В чем отличие резины от каучука
Содержание
Резина
Кроме сложных веществ наподобие полиэтиленов, представляющих из себя высокомолекулярные полимеры, существует класс химических веществ, который образован сопряжёнными диенами.
После процесса полимеризации диенов образуются новые химические вещества, имеющие высокомолекулярную структуру, называемые каучуками.
Каучук был уже известен в конце 15 веке в северной Америке. Именно индейцы в то время использовали его для изготовления обуви, небьющихся вещей и посуды. А получали тогда его из сока растения гевеи, который называли – «слёзы дерева».
Что касается европейцев, то о каучуке узнали впервые только в момент открытия Америки. Именно Кристофор Колумб первым узнал о его свойствах и получении. В Европе каучук долгое время не мог найти себе применение. В 1823 г в первые было предложено использование этого материала для изготовления водонепроницаемых плащей и одежды. Каучуком и органическим растворителем пропитывали ткань, таким образом, ткань приобретала водостойкие свойства. Но, конечно же, был замечен и недостаток, который заключался в том, что ткань, пропитанная каучуком, прилипала в жаркую погоду к коже, а при морозе – растрескивалась.
Отличие каучука и резины
Через 10 лет после первого применения натурального каучука и более детального изучения его химических физических свойств было предложено вводить каучук в оксиды кальция и магния. А ещё через 5 лет после изучения свойств нагретой смеси оксидов свинца и серы с каучуком научились получать резину. Сам процесс превращения каучука в резину назвали вулканизацией.
Конечно же, каучук отличается от резины. Резина – это «сшиты» полимер, который способен распрямляться и снова сворачиваться при растяжении и при действии механической нагрузки. Резина – это также «сшитые» макромолекулы, которые не способы к кристаллизации при охлаждении и не плавятся при нагревании. Тем самым резина – более универсальный материал, чем каучук, и способен сохранять свой механические и физические свойства про более широком диапазоне температур.
В начале 20 века, когда появился первый автомобиль, спрос на резину значительно возрос. В то же время возрос спрос и на натуральный каучук, так как на тот момент вся резина изготавливалась из сока тропических деревьев. Например, чтобы получить тонну резины, необходимо было обработать почти 3 тонны тропических деревьев, при этом работой было занято одновременно более 5 тысяч человек, причём такую массу резины могли получить только через год.
Поэтому, резина и натуральный каучук считались достаточно дорогим материалом.
Только в конце 20х годов русским учёным Лебедевым С.В. при химической реакции – полимеризации бутадиена-1,3 на натриевом катализаторе были получены образцы первого натрий-бутадиенового синтетического каучука.
Кстати, из курса физики 8-ого класса мы, вероятно, впервые познакомились с эбонитовой палочкой. Но что такое эбонит. Как оказывается, эбонит – это производная от процесса вулканизации каучука: если при вулканизации каучука добавить серу (около 32% от массы), то в результате получается твёрдый материал – этот материал и есть эбонит!
Одним из достаточно дешёвых способов получения бутадиена-1,3, является его получение из этилового спирта. Но только в 30-х годах было налажено промышленное производство каучука в России.
реакция получения бутадиена
В середине 30-х годов 20 века научились производить сополимеры, представляющие полимеризованный 1,3-бутадиен. Химическая реакция производилась в присутствии стирола или некоторых других химических веществ. Вскоре получаемые сополимеры начали с большими темпами вытеснять каучуки, которые ранее широко использовались для производства шин. Каучук бутадиен-стирольный получил широкое применение для производства шин легковых автомобилей, но для тяжёлого транспорта – грузовых автомобилей и самолётов, использовался натуральный каучук (или изопреновый синтетический).
В середине 20 века после получения нового катализатора Циглера — Натты был получен синтетический каучук , который по своим свойствам эластичности и прочности значительно выше, чем все ранее известные каучуки, – был получен полибутадиен и полиизопрен. Но как оказалось, к общему удивлению полученный синтетический каучук по своим свойствам и строению подобен натуральному каучуку! А к концу 20 века натуральный каучук был почти полностью вытеснен синтетическим.
