Особенности свойств резин как конструкционного материала

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН

Южно-Казахстанский государственный университет

им. М.О. Ауезова

Кафедра «Технология нефти, газа и полимеров»

ОТЧЕТ

по учебной практике

                ________________                       Составила студент (ка)

              (защищен на оценку)                     группы _____________

              «___» __________200__г.              ____________________

Руководитель практики

от университета

старший преподаватель

кафедры ТНГиП

Мамытова Г.Ж.

_____________________

Руководитель практики

от предприятия

______________________

______________________

ШЫМКЕНТ – 2005

Содержание

1.     История становления, роста и развития кафедры «Технология нефти, газа и полимеров»………………………………………………………..3

2.     Особенности свойств резин как конструкционного материала………7

3.     Общая характеристика методов испытания……………………………9

4.     Подготовка и проведение физико-механических испытаний резин...15

5.     Приготовление резиновых смесей…………………………………….15

6.     Вулканизация…………………………………………………………...16

7.     Приготовление образцов………………………………………………17

8.     Условия испытания…………………………………………………… 18

9.     Оформление результатов………………………………………………19

10.           Общие правила безопасности работы в лаборатории и производственных помещениях……………………………………….20

11.           Основные свойства резин и методы их определения: прочностные свойства резин…………………………………………………………..21

История становления, роста и развития кафедры

"Технология нефти, газа и полимеров"

В 1962 году в связи с необходимостью в специалистах по производству полимеров, переработке пластмасс, нефти и газа в Казахском химико-технологическом институте (КазХТИ) была открыта кафедра "Технология пластмасс" (кафедрой заведовал Мирфаизов Х.М.), а в 1968 году кафедра "Технология переработки нефти и газа" (с 1968-1976гг кафедрой заведовал д.х.н., профессор Надиров Н.К., ныне академик НАН РК).

В конце 60-х и начале 70-х годов в Западном Казахстане было начато освоение Джетыбайских, Узеньских и других новых месторождений нефти и газа, и Атырауский нефтеперерабатывающий завод (НПЗ) начал перерабатывать местное сырье. В строй действующих предприятий вступили первые заводы: г. Гурьев - завод по производству полиэтилена и полипропилена, в г. Шевченко -завод по производству полистирола и различных сополимеров, которые являлись флагманами индустрии пластмасс в Республике. По запросам производства на кафедре под научным руководством д.х.н., профессора Надирова Н.К. начались исследования по направлениям: "Каталитический крекинг керосино-газойлевых фракций Мангышлакских нефтей", "Разработка буровых растворов для нефтяных скважин", "Регенерация отхода сернокислотного алкилирования". Этот период явился началом плодотворной не только в учебно-воспитательной, но и в научном плане работы кафедры. Активно начали исследования аспиранты и сотрудники, появились первые научные публикации преподавателей кафедры по нефтепереработке, переработке полимеров.

Важным направлением в деятельности кафедры является научно-исследовательская работа под руководством д.х.н., профессора Мирфаизова Х.М. на тему: "Синтез, модификация  и переработка реакционноспособных олигомеров на основе гидроксилсодержащих    продуктов    пентозного гидролизата - растительного материала". Эта тема относится к числу актуальных и перспективных. В первую очередь из-за богатого источника сырья - пентозансодержащих растительных материалов, которые благодаря ежегодной возобновляемости, практически неисчерпаемы.

В 1997 году в связи с реорганизацией структуры университета кафедра "Технология переработки пластмасс" и "Технология переработки нефти и газа" были объединены в одну кафедру "Технология нефти, газа и полимеров".

Кафедра в соответствии с запросами нефтеперерабатывающих                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                         предприятий Республики Казахстан расширила тематику исследований и начала заниматься комплексным исследованием новых нефтей Западного Казахстана и Западной Сибири с целью интенсификации процессов их переработки и улучшения качества получаемых из них нефтепродуктов. Одновременно проводились научные исследования по проблемам создания новых ингредиентов полифункционального действия для резин, а также по синтезу новых водорастворимых полимеров.

В результате таких широкомасштабных исследований в этот период аспиранты, научные сотрудники   и   преподаватели   под   научным руководством к.х.н., доцентов Омаралиева Т.О., Мирфаизова Х.М. защитили кандидатские диссертации: Пусурманова Г.Ж., Калдыгозов Е.К., Мадыханова К.С, Джалилов К.А., Керимбеков С.К., Евдокимов Ю.В., Палачев В.Н., Галеев Р.Г., Белоусов А.Н., Еркебаева Г.Ш., Абубакиров Р.Ш., Шалбаев Б.Б., Танашев СТ., Хлебова СВ., Долгополова В.А., Даутбаев М.Т., Сулейменов Т.С, Тасанбаева Н.Е., Сакибаева С А., Бейсебаев М.Ж., Яковлева Е.И., Ривкина Т.В., Сырманова К.К.

