Удивительный мир резины

МАОУ «Гимназия № 1» Октябрьского района г. Саратова

Удивительный

 мир

резины

Выполнил: ученик 4 «Б» класса

МАОУ «Гимназия № 1»

Абрамов Владислав

Научный руководитель: Колодезева А.И.

Саратов 2012

СОДЕРЖАНИЕ

Введение                                                                                         3

Основная часть                                                                             3

        История развития резиновой промышленности                                3

       Основные компоненты резиновых смесей                                         9

       Производство резино-технических изделий                                11

Заключение                                                                                 15

Литература                                                                                  16

Введение

В повседневной жизни нас часто окружают предметы, к которым мы привыкли, и без которых не представляем нашего комфортного существования. И порой мы даже не задумываемся, из чего же они сделаны, каково их происхождение. Мячи, воздушные шарики, резиновые сапоги, галоши, подошва обуви, плащи, медицинские или хозяйственные перчатки, поливной шланг, шины автомобилей, электроизоляция, канцелярские ластики, кнопки на пульте дистанционного управления телевизором, разного рода уплотнители… Всё это сделано из РЕЗИНЫ.

Применение резины настолько широко, что трудно найти те отрасли, где не применяются изделия на основе каучуков. Только в одном легковом автомобиле используется до 500 единиц деталей из резины. Это шины, амортизаторы, уплотнители, шланги и многие-многие другие изделия.

Мой дедушка работает техническим директором на заводе по производству РТИ (резино-технических изделий) для автомобильной промышленности, и мне удалось побывать на этом предприятии, ознакомиться, изучить производственный процесс. До посещения завода, я считал, что процесс изготовления резиновых изделий достаточно прост, но, увидев производство, я понял, что это не так.

Изучение данного материала – резины – и есть цель моего исследования.

Основная часть

История развития резиновой промышленности.

Началом развития резиновой промышленности является открытие европейцами натурального каучука.

История открытия и применения. История каучука началась со времен Великих географических открытий. Когда Колумб вернулся в Испанию, он привез из Нового Света множество диковин. Одной из них был эластичный мяч из «древесной смолы», который отличался удивительной прыгучестью. Индейцы делали такие мячи из белого сока растения гевея, растущего на берегах реки Амазонки. Этот сок темнел и затвердевал на воздухе.

Геве́я брази́льская (лат. Hevea brasiliensis) — дерево семейства Молочайные (Euphorbiaceae), основной источник натурального каучука (Приложение 1). Содержание каучука в млечном соке у этого каучукового дерева бассейна Амазонки, достигает 40—50 %. Каучук веками использовался коренными жителями южной Америки, которые протыкали стволы каучуконосных деревьев и собирали стекавшую молокообразную жидкость, сушили ее над огнем или на солнце, а затем изготавливали из получившейся вязкой массы обувь или игрушки. Вскоре после открытия Америки Христофор Колумб отметил в своем дневнике, что гаитянские дети играли интересным пружинящим мячиком, сделанным из этого вещества. По другой версии, мячи считались священными и использовались в религиозных обрядах. У племен майя и ацтеков существовала командная игра с использованием мячей, напоминающая баскетбол. Впоследствии испанцы полюбили играть вывезенными из Южной Америки мячами. Модифицированная ими индейская игра послужила прообразом современного футбола.

Сок гевеи индейцы называли «каучу» – слезы млечного дерева («кау» – дерево, «учу» – течь, плакать). От этого слова образовалось современное название материала – каучук. Кроме эластичных мячей индейцы делали из каучука непромокаемые ткани, обувь, сосуды для воды, ярко раскрашенные шарики – детские игрушки. 

Для получения натурального каучука млечный сок гевеи (латекс) добывают методом подсечки, надрезая кору дерева. В стволе дерева вырубается V-образный клин (Приложение 2), стекающий латекс собирается в специальные коллекторы (Приложение 3). Натуральный латекс, представляющий собой водную эмульсию каучука, содержит 34–37% каучука, 52-60% воды, а также белки, смолы углеводы и минеральные вещества. Собранный латекс из нескольких десятков ёмкостей заливается в большой поддон (Приложение 4), где отстаивается довольно длительное время. В результате отстаивания сок превращается в плотную и очень прочную резиновую массу. Затем эту массу пропускают через пресс, чтобы отжать воду, прокатывают в листы (Приложение 5). Полученный брикет резины высушивается при высоких температурах (сушат и коптят дымом, т.к. копчение предохраняет каучук от окисления и действия микроорганизмов), и масса приобретает более тёмный цвет (Приложение 6). Каучуконосы лучше всего произрастают не далее 10° от экватора на север и на юг, т.к. очень требовательны к тёплому влажному климату и плодородной почве. Полоса шириной в 1300 км по обе стороны от экватора известна как «каучуковый пояс».

