ЗМІСТ
Вступ
Випробування гум до дії високих температур
1. Визначення теплостійкості гум
2. Випробування гум на стійкість до старіння
Література
Вступ
Тема реферату здисципліни «Контрольякості полімерних матеріалів» «Випробування гум до дії високих температур»
Дисципліна«Контроль якості полімерних матеріалів» дає знання про те, якими методамиоцінюють якість матеріалів, з яких виготовляють полімерні вироби. Властивостіполімерних 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 іншогоматеріалу, а також з розрахунками кількісних показників якості.
Матеріалдисципліни базується на вивченні хімії і фізики полімерів, прикладної механіки.
Випробування гумдо дії високих температур
1.Визначеннятеплостійкості гум
Теплостійкість або стійкість до дії високихтемператур є важливою властивістю гуми, яка визначає умови її застосування.Резина має низьку теплопровідність, і за високих температур в ній можутьвідбуватись 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 показникигум відрізняються від показників, які добуто за звичайних умов.
Ступінь змінипоказника залежить від природи каучуку, властивостей інгредієнтів, ступенювулканізації. В переважній більшості підвищення температури веде до падінняміцності, твердості, зносостійкості. Для оцінки залежності механічнихвластивостей гуми від температури зразки швидко доводять до температуривипробування та визначають той чи інший фізико-механічний показник. Їхпорівнюють з аналогічними показниками, що одержані за таких же випробувань затемператури 23±2 єС.
Коефіцієнттеплостійкостіза заданої певної температури розраховують як відношення показників:
/>,
де П1 –значення фізико-механічного показника за кімнатної температури;
П2 – значення цього ж показниказа заданої підвищеної температури.
Теплостійкістьвизначається на приладах, що стандартизовані для певного виду випробувань. Такіприлади поміщують в термостат. Головними видами випробування є визначенняміцнісних та еластичних властивостей гуми за заданої температури на розривнихмашинах. Термокамерою звичайно є повітряна термошафа з зовнішнім обігрівомзначної довжини. В випадку відсутності розривної машини з термокамероюдозволяється проводити випробування на зразках, які попередньо прогріваються вокремій термошафі біля розривної машини.
Зразками для визначеннятеплостійкості є двобічні лопатки. Гуму одного й того ж шифру та однаковоїрецептури випробують з двох температур – кімнатної та заданої. За кожноїтемператури випробують не менш 5 зразків. По результатам випробуваннярозраховують середні значення, відбраковуючи показники по допустимомувідхиленню. Розраховують таким чином умовну міцність за розтягу fр, напруження за заданого подовження fе, відносне подовження ер тазалишкове подовження И.
Коефіцієнттеплостійкостігуми, наприклад, за умовною міцністю, розраховують за формулою:
/>,
де fр1 та fр2 – значення показників умовноїміцності за розтягу за кімнатної та заданої температур відповідно.
Коефіцієнт Кт можезмінюватись від 0 до 1. Значення цього коефіцієнта тим більше, чим більшатеплостійкість гуми. Якщо він дорівнює 1, то гума не змінює свою міцність зазаданої підвищеної температури. Таким же чином можна розрахувати коефіцієнттеплостійкості, використовуючи будь-який інший фізико-механічний показник.Одержані результати порівнюють з нормами на дану гуму.
2.Випробуваннягум на стійкість до старіння
Гумовівироби протягом зберігання та експлуатації можуть піддаватись дії різнихфакторів: тепла, світла, іонізуючого випромінювання, агресивних середовищ,ультразвука, електричних розрядів тощо. Під впливом цих факторів самодовільнота незворотно змінюється склад і структура матеріалу, що приводить до змінийого фізико-механічних показників: міцності, еластичності, твердості,теплостійкості, морозостійкості та ін. Зовні ці зміни виявляються в появілипкості, підвищенні твердості, утворенні и тріщин, зміні кольору тощо.
Процеснезворотної зміни властивостей гум, що викликаний, дією різних немеханічнихфакторів в сукупності або окремо, називається старінням.