Свойства каучука
Все хорошо знают, что при нагревании материалы способны расширяться. В физике даже имеются коэффициенты температурного расширения, для каждого взятого материала этот коэффициент свой. Расширению поддаются твёрдые тела, газы, жидкости. Но что, если температура увеличилась на несколько десятков градусов?! Для твёрдых тел изменений мы не почувствуем (хотя они есть!). Что касается высокомолекулярных соединений, например полимеров, их изменение сразу становится заметным, особенно если речь идёт об эластичных полимерах, способных хорошо тянуться. Заметным, да ещё к тому же с совсем обратным эффектом!
Ещё в начале 19 века английские учёные обнаружили, что растянутый жгут из нескольких полосок натурального каучука при нагревании уменьшался (сжимался), а вот при охлаждении – растягивался. Опыт был подтверждён в середине 19 века.
Вы сами с лёгкостью можете повторить этот опыт, подвесив на резиновую ленту грузик. Она растянется под его весом. Потом обдуйте её феном – увидите, как она сожмётся от температуры!
Почему так происходит?! К этому эффекту можно применить принцип Ле Шателье, который гласит, что если воздействовать на систему , находящуюся в равновесии, то это приведёт к изменению равновесия самой системы, а это изменение будет противодействовать внешним силовым факторам. То есть если на растянуть под действием груза жгуты каучука (система в равновесии) подействовать феном (внешнее воздействие), то система выйдет из равновесия (жгут будет сжиматься), причём сжатие – действие направлено в обратную сторону от силы тяжести груза!
При очень резком и сильном растяжении жгута он нагреется (нагрев может на ощупь быть и незаметным), после растяжения система будет стремиться принять равновесное состояние и постепенно охладится до окружающей температуры. Если жгуты каучука также резко сжать – охладится, далее будет нагреваться до равновесной температуры.
Что происходит при деформации каучука?
При проведённых исследованиях оказалось, что с точки зрения термодинамики, никакого изменения внутренней энергии при различных положениях (изгибах) этих каучуковых жгутов не происходит. А вот если растянуть – то внутренняя энергия увеличивается из-за возрастания скорости движения молекул внутри материала. Из курса физики и термодинамики известно, что изменение скорости движения молекул материала (тот же каучук) отражается на температуре самого материала.
дальнейшем, растянутые жгуты каучука будут постепенно охлаждаться, так как движущиеся молекулы будут отдавать свою энергию, например, рукам и другим молекулам, то есть произойдёт постепенное выравнивание энергии внутри материала между молекулами (энтропия будет близка к нулю).
И вот теперь, когда наш жгут каучука принял температуру окружающей среды, можно снять нагрузку. Что при этом происходит?! В момент снятия нагрузки молекулы каучука ещё имеют низкий уровень внутренней энергии (они же ей поделились при растяжении!). Каучук сжался – с точки зрения физики была совершена работы за счёт собственной энергии, то есть своя внутренняя энергия (тепловая) была затрачена на возврат в исходное положение. Естественно ожидать, что температура должна понизится, – что и происходит на самом деле!
Резина – как уже говорилось, высокоэластичный полимер. Её структура состоит из хаотично расположенных длинных углеродным цепочек. Крепление таких цепочек между собой осуществлено с помощью атомов серы. Углеродные цепочки в нормальном состоянии находятся в скрученном виде, но если резину растянуть, то углеродные цепочки будут раскручиваться.
Можно провести интересный опыт с резиновыми жгутами и колесом. Вместо велосипедных спиц в велосипедном колесе использовать резиновые жгуты. Такое колесо подвесить, чтобы оно могло свободно вращаться. В случае, если все жгуты одинаково растянуты, то втулка в центре колеса будет расположена строго по его оси. А теперь попробуем нагреть горячим воздухом какой-нибудь участок колеса. Мы увидим, что та часть жгутов, которая нагрелась – сожмётся и сместит втулку в свою сторону. При этом произойдёт смещение центра тяжести колеса и соответственно колесо развернётся. После его смещения действию горячего воздуха подвергнутся следующие жгуты, что в свою очередь приведёт к их нагреванию и снова – к повороту колеса. Таким образом, колесо может непрерывно вращаться!
Это опыт подтверждает факт того, что при нагревании каучук и резина будут сжиматься, а при охлаждении – растянутся!
Чем отличается каучук от резины
Содержание статьи
- Чем отличается каучук от резины
- Как получают каучук
- Как изготавливают шины
Каучук начал применяться с 1823 года в качестве пропитки для плащей, которые изобрел К. Макинтош.
