в горячую воду под давлением. Листовой каучук наматывается между слоями муслина на барабан и вулканизуется в горячей воде под давлением. Резиновые груши, шланги, изоляция для проводов вулканизуются в открытом паре. Вулканизаторы обычно представляют собой горизонтальные цилиндры с плотно подогнанными крышками. Пожарные шланги вулканизуются паром с внутренней стороны и таким образом играют роль собственных вулканизаторов. Каучуковый шланг втягивается вовнутрь плетеного хлопчатобумажного шланга, к ним прикрепляются соединительные фланцы и внутрь заготовки на заданное время под давлением нагнетается пар. Вулканизация без подвода тепла может проводиться с помощью хлористой серы S2Cl2 путем либо погружения в раствор, либо воздействия паров. Только тонкие листы или такие изделия, как фартуки, купальные шапочки, напальчники или хирургические перчатки, вулканизуются таким способом, поскольку реакция протекает быстро, а раствор при этом не проникает глубоко в заготовку. Дополнительная обработка аммиаком необходима для удаления кислоты, образующейся в процессе вулканизации.
ТВЕРДАЯ РЕЗИНА
Изделия из твердой резины отличаются от изделий из мягкой резины главным образом количеством серы, используемой при вулканизации. Когда количество серы в резиновой смеси превышает 5%, в результате вулканизации получается твердая резина. Резиновая смесь может содержать до 47 частей серы на 100 частей каучука; при этом получается твердый и жесткий продукт, называемый эбонитом, поскольку похож на эбеновое (черное) дерево. Изделия из твердой резины обладают хорошими диэлектрическими свойствами и используются в электротехнической промышленности в качестве изоляторов, например в распределительных щитах, вилках, розетках, телефонах и аккумуляторах. Изготовленные с применением твердой резины трубы, клапаны и арматура применяются в тех областях химической промышленности, где требуется коррозионная стойкость. Изготовление детских игрушек - еще одна статья потребления твердой резины.
СИНТЕТИЧЕСКИЙ КАУЧУК
Синтез каучука, происходящий в дереве, никогда не выполнялся в лаборатории. Синтетические каучуки являются эластичными материалами; они сходны с натуральным продуктом по химическим и физическим свойствам, но отличаются от него структурой. Синтез аналога натурального каучука (1,4-цис-полиизопрена и 1,4-цис-полибутадиена). Натуральный каучук, получаемый из гевеи бразильской, имеет структуру, состоящую на 97,8% из 1,4-цис-полиизопрена:

Синтез 1,4-цис-полиизопрена проводился несколькими различными путями с использованием регулирующих стереоструктуру катализаторов, и это позволило наладить производство различных синтетических эластомеров. Катализатор Циглера состоит из триэтилалюминия и четыреххлористого титана; он заставляет молекулы изопрена объединяться (полимеризоваться) с образованием гигантских молекул 1,4-цис-полиизопрена (полимера). Аналогично, металлический литий или алкил- и алкиленлитиевые соединения, например бутиллитий, служат катализаторами полимеризации изопрена в 1,4-цис-полиизопрен. Реакции полимеризации с этими катализаторами проводятся в растворе с использованием углеводородов нефти в качестве растворителей. Синтетический 1,4-цис-полиизопрен обладает свойствами натурального каучука и может использоваться как его заместитель в производстве резиновых изделий.
См. также ПЛАСТМАССЫ . Полибутадиен, на 90-95% состоящий из 1,4-цис-изомера, также был синтезирован посредством регулирующих стереоструктуру катализаторов Циглера, например триэтилалюминия и четырехиодистого титана. Другие регулирующие стереоструктуру катализаторы, например хлорид кобальта и алкилалюминий, также дают полибутадиен с высоким (95%) содержанием 1,4-цис-изомера. Бутиллитий тоже способен полимеризовать бутадиен, однако дает полибутадиен с меньшим (35-40%) содержанием 1,4-цис-изомера. 1,4-цис-полибутадиен обладает чрезвычайно высокой эластичностью и может использоваться как наполнитель натурального каучука. Тиокол (полисульфидный каучук). В 1920, пытаясь получить новый антифриз из этиленхлорида и полисульфида натрия, Дж.Патрик вместо этого открыл новое каучукоподобное вещество, названное им тиоколом. Тиокол высокоустойчив к бензину и ароматическим растворителям. Он имеет хорошие характеристики старения, высокое сопротивление раздиру и низкую проницаемость для газов. Не будучи настоящим синтетическим каучуком, он, тем не менее, находит применение для изготовления резин специального назначения.