Развитие промышленности, начиная с конца XIX века, значительно повысило потребности в каучуке, поэтому кроме лесов бассейна Амазонки появились новые плантации гевей. Молодые деревца из Южной Америки посадили в Малайзии, Индонезии и на острове Цейлон, где они отлично прижились и дают большой урожай. Сейчас 30% производимого в мире каучука собирается на плантациях. Гектар плантаций гевеи бразильской дает от 950 до 2000 кг каучука в год. В настоящее время странами-лидерами в области производства каучука являются Индонезия, Малайзия, Таиланд и Шри-Ланка.

Однако в Европе забыли про южноамериканскую диковинку до XVIII века, когда члены французской экспедиции в Южной Америке обнаружили дерево, выделяющее удивительную, затвердевающую на воздухе смолу, которой дали название «резина» (по латыни resina – смола). В 1738 французский исследователь Ш. Кондамин представил в Парижской академии наук образцы каучука, изделия из него и описание способов добычи в странах Южной Америки. С тех пор начались поиски возможных способов применения этого вещества. Во Франции изобрели удобные подтяжки и подвязки из сплетенных с хлопком резиновых ниток. А после 1823, когда шотландец Ч. Макинтош придумал прокладывать тонкий слой резины между двумя кусками ткани, начался настоящий «резиновый бум». Непромокаемые плащи из этой ткани, которые стали называть в честь их создателя «макинтошами», получили широкое распространение. Примерно в то же время в Америке стало модно в дождливую погоду поверх башмаков носить неуклюжую индейскую резиновую обувь – галоши.

Огромную, хоть и недолгую популярность в Европе и Северной Америке резиновые изделия получили после того, как англичанин Чаффи изобрел прорезиненную ткань. Он растворял сырую резину в скипидаре, добавлял сажу и, с помощью специально сконструированной машины, наносил тонкий слой смеси на ткань. Из такого материала делали не только одежду, обувь и головные уборы, но и крыши домов и фургонов.

Однако у изделий из прорезиненной ткани был большой недостаток – эластичность каучука проявляется лишь в небольшом интервале температур, поэтому в холодную погоду резиновые изделия твердели и могли растрескаться, а летом размягчались, превращаясь в липкую, издающую зловоние массу. Одежду и обувь на лето приходилось прятать в прохладный погреб, с прорезиненными крышами было хуже – приходилось терпеть неприятные запахи. Энтузиазм по поводу нового материала быстро иссяк. А когда однажды в Северо-Американских Соединенных Штатах выдалось жаркое лето, наступил кризис резиновой промышленности – вся ее продукция превратилась в мерзко пахнущий кисель. Фирмы по производству резины разорились.

И все бы забыли про макинтоши и галоши, если бы не американец Чарльз Нельсон Гудьир (Приложение 7), который верил, что из каучука можно создать хороший материал. Он посвятил этой идее несколько лет и потратил все свои сбережения. Современники смеялись над ним: «Если вы увидите человека в резиновом пальто, резиновых ботинках, резиновом цилиндре и с резиновым кошельком, а в кошельке ни единого цента, то можете не сомневаться – это Гудьир». Однако Гудьир упорно смешивал каучук со всем подряд: с солью, перцем, песком, маслом и даже с супом и, в конце концов, добился успеха. Гудьир часто раскрашивал свои каучуковые образцы. Однажды, когда он пытался удалить бронзовую краску с помощью азотной кислоты, он обнаружил, что под воздействием азотной кислоты каучук становился таким же мягким и сухим как ткань. Он получил много продуктов с ценными свойствами с помощью кислотной вулканизации.

Зимой 1839 года неутомимый изобретатель обронил у себя в доме в городке Вобурн, штат Массачусетс, смесь каучука и серы на раскаленную пузатую печку (Приложение 8). Это неловкое движение превратило сырой каучук, основная проблема с которым состояла в чувствительности к температуре и клейкости, в прочный эластичный материал. Таким образом, добавляя в каучук немного серы и нагревая, можно улучшить его прочность, твердость, эластичность и тепло, и морозоустойчивость. Сейчас именно новый материал, изобретенный Гудьиром, принято называть резиной, а открытый им процесс – вулканизацией каучука. Гудьир назвал свой процесс нагрева вулканизацией в честь Вулкана, древнеримского бога огня.

В 1890 году на свет появится компания, которая увековечит достижения Гудиера и сделает его имя символом инноваций и технического прорыва.