Каучук
Сырье это бывает двух видов: натуральный и искусственный. Натуральный каучук получают из латекса каучуковых растений, которые растут в Латинской Америке, и к ним относятся следующие виды деревьев:
– гевея;
– фикусы каучуковые;
– разновидности ландольфии.
Искусственный каучук называют синтетическим. В его основе лежит синтез изопрена и бутиллития при помощи химического катализатора. При производстве синтетического каучука также используются производные нефти в качестве растворителя. Впервые он был получен в 1920 году, а в 1931 началось его серийное производство в промышленных масштабах. В настоящее время существуют следующие виды синтетических каучуков:
– бутадиен стирольный;
– полибутадиеновый;
– полизопреновый;
– бутилкаучук;
– этилен–пропиленовый;
– хлоропреновый;
– бутадиен – нитрильный.
Резина
Резина получается путем вулканизации каучука и добавлением различных химических элементов, которые призваны повысить прочность материала. Первая резина появилась в 1839 году путем вулканизации под воздействием на каучук серы, при котором на молекулярном уровне происходит укрепление сеточных структур.
При синтезе резины с применением синтетического каучука получается материал, который обладает повышенными качествами стойкости по отношению к агрессивным средам, таким как:
– жидкости с повышенным содержанием октана (бензин, керосин);
– продукты переработки нефти (различного рода масла).
Также у резины намного лучше характеристики по отношению к механическому воздействию на нее со стороны внешних факторов. Она имеет значительно более плотную структуру по отношению к каучуку, за счет чего она получила широкое распространение во всех отраслях народного хозяйства.
Резина в силу ее искусственного происхождения устойчива к различным атмосферным воздействиям. Кроме всего прочего она обладает диэлектрическими свойствами. Но главным отличием натурального и искусственного каучука от резины является повышенная пластичность каучуковой массы. Ее специально добавляют в резину при производстве, чтобы добавить гибкости, тягучести. Каучук в чистом виде почти не используется в виду его небольшой прочности, но зато при добавлении его в резину получается очень прочный, износостойкий материал.
Каучук и каучуковые материалы: резина, эбонит, гуттаперча, балата
Каучук — общее имя, под которым продается продукт коагуляции млечного сока, выделяемого некоторыми тропическими растениями. К числу этих растений относится Бразильская гевея (Hevea brasiliensis) и родственные ей виды. Из гевей как дико растущих, так и плантационных получается около 9/10 мировой добычи каучука.
Плантационный каучук выше по своим качествам, нежели дико растущий. Продажный каучук носит различные названия, наиболее ценный сорт “пара-каучук”. В химическом отношении главной составной частью каучука является углеводород состава ( С10 H16 ) n. В настоящее в больших объемах выпускается искусственный каучука, путем полимеризации изопрена (C5 H8 ) . Каучук растворим в бензине, бензоле, сероуглероде и др.
Еще до открытия Бразилии местные индейцы имели “резиновые мячики”, бутылки из небьющегося материала и пользовались для освещения на праздниках факелами, которые долго горели, но выделили много сажи и имели резкий запах. Они изготовлялись из молочно-белых “слез” дерева кауучу.
Пробы этого материала в виде каучуковых сухих лепешек привез на родину французский исследователь и ученый Шарль Мари де ла Кондамин в 1744 году во время английской морской блокады против Франции. Но промышленное значение каучук получил только после того, как американскому химику Чарльзу Нельсону Гудьиру в 1839 году удалось превратить каучук с серой под действием тепла из пластичного в эластичное состояние (резину).
В результате процесса вулканизации и изготовления эбонита, в 1848 году он стал основателем современной резиновой промышленности. В 1898 году в Акране (Огайо) была основана компания “Goodyear Tire & Rubber”. Еще сегодня она относится к самым крупным производителям изделий из каучука и синтетической резины в мире.
Обработка каучука
В чистом виде каучук не применяется, а предварительно смешивается с различными веществами, из которых главную роль играет сера. Полученная смесь формуется и подвергается вулканизации. Смешение происходит путем перетирания каучука на вальцах, с постепенной подсыпкой того или иного вещества.
В состав каучуковой массы могут входить следующие вещества:
суррогаты каучука (регенерат — старый каучук и фактисы — жирные масла, вулканизированные серой);
наполнители (окись цинка, мел, као л ин и т. п.);
смягчители, прибавляемые при большом проценте наполнителей (парафин, церезин, асфальт и пр.);
В электротехнике применяется мягкий каучук, с большим содержанием наполнителей (до 60% и выше), но с малым содержанием серы, и твердый каучук — роговой каучук, эбонит, с большим содержанием серы.
