Контрольная работа: Материалы резинового производства

Материалы резинового производства

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

РОССИЙСКИЙ ЗАОЧНЫЙ ИНСТИТУТ ТЕКСТИЛЬНОЙ И ЛЕГКОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ

Филиал в г. Омске

Контрольные работы № 1, 2

Материалы резинового производства

Выполнила:

Студентка 5 курса ХТФ

Специальность 240502

Шифр 0-302059-С

Гостищева А.В.

Проверила:

Киселёва Е. А.

Омск 2007

Содержание

Контрольная работа №1

*Синтетические изопреновые каучуки. Получение молекулярная структура, фракционный состав и физико-химические свойства. Зависимость свойств от структуры.

* Теоретические основы и методы определения упруго-гистерезисных свойств резин в динамических условиях нагружения

Контрольная работа №1

Синтетические изопреновые каучуки. Получение молекулярная структура, фракционный состав и физико-химические свойства. Зависимость свойств от структуры

изопреновый каучук резина упругий

Полиизопрен приближающийся к натуральному каучуку по молекулярному составу, был получен в пятидесятых годах методом ионно-координационной полимеризации. Начиная с 1964 г., когда было организовано промышленное производство синтетического изопренового каучука, потребление натурального каучука в промышленности СССР быстро уменьшается (в 1979 г. оно составляло всего 8%). Доля стереорегулярных изопренового и бутадиенового каучуков в общем объеме производства каучуков в СССР в 1980 г. составила 51%, и более этого количества приходится на синтетический полиизопрен.

Синтетический полиизопрен превосходит природный (натуральный каучук) по чистоте, его состав не зависит от климатических и погодных условий. В синтетическом полиизопрене отсутствуют некаучуковые вещества (природные белковые соединения и др.), обнаруживаются также отличия в составе мономерных звеньев, молекулярной массе, ММР и разветвленное макромолекул. Чаще всего изопреновые каучуки синтезируют на комплексных (СКИ-3) и литийорганических (СКИ-Л) катализаторах. Получаемые продукты содержат 90-93 и 95-98% звеньев цис-1.4 и соответственно более 6 и 2-3% 3,4-звеньев. Оба вида синтетических полиизопренов по стереорегулярности уступают натуральному каучуку, макромолекулы которого содержат близкое к 100% количество цис-1,4-звеньев, присоединенных почти исключительно по типу «голова к хвосту».

Каучук, полученный на литийорганических катализаторах, отличается высокой молекулярной массой (08*106-3*106) и узким ММР (1,05-1,15). Для каучука, полученного на комплексных катализаторах (типа Циглера - Натта), характерна меньшая моле кулярная масса (0,35* 106 -1,3- 106 ) и более широкое ММР (1.4- 1,6). Каучук СКИ-3 содержит 15-40% гель-фракции.

Указанные особенности являются причиной некоторого различия в физических и технологических свойствах синтетического и натурального полиизопренов.

Стереорегулярный изопреновый каучук кристаллизуется при растяжении или понижении температуры, обладает низкой температурой хрупкости (около -70 °С), а вулканизаты его - низкой температурой стеклования (около -58°С). Наличие звеньев 1,2-и 3,4- затрудняет его кристаллизацию. Так, если СКИ-3 при -26 °С все же кристаллизуется при хранении с небольшой скоростью (в течение 140 ч), то изопреновые каучуки, полученные на литийорганическом катализаторе, вообще кристаллизуются только при растяжении. При этом кристаллическая фаза СКИ-Л возникает при значительно большем удлинении, чем для натурального каучука. Температура плавления кристаллитов как натурального, так и синтетического цис-1,4-полиизопренов составляет около 25 °С. Содержание кристаллической фазы в растянутом вулканизате натурального каучука достигает 40%, а синтетического изопренового не превышает 25%. Возможно, меньшая склонность к кристаллизации синтетических полиизопренов (по сравнению с натуральным каучуком) обусловлена не только меньшей регулярностью их строения, но и тем, что в натуральном каучуке содержатся некаучуковые вещества, являющиеся зародышами кристаллизации.

По химической активности синтетический цис-1,4-полиизопрен аналогичен натуральному каучуку. Из СКИ-3, в частности, полу чают хлоркаучук и циклокаучук с такими же свойствами, как и из натурального каучука.

Стереорегулярный цис-1,4-изопреновый каучук, приближающийся по строению и свойствам к натуральному, выпускается как каучук общего назначения (в СССР это главным образом СКИ-3 и его разновидности) для изготовления широкого ассортимента резиновых изделий.

Для резиновых смесей на основе синтетического полиизопрена характерна пониженная когезионная прочность, что затрудняет сборку многослойных резиновых изделий и препятствует полной замене натурального полиизопрена на синтетический. Это объясняют пониженной скоростью кристаллизации синтетического полиизопрена, а также отсутствием в макромолекулах последнего полярных функциональных групп, имеющихся в молекулах натурального, каучука.