Еще при жизни Гудьира только в резиновой промышленности США работало больше 60 000 человек. Кстати, в России, в Санкт-Петербурге предприятие по производству резиновых изделий открылось в 1860году. Вторая половина XIX века – время процветания Бразилии, которая долгое время была монополистом по выращиванию деревьев-каучуконосов. 

А мир завоевывали разнообразные изделия из резины – транспортерные ленты конвейеров и электроизоляция, «резинки» для белья, резиновая обувь, детские воздушные шары и т.д. Но основное применение этот материал получил с изобретением и распространением резиновых экипажных, а затем автомобильных шин (Приложение 9).

Изобретение резиновых шин вместо металлических сначала было встречено без энтузиазма, хотя экипажи с металлическими шинами были не слишком комфортны – за страшный шум и тряску в Англии их называли «истребителями воробьев». Новые тихие экипажи на цельнолитых массивных шинах в Америке были запрещены. Они считались опасными, так как не предупреждали прохожих о приближении экипажа. В России тихие конные экипажи на резиновом ходу также вызывали недовольство – они обдавали грязью не успевших посторониться пешеходов.

С появлением технологии производства синтетических каучуков, резиновая промышленность перестала быть всецело зависимой от природного каучука, однако синтетический каучук не вытеснил природный, объем производства которого по-прежнему возрастает, а доля натурального каучука в общем объеме производства каучука составляет 30%. Ведущие мировые производители натурального каучука – страны Юго-Восточной Азии (Таиланд, Индонезия, Малайзия, Вьетнам, Китай). Благодаря уникальным свойствам натурального каучука, он незаменим при производстве крупногабаритных шин, способных выдерживать нагрузки до 75 тонн. Лучшие фирмы-производители изготавливают покрышки для шин легковых автомобилей из смеси натурального и синтетического каучука, поэтому до сих пор главной областью применения натурального каучука остается шинная промышленность (70%). Кроме того, натуральный каучук применяется при изготовлении конвейерных лент высокой мощности, антикоррозийных покрытий котлов и труб, клея, тонкостенных высокопрочных мелких изделий, в медицине и т.д.

Основателем первого в мире крупномасштабного производства синтетического каучука по праву считается русский ученый С.В.Лебедев (Приложение 10), посвятивший проблеме полимеризации диенов значительную часть своей научной деятельности. Он впервые получил синтетический бутадиеновый каучук в 1910 году. Группа исследователей под руководством Лебедева на Международном конкурсе 1926 года получила главный приз за лучшую модель искусственного каучука.

Благодаря работам Лебедева промышленное широкомасштабное производство синтетического каучука начато в Советском Союзе в 1932 – впервые в мире (следующей была Германия, которая начала производить синтетический каучук только в 1936). Значение этого события трудно переоценить: возможность оснастить отечественную технику шинами собственного производства сыграла важную роль в победе над фашистской Германией (Приложение 11).

С 1932 и вплоть до 1990 СССР по объемам производства синтетического каучука занимал первое место в мире. И сегодня Россия сохраняет позиции экспортера мирового значения.

Основные компоненты резиновых смесей. 

Основными потребителями синтетического каучука являются шинные заводы, а около 40 процентов каучука идет на широкий ассортимент резинотехнических изделий (более 100 000), среди которых наиболее заметное место занимают резино-технические изделия из мягкой резины, эбониты (твёрдые материалы на основе каучука, свулканизованного с очень большим количеством серы), подошвы для обуви, ленточные транспортеры, ремни разных конструкций, разнообразные трубы и шланги всех видов, электрокабельная продукция, герметики, клеи, краски и т.д. Развивающаяся   промышленность требовала использования резин с новыми свойствами, которыми не обладает натуральный каучук. К этим свойствам относятся: повышенная маслостойкость, высокая теплостойкость (до 300°С, когда как натуральный каучук работоспособен до 70°С), повышенная морозостойкость (до -80°С) и ряд других специфических свойств. Для сравнения ниже представлены основные свойства каучуков, которые сегодня присутствуют на рынке, и в зависимости от требования к изделию выбирается тот или иной вид каучука.

Например, у натурального каучука превосходные динамические свойства, т.е. его можно бесконечное количество раз растягивать, после чего он восстанавливает свою форму. Аналогичными свойствами обладает и искусственный изопреновый каучук. Хлоропреновой каучук обладает прекрасной погодостойкостью (очень долго может находиться на воздухе не расстрескиваясь), а также обладает прекрасной клеющей способностью, что позволяет его применять в клеях. Бутадиен-нитрильный каучук обладает хорошей маслостойкостью. Этилен-пропиленовый каучук обладает очень хорошей теплостойкотью и погодостойкостью. Фтор каучук – уникальный каучук по маслостойкости и теплостойкости. Силиконовый каучук – превосходная теплостойкость (до 250°С, а специальные сорта могут работать при температурах до 350°С и выдерживать мороз до -120°С).

