Випробування гум до дії високих температур

ЗМІСТ

Вступ

Випробування гум до дії високих температур

1. Визначення теплостійкості гум

2. Випробування гум на стійкість до старіння

Література

Вступ

Тема реферату з дисципліни «Контроль якості полімерних матеріалів» «Випробування гум до дії високих температур»

Дисципліна «Контроль якості полімерних матеріалів» дає знання про те, якими методами оцінюють якість матеріалів, з яких виготовляють полімерні вироби. Властивості полімерних матеріалів визначають і якість виробів і терміни їх експлуатації. Дисципліна знайомить з методами контролю якості пластмас і еластомерів, принципами і суттю цих методів, особливостями контролю того чи іншого матеріалу, а також з розрахунками кількісних показників якості.

Матеріал дисципліни базується на вивченні хімії і фізики полімерів, прикладної механіки.

Випробування гум до дії високих температур

1.Визначення теплостійкості гум

Теплостійкість або стійкість до дії високих температур є важливою властивістю гуми, яка визначає умови її застосування. Резина має низьку теплопровідність, і за високих температур в ній можуть відбуватись глибокі структурні зміни, які поділяють на оборотні та необоротні. Оборотні зміни викликає кристалізація та плавлення кристалів, а необоротні – хімічна течія гум за високих температур. При цьому фізико-механічні показники гум відрізняються від показників, які добуто за звичайних умов.

Ступінь зміни показника залежить від природи каучуку, властивостей інгредієнтів, ступеню вулканізації. В переважній більшості підвищення температури веде до падіння міцності, твердості, зносостійкості. Для оцінки залежності механічних властивостей гуми від температури зразки швидко доводять до температури випробування та визначають той чи інший фізико-механічний показник. Їх порівнюють з аналогічними показниками, що одержані за таких же випробувань за температури 23±2 єС.

Коефіцієнт теплостійкості за заданої певної температури розраховують як відношення показників:

,

де П1 – значення фізико-механічного показника за кімнатної температури;

П2 – значення цього ж показника за заданої підвищеної температури.

Теплостійкість визначається на приладах, що стандартизовані для певного виду випробувань. Такі прилади поміщують в термостат. Головними видами випробування є визначення міцнісних та еластичних властивостей гуми за заданої температури на розривних машинах. Термокамерою звичайно є повітряна термошафа з зовнішнім обігрівом значної довжини. В випадку відсутності розривної машини з термокамерою дозволяється проводити випробування на зразках, які попередньо прогріваються в окремій термошафі біля розривної машини.

Зразками для визначення теплостійкості є двобічні лопатки. Гуму одного й того ж шифру та однакової рецептури випробують з двох температур – кімнатної та заданої. За кожної температури випробують не менш 5 зразків. По результатам випробування розраховують середні значення, відбраковуючи показники по допустимому відхиленню. Розраховують таким чином умовну міцність за розтягу fр, напруження за заданого подовження fе, відносне подовження ер та залишкове подовження И.

Коефіцієнт теплостійкості гуми, наприклад, за умовною міцністю, розраховують за формулою:

,

де fр1 та fр2 – значення показників умовної міцності за розтягу за кімнатної та заданої температур відповідно.

Коефіцієнт Кт може змінюватись від 0 до 1. Значення цього коефіцієнта тим більше, чим більша теплостійкість гуми. Якщо він дорівнює 1, то гума не змінює свою міцність за заданої підвищеної температури. Таким же чином можна розрахувати коефіцієнт теплостійкості, використовуючи будь-який інший фізико-механічний показник. Одержані результати порівнюють з нормами на дану гуму.

2.Випробування гум на стійкість до старіння

Гумові вироби протягом зберігання та експлуатації можуть піддаватись дії різних факторів: тепла, світла, іонізуючого випромінювання, агресивних середовищ, ультразвука, електричних розрядів тощо. Під впливом цих факторів самодовільно та незворотно змінюється склад і структура матеріалу, що приводить до зміни його фізико-механічних показників: міцності, еластичності, твердості, теплостійкості, морозостійкості та ін. Зовні ці зміни виявляються в появі липкості, підвищенні твердості, утворенні и тріщин, зміні кольору тощо.

Процес незворотної зміни властивостей гум, що викликаний, дією різних немеханічних факторів в сукупності або окремо, називається старінням.

Як правило, на практиці старіння відбувається за одночасної дії кількох факторів (світла, тепла, електричних розрядів та ін.). Однак для полегшення дослідження процеси старіння звичайно поділяють згідно з одним фактором на теплове, світлове, озонне, корозійне, радіаційне та ін.

Теплове старіння.