Для повышения прочности резиновых смесей на основе синтетического полиизопрена предложено большое число методов модификации каучука в процессе его получения и при изготовлении резиновых смесей. В настоящее время организован промышленный выпуск когезионнопрочного каучука СКИ-3-01, представляющего собой серийный каучук СКИ-3, в молекулы которого введены полярные функциональные группы.

. Теоретические основы и методы определения упруго-гистерезисных свойств резин в динамических условиях нагружения

При эксплуатации таких изделий, как амортизаторы, шины, приводные ремни, транспортерные ленты и др., резина подвергается знакопеременным деформациям, амплитуда которых значительно меньше, чем удлинение резин при разрыве. Для оценки поведения резин в таких условиях недостаточно прочностных и усталостных характеристик.

Выбор резин с оптимальными свойствами применительно к конкретным особенностям динамического режима, реализуемого при эксплуатации того или иного изделия, должен базироваться на знании комплекса показателей, характеризующих:

) взаимосвязь между напряжением и деформацией при циклическом нагружении (упруго-гистерезисные свойства);

) взаимосвязь между динамическими напряжениями и выносливостью резин, т.е. числом циклов нагружения, которое может выдержать образец данного материала, не разрушаясь (усталостно-прочностные свойства).

УПРУГО-ГИСТЕРЕЗИСНЫЕ СВОЙСТВА

Простейшим видом нагружения, который реализуется на практике и используется в большинстве приборов для определения динамических свойств, является гармонический синусоидальный режим.

При симметричном цикле могут быть реализованы три режима: за данной амплитуды деформации (ε0 = const), заданной амплитуды напряжения (f = const) и заданной энергии цикла динамического нагружения (W0 = const). Для характеристики симметричного цикла достаточно указать частоту и амплитуду гармонически изменяющегося напряжения или деформации.

Для характеристики несимметричного цикла наряду с частотой и амплитудой переменной составляющей следует указать заданное значение средней статической составляющей напряжения (f) либо деформации (έ)

В случае несимметричного цикла следует различать режимы, в которых задано:

1)         среднее έ и амплитудное ε0 значения деформаций;

)           среднее f и амплитудное f 0 значения напряжений;

)           среднее f значение напряжения и амплитудное ε0 значение деформации

)           среднее έ значение деформации и амплитудное f0 значение напряжения.

Выбор режима испытания зависит в первую очередь от вязкоупругих свойств резины.

При гармоническом синусоидальном режиме нагружения напряжение изменяется во времени по закону

= f0 sinω t                                                                             (.1)

гдеf - амплитудное значение напряжения; t - время; ω - круговая частота, связанная с периодом колебания нагрузки соотношением

В связи с релаксационной природой эластичности резин деформация, соответствующая данному напряжению, развивается не сразу, а через какое-то время. Деформация сдвинута по фазе от напряжения. Ее изменение во времени описывается уравнением

ε = ε0 sin ( ωt - φ ),                                                      (.2)

где ε0 - амплитудное значение деформации; φ- угол сдвига фаз. Для количественной оценки упруго-гистерезисных свойств используют следующие показатели.

Динамический модуль Е, представляющий собой отношение амплитуды напряжения к амплитуде деформации (Е=f0/ε0 ), характеризующий динамическую упругость резины.

Угол сдвига фаз , его также называют углом потерь (sinφ = Е"/Е; tg φ = Е"/Е') (см. рис.1).

Следствием сдвига фаз между напряжением и деформацией является динамический гистерезис q, приводящий к механическим потерям и теплообразованию при циклическом нагружении. Механические потери пропорциональны углу сдвига фаз

 = π f0ε0sinφ                                                (3)

Наибольший интерес представляет комплексный динамический модуль, применение которого основывается на широко распространенном методе описания колебательных процессов с помощью комплексных чисел.

Физической основой метода комплексных параметров является разложение периодической функции, описывающей циклическое нагружение, на две составляющие: одну - совпадающую по фазе с функцией деформации, другую - сдвинутую относительно нее на угол π/2. Вещественная Е' и мнимая Е" составляющие комплексного динамического модуля Е есть коэффициенты пропорциональности между соответствующими амплитудными значениями напряжения и деформации (рис.1). Динамический модуль или коэффициент пропорциональности между амплитудой напряжения и амплитудой деформации (сдвинутой относительно напряжения на уголφ) выражается через компоненты комплексного модуля соотношением

Е* = Е' +iЕ" = Еcosφ + E"sinφ ,                  (4)

где

или на основании известной формулы Эйлера

Е* = Ееiφ ,                                                    (5.)

где Е = |Е*| = (Е')2 + (Е")2 .

Если в формулу q = π f0ε0sinφ подставить значение sinφ= Е"/Е и учесть, чтоf0 = Еε0, то получим q = 2π Е"ε20, откуда следует, что мнимая составляющая комплексного динамического модуля характеризует способность резины к рассеянию упругой энергии при циклической деформации, т.е. внутреннее трение. Поэтому часто мнимая составляющая комплексного динамического модуля называется модулем потерь.