В состав резиновых смесей кроме каучуков входят:

1. наполнители – предназначены для повышения прочности резиновых смесей и её удешевления),
2. пластификаторы и мягчители – для повышения морозостойкости резиновых смесей и улучшения технологических свойств в процессе переработки, т.е. для улучшения перемешивания в резиносмесителе),
3. активаторы (окись цинка, известные всем как цинковые белила) и ускорители вулканизации (соли органических соединений) – предназначены для ускорения процесса вулканизации, т.е., если вулканизацию проводить только с одной серой, то время вулканизации резиновой смеси при температуре 150°С идёт 3 часа, а с активаторами и ускорителями – 10-15 минут;
4. вулканизующие агенты (сера) – сшивают макромолекулы каучуков, превращая резиновые смеси из пластичных материалов в эластичные;
5. противостарители – предназначены для увеличения долговечности изделий из резины;
6. технологические добавки – добавки, улучшающие свойств резины в процессе её переработки (лучше заполняется пресс форма).

(Приложение 12)

Производство резино-технических изделий.

А сейчас пройдем весь путь получения резино-технических изделий на конкретном примере. Первым этапом получения РТИ является процесс изготовления резиновых смесей. Все компоненты загружаются в машины для смешения всех этих компонентов для получения гомогенной массы. Машины для приготовления этих невулканизованных резиновых смесей называется резиносмеситель (Приложение 13). Эта машина представляет из себя огромный «блендер», рядом с ним находится прибор для управления машиной. Перед тем, как запустить машину, в неё вводят программу, которая задаёт все необходимые параметры для получения материала: число оборотов вращения двигателя в минуту, максимально допустимая нагрузка двигателя (для защиты машины от повреждений), максимально допустимая температура смешения (для того, чтобы смесь не перегрелась, что привело бы к преждевременной вулканизации), время смешения. Затем точно взвешиваются все компоненты, и компоненты загружаются в резиносмеситель. Идёт процесс приготовления резиновой смеси. Далее смесь выгружается и подаётся на вальцы (Приложение 14), где она превращается в компактную массу в виде резиновых листов или полосок. После этого листы просушивают на специальных сушках. Этот материал готов к использованию для получения вулканизованных изделий. Но прежде он подвергается лабораторным испытаниям.

В лаборатории (Приложение 15) резину испытывают на целый ряд показателей. Назовём наиболее важные из них: твёрдость резиновой смеси (определяется твердомером в специальных единицах для резины) (Приложение 16), предел прочности при растяжении, проводятся термические испытания горячим воздухом и в агрессивных средах (масло, кислоты, щёлочи) и др.

При положительных результатах испытаний резиновая смесь отправляется в цеха по производству вулканизованных резино-технических изделий. В качестве примера рассмотрим изготовление резино-металлического изделия, которое используется в системе амортизации автомобиля.

Что же происходит с каучуком при вулканизации? Когда каучук нагревают с серой, макромолекулы каучука «сшиваются» друг с другом серными мостиками. Из отдельных макромолекул каучука образуется единая трехмерная пространственная сетка. Изделие из такого материала (резины) прочнее, чем из каучука, и сохраняет свою эластичность в более широком интервале температур. (Эластичность – это способность материалов к обратимой деформации.)

Вулканизации обычно подвергают смесь каучука с различными добавками, придающими резине необходимые свойства, и наполнителями, снижающими стоимость резины (сажа, мел).

Итак, производство резино-металлических изделий состоит из нескольких операций.

1. Изготовление металлической части изделия методом штамповки из металлического листа (Приложение 17).

2. Этот элемент покрывается клеем (для прочного соединения металла и резины) (Приложение 18).

3. Получение изделия в вулканизационном прессе. Металлический элемент покрытый клеем помещают в пресс–форму, нагретой до температуры 160°С, пресс–форма закрывается, а резина впрыскивается в форму, заполняя оставшееся пространство (Приложение 19).

Детали прочно прилипают друг к другу, и резина свулканизовывается. Затем детали проходят технический контроль и лабораторные тестирования.

Практическая часть

Опыт 1

Измерение твёрдости резины.