В этот период результаты выполненных научных исследований были внедрены на нефтеперерабатывающих заводах Атырау, Павлодара, Куйбышева, Красноводска, "Шымкентский шинный завод", завод "Электроаппарат".                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                   Профессорско-преподавательским составом кафедры "Технология нефти, газа и полимеров" опубликованы более 500 научных трудов, получено более 50 авторских свидетельств и патентов СССР и РК, в том числе 4 монографии, они выступали с докладами на международных, всесоюзных и республиканских научно-технических, научно-теоретических, научно-практических конференциях.

В результате обобщения выполненных теоретических и практических научных исследований защитили докторские диссертации Мирфаизов Х.М., Омаралиев Т.О., Калдыгозов Е.К., Сырманова К.К., Галеев Р.Г., Айтымбетов Н.Ш., кандидатские диссертации Алимбаев К.Р., Махашов Е.Ж., Дауренбек Н.М.

Профессорско-преподавательским составом кафедры     разработаны государственные общеобязательные стандарты образования специальностей 390140, 390640 и 390840, типовые учебные планы и программы специальных дисциплин.

В настоящее время кафедрой заведует д.х.н. Надиров К. С. При кафедре действует аспирантура, магистратура для подготовки молодых ученых. Кафедра сотрудничает с вузами и предприятиями, такими как "Харикейн Ойл продактс", ТОО "Саудс Ойл", АОО "Казинтеркомшина", Актюбинский университет, КазНТУ им. аль-Фараби, ИХН HAH PK. Кафедрой в годы независимости Республики Казахстан достигнуты значительные успехи не только в улучшении обучения и повышения качества подготовки кадров, но и в создании учебно-методической базы и выполнении научно-исследовательской работы.

Особенности свойств резин как конструкционного материала

Резина является одним из важнейших конструкционных материалов, который находит широкое применение в различных отраслях народного хозяйства и в быту. Это обуславливается, прежде всего, ее уникальной способностью значительно деформироваться при сравнительно небольших напряжениях, изменять форму при механическом нагружении, практически сохраняя постоянный объем, восстанавливать исходную форму после удаления нагрузки, поглощать в процессе деформирования и рассеивать при последующем восстановлении механическую энергию.

По своим механическим свойствам резины и каучук отличаются от упругих тел и вязких жидкостей.

В идеально упругих твердых телах напряжение пропорционально соответствующей деформации, развивающейся мгновенно, и независит от скорости деформации. Для них характерны большие напряжения при сравнительно небольших деформациях. В вязких жидкостях напряжение определяется скоростью деформации.

Напряжение в резинах в отличие от упругих твердых тел зависит как от величины, так и от скорости деформации, т.е. в резинах сочетаются свойства упругих тел и вязких жидкостей. Основной исходный материал в производстве резины – каучук, но механические свойства каучука и резины различаются. При бесконечно малой скорости деформации в образцах каучука напряжение должно снижаться до нуля, а в образцах резины – до некоторых значений, получивших название равновесных напряжений. Каучук при этом приближается к жидкости, а резина – к твердому упругому телу (из-за образования пространственной сетки).

В реальных условиях чрезвычайно сложно задать  такую скорость деформации, при которой достигалось бы равновесное состояние. При переработке, эксплуатации и испытании резин скорость деформации изменяется до некоторого конечного значения. Зависимость напряжения и деформации от времени действия нагрузки и скорости деформации, или релаксации, является важнейшей характеристикой резин.

Релаксационные свойства эластомеров зависят от соотношения энергии взаимодействия между структурными элементами полимера и энергии теплового движения этих элементов. Изменение температуры приводит к соответствующему изменению энергии теплового движения, что обуславливает зависимость механических свойств каучуков и резин от температуры.

Таким образом, механические свойства резин определяются поведением их как в равновесном, так и не в равновесном состоянии.

Одной из главных особенностей механических свойств резин является способность их существенно изменяться под воздействием внешних факторов механического и немеханического характера. Эти изменения связаны с соответствующими изменениями структуры и могут носить обратимый и необратимый характер. При деформации резин, особенно наполненных, наблюдаются так называемые тиксотропные явления: уменьшения твердости и модуля вулканизатов и последующее восстановление свойств в процессе длительного отдыха. Скорость и степень восстановления зависят от условий деформации и отдыха и их значения увеличиваются при повышении температуры. Снижение модуля при повторных растяжениях, так называемое «размягчение», или эффект Патрикеева – Маллинса, наблюдается только при деформациях, меньших первоначальной. Почти полное восстановление модуля в процессе отдыха исключает возможность влияния остаточной деформации или медленного релаксационного возвращения в состояние равновесия, поэтому снижение модулей при растяжении резины можно объяснить разрушением некоторых элементов сетки, которые не участвуют в процессе противодействия в течение второго и последующего циклов растяжения.

Механические свойства резин могут существенно изменяться даже при кратковременной деформации. При этом наряду с описанными выше обратимыми изменениями могут происходить и необратимые. Последние могут быть следствием ряда механохимических и химических процессов, активируемых механическим напряжением и приводящих к достаточно глубоким структурным изменениям. Необратимое разрушение структуры под действием механических сил тем больше, чем меньше скорость релаксационных процессов. При многократных деформациях это приводит к соответствующим изменениям структуры и свойств резин.