Резина — смесь каучука с серой, обработанная при повышенной температуре. Чрезвычайно гибкий, эластичный, совершенно водонепроницаемый материал, обладающий высокими изоляционными свойствами. Изготовляется в виде листов различной толщины и широко используется для изоляции проводов. Отрицательные качества — малые теплостойкость и маслостойкость.
Вулканизаци я
Для электротехнических изделий применяется исключительно горячая вулканизация. Температура вулканизации 160 – 170° С для твердого каучука и 125 – 145° С для мягкого. Время вулканизации зависит от рода изделий и их размера.
Для ускорения процесса вулканизации в с месь прибавляют особые вещества органического и неорганического происхождения – ускорители. К таким веществам принадлежат окиси некоторых металлов, а также некоторые сложные органические соединения. У скорители н е только сокращают время вулканизации в 4 – 6 раз, но и дают продукт более однородный и во всех отношениях лучших качеств.
Свойства мятого каучука
Свойства каучука зависят от его сорта, рода наполнителей, количества серы, времени вулканизации и т. д. Увеличение содержания серы увеличивает диэл ектричсекую постоянную и угол потерь. Из примесей наиболее вредно влияет на электрические свойства сажа, наименее — молотый кварц.
Уд ельное об ъ емное сопротивление в среднем составляет 10 14 – 10 16 Ом х с м . Диэл ектричская постоянная от 2,5 до 3. Эл ектрическая прочность составляет для сырого каучука – 24 кВ/мм , для каучука вулканизированного – 38,7 кВ/мм . Тангенс угла потерь для вулканизированного каучука 0,005 – 0 ,02. Уд ельный вес чистого каучука 0,93 – 0,97, каучуковой смеси – 1,7 – 2. Временное сопр отивление пр и растяжении хорошего каучука – 120 кг/см 2 , при чем при разрыве каучук удлиняется в 7 раз.
Мягкий каучук идет, главным образом, н а изоляцию проводников, на выделку трубок, лент, перчаток и т. д. При электромонтажных работах широко применяется изоляционная лента, представляющая собой обычную миткалевую ленту, покрытую с одной стороны каучуковой клейкой массой.
Иначе называется твердым каучуком. Лучшие сорта эбонита содержат 75% чистого каучука и 25% серы. Некоторые сорта содержат, кроме того, регенерат и наполнители. Впрочем, наполнители иногда прибавляются для изменения свойств эбонита в желаемом направлении, напр имер , для увеличения его теплостойкости.
Уд ельное об ъ емное сопротивление лучших сортов эбонита доходит до 10 16 – 10 1 7 Ом х с м. Поверхностное удельное сопротивление до 10 1 5 Ом . Однако, поверхностное сопротивление при длительном действии световых лучей значительно уменьшается. Для уменьшения этого эффекта поверхность эбонита должна быть хорошо полирована.
Старение происходит вследствие выделения из эбонита свободной серы, которая, соединяясь с кислородом воздуха и влагой, дает серную кислоту. Для восстановления поверхности,. эбонит промывается сначала нашатырным спиртом, а затем, многократно, дистиллированной водой.
Электрическая прочность эбоинта составляет от 8 до 10 кВ/мм при толщинах порядка 5 – 10 мм . Временное сопротивление при изгибе от 400 до 1 000 кг /c м 2 . Временное сопротивл е ние при ударном изгибе 5 – 20 (кг х см)/см 2 . Теплостойкость 45 – 55° С.
Предприятия , вырабатывающие эбонит, обычно выпускают несколько сортов его. Чем ниже сорт, тем больше в нем суррогатов каучука и наполнителей. Эбонит имеет весьма широкое применение в электротехнике . Эбонит продается в листах, прутках и трубах.
К специальным сортам эбонита принадлежат а сбестонит и вулкан-асбест. Производство их несколько отличается от производства эбонита,а именно: так как асбестовое волокно совершенно размалывается вальцами, то каучук растворяют в бензияе и затем уже смешивают с асбестом и прочими наполнителями. Такие смеси могут содержать очень мало каучука, до 10%, вследствие чего теплостойкость этих изделий может быть поднята до 160° С.
Эбонитовый порошок используют для изготовления пластмассы, из которой прессуют различные изоляционные детали.