Якправило, на практиці старіння відбувається за одночасної дії кількох факторів(світла, тепла, електричних розрядів та ін.). Однак для полегшення дослідженняпроцеси старіння звичайно поділяють згідно з одним фактором на теплове,світлове, озонне, корозійне, радіаційне та ін.
Тепловестаріння.
Припідвищеній температурі під дією тепла валентні зв’язки структурної сітки гумислабнуть та можуть розірватись. Інтенсивність цього явища залежить головнимчином від типу поперекових зв’язків тримірної сітки, тобто від хімічної природивулканізуючих агентів і способу вулканізацій та від природи молекулярнихланцюгів, а остаточно, від типу каучуку.
Врезультаті розриву валентних зв’язків утворюються вільні макрорадикали, якіможуть спричинити або подальший розпад просторової структури гуми — процес деструкції, абозбільшення «густини» просторової сітки — процес структурування. Звичайнодеструкція та структурування відбуваються одночасно. Перевага того чи іншогопроцесу залежить від виду каучуку і складу гумової суміші, а також відтривалості теплової дії.
Кисеньповітря дуже енергійно активізує процес деструкції молекулярних ланцюгівкаучуку, тому за відсутності повітря теплове старіння менш інтенсивно.Прикладом може служити суттєва різниця в степеню теплового старіння тавнутрішніх шарів покришок. В той час, як зовнішні шари, які знаходяться вповітряному середовищі, піддаються значному тепловому старінню, внутрішні шари,до яких доступ повітря утруднений, майже не змінюють властивостей.
Длязменшення теплового старіння до гум добавляють речовини, які уповільнюютьпроцеси деструкції та структурування: антиоксиданти та термостабілізатори.
Світловестаріння.
Під дією світлавідбувається розрив валентних зв’язків через поглинання енергії світловихквантів /> (де/> - постійна Планка; /> - частота коливань світловоїхвилі).
Світлостійкістьгуми залежить не стільки від природи каучуку, скільки від оптичних властивостей(здатності поглинати, віддзеркалювати або розсіювати світлові хвилі)інгредієнтів та домішок, які вміщує гума..
Дляпідвищення світлостійкості до гум додають фотостабілізатори(протисвітлостарювачі). Звичайно це органічні барвники, які поглинають абовіддзеркалюють найбільш шкідливу короткохвильову частину світлового спектра(випромінювання з максимальною енергією).
Важливовідзначити, що темні гуми під дією світла розігріваються. Це викликає надодаток до світлового старіння ще й теплове. Тому темні гуми потребують спеціальногосвітлозахисту.
Озоннестаріння.
Піддією озону, який присутній в повітрі в невеликій кількості, змінюєтьсяструктура поверхневих шарів гуми, що виявляється в появі тріщин — озонне розтріскування.
Швидкістьозонного старіння визначається швидкостями дифузії озону та його хімічноївзаємодії з гумою. В розтягнуту гуму доступ озону значно полегшений і старінняголовним чином залежить від швидкості хімічної взаємодії. Тому інтенсивністьозонного розтріскування у розтягнутих гум більше, ніж у недеформованих.
Длязахисту від озонного старіння використовують сумісно фізичні та хімічніпротистарювачі. Фізичні протистарювачі (воски, парафіни, церезини), мігруючи наповерхню гуми, створюють на ній непроникну для озону плівку. Хімічніпротистарювачі (наприклад, продукт 4010 NA, сантофлекс AW) різко гальмуютьпроцес старіння, вступаючи в реакцію з озоном та продуктами його взаємодії згумою.
Підвищеноюстійкістю до озонному старіння характеризуються гуми на основі силіконового,хлоропренового, фтор- и бутилкаучуків.
Корозійнестаріння.
Цейвид старіння спостерігається за дії на гуму різних агресивних середовищ(кислот, сірководню тощо).
Замеханізмом та швидкістю перебігу корозійне старіння аналогічне озонному.
Радіаційнестаріння.