Из немеханических факторов, влияющих на свойства резин, прежде всего, следует выделить воздействие тепла. Оно вызывает обратимые изменения структуры и свойств связанные с повышением энергии теплового движения. Наряду с этим   длительное воздействие тепла может привести к необратимым изменениям, особенно в химически активной среде (озон, кислород и др.). Необратимые изменения происходят также под влиянием света, различных видов источников излучения, влаги или суммарного воздействия всех этих факторов, например при хранении или эксплуатации резины в атмосферных условиях. Необратимые изменения свойств полимеров называются старением.

Общая характеристика методов испытания

Резины – сложные системы, свойства которых определяются составом и свойствами компонентов, условиями проведения технологических процессов.

 Испытания каучуков, резиновых смесей и резин проводятся для оценки физико-механических свойств резин, т.е. определение возможности их работы в заданных условиях и прогнозирования их поведения при эксплуатации и для оценки технологических свойств резин, т. е. определения возможности их переработки по заданной технологической схеме, выбора технологического оборудования или возможности использования определенных технологических процессов.

Технологические свойства характеризуют поведение каучуков и резиновых смесей при обработке на вальцах, в резиносмесителях, каландрах, шприц-машинах и на другом технологическом оборудовании. Это поведение, определяемое в свою очередь их способностью приобретать гладкую поверхность, сохранять приданную форму после обработки, зависит от скорости формования, усадки резиновой смеси, ее адгезии к металлической поверхности рабочих органов машин, клейкости, склонности к преждевременной вулканизации, реологических и адгезиозных свойств материалов.

При оценки технологических свойств резиновых смесей следует использовать наиболее простые и объективные способы испытаний с минимально необходимыми для этого показателями и стремиться сократить число трудоемких производственных испытаний непосредственно на заводском оборудовании.

 В настоящее время эту оценку проводят по данным лабораторных испытаний с максимальным приближением условий испытаний к производственным условиям. При этом широко используют определение пластичности, вязкости, восстанавливаемости (и изменение этих показателей при повышенных температурах), а так же таких показателей как вальцуемость, каландруемость, шприцуемость, индексы смешения и др. Качество проведения последних, естественно зависит от квалификации и опыта работующего и является субъективным.

Широкое применение математических моделей и электронно-вычислительной техники даёт возможность перейти к более эффективному прогнозированию технологических процессов. С помощью моделирования эксперименты проводятся не на оригинале, а на модели, а результаты распространяются на оригинал. При физическом моделировании в лаборатории стремятся воспроизвести условия ведения процесса в производстве, т.е. применяют упоминавшиеся выше методы определения технологических свойств, Однако более предпочтительно выбирать показатели, не зависящие от условий проведения процесса – лабораторные или заводские (критерии перерабатываемости). При таких условиях решение задачи прогнозирования сводится к экспериментальному определению немногих исходных показателей свойств резин. В настоящее время ведется поиск таких критериев.

В общем, виде перерабатываемость резин является функцией более простых показателей реологических, когезионных, адгезионно - фрикционных, теплофизических и других свойств, а также параметров технологического процесса, включая геометрические характеристики резиновой смеси.

Для каждого конкретного технологического процесса должен быть, видимо, свой набор совместимых между собой критериев, отражающих наиболее важных для данного процесса свойства материалов и задач процесса. Оптимальные условия переработки определяются некоторыми значениями критериев с учетом функциональной связи между ними. Процесс протекает одинаково при одинаковых значениях определяющих критериев, независимо от масштабов процесса – в лаборатории или на производстве. Предлагается ряд критериев. Однако общепринятые критерии, обеспечивающие оценку перерабатываемости материала на различных видах оборудования, в настоящее время отсутствуют.

Для оценки процесса шприцевания и, в частности, для оценки появления эластической турбулентности, предложено три безразмерных критерия: Re – критерий (число) Рейнольдса, Rw – критерий (число) Вайссенберга, Rv – критерий вязкоэластичности. Для процессов каландрования рекомендуется использовать критерий продолжительности процесса деформации, позволяющий сопоставлять время пробывания материала в зазоре между валками каландра и в капилляре вискозиметра. Для процесса переработки на валковых машинах обычно пользуются критерием общей деформации сдвига, или критерием Мора.

Наиболее сложной задачей является определения качества смешения. В качестве критериев качества смешения предлагают применять степень отклонения распределения компонентов от случайного.

При математическом моделировании процесс представляется в виде системы уравнений, решение которых, конечно, выгоде, чем постановка эксперимента. В настоящее время проводятся широкие исследования в направлении разработки математических моделей процессов, но пока они ещё достаточно сложны и не полностью отражают реальное поведение материала.