В лаборатории завода «Элад» я проводил измерение твёрдости резины твердомером. Образец вулканизованной резиновой смеси я подверг испытанию специальным прибором – твердомером, который позволяет определить твёрдость резины. Для этого, ставим твердомер на образец, нажимаем на металлическую опорную площадку наверху прибора, иголочка из неё давит на резиновую смесь, на циферблате появляется результат измерений. Испытуемый мною образец имеет твёрдость 62 единицы по Шору А, что соответствует норме по твёрдости для данной резины (норма 60-65 единиц по Шору А).

Опыт 2

Демонстрация прекрасной клеющей способности хлоропренового каучука.

Клеющая способность хлоропренового каучука позволяет его применять в клеях. Клей Момент на 70% состоит из хлоропренового каучука. Я взял два деревянных бруска. Зачистил наждачной бумагой  сухие и чистые поверхности обоих. Нанёс тонким слоем клей на обе поверхности, подождал 15-20 минут, затем соединил две поверхности, сильно сжал. Важна сила давления при сжатии, а не продолжительность. Такой клеевой шов устойчив к старению, воздействию тепла и водостоек.

Опыт 3

Демонстрация превосходной теплостойкости  силиконового каучука.

Я взял кухонный захват (кухонная варежка), который изготовлен из силиконового каучука. Сначала я прикоснулся рукой к горячей батарее – рука почувствовала тепло от прикосновения с горячей поверхностью. Затем я надел силиконовую варежку и прикоснулся в ней к горячей батарее – рука не почувствовала тепло, т.к. силиконовый каучук не пропускает тепло, обладая превосходной теплостойкостью.

Опыт 4

Демонстрация отличий резины невулканизованной и вулканизованной.  

Я взял образец невулканизованной резины и вдавил в него стержень ручки. Стержень внедряется в резиновую массу. Теперь я возьму вулканизованный образец резины и совершу те же действия – внедрения не происходит. Вывод: невулканизованная резиновая смесь обладает необратимой деформацией, т.е. материал – пластичный; вулканизованная резина обладает обратимыми деформациями, т.е. материал – эластичный. (Именно эта особенность вулканизованной резины позволяет автомобильным шинам сохранять (возвращать) свою форму при нагрузке на них на неровной поверхности, гасить вибрацию автомобиля при движении.)

Заключение

Итак, в ходе моего исследования я пришёл к следующим выводам:

1. резина – это многокомпонентный материал на основе каучуков, которые могут быть быть как природного происхождения, так и искусственного, но основа для всех – латекс;
2. добыча натурального латекса осуществляется простейшим способом, известным с давних веков;
3. каучук обладает важными свойствами: эластичность, растяжимость, способность к восстановлению формы;
4. изобретение вулканизации – результата случайного эксперимента, в результате которой были преодолены основные проблемы натурального каучука: чувствительность к температуре и клейкость;
5. при вулканизации резина приобретает эластичность и прочность;
6. резина обладает разными свойствами в зависимости от состава компонентов смеси, что позволяет использовать изделия из неё при разных условиях (погодостойкость, морозостойкость, теплостойкость, маслостойкость, газонепроницаемость, озоностойкость, влажность, давление, агрессивные среды);
7. резина сопровождает человека на протяжении нескольких столетий, служит, помогает человеку в различных отраслях (в автомобильной промышленности, в медицине, в быту и др.).

Из резины делают: и шины, и галоши, и плащи, и шланги, и воздушные шары, и хозяйственные перчатки, и многое-многое другое. Если б не было резины, не было бы: ни мячей, в которые любят играть мальчишки, были бы скрипучие, грохочущие машины, не было бы даже ластиков, которые очень часто нам нужны. И всё это – резина.

Литература

1. Кошелев Ф.Ф., Корнев А.Е., Климов Н.С. Общая технология резины. – Москва «Химия», 1968.
2. Лепетов В.А., Юрцев Л.Н. Расчёты и конструирование резиновых изделий. – Ленинград «Химия», 1977.
3. Махлис Ф.А., Федюкин Д.Л. Терминологический справочник по резине. – Москва «Химия», 1989.
4. Химический энциклопедический словарь. Под ред . И.Л. Кнунянц. – Москва «Советская энциклопедия», 1983.
5. Энциклопедия полимеров. Под ред. Кабанова В.А. – Москва «Советская энциклопедия», 1977.
6. Энциклопедичский словарь юного химика. – Москва «Педагогика», 1990.
7. Handbuch fur die Gumme – Industrie. – Leverkusen Bayer AG, 1991.
8. Schwingungstechnik fur automobile. Herausgeber: prof. Urgen Hempel. – Vibrachoustic GmbH&KG, Weinheim, 2002.
9. Каталог продукции «Элад» Производство автокомпонентов. – Димитровград, 2011.