Вивченнярадіаційного старіння за нашого часу має дуже велике значення в зв’язку зінтенсивним розвитком ракетобудування, космічного приладобудування, освоєння тавикористання атомної енергії, де широко застосовуються різні гумові вироби.
Прирадіаційному опромінюванні в гумах з’являються вільні радикали, перебігаютьреакції рекомбінації та утворюються більш зшиті просторові структури.
Радіаційнестаріння залежить переважно від хімічної природи каучуку. Найбільш стійкі дорадіацій гуми на основі бутадієн-стирольного каучуку.
Характеристикистійкості гум до дії різних факторів старіння наведені в таблиці 1.
Впливмеханічної дії на старіння гуми.
Зазберігання, а тим більше за експлуатації, гумові вироби залежно від призначенняпіддаються різним механічним діям. Статичні деформації розтягу та особливобагаторазові деформації сприяють розриву валентних зв’язків і, внаслідок цього,прискорюють процес старіння гуми. Статичні деформації стиску не інтенсифікуютьпроцес старіння, однак його механізм відрізняється від механізму старіннянедеформованих гум. Таким чином, на старіння гум чинить вплив вид та характердеформації.
Методивипробування гум на старіння.
Старіннягум — фактор, що визначаєдовгочасність та надійність гумових виробів. За нашого часу до довговічностівиробів ставляться дуже великі вимоги, тому випробування на старіння, якідозволяють встановлювати гарантійні строки експлуатації та зберігання гумовихвиробів, підібрати оптимальні рецептури для гум, які працюють в різних умовах,набувають особливе значення та актуальність.
Таблиця1. Характеристика стійкості гум до старіння
Умовніпозначки оцінки стійкості гум до старіння
ДП — дуже погана; Д — добра; П — погана; ДД — дуже добра; ЗД — задовільна; Відм — відміннаВид 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
Методивипробувань поділяються на
1)методи природного старіння та
2)методи штучного старіння. Обидва методи передбачають, в свою чергу,випробування гум в вільному та деформованому стані.
Методиприродного старіння.
Підприродним старінням розуміють зміну фізико-механічних властивостей гум при діїумов, в яких відсутні будь-які фактори, що штучно прискорюють процес старіння.Випробування на природне старіння можна проводити як в термостаті, так і ватмосфері.
Методстаріння 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 старіннявід 3 до 24 місяців, а іноді і більше.
Післявстановленого строку старіння визначають міцнісні показники зразків тапорівнюють їх з відповідними характеристиками вихідних зразків. По середнімрезультатам обчислюють коефіцієнти старіння. Якщо для гум важливо оцінити змінупри старінні інших показників, наприклад, морозостійкості, діелектричних властивостей,то коефіцієнти старіння знаходять по цим показникам.
Коефіцієнтистаріння визначають по формулі:
/>,
где /> и /> - фізико-механічний показник гуми відповідно до та пічокстаріння.
Коефіцієнтистаріння для стандартныхгум на основі різних каучуків наведені в таблиці 2. Головною причиною різноїстійкості до теплового старіння є різна хімічна будова макромолекулеластомерів. Наявність великої кількості подвійних зв’язків погіршує стійкість достаріння, а атомів фтору, хлору, силіцію тощо – підвищує її.
Заатмосферного старіння оцінюють здатність гум до зберігання або експлуатації вприродних кліматичних умовах при дії сонячної радіації, вологи, температури,вітру, складу навколишнього повітря. Умови випробувань повинні відповідатитаким, в яких буде зберігатись або експлуатуватись гума. Тому випробуванняпроводять як на відкритих, незахищених площадках, так і на площадках, якізахищені від прямого попадання вологи та и сонячного світла (будки, навіси і т.ін.). Якщо передбачено зберігання і експлуатація гум в конкретній кліматичнійзоні, то випробування проводять в місцях з найбільш жорсткими для даноїкліматичної зони умовами. Умови природного старіння, які створюється на такихвідкритих площадках, відповідають умовам експлуатації гумових виробів.