При испытании резин и резиновых смесей наблюдается разброс показателей, который объясняется существованием систематических и случайных погрешностей. Систематические погрешности определяются недостаточной точностью приборов и методик; они могут быть установлены или учтены. Закономерности проявления случайных погрешностей описываются теорией вероятности. Для резин погрешности являются следствием не регулярного строения каучука, неравномерного распределения в нем ингредиентов резиновой смеси, наличие ослабленных мест и дефектов в структуре резин и др. В зависимости от этих факторов формируются резины той или иной степени не однородности, что неизбежно приводит к неравномерности распределения напряжений, концентрации напряжений на микро дефектах и возникновению очага разрушения, дальнейшее разрастание которого ведет к разрыву образца. Неоднородность резин служит причиной сравнительно низких прочности, долговечности, сопротивления стиранию и др.

Неоднородность резин обуславливает значительную зависимость результатов испытаний от масштабного фактора (соотношение формы и размеров образца).

Вследствие разброса показателей физико-механических свойств резины для получения достоверных данных необходимо проводить большое число в строго идентичных условиях и обрабатывать результаты статистическими методами.

Методы испытания резин и резиновых смесей по своему назначению можно разделить на три основные группы: Общие (или физические), специальные и контрольные.

Общие методы применяются для испытания всех резин и резиновых смесей без учета особенностей их эксплуатации в различных изделиях. К этим методам относится определение прочностных свойств, сопротивления раздиру и истиранию, деформационных свойств, т. е. твердости и эластичности, напряжений при заданных удлинениях, динамического модуля, стойкости к воздействию тепла, света, озона, стойкости к многократным деформациям, пластичности и вязкости резиновых смесей и др. Эти методы характеризуются простотой режимов нагружения, необходимого для количественной оценки напряжения, деформации, температуры и прочих факторов. Полученные при этом показатели могут служить как для сравнительной оценки, так и в качестве абсолютных характеристик материала.

К специальным методам относятся испытания на многократный сдвиг на брекерной машине, определение сопротивления образованию и разрастанию трещин, клейкости, шприцуемости и др.

При применении специальных методов учитываются особенности сложных режимов переработки материалов или эксплуатации изделия. Полученные при этом показатели являются условными и пригодны лишь для сравнительных оценок материала.

К контрольным методам относятся методы, используемые в производственных условиях для быстрой проверки качества исходных материалов, полуфабрикатов и готовых изделий. Примером может служить ускоренный контроль качества резиновых смесей, который включает определение твердости, плотности и кольцевого модуля, стойкости к подвулканизации.

Независимо от назначения все методы испытаний резин принято разделять на статические и динамические и классифицировать по типу деформации (растяжение, сжатие, сдвиг, изгиб и др.); по температуре испытания (нормальные, низкотемпературные, высокотемпературные); по природе среды в которой проводится испытание (воздух, инертные газы, вакуум, кислород и др.).

Из всего комплекса физико-механических свойств резин особенно важными являются прочностные и деформационные. В первом случае при определении прочностных свойств образцы резин доводятся до разрушения; во втором случае исследуется поведение резин при деформациях, предшествующих разрушению.

По способу приложения нагрузки к образцу различают деформации одноосные и двухосные, В зависимости от их значения различают деформации малые и большие, Изучение свойств при малых деформациях является чрезвычайно важным, поскольку эти условия характеризуют поведение резин в реальных условиях эксплуатации. Однако оно затрудняется необходимостью использования точной малоинерционной измерительной аппаратуры.

Подготовка и проведение физико-механических

испытаний резин

Обычно на все виды испытаний, применяемых в промышленности, имеются соответствующие общегосударственные стандарты (ГОСТ) и тех. условия (ТУ), которые  строго регламентируют условия и способы проведения испытаний. В стандартах на испытания каучуков, резиновых смесей и резин для получения сравнимых и воспроизводимых результатов определяются порядок изготовления образцов, общие требования к проведению испытаний и способам выражения результатов. Сопоставление получаемых характеристик возможно лишь при полной унификации испытательной аппаратуры, условий и методик испытаний.

Приготовление резиновых смесей

Материалы используемые для приготовления резиновых смесей - каучуки и ингредиенты должны соответствовать требованиям ГОСТ и ТУ. Резиновые смеси, из которых получают образцы, следует готовить при строгом соблюдении состава, режима смешения и температуры. Желательно, чтобы при этом использовались каучуки и ингредиенты одной партии.  Методика приготовления резиновых смесей подбирается от состава смеси и предъявляемых к ней требований.

При приготовлении резиновых смесей на лабораторных вальцах   должны соблюдаться идентичными следующие показатели:

1)                      соотношение окружных скоростей волков для каждой партии смесей;

2)                      температуры волков вальцов (при приготовлении смесей разного состава можно изменять температурные условия с целью получения резин с оптимальными свойствами );

3)                      начальные зазоры между волками и их одновременное увеличение для каждой партии по мере введения наполнителей;

4)                      продолжительность операции пластикации и смешения;

5)                      порядок введения ингредиентов;

6)                      продолжительность перемешивания смесей по мере введения ингредиентов;

7)                      толщины срезаемых с вальцов листов смесей;

8)                      продолжительность охлаждения смеси перед вулканизацией.

Точное соблюдение режима смешения обеспечивает высокое качество, однородность и постоянство свойств резиновых смесей и резин.