При підвищеній температурі під дією тепла валентні зв’язки структурної сітки гуми слабнуть та можуть розірватись. Інтенсивність цього явища залежить головним чином від типу поперекових зв’язків тримірної сітки, тобто від хімічної природи вулканізуючих агентів і способу вулканізацій та від природи молекулярних ланцюгів, а остаточно, від типу каучуку.

В результаті розриву валентних зв’язків утворюються вільні макрорадикали, які можуть спричинити або подальший розпад просторової структури гуми - процес деструкції, або збільшення «густини» просторової сітки - процес структурування. Звичайно деструкція та структурування відбуваються одночасно. Перевага того чи іншого процесу залежить від виду каучуку і складу гумової суміші, а також від тривалості теплової дії.

Кисень повітря дуже енергійно активізує процес деструкції молекулярних ланцюгів каучуку, тому за відсутності повітря теплове старіння менш інтенсивно. Прикладом може служити суттєва різниця в степеню теплового старіння та внутрішніх шарів покришок. В той час, як зовнішні шари, які знаходяться в повітряному середовищі, піддаються значному тепловому старінню, внутрішні шари, до яких доступ повітря утруднений, майже не змінюють властивостей.

Для зменшення теплового старіння до гум добавляють речовини, які уповільнюють процеси деструкції та структурування: антиоксиданти та термостабілізатори.

Світлове старіння.

Під дією світла відбувається розрив валентних зв’язків через поглинання енергії світлових квантів  (де  - постійна Планка;  - частота коливань світлової хвилі).

Світлостійкість гуми залежить не стільки від природи каучуку, скільки від оптичних властивостей (здатності поглинати, віддзеркалювати або розсіювати світлові хвилі) інгредієнтів та домішок, які вміщує гума..

Для підвищення світлостійкості до гум додають фотостабілізатори (протисвітлостарювачі). Звичайно це органічні барвники, які поглинають або віддзеркалюють найбільш шкідливу короткохвильову частину світлового спектра (випромінювання з максимальною енергією).

Важливо відзначити, що темні гуми під дією світла розігріваються. Це викликає на додаток до світлового старіння ще й теплове. Тому темні гуми потребують спеціального світлозахисту.

Озонне старіння.

Під дією озону, який присутній в повітрі в невеликій кількості, змінюється структура поверхневих шарів гуми, що виявляється в появі тріщин - озонне розтріскування.

Швидкість озонного старіння визначається швидкостями дифузії озону та його хімічної взаємодії з гумою. В розтягнуту гуму доступ озону значно полегшений і старіння головним чином залежить від швидкості хімічної взаємодії. Тому інтенсивність озонного розтріскування у розтягнутих гум більше, ніж у недеформованих.

Для захисту від озонного старіння використовують сумісно фізичні та хімічні протистарювачі. Фізичні протистарювачі (воски, парафіни, церезини), мігруючи на поверхню гуми, створюють на ній непроникну для озону плівку. Хімічні протистарювачі (наприклад, продукт 4010 NA, сантофлекс AW) різко гальмують процес старіння, вступаючи в реакцію з озоном та продуктами його взаємодії з гумою.

Підвищеною стійкістю до озонному старіння характеризуються гуми на основі силіконового, хлоропренового, фтор- и бутилкаучуків.

Корозійне старіння.

Цей вид старіння спостерігається за дії на гуму різних агресивних середовищ (кислот, сірководню тощо).

За механізмом та швидкістю перебігу корозійне старіння аналогічне озонному.

Радіаційне старіння.

Вивчення радіаційного старіння за нашого часу має дуже велике значення в зв’язку з інтенсивним розвитком ракетобудування, космічного приладобудування, освоєння та використання атомної енергії, де широко застосовуються різні гумові вироби.

При радіаційному опромінюванні в гумах з’являються вільні радикали, перебігають реакції рекомбінації та утворюються більш зшиті просторові структури.

Радіаційне старіння залежить переважно від хімічної природи каучуку. Найбільш стійкі до радіацій гуми на основі бутадієн-стирольного каучуку.

Характеристики стійкості гум до дії різних факторів старіння наведені в таблиці 1.

Вплив механічної дії на старіння гуми.

За зберігання, а тим більше за експлуатації, гумові вироби залежно від призначення піддаються різним механічним діям. Статичні деформації розтягу та особливо багаторазові деформації сприяють розриву валентних зв’язків і, внаслідок цього, прискорюють процес старіння гуми. Статичні деформації стиску не інтенсифікують процес старіння, однак його механізм відрізняється від механізму старіння недеформованих гум. Таким чином, на старіння гум чинить вплив вид та характер деформації.

