Что такое резина? Сырье, способ производства, использование и типы уплотнений

Что такое резина и откуда она берется?

Резина — это эластичный полимер, который может растягиваться, сжиматься и деформироваться под действием силы, а затем возвращаться к своей первоначальной форме. Он существует в двух основных формах: натуральный каучук , полученный из латексного сока каучукового дерева. Гевея бразильская и синтетический каучук , получаемый из нефтехимического сырья путем промышленной полимеризации. Оба имеют общее свойство эластичности, но различаются по составу, эксплуатационным характеристикам и стоимости.

Натуральный каучук собирали и использовали на протяжении тысячелетий. Доколумбовые цивилизации в Мезоамерике изготавливали резиновые мячи, водонепроницаемую ткань и обувь из латекса задолго до контакта с европейцами. Потенциал этого материала в промышленном применении стал очевиден только в 19 веке, после того как Чарльз Гудиер открыл в 1839 году вулканизацию — процесс, который превратил мягкий, липкий латекс в прочный, эластичный материал, известный сегодня как резина.

Сегодня мировое производство каучука превышает 28 миллионов метрических тонн в год, причем оно примерно делится на натуральные и синтетические виды. Таиланд, Индонезия и Кот-д'Ивуар являются крупнейшими в мире производителями натурального каучука. Синтетический каучук, впервые разработанный во время Второй мировой войны, когда поставки натурального каучука были прекращены, в настоящее время составляет около 60% общего потребления каучука во всем мире.

Резиновое сырье: природные и синтетические источники

Сырьем для производства натурального каучука служит латекс — коллоидная суспензия молочно-белого цвета, образующаяся в коре каучука. Гевея бразильская деревья. Латекс состоит примерно на 30–40% из полиизопрена по весу, суспендированного в воде с белками, липидами и микроэлементами. Полиизопреновые полимерные цепи придают резине эластичность: они представляют собой длинные спиральные молекулы, которые выпрямляются при растяжении и пружинят при отпускании.

Синтетические каучуки производятся из мономеров, полученных в основном в результате переработки нефти и природного газа. Наиболее важным сырьем для синтетического каучука являются:

• Бутадиен — побочный продукт производства этилена, используемый для производства бутадиен-стирольного каучука (SBR) и полибутадиенового каучука (BR), двух наиболее широко производимых синтетических каучуков.
• Стирол — в сочетании с бутадиеном для производства бутадиен-стирольного каучука, на долю которого приходится примерно половина всего производства синтетического каучука и который является доминирующим материалом в шинах легковых автомобилей.
• Изобутилен и изопрен — полимеризуются вместе для получения бутилкаучука (IIR), который ценится за свою исключительную непроницаемость для газов и используется во внутренних вкладышах шин и фармацевтических пробках.
• Этилен и пропилен — в сочетании с диеновым мономером для производства каучука ЭПДМ, широко используемого в автомобильных уплотнителях, кровельных мембранах и наружных уплотнителях.
• Акрилонитрил и бутадиен — полимеризуется для получения нитрильного каучука (NBR), который обладает исключительной стойкостью к маслам, топливу и растворителям, что делает его стандартным материалом для топливных шлангов и сальников.
• хлоропрен — полимеризуется для получения неопрена (CR), одного из первых синтетических каучуков, известного своей устойчивостью к атмосферным воздействиям, озону и умеренным химическим веществам.

Силиконовый каучук занимает отдельную категорию: его полимерная основа состоит из кремния и кислорода, а не из углерода, что делает его химически отличным как от натуральных, так и от нефтяных каучуков. Это придает силикону исключительную термостойкость, биосовместимость и устойчивость к ультрафиолетовому излучению, с которыми не могут сравниться каучуки с углеродной цепью.

Как производится резина: от сырья до готового продукта

Путь от сырого латекса или синтетического полимера до готового резинового изделия включает несколько этапов, каждый из которых существенно влияет на свойства конечного материала.