Вулканизация

Резиновые смеси следует вулканизовать не ранее чем через 24 часа после их приготовления. При использовании каучуков с высокой скоростью кристаллизации в условиях комнатных температур или более низких, смесь следует прогреть перед вулканизацией при температуре, близкой к температуре плавления кристаллов, чтобы исключить влияние исходных кристалличности на свойства резины.

Подготовка смеси к вулканизации  должна проводиться в соответствии с установленными требованиями. Заготовки вырезаются из листа резиновой смеси с учетом направления вальцевания, которое отмечается на пластинке. Обычно этикетку с обозначением даты, шрифта режима вулканизации наклеивают поперек направления вальцевания в левом верхнем углу пластинки. Запрещается собирать образцы из нескольких составных частей так как это приводит к появлению в толще образца микродефектов и последующему резкому ухудшению механических свойств.

Формы для вулканизации должны быть гладкими и не иметь дефектов на поверхности. Перед закладкой заготовки гнездо пресс-формы обрабатывают мыльной смазкой.

Толщина вулканизованной пластин устанавливается с соответствующим стандартом на каждый вид испытаний(0,5± 0,05мм; 1±0,2 мм; 2±0,3 мм и др.) . Вулканизация серии образцов должна проводиться в одном и том же прессе, на одной и той же плите.

Для получения стабильных и сравнимых показателей очень важно обеспечить постоянство условий работы вулканизационного пресса (точность поддержания температуры и давления). Следует регулярно проверять температуру по всей поверхности плит с помощью многоточечной термопары, связанной с регистрирующим потенциометром.

Не соблюдения постоянства температурного режима вулканизации приводит к значительному разбросу показателей испытаний вулканизатов и в ряде случаев исключает возможность использования возможных результатов.

Приготовление образцов

Лабораторные образцы можно готовить не ранее чем через шесть часов после вулканизации. Образцы из пластин и готовых изделий вырубаются на вырубных прессах или вырезных машинах хорошо заточенными ножами специальной формы. Перед вырубкой образцов рекомендуется смочить нож или пластину водой или мыльным раствором для предотвращения образования на них вмятин и заусенцев. Для предохранения вырубленных ножей от затупления пластины при вырубке помещают на подкладку из материала типа паролита.

Образцы следует вырубать так, чтобы направление большой оси образца соответствовало направлению вальцевания. В особых случаях образцы могут вырубаться в другом направлении с обязательным указанием этого при записи результатов испытания.

Поверхность образцов должна быть гладкой и не иметь повреждений. Вмятины, царапины и другие дефекты при испытании создают на поверхности образца участки местной концентрации напряжений, что может привести к существенному снижению физико-механических показателей вулканизата. Метки, ограничивающие рабочий участок, наносят красками, не влияющими на свойства резин. Толщину образцов замеряют контактным микрометром не мене чем в трех местах рабочего участка. Расчетной величиной является средне арифметическое из результатов всех замеров. При проведении испытаний, связанных с разрушением образца, за расчетное значение применяют минимальный результат. Точность измерения толщины образцов устанавливается соответствующими стандартами на методы испытаний.

Образцы, составляющие серию для каждого испытания, должны иметь одинаковые формы и размеры, чтобы исключить влияние масштабного фактора на результаты испытаний.

Условия испытания

Образцы можно испытывать не ранее чем через 6 ч после вулканизации. При проведении испытаний следует поддерживать постоянными: состав окружающей среды и температуру; скорость или частоту деформации; форму и размеры образца. Как правило, однократно деформированные образцы не подвергаются повторным испытаниям.

Испытания образцов проводят в помещении при температуре 22±2  ‘С. Перед испытанием образцы выдерживают в тех же условиях для обеспечения температурной стабильности. Резинотканевые образцы из гигроскопических текстильных материалов выдерживают в помещении с влажностью от 60 до 70%.

Прогрев образцов перед испытанием при повышенной температуре не должен вызывать необратимых изменений их свойств. Точность поддерживания температуры указывается в стандартах на соответствующие виды испытаний.

Приборы, применяемые для испытаний, должны обеспечивать точность измерений, установленную для соответствующего метода.

Оформление результатов

При расчете результатов испытаний даже при строжайшем соблюдении условий приготовления и испытания образцов наблюдается разброс показателей.

Для получен7ия достоверных данных результаты испытаний нужно обработать следующим образом:

1)                              отбросить показатели, полученные на нерабочем участке образца и на образцах с дефектами рабочего участка;

2)                              вывести среднее арифметическое  значение показателей и отбросить показатели, отклоняющиеся от этих значений больше, чем допустима для данного вида испытаний;

3)                              из оставшихся значений показателей (их число указано в методиках) вывести среднее арифметическое значение – окончательный результат испытаний;

4)                              рассчитать искомые результаты по формулам, при веденных в методиках.

На основании полученных результатов анализируют зависимость свойств резин от ее состава. Исходные и расчетные данные заносят в протокол испытаний.