Методи випробування гум на старіння.

Старіння гум - фактор, що визначає довгочасність та надійність гумових виробів. За нашого часу до довговічності виробів ставляться дуже великі вимоги, тому випробування на старіння, які дозволяють встановлювати гарантійні строки експлуатації та зберігання гумових виробів, підібрати оптимальні рецептури для гум, які працюють в різних умовах, набувають особливе значення та актуальність.

Таблиця 1. Характеристика стійкості гум до старіння

Умовні позначки оцінки стійкості гум до старіння

ДП - дуже погана; Д - добра; П - погана; ДД - дуже добра; ЗД - задовільна; Відм - відмінна

Вид каучуку	Різновид дії
	Атмосферна	Дія сонця	Озонна	Теплова
Натуральний	Д	ЗД	Відм	П
Бутадієн-стирольний	Д	ЗД	П	ЗД
Бутадієн-нітрильний	Д	ЗД	П	Д
Етилен-пропіленовий	Відм	Відм	Відм	ДД
Бутилкаучук	Відм	Відм	ДД	X
Фторкаучук	Відм	Відм	ДД	Відм
Хлоропреновий	Відм	Відм	Ох	ДД
Силоксановий	Відм	Відм	Відм	Відм

Методи випробувань поділяються на

1) методи природного старіння та

2) методи штучного старіння. Обидва методи передбачають, в свою чергу, випробування гум в вільному та деформованому стані.

Методи природного старіння.

Під природним старінням розуміють зміну фізико-механічних властивостей гум при дії умов, в яких відсутні будь-які фактори, що штучно прискорюють процес старіння. Випробування на природне старіння можна проводити як в термостаті, так і в атмосфері.

Метод старіння в термостаті (ГОСТ 271) імітує зберігання гум в складських умовах. Зразки, що випробуються, які мають форму та розміри лопаток по ГОСТ 270, поміщають в термостат при температурі повітря 20 ± 2° С. Тривалість старіння від 3 до 24 місяців, а іноді і більше.

Після встановленого строку старіння визначають міцнісні показники зразків та порівнюють їх з відповідними характеристиками вихідних зразків. По середнім результатам обчислюють коефіцієнти старіння. Якщо для гум важливо оцінити зміну при старінні інших показників, наприклад, морозостійкості, діелектричних властивостей, то коефіцієнти старіння знаходять по цим показникам.

Коефіцієнти старіння визначають по формулі:

,

где  и  - фізико-механічний показник гуми відповідно до та пічок старіння.

Коефіцієнти старіння для стандартных гум на основі різних каучуків наведені в таблиці 2. Головною причиною різної стійкості до теплового старіння є різна хімічна будова макромолекул еластомерів. Наявність великої кількості подвійних зв’язків погіршує стійкість до старіння, а атомів фтору, хлору, силіцію тощо – підвищує її.

За атмосферного старіння оцінюють здатність гум до зберігання або експлуатації в природних кліматичних умовах при дії сонячної радіації, вологи, температури, вітру, складу навколишнього повітря. Умови випробувань повинні відповідати таким, в яких буде зберігатись або експлуатуватись гума. Тому випробування проводять як на відкритих, незахищених площадках, так і на площадках, які захищені від прямого попадання вологи та и сонячного світла (будки, навіси і т. ін.). Якщо передбачено зберігання і експлуатація гум в конкретній кліматичній зоні, то випробування проводять в місцях з найбільш жорсткими для даної кліматичної зони умовами. Умови природного старіння, які створюється на таких відкритих площадках, відповідають умовам експлуатації гумових виробів.

Таблиця 2. Стійкість до теплового старіння наповнених (сажових) гум

Марка каучука	Умови випробування		Коефіцієнт теплового старіння за межею міцності
	Температура, °С	Тривалість, годин
НК (натуральний)	100	144	0,16
СКБ (бутадієновий нестереорегулярний)	100	144	1,30
СКД(бутадієновий стереорегулярний)	100	96	0,50
СКС-10 (СКМС-10) (бутадієн-стирольний з вмістом стиролу 10 %)	100	72	0,67
СКС-30 (СКМС-30) (бутадієн-стирольний з вмістом стиролу 30 %)	100	72	0,7
СКН-18 (ізопреновий)	120	48	0,42
СКН-26 (бутадієн-нітрильний з вмістом акрилонітрилу 26 %)	120	48	0,22
СКН-40 (бутадієн-нітрильний з вмістом акрилонітрилу 26 %)	120	48	0,31
СКС-10-1 (бутадієн-стирольний карбоксилатний з вмістом стиролу 10 %)	100	144	1,00
СКС-30-1 (бутадієн-стирольний карбоксилатний з вмістом стиролу 30 %)	й	144	0,95
СКЭП (етилен-пропіленовий)	150	120	0,40
Бутилкаучук	120	48	0,85
СКФ-26 (фторкаучук)	300	24	0,50
СКФ-32 (фторкаучук)	250	240	0,34
Наірит (хлоропреновий)	100	72	0,95 - 1,0
СКУ-2 (уретановий)	100	72	0,95
СКТ (силоксановий)	250	240	1,10