Сбор и коагуляция (натуральный каучук)

Латекс получают из каучуковых деревьев путем неглубокого диагонального надреза в коре. Сок стекает в емкости для сбора в течение нескольких часов. Затем свежий латекс коагулируется — обычно путем добавления муравьиной или уксусной кислоты — в результате чего частицы каучука слипаются и отделяются от водянистой сыворотки. Полученный коагулят прессуют, скатывают в листы и либо коптят (для производства ребристого копченого листа, или RSS), либо сушат горячим воздухом (для производства технически определенных марок каучука). Эти высушенные листы или тюки резиновой крошки представляют собой продаваемую товарную форму натурального каучука.

Компаундирование

Сырой каучук — натуральный или синтетический — не используется в чистом виде. Его смешивают с рядом добавок в закрытых смесителях (смесителях Бенбери) или в открытых мельницах. Типичная резиновая смесь содержит:

• Вулканизирующие агенты — сера или пероксиды, которые создают поперечные связи между полимерными цепями во время отверждения.
• Ускорители и активаторы — оксид цинка, стеариновая кислота и органические ускорители, ускоряющие и контролирующие реакцию вулканизации.
• Армирующие наполнители — Технический углерод является наиболее важным, значительно увеличивая прочность на разрыв и стойкость к истиранию. Кремнезем используется в составах шин с высокими эксплуатационными характеристиками и низким сопротивлением качению.
• Пластификаторы и технологические масла — улучшить текучесть во время обработки и изменить твердость и гибкость готового продукта.
• Антиоксиданты и антиозонанты — защищать резину от разрушения под действием кислорода, озона, УФ-излучения и тепла в течение срока службы.

Формирование

Композиционная резина приобретает форму перед вулканизацией, при этом она остается термопластичной и работоспособной. Общие методы формирования включают в себя компрессионное формование (прессование резины в разогретую форму под давлением), литье под давлением (инъекция резины в закрытые формы), трансферное формование , экструзия (продавливание резины через матрицу для производства профилей, трубок и полос) и каландрирование (раскатывание резины в листы или нанесение ее на ткань).

Вулканизация

Вулканизация is the chemical process that converts soft, weak rubber into the strong, elastic material used in finished products. Heat causes sulfur atoms (or peroxide radicals) to form cross-links between adjacent polymer chains, creating a three-dimensional network. The degree of cross-linking determines hardness: lightly cross-linked rubber is soft and elastic; heavily cross-linked rubber becomes hard (ebonite). Most rubber products are cured in presses, autoclaves, or continuous vulcanization lines at temperatures between 140°C and 200°C.

Для чего используется резина? Основные категории продуктов

Сочетание эластичности, долговечности, непроницаемости и электроизоляции резины делает ее незаменимой во многих отраслях промышленности. Самым большим по объему применением являются шины: на легковые, грузовые и внедорожные шины приходится около 70% всего каучука, потребляемого в мире. Помимо шин, резиновые изделия появляются практически во всех отраслях современной промышленности и повседневной жизни.