Синтетический искусственный каучук
В современной кабельной промышленности отдается предпочтение не натуральному каучуку, а его синтетическим видам и смесям. Эти смеси придают специфические свойства изолировочному слою и оболочке готовых продуктов (жилы, провода и кабеля). К смесям добавляют присадки, ускоряющие реакцию сшивания, а также цветные пигменты и присадки, защищающие готовый продукт от старения.
Существует несколько видов синтетического каучука – карбоксилатные, полисульфидные, этиленпропимновые и др. Электрические свойства синтетического каучука близки к свойствам естественного, но механические ниже.
Гуттаперча представляет продукт коагуляции млечного сока некоторых растений, произрастающих на островах Малайского архипелага.
Гуттаперча содержит 20 – 30% смол и 70 – 80% каучука с углеводородом и по химическому составу приближается к природному каучуку. Но, так как родственники не всегда похожи друг на друга, гуттаперча тоже ведет себя по-иному, чем натуральный каучук. При температуре 50 – 70 о С гуттаперча становится пластичной, но не эластичной, как каучук, и затвердевает при воздействии холода.
Гуттаперча не вулканизируется. Начинает размягчаться при 37° С, при 60° С становится совершенно пластичной и при 130° С расплавляется. Уд ельное объемное сопротивление 10 14 – 10 16 Ом х с м .
Это один из самых древних электроизоляционных материалов. С 1845 года гуттаперчей изолировались телеграфные провода в Великобритании, в т.ч. для изоляции подводных линий.
Подводный телеграфный кабель 1864 года
В семидесятых годах XIX века появляются первые кабельные заводы за границей и в России. Эти заводы изготовливали главным образом изолированную проволоку для телеграфа и немногие из них — изолированный гуттаперчей подводный телеграфный кабель.
За применение новых сырьевых материалов, как, резины, гуттаперчи, балаты ратовал родившийся в Кельне Франц Клоут (1838 – 1910 гг.), ставший новатором и важнейшим основателем резиновой промышленности в Германии.
С гуттаперчей, как изоляционной облицовкой, эксперименты проводились и Вернером фон Сименсом, который хотел применить ее для подземного кабеля. При проведении трехлетних испытаний по поручению немецкого правительства оказалось, что гуттаперча разрушается натуральными агрессивными веществами земли и теряет через короткое время свои изоляционные качества в грунтовых водах.
В качестве изолятора жил силового кабеля гуттаперча продержалась сравнительно короткое время, так как изоляция на холоде становилась твердой, а под действием тепла мягкой, была дорогостоящей, а поэтому не могла стать идеальной (смотрите – Какие бывают кабельные изделия).
Покрытие кабеля гуттаперчей. Гринвич, 1865-66 годы. Картина Р. Ч. Дадли
Жилы в то время укладывались в трубах из железа и свинца и были обмотаны лентами из хлопка, льна или джута. А в 1882 году появилась идея применения этих материалов для изоляции. Для этого на базе вазелина с добавлением природных смол для сгущения были созданы средства пропитки.
Употребляемый тогда гуттаперчевый пресс превратился в гидравлический свинцовый пресс, с помощью которого непосредственно на жилу накладывалась свинцовая облицовка и отпала необходимость применять железные трубы.
От коррозии облицовка защищалась джутом, пропитанным битумом, который обматывался вокруг кабеля. В качестве механической защиты применялись два оцинкованных железных листа, пропитанных битумом и уложенных внахлестку. Для полной защиты от коррозии их еще раз покрывали джутом, пропитанным битумом.
Битум относится к продуктам, оставлявшим на руках монтеров-прокладчиков подземного кабеля еще многие десятилетия черные следы. Поскольку он, известный как “земная смола” или “горная смола”, добывался как “природный асфальт”, а сегодня выделяется в основном при перегонке нефти в вакууме, применялся еще за 2500 лет до н.э. под названием “асфальта” жителями Мессопотамии для уплотнений между досками палубы их судов. Применялся он и как предшественник линолеума для изоляции полов от проникновения влаги.
Балата
Балата — продукт, родственный каучуку и гуттаперче, добывается в Венесуэле. По свойствам близка к гуттаперче и применяется, как прибавка к ней и к каучуку. Балата содержит больше природных смол, чем каучук и гуттаперча и в отличие от резины не вулканизируется. В большом количестве она применяется в виде пропитки при изготовлении приводных ремней и конвейерных лент.