Общие правила безопасности работы в лаборатории и производственных помещениях

Безопасная работа в лабораториях должна быть организована в соответствии с действующей системой стандартов безопасности труда (ССБТ). Перечень этих требований приведён в ГОСТ 12.4.113-82, в соответствии с которым при проведении  учебных лабораторных работ  действие всех возможных опасных и вредных факторов должно быть устранено. Этими факторами могут быть, например, движущиеся части используемого оборудования, повышенная запыленность или загазованность воздуха, повышенная или пониженная температура поверхностей оборудования или материалов, повышенный уровень шума, опасность поражения электрическим током, недостаточное освещение рабочего места. Отсутствие или недостаток естественного света, наличие в воздухе химически опасных или вредных веществ.

Кроме того. Должно быть полностью исключено образование взрывоопасных концентраций газо-, паро- и пылевоздушных смесей в объеме всего помещения и отдельных рабочих зон. Системы вентиляции и отопления должны обеспечивать необходимые параметры микроклимата и предельно допустимые концентрации вредных веществ в соответствии с ГОСТ 12.1.005.-76. Применяемое оборудование в лаборатории должно обеспечивать общие требования безопасности (ГОСТ 12.2.003-74). Его размещение должно быть удобным и безопасным при выполнении всех лабораторных работ и соответствовать требованиям ГОСТ 12.2.032-78 ( для положения сидя) или ГОСТ 122.ю2.033-78 ( для положения стоя ). Площадь учебных лабораторий на одного студента должна быть не менее 4,5 м² при соответствующем эстетическом оформлении, призванном снижать утомление студента. Должны быть приняты соответствующие меры противопожарной безопасности, оборудование должно быть оснащено аварийными выключателями. Конструкции и элементы оборудования и аппаратуры, являющиеся источниками опасности, должны быть обозначены сигнальными цветами, а в опасных зонах установлены знаком опасности по ГОСТ 12.4.026-76. Должны неукоснительно соблюдаться требования по защитным мероприятиям от поражения электрическим током. Хранение материалов и веществ, используемых при проведении лабораторных работ. Должно обеспечивать требования пожарной безопасности и чистоты воздуха.

Преподаватели и вспомогательный персонал, проводящие лабораторные работы, должны проходить обучение, инструктаж и проверку знаний правил безопасности. Допуск студентов к лабораторным работам возможен только после прохождения инструктажа по безопасности труда и противопожарной безопасности в лаборатории в целом и на рабочем месте, что фиксируется в соответствующих журналах.

Основные свойства резин и методы их определения

Прочностные свойства резин

         Прочность характеризует способность материала противостоять разрушению под действием механических напряжений.

         Показатели прочностных свойств используются для количественной оценки свойств каучуков и резин, при разработке рецептур смесей и подборе оптимальных условий вулканизации, а также для контроля качества резин различного назначения.

         В зависимости от физического состояния материала и условий деформации различают хрупкое, пластическое и высокоэластическое разрушение. Для резин наиболее характерным является высокоэластическое разрушение. Прочность резин определяют при различных видах деформации (растяжение, сжатие, сдвиг). Обычно на практике самым опасным видом деформации для резин является растяжение.

         Разрушение резин в высокоэластическом состоянии – процесс образования новой поверхности – начинается с возникновения очагов разрушения в местах сосредоточения наиболее опасных дефектов и разрастания надрывов, являющихся аналогами трещин в хрупких материалах. Этот процесс протекает в две стадии. Первая – протекает медленно и сопровождается формированием шероховатой или матовой поверхности, вторая – быстрая, завершающая, приводит к возникновению гладкой зеркальной поверхности. Повышение температуры, уменьшение нагрузки на образец и скорости деформации замедляют разрастание дефектов.

         Высокоэластическому разрыву предшествуют большие обратимые деформации, приводящие к эффекту упрочнения или тяжеобразования. Этот эффект обнаруживается в наиболее явном виде при разрыве.

         Основными показателями прочности при статическом разрушения являются:

         Прочность при растяжении – напряжение, соответствующее моменту полного разрушению образца  ƒр ;

         Относительное удлинение при разрыве εр;

         Сопротивление раздиру В;

         Удельная работа разрушения Ар.

         Наиболее широкое применение находят первые три характеристики, причем различают условные и истинные показатели прочности.

         Условные значения прочности и напряжений рассчитывают на первоначальное сечении е образца, которое в процессе растяжения изменяется в строгом соответствии со степенью деформации, т.е. в значительной степени. Поэтому истинные значения прочности и напряжений, отвечающие фактическому сечению, получают расчетным путем, принимая условно сохранение постоянства объема в процессе деформации.

         Сопротивление раздиру – показатель, характеризующий прочность резин в условиях концентрации напряжения, которое может создаваться нанесением надрезов, изменением формы образца (или и тем, и другим), и определяемый способностью резин к ориентационному упрочнению.

         Прочностные показатели зависят от условий испытания (скорости, температуры, типа образца), а также от состава и технологии изготовления резины.