Таблиця2. Стійкість до теплового старіння наповнених (сажових) гумМарка 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
Випробуютьяк недеформовані гуми в формі пластин розміром 150X 150X1 мм, так і статичнорозтягнуті гуми в формі смужок розміром 10X100X 1 мм. Підготовка та установказразків повинна відповідати вимогам методу випробування на атмосферне старіння(ГОСТ 1140).
Стійкістьдо старіння недеформованих гум оцінюють по строкам появи певних дефектів(липкості, плям, тріщин и т. ін.) та по коефіцієнтам старіння, які визначаютьна зразках по ГОСТ 270, що викарбовано з пластин, які піддали старінню.
Стійкістьдо старіння розтягнутих гум характеризують проміжком часу від початкувипробування до появи перших тріщин, до розриву або до появи інших дефектів.Крім того, проводять оцінку тріщин (в балах) на ділянці, яка найбільшпостраждала, за спеціальною шкалою, що ураховує частоту та глибину тріщин.
Результатистаріння оцінюють через певні строки (в залежності від завдання) в інтервалівід кількох місяців до 10 років від початку випробування.
Основнийнедолік методів природного старіння — тривалість. Тому на практиці часто користуються більшкороткочасними методами штучного старіння. Однак природне старіння дає точнуоцінку стійкості гуми до старіння в конкретних кліматичних умовах.
Накопиченняданих по природному старінню гум має велике значення для перерахунку строківштучного старіння на відповідні строки природного старіння (методекстраполяції).
Методиштучного старіння.
Підштучним старінням розуміють зміну фізико-механічних властивостей гуми внаслідокдії факторів, які прискорюють процес старіння (нагрів, підвищені концентраціїозону або кисню, ультрафіолетове опромінювання тощо).
Існуєряд методів прискореного старіння гуми: теплове, озонне, світло-озонне та т.Ін.
Методиштучного старіння дозволяють викликати в гумі за короткий строк зміни, якіз’являються в ній при природному старінні через декілька років. Якщо,наприклад, зміна властивостей гуми в процесі витримки протягом 3 діб при 100°Сідентично зміні її властивостей за атмосферного старіння протягом 5 років,можна вважати, що даний режим прискореного старіння відповідає п’ятирічномустроку зберігання гуми в атмосферних умовах. Для нових розроблених гум дані, поприродному старінню яких ще відсутні, використовують дані штучного зберіганнянайбільш близьких по складу гум.
Вповітряному середовищі, в кисневому середовищі, під тиском та в інертномусередовищі можна проводити прискорене теплове старіння. Випробування гуми внедеформованому стані на прискорене теплове старіння в повітряному середовищі(ГОСТ 271) складається з витримки зразків в термостаті за температури в межахвід 70 до 250°С протягом заданого часу та визначення коефіцієнтів старіння. Зразкимають форму стандартних двобічних лопаток по ГОСТ 270.
Тривалістьвипробування (24, 48, 72, 96, 144 або 240 годин) встановлюється в залежностівід призначення гуми, температура випробування — в залежності від виду каучуку,з якого виготовлено гуму. Умови прискореного старіння для різних каучуківнаведено і таблиці 3.
теплостійкість температура старіння гума
Таблиця3. Рекомендований температурний режим штучного прискореного старіння для різнихгумВид 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
Запідбору температури випробування необхідно ураховувати температурну областьзастосування гуми.
Для випробуваньна старіння використовують термостат, який складається з нагрівача та робочоїкамери, з вентилятором для циркуляції нагрітого повітря. Робота нагрівальнихелементів автоматично регулюється контактним термометром та реле. В термостатіпідтримується температура з точністю до ±1ч2 °С.
Література
1. Берштейн Л.А. Лабораторныйпрактикум по технологии резины. — Л.: Химия, 1989. — с. 169-182.
2. Захаров Н.Д. Лабораторныйпрактикум по технологии резины. – М.: Химия, 1988. с. 116-122.