Bilim.techО проекте

Резина: смеси и их свойства

Почему не бывает резины, которая и не стирается, и не режется, и не греется? Смешивай каучуки, сажу, кремнезем и масло, смотри на треугольник свойств и петлю гистерезиса и заморозь смесь до −40 °C.

01 Что это такое

Резина протектора это смесь каучуков, наполнителей, масла и серы, сваренная в одно целое вулканизацией. От рецепта зависит, как шина стирается, режется и греется.

Натуральный каучук (NR) прочен на разрыв, мало греется и хорошо держит порезы. Синтетические каучуки добавляют то, чего ему не хватает: бутадиеновый (BR) стирается медленнее, бутадиен-стирольный (SBR) дешевле в работе и тоже повышает износостойкость. Технический углерод (сажа) и кремнезем делают резину прочной и твердой: без них протектор стерся бы за неделю. Масло облегчает смешивание, сера с ускорителями сшивает цепи при вулканизации, антиоксиданты и антиозонанты защищают от старения и трещин. Как устроены полимеры и что делает вулканизация, разобрано в теме химии «Полимеры, резина и вулканизация», а резину среди других неметаллов сравнивает тема «Неметаллы в технике».

Каучуки, 100 частейNR, SBR, BR: основа, длинные цепи молекулСажа, 35–65 частейпрочность и износостойкость, но и нагревКремнезем, 0–30 частейпрочность при меньшем нагреве, стойкость к сколамМасло, 3–15 частеймягче смесь, легче смешиватьСера, ускорители, ZnOсшивают цепи мостиками при вулканизацииАнтиоксиданты, воскзащита от кислорода, озона и солнца
Части считают на 100 частей каучука по массе (phr). Типичный протектор: 100 каучука, около 50 сажи и немного остального, всего 160–180 частей.
tg δ
Тангенс потерь. Какая доля энергии изгиба уходит в тепло за цикл. У протекторной резины 0,1–0,3. Меньше значит холоднее шина.
Tg
Температура стеклования, °C. Ниже нее резина становится твердой и хрупкой, как стекло. У NR около −70 °C, у SBR около −50 °C, у BR около −100 °C.
HA
Твердость по Шору A. Вдавливание иглы прибора. Протектор карьерной шины 60–70 единиц, тверже значит меньше порезов, но больше сколов.
02 Опыт
Смешай резину. Посмотри на треугольник. Заморозь. ЛАБОРАТОРИЯ СМЕСЕЙ
ШИНЫ

Можно ли получить резину, лучшую во всем

Рис. 14.4
ГОТОВЫЕ СМЕСИ
Потери tg δ при этой температуре
Твердость
Стеклование Tg
03 Формулы по буквам

Сколько тепла дает резина и когда она дубеет

Площадь петли гистерезиса это тепло за один цикл, а температура стеклования смеси считается по долям каучуков. Числа берутся из опыта.

Сколько тепла за один оборот?

W = π · E · ε² · sin δ

Резину в пятне сжимают и отпускают. При разгрузке она отдает меньше энергии, чем получила, и разница превращается в тепло. Эта разница равна площади петли на графике нагрузка–деформация.

W
тепло за один цикл в единице объема, Дж/м³ (МПа = МДж/м³)
E
жесткость резины, модуль упругости, МПа. Для протектора 2–5 МПа в тепле
ε
размах деформации, доля: 0,1 = 10 %
δ
угол потерь: насколько деформация отстает от силы. Чем больше tg δ, тем толще петля

При какой температуре резина дубеет?

Tg ≈ Σ φi · Tgi

Приближенно: стеклование смеси равно среднему от стеклования ее каучуков с весами по их долям. Масло немного понижает Tg. Чем ближе мороз к Tg, тем жестче и хрупче резина.

Tg
температура стеклования смеси, °C
φi
доля каждого каучука, в сумме 1
Tgi
стеклование каучука: NR −70 °C, SBR −50 °C, BR −100 °C

Подходит ли смесь к работе?

условия → главное свойство

Правило выбора. Острая скала и короткое плечо: главное стойкость к порезам. Длинная быстрая откатка в жару: главное низкий нагрев. Сильный мороз: смесь не должна дубеть. Остальное: износостойкость.

скала
порезы не меньше 80 баллов
жара
низкий нагрев не меньше 70 баллов
мороз
при −40 °C жестче не больше чем в 1,3 раза

Откуда берется петля и почему кремнезем греется меньше сажи

Каучук это клубок длинных цепей, сшитых редкими серными мостиками. При растяжении цепи распрямляются и трутся друг о друга, а частицы сажи сцеплены между собой в сетку. При каждом цикле эта сетка рвется и собирается снова, и на это уходит энергия. Поэтому больше сажи значит прочнее резина, но толще петля и сильнее нагрев.

Кремнезем с особым связующим (силаном) прилипает к каучуку крепче, а друг к другу слабее. Сетка наполнителя получается рыхлее, рвать почти нечего, и петля уже. Натуральный каучук при растяжении частично кристаллизуется: на конце надреза цепи выстраиваются в ряд и тормозят рост трещины. Отсюда его стойкость к порезам.

На морозе цепям все труднее двигаться. Ниже Tg они замирают, и резина становится стеклом. Еще до Tg жесткость растет, протектор хуже гасит удары камней и легче откалывается кусками.

нагрузкаразгрузкаплощадь = теплодеформация εσ
Верхняя линия нагрузка, нижняя разгрузка. Энергия под верхней линией вложена, под нижней возвращена, разница осталась в резине теплом.
04 Где и зачем это применяют

Смесь выбирают вместе с размером и протектором

Допущения модели+

Баллы износостойкости, стойкости к порезам и низкого нагрева получены простыми учебными формулами от долей каучуков, сажи, кремнезема и масла. Они верно показывают направления (BR повышает износостойкость, NR стойкость к порезам, сажа нагрев), но не заменяют лабораторных испытаний. Тангенс потерь при +20 °C считается линейно по составу, у стеклования к нему добавлен пик. На рисунке петля утолщена в 2,5 раза, иначе она похожа на линию, а площадь в расчетах взята настоящая. Твердость по Шору пересчитана в модуль упругости по известной эмпирической формуле. Стеклование смеси взято как среднее по долям каучуков (на самом деле NR и BR смешиваются не полностью, и у смеси бывает два перехода). Кривая жесткости от температуры сглажена. Кристаллизация натурального каучука при долгом морозе и влияние скорости деформации на Tg не учтены. Смеси производителей показаны условными рецептами, а настоящие рецепты держат в секрете.

Еще в направлении «Инженерия»

Все темы направления «Инженерия» →