Таким образом, метод комплексного модуля позволяет характеризовать упруго-гистерезисные свойства двумя независимыми показателями Е' и Е", один из которых Е' (модуль накопления) характеризует только упругость, другой Е" (модуль потерь) - только внутреннее трение.

Графическая связь между напряжением f и деформацией ε при гармоническом режиме изобразится замкнутой эллиптической петлей, площадь которой пропорциональна механическим потерям цикла и поэтому носит название гистерезисной петли или петли гистерезиса (рис.2).

При негармоническом режиме нагружения для характеристики упруго-гистерезисных свойств используются дополнительные показатели: относительный гистерезис Г и модуль внутреннего трения К.

Относительный гистерезис есть отношение механических потерь к полной энергии цикла W

Г=q/W=2q/Eε20.                                          (6)

К = 2q/ε0 .                                                    (7)

Между всеми этими характеристиками существуют простые соотношения.

Влияние условий погружения на упруго-гистерезисные свойства

Для резины, как и для всех полимерных материалов, характерна зависимость деформационных свойств от температуры и временного режима нагружения.

При повышении температуры динамический модуль уменьшается, относительный гистерезис и tgφ изменяются по кривой с максимумом (рис.3).

Повышение скорости деформирования (частоты деформации) приводит к увеличению динамического модуля (рис 4), причем при изменении температуры происходит смещение кривых Е - lgω вдоль оси частот при сохранении подобия формы кривых.

= C1 (T-Ts)                                                  (8)

C2+T-Ts

где С1 и С2 - константы, зависящие от температуры приведения; Тs - температура опыта; Тs - температура приведения. Обычно Тs = Тc + 50. При такой температуре приведения С1 = 8,86, С2 = 101,6.

Совместное влияние температуры и скорости деформирования выражается безразмерным параметром ωτ (рис. 5).

Физически безразмерный параметр ωτ имеет смысл коэффициента, пропорционального отношению средней продолжительности тепловых колебаний некоторого кинетического элемента структуры (времени релаксации к периоду колебания внешней среды (ω = 1/t) , где t - время воздействия внешней силы).

Зависимость времени релаксации от температуры выражается уравнением

τ = Aexp(UlkT),                                              (9)

где А - константа, имеющая размерность времени и физический смысл времени релаксации при T→∞ и U→∞;Т - абсолютная температура; U- энергия активации процесса релаксации; к - постоянная Больцмана.

Если ωτ>>1 , то реакция на внешнее воздействие не успевает проявиться (высокоэластическая деформация не развивается, материал находится как бы в застеклованном состоянии) и материал ведет себя как упругий. Когда ωτ<<1 , высокоэластическая деформация проявляется наиболее полно и протекает быстро. В промежуточной области, когда значения ωτ соизмеримы с единицей, т.е. при условии τ = t, имеет место переходное состояние, при котором высокоэластическая деформация развивается лишь частично. При этом наблюдается резкое изменение Е'. Естественно, что в этой области сдвиг фаз, а следовательно, и гистерезис - наибольшие, поэтому и наблюдается максимум на кривой Е" -ωτ.

Изменение динамического модуля Е с амплитудой деформации обнаружено в диапазоне частот ω = 20 - 200 Гц. Общая закономерность, наблюдаемая при растяжении, сжатии и сдвиге, такова, что увеличение деформации приводит к снижению как вещественной, так и мнимой составляющей комплексного динамического модуля. При этом характер деформационной зависимости обоих показателей аналогичен, так что их отношение sin φ = E"/E' и относительный гистерезис практически не зависят от величины деформации.

Для характеристики зависимости комплексного динамического мо дуля и его составляющих от амплитуды динамической деформации используется эмпирическое соотношение

Е = E0ε0-n                                                  (10)

где Ео - значение динамического модуля при ε0 = 1; ε0 - амплитуда деформации, %; п- безразмерный коэффициент нелинейности, возможные значения ограничены интервалом 0 < п < 0,6.

Для ненаполненных вулканизатов п ≈ 0,09-0,23; при наполнении n возрастает в 2-3 раза.

Практическая область применимости уравнения ограничивается нижним значением ε0 ≈ 0,5%.

При стационарном гармоническом сдвиге для низких частот и комнатных температур наблюдается (рис. 6) заметное снижение вещественной составляющей G` и экстремальный (с максимумом) характер зависимости мнимой составляющей G" комплексного динамического модуля сдвига от ε0.

Зависимость динамического модуля от амплитуды тем существеннее, чем выше содержание наполнителя в резине. Для ненаполненных резин зависимостью динамического модуля от амплитуды деформации можно пренебречь.

На практике часто приходится сталкиваться с несимметричными циклами нагружения, когда синусоидально изменяющееся во времени напряжение (или деформация) накладывается на уже напряженный (деформированный) материал. Для характеристики несимметричного цикла, помимо амплитудных значений f0 (ε0), нужно знать среднюю (либо так называемую статическую) составляющую напряжения f (или деформации έ).