Неопрен (полихлоропрен). В 1931 компания "Дюпон" объявила о создании каучукоподобного полимера, или эластомера, названного неопреном. Неопрен изготавливают из ацетилена, который, в свою очередь, получают из угля, известняка и воды. Ацетилен сначала полимеризуют до винилацетилена, из которого путем добавления хлороводородной кислоты производят хлоропрен. Далее хлоропрен полимеризуют до неопрена. Помимо маслостойкости неопрен имеет высокую тепло- и химическую стойкость и используется в производстве шлангов, труб, перчаток, а также деталей машин, например шестерен, прокладок и приводных ремней. Буна S (SBR, бутадиенстирольный каучук). Синтетический каучук типа буна S, обозначаемый как SBR, производится в больших реакторах с рубашкой, или автоклавах, в которые загружают бутадиен, стирол, мыло, воду, катализатор (персульфат калия) и регулятор роста цепи (меркаптан). Мыло и вода служат для эмульгирования бутадиена и стирола и приведения их в близкий контакт с катализатором и регулятором роста цепи. Содержимое реактора нагревается до примерно 50° С и перемешивается в течение 12-14 ч; за это время в результате процесса полимеризации в реакторе образуется каучук. Получающийся латекс содержит каучук в форме малых частиц и имеет вид молока, очень напоминающий натуральный латекс, добытый из дерева. Латекс из реакторов обрабатывается прерывателем полимеризации для остановки реакции и антиоксидантом для сохранения каучука. Затем он очищается от избытка бутадиена и стирола. Чтобы отделить (путем коагуляции) каучук от латекса, он обрабатывается раствором хлорида натрия (пищевой соли) в кислоте либо раствором сульфата алюминия, которые отделяют каучук в форме мелкой крошки. Далее крошка промывается, сушится в печи и прессуется в кипы. Из всех эластомеров SBR используется наиболее широко. Больше всего его идет на производство автомобильных шин. Этот эластомер сходен по свойствам с натуральным каучуком. Он не маслостоек и в большинстве случаев проявляет низкую химическую стойкость, но обладает высоким сопротивлением удару и истиранию.
Латексы для эмульсионных красок. Бутадиен-стирольные латексы широко используются в эмульсионных красках, в которых латекс образует смесь с пигментами обычных красок. В таком применении содержание стирола в латексе должно превышать 60%.
Низкотемпературный маслонаполненный каучук. Низкотемпературный каучук - особый тип каучука SBR. Он производится при 5° С и обеспечивает лучшую износостойкость шин, чем стандартный SBR, полученный при 50° С. Износостойкость шин еще более повышается, если низкотемпературному каучуку придать высокую ударную вязкость. Для этого в базовый латекс добавляют некоторые нефтяные масла, называемые нефтяными мягчителями. Количество добавляемого масла зависит от требуемого значения ударной вязкости: чем оно выше, тем больше вводится масла. Добавленное масло действует как мягчитель жесткого каучука. Другие свойства маслонаполненного низкотемпературного каучука такие же, как у обычного низкотемпературного.
Буна N (NBR, бутадиенакрилонитрильный каучук). Вместе с буна S в Германии был также разработан маслостойкий тип синтетического каучука под названием пербунан, или буна N. Основной компонент этого нитрильного каучука - также бутадиен, который сополимеризуется с акрилонитрилом по существу по тому же механизму, что и SBR. Сорта NBR различаются содержанием акрилонитрила, количество которого в полимере варьирует от 15 до 40% в зависимости от назначения каучука. Нитрильные каучуки маслостойки в степени, соответствующей содержанию в них акрилонитрила. NBR использовался в тех видах военного оборудования, где требовалась маслостойкость, например в шлангах, самоуплотняющихся топливных элементах и конструкциях транспортных средств.
Бутилкаучук. Бутилкаучук - еще один синтетический каучук - был открыт в 1940. Он замечателен своей низкой газопроницаемостью; камера шины из этого материала удерживает воздух в 10 раз дольше, чем камера из натурального каучука. Бутилкаучук изготавливают полимеризацией изобутилена, получаемого из нефти, с малой добавкой изопрена при температуре -100° С. Эта полимеризация не является эмульсионным процессом, а проводится в органическом растворителе, например метилхлориде. Свойства бутилкаучука могут быть сильно улучшены термообработкой маточной смеси бутилкаучука и газовой сажи при температуре от 150 до 230° С. Недавно бутилкаучук нашел новое применение как материал для протекторов шин ввиду его хороших ходовых характеристик, отсутствия шума и превосходного сцепления с дорогой. Бутилкаучук несовместим с натуральным каучуком и SBR и, значит, не может быть смешан с ними. Однако после хлорирования до хлорбутилкаучука он становится совместимым с натуральным каучуком и SBR. Хлорбутилкаучук сохраняет низкую газопроницаемость. Это свойство используется при изготовлении смешанных продуктов хлорбутилкаучука с натуральным каучуком или SBR, которые служат для производства внутреннего слоя бескамерных шин.
