Склування і крихкість гум та їх визначення

2. Склування і крихкість гум та їх визначення

2.1 Визначення температури склування гум термомеханічним методом

Гума та вироби з неї експлуатуються в високоеластичному стані, межами якого є температура склування та температура текучості. За температур, що значно нижчі за температуру склування, гума може руйнуватись як крихкий матеріал. Перехід у крихкий стан спостерігається за температури крихкості Т_хр, вище якої матеріал знаходиться в стані вимушеної еластичності. Вимушена еластичність відрізняється від високо еластичності значенням відносної деформації і не може бути припущеною для експлуатаційних умов. Тому за визначення придатності гумового виробу для заданих низькотемпературних умов експлуатації визначають як температур крихкості, так і температуру склування. Температуру склування найчастіше визначають термомеханічним методом, яку проводять на вагах Каргіна. Вони мають автоматичний підрахунок деформації та температури. Для випробування застосовують зразки циліндричної форми діаметром 10 мм та висотою 10 мм. За навантаження зразків та поступового нагрівання їх записується термомеханічна крива деформація - температура, яка складається з трьох ділянок з різним нахилом до осі абсцис. Перша ділянка відповідає склоподібному фізичному стану, друга – високоеластичному, а третя – в’язкотекучому. На перехресті першої та другої ділянок визначають значення температури склування.

2.2 Визначення температур склування й характеристик кристалізації за дилатометричним методом

Температуру склування можна вимірювати дилатометричним методом. Об'ємний дилатометр (рис. 1) складається з колби 3, у яку поміщають зразок, капілярної трубки 2, верхня частина якої має розширення 1, а нижня через шліф-пробку з'єднана з колбою. З'єднання повинне бути герметичним. Об’єм колби становить 250 мл, діаметр капіляра 0,3 - 1,0 мм, довжина 0,5 - 0,7 мм.

Рис. 1. Об'ємний дилатометр

1 - розширена частина капілярної трубки; 2 - капілярна трубка; 3 - колба.

Кріостат забезпечує зміну температури від мінус 20 до мінус 70 °С и збереження її протягом досліду.

Зразки каучуку, гумової суміші або гуми нарізають у вигляді шматочків 1 X 1 X 1 мм, зважують на аналітичних вагах і поміщають у колбу дилатометра. Зразки не повинні мати пор. Дилатометр заповнюють робочою рідиною (етиловим спиртом) одним із двох способів. За першого способу дилатометр вакуумують протягом 10-15 хвилин за допомогою форвакуумного насоса, після чого під вакуумом уводять робочу рідину. За другим способом колбу дилатометра зі зразком заповнюють до країв робочою рідиною - підфарбованим етиловим спиртом. Капілярну трубку обережно вставляють зверху, при цьому рідина піднімається по капіляру. У розширену частину капіляра доливають спирт, після чого колбу дилатометра поміщають у водяну баню й нагрівають доти, поки рідина в капілярі не з'єднається. Перед початком досліду заповнений дилатометр прогрівають протягом 30 хвилин при температурі плавлення кристалів (50-70 °С).

За визначення температури структурного склування заповнені дилатометри поміщають у кріостат, у якому встановлена температура на 5-10 град. нижче температури структурного склування, знайденої по довіднику. Зразок витримують в ізотермічних умовах протягом 60 хвилин. Зміна температури не повинне перевищувати ± 1°. Вимірюють рівень робочої рідини в капілярі  та починають підвищувати температуру в камері зі швидкістю 1 град/хвилину. Вимірюють рівень робочої рідини в капілярі через певні проміжки часу .

За визначення характеристик кристалізації заповнені дилатометри поміщають у кріостат, у якому встановлена задана температура. Протягом 5 хвилин дилатометри зі зразками термостатують і потім вимірюють початковий рівень робочої рідини в капілярі. Кристалізацію проводять в ізотермічних умовах, зміна температури не повинне перевищувати ± 1°С, що забезпечується автоматичним регулюванням подачі охолодного агента.

Протягом кристалізації через певні інтервали часу (спочатку через 5 хвилин, а наприкінці кристалізації через 20-30 хвилин) заміряють рівень рідини в капілярі.

За визначення температури склування зміну об’єму зразка  в інтервалі температур  обчислюють по формулі:

,

де  - діаметр капіляра, м;

 - зміна рівня рідини, рівне , м.

На підставі отриманих експериментальних даних будують графік залежності від  і по крапці перегину визначають температуру структурного склування (рис. 2).

Показники процесу кристалізації визначають на основі залежності відносного об’єму полімеру  від тривалості кристалізації  (рис. 2). Значення  розраховують по формулі:

 %.

де  - діаметр капіляра;

 - щільність зразка при кімнатній температурі;

 - зміна висоти стовпа рідини в капілярах;

 - маса зразка;

 - температурний коефіцієнт об'ємного розширення зразка;

 і  - температура при нормальних умовах, і температура досліду.

За знайденим значенням будують графік залежності  від t (див. рис. 2, б). На графіку виявляються три періоди: I - індукційний ( ), що характеризується незначною зміною об’єму й відповідає утворенню центрів кристалізації, II - період власно кристалізації, що супроводжується зміною об’єму при формуванні кристалічної структури, III - кінцевий або післякристалізаційний, що полягає в упорядкуванні кристалічної структури.

Максимальна швидкість кристалізації визначається тангенсом кута нахилу, а дотична - у точці перегину кривій. Час досягнення максимальної швидкості кристалізації характеризується відрізком . Глибина кристалізації виражається подвоєним значенням відносного об’єму полімеру до моменту досягнення максимальної швидкості кристалізації.

2.3 Визначення температури крихкості гум

Температуру крихкості визначають на спеціальному приладі, який дозволяє витримати гуму за низьких температур та вимірювати температуру, за якої зразок розіб’ється під дією певного навантаження. Для випробування застосовуються зразки в вигляді смужок довжиною 25 ± 0,5 мм, шириною 6,5 ± 0,5 мм та товщиною 2 ± 0,3 мм. Випробують 10 – 15 однакових зразків. Зразки поміщують в металеву посудину, яка в свою чергу знаходиться в кожусі. Охолоджуюча рідина – це суміш етанолу з твердим двооксидом вуглецю. Зразок охолоджують в рідині протягом 5 хвилин за певної температури, після чого розбивають його, відпускаючи пружину. Якщо зразок не розіб’ється, його замінюють на інший і встановлюють більш низьку температуру. Випробування проводять до встановлення інтервалу температур, в якому зразок розбивається. Підбирають температуру з точністю до 1 ⁰, яку вважать температурою крихкості даної гуми.

Література

1.  Берштейн Л.А. Лабораторный практикум по технологии резины. - Л.: Химия, 1989. – с. 182-198.

2.  Захаров Н.Д. Лабораторный практикум по технологии резины. - М.: Химия, 1988. - с. 142-149.