При увеличении скорости растяжения прочность резин возрастает. Этот процесс зависит от типа резин. Так, при испытании ненаполненных резин  на основе некристаллизующихся каучуков происходит возрастание прочности увеличением скорости, а при испытании резин на основе кристаллизующихся каучуков прочность изменяется по достаточно сложной зависимости; для наполненных резин после первоначального увеличения характерно уменьшение прочности с возможным наибольшим последующим ее возрастанием.

         При  повышении температуры прочность при растяжении, как правило, снижается, а относительное удлинения и работа разрушения изменяются по кривой с экстремумом. Положение экстремума определяется природой полимера. Зависимость между разрушающим напряжением при растяжении σр и температурой Т формально описывается уравнением

                                                              U/RT‌

                                                 σ р = σ0е

где σ0 – константа; U – энергия активации процесса разрушения; R – универсальная газовая постоянная; Т – абсолютная температура.

Полученные экспериментальным путем значения U соответствуют значениям энергии межмолекулярного взаимодействия; следовательно, при повышении температуры прочность межмолекулярных связей уменьшается. Прочность образцов, полученных из одного и того же исходного материала в одном и том же технологическом процессе, зависит от формы и размеров образцов (масштабный фактор). Прочностные показатели возрастают с уменьшением объема образцов. Так для резин на основе СКС – 30 прочность удваивается при уменьшении толщины от 2,5 до 0,5 мм; при этом возрастает наиболее резко в области малых толщин.

При варьировании ширины и длины рабочей части образцов обнаруживаются подобные, но менее отчетливо выраженные закономерности. При уменьшении длины в ряде случаев наблюдается снижение прочности. Это объясняется тем, что при небольшой длине рабочего участка образцов сильно возрастает неоднородность деформации вследствии большого влияния зажимов, создающих концентрацию напряжения.

Рассмотрение влияния разных факторов на прочностные свойства резин показывает, что определяемые в стандартных условиях показатели не могут быть служить абсолютными характеристиками их свойств, тем более, что в процессе эксплуатации резиновые изделия не испытывают тех предельных нагрузок и деформаций, которые используют при испытания резин. Поэтому стандартные показатели прочности резин при растяжении могут выступать только как относительные характеристики для сравнительной оценки различных резин и их качества. Однако в ряде случаев наблюдается корреляция между некоторыми эксплуатационными свойствами и стандартными показателями прочности. Возможно, показатели прочности при растяжении отражают какие-то особенности структуры резин, связанные с их поведением в условиях малой деформаций и напряжений, имеющих место при эксплуатации.

Испытания на сопратевления раздиру позволяют судить о стойкости резины к разрушению при нарушении ее целостности. Этот показатель оказывается более чувствительным к изменению рецептурно – технологических факторов, чем прочность при растяжении.

Локальный микрообъем, в котором должно произойти разрушение при испытаний на сопратевление раздиру , определяют заранее, создавая условия, при которых напряжения концентрируются в определенном месте. Это достигается искусственно путем изготовления образца особой формы, нанесением достаточно значительных по глубине надрезов(0,5 – 3 мм) или и тем, и другим вместе.

Существующие методы испытаний на сопротивление раздиру основаны на представлении о раздирании как разрушении на участках с местными концентрациями напряжений. Локальное перенапряжение приводит к увеличению значений деформации в данной области как основного условия непрерывного раздира, развивающегося от начального надреза с разрушением структурных элементов. Значения сопротивления раздиру, полученные разными способами, несравнимы между собой, что объясняется различием концентрации напряжения в вершинах надрезов. Если на пути прорастающего надреза формируется ориентированная микроструктура (тяж), состоящая из множества напряженных микроцепей, то материал упрочняется. Для  осуществления дальнейшего разрушения необходимо приложение дополнительной нагрузки.

Эффект ориентационного упрочнения, или тяжеобразования, при раздирании приводит к появлению неровного рельефа поверхности разрушения – шероховатого или узловатого. Узловатый рельеф характерен для вулканизатов с активными наполнителями и проявляется в определенных интервалах температур и скоростей деформации. Для усиливающих наполнителей эти интервалы шире, чем для неусиливающих. Цепочечные структуры наполнителя препятствуют распространению надреза или изменяют направление разрушения, что подтверждается электронно-микроскопическими  исследованиями.

Узловатый характер поверхности при раздирании зависит не только от типа и содержания наполнителей, но также от геометрии образа и степени вулканизации. Изменение сопротивления раздиру в зависимости от скорости деформации происходит немонотонно. Это свидетельствует о совокупном влиянии структурных различных факторов, проявляющихся при разных скоростях. Одним из таких факторов и является способность к тяжеобразованию.

При повышении скорости деформации сопротивление раздиру резин, способных к тяжеобразованию, как правило, снижается, поскольку для формирования тяжей в вершине надреза требуется определенное время.

Прогнозирование механических свойств резин основано на рассмотрении, прежде всего зависимости свойств от физической и химической структуры. И хотя этому вопросу уделяется большое внимание, имеющиеся в настоящее время результаты пока не могут служить достаточной основой для создания резин с заданными механическими свойствами. Поэтому в большинстве случаев приходится пользоваться зависимостью состав – свойство с учетом влияния структурных факторов.

