UA-75651220-1

Гума. Її властивості та застосування

Для запобігання (зменшення) витіканню рідин і газів через нещільність між рухомими і нерухомими деталями машин та елементами конструкцій застосовують прокладні й ущільнювальні матеріали. Найпоширенішими з них є прокладки, набивки, манжети і сальники, а галузі їх застосування - машинобудування, комунальне господарство, турбобудування, виробництво компресорів тощо. Матеріали такого призначення повинні мати достатню міцність, високу деформівність, еластичність, корозієстійкість, а також низку специфічних властивостей, наприклад антифрикційні властивості для деталей, які працюють в умовах тертя. Вони можуть бути металевими, неметалевими і композиційними.

Гума є продуктом хімічного перетворення (вулканізації) суміші каучуку та сірки з різними добавками (рис. 1.4.7). Одним із призначень гумових деталей у машинобудуванні є ущільнювання.
Рис. 1.4.7. Хімічний склад гуми
Сукупність технічних властивостей гумових матеріалів дозволяє застосовувати їх для амортизації та демпфірування, ущільнення і герметизації в умовах повітряних і рідких середовищ, хімічного захисту деталей машин, трубопроводів, шлангів, для покришок і камер коліс літаків та автотранспорту тощо. Номенклатура гумових виробів налічує понад 40 000 найменувань.

Основою гуми є натуральний (НК) або синтетичний (СК) каучук, який визначає основні властивості гумового матеріалу. Для покращання фізико-механічних властивостей до каучуку додають різні добавки.

Вулканізуючі речовини (агенти). Найчастіше як вулканізуючі речовини застосовують сірку і селен, іноді - перекиси. Для гуми електротехнічного призначення замість елементарної сірки (яка взаємодіє з міддю) застосовують органічні сірчисті сполуки - тіурам.

Антиоксиданти - речовини, що сповільнюють процес старіння гуми, який призводить до погіршення її експлуатаційних властивостей. Для цього використовують парафін і віск, які утворюють поверхневі захисні плівки.

Пластифікатори (розм’якшувачі) полегшують переробку гумової суміші, збільшують еластичні властивості каучуку, підвищують морозостійкість гуми. Як розм’якшувачі в гуму вводять парафін, вазелін, стеаринову кислоту, бітуми, дибутилфталат, рослинні олії. Кількість розм’якшувачів становить 10-30 % від маси каучуку.

Наповнювачі за впливом на каучук поділяють на активні (підсилюючі) та неактивні (інертні). Активні наповнювачі (вуглецева та біла сажа, кремнієва кислота, оксид цинку й інші) підвищують механічні властивості гум: міцність, опір стиранню, твердість. Неактивні наповнювачі (крейда, тальк, барит) вводяться для здешевлення вартості гуми.

Часто до складу гумової суміші вводять продукт переробки старих гумових виробів і відходів гумового виробництва (регенерат). Окрім зниження вартості, регенерат підвищує якість гуми, знижуючи її схильність до старіння.

Барвники мінеральні або органічні вводять для забарвлення гум. Деякі барвні речовини (білі, жовті, зелені) поглинають короткохвильову частину сонячного спектра і цим захищають гуму від світлового старіння.

Основним компонентом гуми, крім каучуку, є сірка. Залежно від кількості сірки, що вводиться в гуму, одержують різну частоту сітки полімеру. При введенні 1-5 % сірки утворюється рідка сітка і гума виходить високоеластичною, м’якою. Зі збільшенням відсоткового вмісту сітчаста структура стає все щільнішою, а гума - твердішою. При максимально можливому (30 %) насиченні каучуку сіркою твердий матеріал має назву ебоніт. Залежність типу отриманої гуми від кількості сірки наведено на рис. 1.4.8.
Рис. 1.4.8. Залежність типу отриманої гуми від кількості сірки:
1 - гума; 2 - напівебоніт; 3 - ебоніт
Гуми загального призначення. До таких гум належать вулканізати неполярного каучуку - натуральний каучук (НК), синтетичний каучук бутадієновий (СКБ), бутадієн-стирольний каучук (БСК), синтетичний каучук ізопреновий (СКІ).

Натуральний каучук (НК) є полімером ізопрену (С5Н8)n. Розчиняється він у жирних і ароматичних розчинниках (бензині, бензолі, хлороформі, сірковуглеці тощо), утворюючи в’язкі розчини, що використовують як клеї. При нагріванні вище 80-100 °С каучук стає пластичним і при 200 °С починає розкладатися. При -70 °С НК стає крихким. Для отримання гуми НК вулканізують сіркою. Такі гуми характеризуються високою еластичністю, міцністю, водо- і газонепроникністю, високими електроізоляційними властивостями.

Синтетичний каучук бутадієновий (СКБ) отримують за методом Лебедєва. Формула полібутадієну - (С4Н6)n. Це некристалічний каучук, що має низьку межу міцності при розтягу. У гуму на його основі необхідно вводити підсилювальні наповнювачі (сажу, оксид, цинк та інші). Морозостійкість СКБ невисока (-40--45 °С). Розбухає він у тих же розчинниках, що і НК.

Бутадієн-стирольний каучук (БСК) отримують при спільній полімеризації бутадієну (С4Н6) і стиролу (СН2 = СН-С6Н5). З такого каучуку отримують гуми з високим опором старінню, які добре працюють в умовах циклічних деформацій. За газонепроникністю та діелектричними властивостями вони рівноцінні гумам на основі НК. Каучук СКС-10 можна використовувати при температурах -74--77 °С.