• Шины и сопутствующие товары: Легковые шины, грузовые шины, велосипедные шины, конвейерные ленты и составы для восстановления шин вместе представляют собой доминирующее использование как натурального каучука, так и бутадиен-стирольного каучука.
• Шланги и трубки: Автомобильные шланги охлаждающей жидкости, гидравлические шланги, магистрали пневматического тормоза, садовые шланги, топливопроводы и медицинские трубки зависят от гибкости резины и устойчивости к жидкости. NBR и EPDM являются наиболее распространенными материалами в зависимости от транспортируемой жидкости.
• Ремни: Приводные ремни, зубчатые ремни, конвейерные ленты и клиновые ремни в промышленном оборудовании и автомобильных двигателях изготавливаются из армированных резиновых смесей, обычно EPDM или CR, с армированием текстильным или стальным кордом.
• Обувь: Резиновые подошвы, ботинки и бахилы были одними из первых резиновых изделий массового производства. Натуральный каучук и бутадиен-стирольный каучук по-прежнему доминируют в обуви, поскольку их ценят за сцепление и устойчивость к истиранию.
• Перчатки: Латексные смотровые перчатки, нитриловые перчатки для химической стойкости и промышленные перчатки для тяжелых условий эксплуатации изготавливаются из натурального каучука, бутадиен-нитрильного каучука и неопрена соответственно.
• Электрическая изоляция: В оболочках кабелей, изоляции проводов и изоляционной ленте используется резина для защиты проводников от влаги, истирания и случайного контакта.
• Антивибрационные крепления: В опорах двигателя, изолирующих подушках оборудования, подшипниках мостов и подушках железнодорожных путей используются сэндвич-композиты из натурального каучука или NR/стали для поглощения и гашения вибрации.
• Медицинские и фармацевтические: Пробки для флаконов с инъекционными лекарствами, хирургические перчатки, катетеры, манжеты для измерения артериального давления и ортопедические опоры — все они изготовлены из резиновых смесей медицинского назначения.
• Потребительские товары: Резиновые ленты, ластики, прокладки в кухонном оборудовании, присоски, коврики для йоги и спортивный инвентарь — это повседневные товары, которые зависят от эластичности и сцепления резины.

Резиновые уплотнения : Материалы, типы и применение

Резиновые уплотнения являются одними из наиболее важных и широко используемых резиновых изделий в технике. Их функция заключается в предотвращении прохождения жидкостей, газов или загрязнений через соединение или интерфейс — задача, которая требует, чтобы резина плотно прилегала к сопрягаемым поверхностям, сжималась под нагрузкой и сохраняла свое упругое восстановление в течение миллионов циклов или лет статического воздействия.

Распространенные типы резиновых уплотнений

• Уплотнительные кольца: Уплотнения в форме тора, которые сидят в канавке и сжимаются радиально или аксиально, образуя герметичный интерфейс. Уплотнительные кольца являются наиболее широко используемой формой уплотнений в гидравлике, пневматике, сантехнике и гидравлических системах во всем мире.
• Прокладки: Плоские или профилированные уплотнения устанавливаются между фланцевыми поверхностями — соединениями труб, головками цилиндров, корпусами клапанов — для предотвращения утечек под действием болтового зажимного усилия. Резиновые прокладки широко распространены в системах водоснабжения, вентиляции, кондиционирования и технологических трубопроводах.
• Манжетные уплотнения (радиальные уплотнения вала): Используется для удержания смазочных материалов и исключения загрязнений вокруг вращающихся валов в коробках передач, осях, насосах и электродвигателях. Уплотнительная кромка поддерживает динамический контакт с поверхностью вала.
• Диафрагмы: Гибкие резиновые мембраны, разделяющие две камеры и передающие давление или движение. Используется в регуляторах давления, насосах, клапанах и автомобильных усилителях тормозов.
• Экструзионные профили и уплотнители: Экструдированные по индивидуальному заказу резиновые профили, используемые для герметизации щелей в дверях, окнах, люках и ограждениях от воздуха, воды, пыли и шума. Обычно изготавливается из EPDM или неопрена.

Выбор материала для резиновых уплотнений

Резиновая смесь, используемая в уплотнении, должна быть тщательно подобрана к условиям эксплуатации. Использование неправильного материала приводит к набуханию, затвердеванию, растрескиванию или химическому растворению — все это приводит к выходу из строя уплотнения и потенциально катастрофическим утечкам в системе.

Помимо выбора материала, характеристики уплотнения зависят от твердости (твердости), качества поверхности сопрягаемых деталей, сопротивления остаточной деформации при сжатии и наличия смазочных материалов или покрытий. Для критически важных применений — аэрокосмической, подводной, гидравлики высокого давления — конструкция уплотнений включает в себя анализ контактных напряжений методом конечных элементов и испытания на ускоренное старение для проверки производительности в течение требуемого срока службы.