Введение

Процесс упрочнения резины

Вулканизация (брит. англ. Vulcanisation) — это комплекс процессов, предназначенных для упрочнения резины. Изначально этот термин относился исключительно к обработке натурального каучука серой, что до сих пор является наиболее распространенной практикой. Однако сейчас он также включает в себя упрочнение других (синтетических) каучуков различными методами. Примеры включают силиконовую резину, вулканизируемую при комнатной температуре, и хлоропреновую резину (неопрен), использующую оксиды металлов. Вулканизацию можно определить как сшивание эластомеров, при этом термины «вулканизация» и «сшивание» иногда используются как взаимозаменяемые в данном контексте. Процесс заключается в образовании поперечных связей между участками полимерной цепи, что приводит к повышению жесткости и прочности, а также к другим изменениям механических и электрических свойств материала. Вулканизация, как и сшивание других термореактивных полимеров, обычно является необратимой реакцией. Название было предложено Уильямом Брокедоном (другом Томаса Хэнкока, получившего британский патент на этот процесс) и происходит от имени бога Вулкана, который ассоциировался с теплом и серой в вулканах.

История

Резина – латекс – была известна на протяжении тысяч лет в мезоамериканских культурах и использовалась для изготовления мячей, подошв сандалий, резиновых лент и водонепроницаемых контейнеров. Резину обрабатывали для конкретных нужд в империи ацтеков – резиновые и латексные изделия обрабатывались и изготавливались, а затем отправлялись в столицу для использования или дальнейшего распространения. Ранние резиновые шины в XIX веке на горячей дороге становились липкими. К ним прилипал мусор, и в конечном итоге шины лопались. Чарльз Гудьир в 1830-х годах работал над улучшением этих камерных шин. Он пытался нагревать резину, чтобы смешать с ней другие химические вещества. Это, казалось, делало резину более твердой и улучшало её свойства, хотя это было связано с самим нагревом, а не с используемыми химическими веществами. Не осознавая этого, он неоднократно сталкивался с неудачами, поскольку его заявленные формулы для затвердевания работали непоследовательно. Однажды в 1839 году, пытаясь смешать резину с серой, Гудьир случайно уронил смесь на горячую сковороду. К его удивлению, вместо того чтобы расплавиться или испариться, резина оставалась твердой, а при дальнейшем нагревании становилась еще тверже. Гудьир разработал стабильный процесс затвердевания и к 1844 году начал производить резину в промышленных масштабах.

Приложения

Существует множество применений вулканизированных материалов, среди которых можно назвать резиновые шланги, подошвы обуви, игрушки, ластики, хоккейные шайбы, амортизаторы, конвейерные ленты, виброизоляторы, изоляционные материалы, шины и шары для боулинга. Большинство резиновых изделий подвергаются вулканизации, поскольку это значительно увеличивает их срок службы, улучшает функциональность и повышает прочность.

Вулканизация с использованием серы

Наиболее распространенные методы вулканизации основаны на использовании серы. Сера сама по себе является медленным вулканизирующим агентом и не вулканизирует синтетические полиолефины. Ускоренная вулканизация проводится с использованием различных соединений, модифицирующих кинетику сшивания; эта смесь часто называется комплектом для вулканизации. Основными полимерами, подвергающимися серной вулканизации, являются полиизопрен (натуральный каучук) и стирол-бутадиеновый каучук (SBR), которые используются в большинстве шин для наземного транспорта. Состав комплекта для вулканизации подбирается конкретно под основу и область применения. Реакционноспособными центрами, или местами сшивания, являются атомы аллильного водорода. Эти C-H связи находятся рядом с двойными углерод-углеродными связями (>C=C<). В процессе вулканизации некоторые из этих C-H связей замещаются цепочками атомов серы, которые образуют связи с местом сшивания другой полимерной цепи. Эти мостики содержат от одного до нескольких атомов. Количество атомов серы в поперечной связи сильно влияет на физические свойства конечного резинового изделия. Короткие поперечные связи придают резине лучшую термостойкость. Поперечные связи с большим количеством атомов серы обеспечивают резине хорошие динамические свойства, но меньшую термостойкость. Динамические свойства важны для деформационных движений резинового изделия, например, для движения боковины шины во время движения. Без хороших деформационных свойств эти движения быстро приводят к образованию трещин, что в конечном итоге приведет к разрушению резинового изделия.

Вулканизация полихлорпролена

Вулканизация неопрена или полихлоропренового каучука (CR каучук) осуществляется с использованием оксидов металлов (в частности, MgO и ZnO, иногда Pb3O4) вместо соединений серы, которые обычно применяются для многих натуральных и синтетических каучуков. Кроме того, из-за различных технологических факторов (в основном, склонности к преждевременной вулканизации – преждевременному сшиванию каучука под воздействием тепла), выбор ускорителя подчиняется иным правилам, чем для других диеновых каучуков. Большинство традиционно используемых ускорителей создают проблемы при вулканизации CR каучуков, и наиболее эффективным ускорителем признана этилентиомочевина (ETU), которая, несмотря на свою высокую эффективность и доказанную пригодность для полихлоропрена, классифицирована как репротоксичное вещество. В период с 2010 по 2013 год европейская резиновая промышленность реализовала исследовательский проект SafeRubber, направленный на разработку более безопасной альтернативы использованию ETU.

Вулканизация силиконов

Силикон, вулканизирующийся при комнатной температуре (RTV), состоит из реакционноспособных полимеров на основе масла в сочетании с упрочняющими минеральными наполнителями. Существует два типа силикона, вулканизирующегося при комнатной температуре: RTV 1 (однокомпонентные системы); затвердевает под воздействием атмосферной влажности, катализатора и ацетоксисилана. Ацетоксисилан, при контакте с влагой, образует уксусную кислоту. Процесс отверждения начинается с внешней поверхности и продвигается к центру. Продукт упакован в герметичные картриджи и поставляется в виде жидкости или пасты. Силикон RTV 1 обладает хорошей адгезией, эластичностью и долговечностью. Твердость по Шору может варьироваться от 18 до 60. Относительное удлинение при разрыве может составлять от 150% до 700%. Он обладает отличной устойчивостью к старению благодаря высокой устойчивости к ультрафиолетовому излучению и атмосферным воздействиям. RTV 2 (двухкомпонентные системы); двухкомпонентный продукт, который при смешивании отверждается при комнатной температуре, образуя твердый эластомер, гель или гибкую пену. RTV 2 остается гибким в широком диапазоне температур. Разложение происходит при температуре выше, оставляя инертный осадок диоксида кремния, который не является воспламеняемым и негорючим. Благодаря своим диэлектрическим свойствам, он может использоваться для электрической изоляции. Механические свойства удовлетворительные. RTV 2 используется для изготовления гибких форм, а также множества технических деталей для промышленности и парамедицинских применений.