Випробують як недеформовані гуми в формі пластин розміром 150X 150X1 мм, так і статично розтягнуті гуми в формі смужок розміром 10X100X 1 мм. Підготовка та установка зразків повинна відповідати вимогам методу випробування на атмосферне старіння (ГОСТ 1140).

Стійкість до старіння недеформованих гум оцінюють по строкам появи певних дефектів (липкості, плям, тріщин и т. ін.) та по коефіцієнтам старіння, які визначають на зразках по ГОСТ 270, що викарбовано з пластин, які піддали старінню.

Стійкість до старіння розтягнутих гум характеризують проміжком часу від початку випробування до появи перших тріщин, до розриву або до появи інших дефектів. Крім того, проводять оцінку тріщин (в балах) на ділянці, яка найбільш постраждала, за спеціальною шкалою, що ураховує частоту та глибину тріщин.

Результати старіння оцінюють через певні строки (в залежності від завдання) в інтервалі від кількох місяців до 10 років від початку випробування.

Основний недолік методів природного старіння - тривалість. Тому на практиці часто користуються більш короткочасними методами штучного старіння. Однак природне старіння дає точну оцінку стійкості гуми до старіння в конкретних кліматичних умовах.

Накопичення даних по природному старінню гум має велике значення для перерахунку строків штучного старіння на відповідні строки природного старіння (метод екстраполяції).

Методи штучного старіння.

Під штучним старінням розуміють зміну фізико-механічних властивостей гуми внаслідок дії факторів, які прискорюють процес старіння (нагрів, підвищені концентрації озону або кисню, ультрафіолетове опромінювання тощо).

Існує ряд методів прискореного старіння гуми: теплове, озонне, світло-озонне та т. Ін.

Методи штучного старіння дозволяють викликати в гумі за короткий строк зміни, які з’являються в ній при природному старінні через декілька років. Якщо, наприклад, зміна властивостей гуми в процесі витримки протягом 3 діб при 100°С ідентично зміні її властивостей за атмосферного старіння протягом 5 років, можна вважати, що даний режим прискореного старіння відповідає п’ятирічному строку зберігання гуми в атмосферних умовах. Для нових розроблених гум дані, по природному старінню яких ще відсутні, використовують дані штучного зберігання найбільш близьких по складу гум.

В повітряному середовищі, в кисневому середовищі, під тиском та в інертному середовищі можна проводити прискорене теплове старіння. Випробування гуми в недеформованому стані на прискорене теплове старіння в повітряному середовищі (ГОСТ 271) складається з витримки зразків в термостаті за температури в межах від 70 до 250°С протягом заданого часу та визначення коефіцієнтів старіння. Зразки мають форму стандартних двобічних лопаток по ГОСТ 270.

Тривалість випробування (24, 48, 72, 96, 144 або 240 годин) встановлюється в залежності від призначення гуми, температура випробування - в залежності від виду каучуку, з якого виготовлено гуму. Умови прискореного старіння для різних каучуків наведено і таблиці 3.

теплостійкість температура старіння гума

Таблиця 3. Рекомендований температурний режим штучного прискореного старіння для різних гум

Вид каучуку	Температура старіння, єС
НК, СКИ-3	70 ± 1	100 ± 1
СКБ, СКД, СКС, СКМС, СКН, бутилкаучук, наірит	100 ± 1	120 ± 1,5
СКЭП, ХСПЭ, СКБА, СКЭПТ	120 + 1,5	150 ± 1,5
Силоксановий, фторвмісний	200 ± 2,0	250 ± 2,5

За підбору температури випробування необхідно ураховувати температурну область застосування гуми.

Для випробувань на старіння використовують термостат, який складається з нагрівача та робочої камери, з вентилятором для циркуляції нагрітого повітря. Робота нагрівальних елементів автоматично регулюється контактним термометром та реле. В термостаті підтримується температура з точністю до ±1ч2 °С.

Література

1.  Берштейн Л.А. Лабораторный практикум по технологии резины. - Л.: Химия, 1989. - с. 169-182.

2.  Захаров Н.Д. Лабораторный практикум по технологии резины. – М.: Химия, 1988. с. 116-122.