Этиленпропиленовый каучук. Сополимеры этилена и пропилена могут быть получены в широких диапазонах составов и молекулярных масс. Эластомеры, содержащие 60-70% этилена, вулканизуются с пероксидами и дают вулканизат с хорошими свойствами. Этиленпропиленовый каучук имеет превосходную атмосферо- и озоностойкость, высокую термо-, масло- и износостойкость, но также и высокую воздухопроницаемость. Такой каучук изготавливается из дешевых сырьевых материалов и находит многочисленные применения в промышленности. Наиболее широко применяемым типом этиленпропиленового каучука является тройной этиленпропиленовый каучук (с диеновым сомономером). Он используется в основном для изготовления оболочек проводов и кабелей, однослойной кровли и в качестве присадки для смазочных масел. Его малая плотность и превосходная озоно- и атмосферостойкость обусловливают его применение в качестве кровельного материала.
Вистанекс. Вистанекс, или полиизобутилен, - полимер изобутилена, также получаемый при низких температурах. Он подобен каучуку по свойствам, но в отличие от каучука является насыщенным углеводородом и, значит, не может быть подвергнут вулканизации. Полиизобутилен озоностоек.
Коросил. Коросил, каучукоподобный материал, - это пластифицированный поливинилхлорид, приготовленный из винилхлорида, который, в свою очередь, получают из ацетилена и хлороводородной кислоты. Коросил замечательно стоек к действию окислителей, в том числе озона, азотной и хромовой кислот, и поэтому используется для внутренней облицовки цистерн с целью защиты их от коррозии. Он непроницаем для воды, масел и газов и в силу этого находит применение как покрытие для тканей и бумаги. Каландрованный материал используется в производстве плащей, душевых занавесок и обоев. Низкое водопоглощение, высокая электрическая прочность, негорючесть и высокое сопротивление старению делают пластифицированный поливинилхлорид пригодным для изготовления изоляции проводов и кабелей.
Полиуретан. Класс эластомеров, известных как полиуретаны, находит применение в производстве пеноматериалов, клеев, покрытий и формованных изделий. Изготовление полиуретанов включает несколько стадий. Сначала получают сложный полиэфир реакцией дикарбоновой кислоты, например адипиновой, с многоатомным спиртом, в частности этиленгликолем или диэтиленгликолем. Полиэфир обрабатывают диизоцианатом, например толуилен-2,4-диизоцианатом или метилендифенилендиизоцианатом. Продукт этой реакции обрабатывают водой и подходящим катализатором, в частности n-этилморфолином, и получают упругий или гибкий пенополиуретан. Добавляя диизоцианат, получают формованные изделия, в том числе шины. Меняя соотношение гликоля и дикарбоновой кислоты в процессе производства сложного полиэфира, можно изготовить полиуретаны, которые используются как клеи или перерабатываются в твердые или гибкие пеноматериалы либо формованные изделия. Пенополиуретаны огнестойки, имеют высокую прочность на растяжение, очень высокое сопротивление раздиру и истиранию. Они проявляют исключительно высокую несущую способность и хорошее сопротивление старению. Вулканизованные полиуретановые каучуки имеют высокие прочность на растяжение, сопротивление истиранию, раздиру и старению. Был разработан процесс получения полиуретанового каучука на основе простого полиэфира. Такой каучук хорошо ведет себя при низких температурах и устойчив к старению.
Кремнийорганический каучук. Кремнийорганические каучуки не имеют себе равных по пригодности к эксплуатации в широком температурном интервале (от -73 до 315° С). Для вулканизованных кремнийорганических каучуков была достигнута прочность на растяжение около 14 МПа. Их сопротивление старению и диэлектрические характеристики также весьма высоки.
Хайпалон (хлорсульфоэтиленовый каучук). Этот эластомер хлорсульфонированного полиэтилена получают обработкой полиэтилена хлором и двуокисью серы. Вулканизованный хайпалон чрезвычайно озоно- и атмосферостоек и имеет хорошую термо- и химическую стойкость.
Фторсодержащие эластомеры. Эластомер кель-F - сополимер хлортрифторэтилена и винилиденфторида. Этот каучук имеет хорошую термо- и маслостойкость. Он стоек к действию коррозионно-активных веществ, негорюч и пригоден к эксплуатации в интервале от -26 до 200° С. Витон А и флюорел - сополимеры гексафторпропилена и винилиденфторида. Эти эластомеры отличаются превосходной стойкостью к действию тепла, кислорода, озона, атмосферных факторов и солнечного света. Они имеют удовлетворительные низкотемпературные характеристики и пригодны к эксплуатации до -21° С. Фторсодержащие эластомеры используются в тех приложениях, где требуется стойкость к действию тепла и масел.
Специализированные эластомеры. Производятся специализированные эластомеры с разнообразными физическими свойствами. Многие из них очень дороги. Наиболее важные из них - акрилатные каучуки, хлорсульфонированный полиэтилен, сополимеры простых и сложных эфиров, полимеры на основе эпихлоргидрина, фторированные полимеры и термопластичные блок-сополимеры. Они используются для изготовления уплотнений, прокладок, шлангов, оболочек проводов и кабелей и клеев.
См. также