Механические свойства резин зависят от природы применяемого каучука, особенностей его строения, типа и дозировки наполнителя, характера вулканизующей  группы, а также от типа и дозировки пластификатора.

Прочность полимера возрастает при повышении его молекулярной массы до определенного значения. Дальнейшее ее повышение на прочность практически не влияет. Для резин влияние молекулярной массы на их прочность уменьшается тем больше, чем выше степень сшивания. При достаточно больших значениях средней молекулярной массы молекулярно – массовое распределение мало влияет на прочность полимеров, при низких и средних значениях это влияние заметно.

Межмолекулярное взаимодействие оказывает очень большое влияние на характер разрушения, прочность и долговечность полимеров. С увеличением полярности каучуков в резинах наблюдается тенденция к переходу от механизма разрушения, типичному для твердых тел, при этом происходит возрастание прочности.

Одним из главных факторов, влияющих на прочность, является регулярность строения полимерной цепи. Каучуки с регулярным строением способны образовывать ориентированную и кристаллическую структуру, что приводит к резкому возрастанию прочности. ПО поведению при деформации кристаллические полимеры резко отличаются от аморфных и низкомолекулярных кристаллических материалов. Для них характерны специфическая диаграмма растяжения с плато в области определенных значений деформации (рис.1) и образование «шейки» на образце при деформации.

Наибольшее влияние на прочность оказывает не столько наличие кристаллической фазы, сколько степень ее ориентации. Поскольку в каучуках и резинах не все молекулярные цепи переходят в ориентированное кристаллическое или амфорное состояние, существует линейная зависимость между прочностью и степенью ориентации.

С уменьшением размеров кристаллических образований и повышением  их совершенности прочность увеличивается.

Безусловно, прочность зависит от химической природы макромолекул  и плотности их упаковки. Однако выделить роль этих факторов чрезвычайно трудно.

  Рис.1.                                              Рис.2.                                                                                                                                                               

Рис.1.-идеальная кривая кристаллических полимеров;

Рис.2.-зависимость прочности от степени вулканизации.

Большое влияние на прочность резин оказывает строение вулканизационной сетки. Сшивание и изменение концентрации поперечных связей сильно влияют на процесс разрушения резин. В резинах с густой сеткой после разрушения происходит быстрое сокращение образца до начальных размеров, с редкой – оно продолжается более длительное время. Таким образом, с увеличением густоты пространственной сетки наблюдается тенденция к переходу от механизма разрушения, характерного для эластомеров, к механизму разрушения, характерному для твердых тел.

Зависимость прочности от степени вулканизации носит экстремальный характер (рис.2), с увеличением густоты пространственной сетки прочность вулканизатов меняется по кривой с максимумом. Влияние характера вулканизационных связей, т. е. их природы и энергии , на прочность чрезвычайно велико: чем меньше энергия связей, тем выше прочность и в тем более высокой области концентрации вулканизационных узлов находится максимум прочности. Для получения вулканизатов с лучшим комплексом свойств рекомендуется, однако, определенное сочетание прочных связей, создающих каркасность структуры, со слабыми узлами, обеспечивающими перегруппировку цепей при деформации и повышении прочности. При равной энергии связей более длинная или гибкая связь, приводящая к появлению трифункциональных узлов, обеспечивает более прочность резин

Прочность повышается пропорционально увеличению доли активных цепей вулканизационной сетки и уменьшается с увеличением роли деструктивных процессов при вулканизации. Побочные реакции при вулканизации, приводящие к модификации полимерной цепи (циклизация, цис-, транс-изомеризация), также оказывают существенное влияние на прочность. Так, с увеличением содержания серы, связанной в виде циклов, или при достаточно высокой степени изомеризации прочность снижается.

При введении наполнителей прочность некристаллизующихся резин повышается в 10-12 раз, тогда как прочность кристаллизующихся резин практически не меняется. Это положение, однако, справедливо только для той области температур, в которой способность к кристаллизации проявляется достаточно полно. При более высоких температурах активные наполнители повышают прочность резин и из кристаллизующихся и некристаллизующихся каучуков. С повышением степени дисперсности активных наполнителей прочность резин тоже возрастает. Наиболее важным эффектом при введении активного наполнителя является заметное повышение теплостойкости резин.

Пластификаторы обычно снижают прочность резин, так как уменьшают межмолекулярное взаимодействие. Однако некоторые пластификаторы не только не снижают, а даже увеличивают прочность.

Степень изменения прочности при введении пластификаторов зависит от состава резиновой смеси, природы и содержания пластификатора. В составе резиновой смеси, особенно большое значение, имеет тип и количество наполнителя. Усиливающий эффект при введении наполнителей в значительной мере определяется степенью его дисперсности в каучуке. А степень дисперсности в свою очередь существенно зависит от соотношения между количеством наполнителя и пластификатора и порядка их введения. При увеличении  содержания  наполнителя  следует  повышать  и содержание  пластификатора.