Синтетичний каучук ізопреновий (СКІ) - це продукт полімеризації ізопрену С5Н8. Отримання СКІ стало можливим у зв’язку з використанням нових видів каталізаторів (наприклад, літію). За будовою, хімічними та фізико-механічними властивостями СКІ близький до натурального каучуку.

Гуми загального призначення можуть працювати в середовищі води, повітря, неконцентрованих розчинів кислот і лугів. Інтервал робочих температур становить від -35--50 до 80-130 °С. З таких гум виготовляють шини, паси, шланги, транспортерні стрічки, ізоляцію кабелів, різні гумотехнічні вироби.

Із азбесту, каучуку і наповнювачів виготовляють пароніт, що широко застосовується для ущільнення фланцевих з’єднань трубопроводів. Його види:
   - пароніт загального призначення - ПОН, ПОН-Б, ПОН-В;
   - армований сіткою (фероніт) - ПА;
   - мастилобензостійкий - ПМБ, ПМБ-1;
   - кислотостійкий - ПК;
   - електролізний - ПЗ.

Азбест - природний мінерал світло-сірого кольору, волокнистої структури, що легко розщеплюється на тонкі, гнучкі та міцні волокна товщиною, яка вимірюється частками мікрометра. Складається азбест з кремнезему і невеликої кількості окису заліза й окису кальцію. Для нього характерні висока вогнестійкість (витримує температуру до 500 °С), мала тепло- й електропровідність. На його основі виготовляють мастилобензостійкі, термостійкі, діафрагмові, електроізоляційні матеріали у вигляді:
   - паперу - БК, БД, БТ, БГ-К, БГ-М;
   - картону - КАОН-1, КАОН-2, КАП;
   - листа - ЛА-1, ЛА-1А, ЛА-2, ЛА-ЗА, ЛА-ЗБ;
   - тканини - АТ-1, АТ-2, ... АТ-11, АСТ-1, АЛТ-1, АЛТ-2;
   - набивки - АС, АП, АПР, АПС, АМБ, АПП, АГ, АФТ, АФВ, ПАФ, АПРПП;
   - шнура - ШАОН, ШАИ-1, ШАИ-2, ШАМ, ШАП-1, ШАП-2, ШАГ, ШАТ, ШАВТ, ШАПТ.

Їх широко використовують для виготовлення прокладок у гарячих стиках типу головка - блок циліндрів, головка - випускний колектор двигунів внутрішнього згоряння, для ізоляції гарячих труб і печей, виготовлення манжетів і рукавів, а також пошиття спеціального захисного одягу, виробництва азботекстолітів та ін.

Технічну повсть виготовляють способом звалювання шерстяних, рідше мінеральних чи синтетичних волокон або мінеральної вати на бітумній зв’язці. Розрізняють три групи повсті: грубошерсту - Г; напівгрубошерсту - П і тонкошерсту - Т. Залежно від призначення повсть може бути для сальників - О, прокладок - ПрП і ПрБ, фільтрів - Ф, звуко- і теплоізоляції - Й.

Папір - листовий матеріал, що виготовляється з рослинних волокон і целюлози. Целюлоза - рослинні волокна, очищені від смол та інших компонентів.

Паперові матеріали товщиною до 0,25 мм і масою до 250 г/м2 умовно належать до паперу, а спеціально оброблена продукція товщиною 0,25-3,0 мм і більшою густиною - до картону.

Прокладний картон марки А - просочений і марки Б - непросочений постачають у листах і рулонах. Використовують його для прокладок у фланцевих та інших з’єднаннях. Для фільтрувальних елементів, призначених для очищення і зневоднення мастил у карбюраторних і дизельних двигунах, застосовують фільтрувальний картон ПВК, ПВК-П і КФР, а також папір БФМ. Як прокладний матеріал у парових турбінах, кисневому обладнанні, гідравлічних пресах, карбюраторах, масло- і маслопроводах застосовують фібру ФПК, КГФ, ФКДТ, з якої виготовляють шайби, прокладки і втулки. Її одержують просочуванням спеціального паперу-основи хлористим цинком і наступним формуванням під тиском при підвищеній температурі до одержання напівфабрикатів або готових виробів. Характеризується високою міцністю і добре піддається механічній обробці, мастило- і бензостійка. Основним недоліком фібри є висока гігроскопічність, що різко знижує її властивості.
При виготовленні гуми та гумових виробів спочатку отримують сиру гуму (суміш усіх цих речовин), після чого виконують вулканізацію при 145-150 °С. При вулканізації змінюється молекулярна структура полімеру (утворюється просторова сітка), що приводить до зміни його фізико-механічних властивостей: різко зростає міцність на розтяг і еластичність каучуку, а пластичність майже повністю втрачається (наприклад, натуральний каучук має σв = 1,0-1,5 МПа, після вулканізації σв = 35 МПа). Крім того, збільшується твердість та опір зношуванню.

Гума як технічний матеріал відрізняється від інших матеріалів високою еластичністю, яка властива каучуку - основному вихідному компонентові гуми. Вона здатна до дуже значних деформацій (відносне видовження перевищує 1000 %), які майже повністю зворотні. При кімнатній температурі гума перебуває у високоеластичному стані, її еластичні властивості зберігаються в широкому діапазоні температур. Особливістю гуми як технічного матеріалу є релаксаційний характер деформації. При кімнатній температурі час релаксації може становити 4-10 с і більше.