GUMA. 1. Wiadomości ogólne. 2. Kauczuki

Transkrypt

1 UZUPEŁNIAJĄCE MATERIAŁY DYDAKTYCZNE DLA UCZNIÓW TECHNIKUM MECHANICZNEGO PRZYGOTOWUJĄCYCH SIĘ DO ZEWNĘTRZNEGO EGZAMINU KWALIFIKACYJNEGO GUMA Materiały zebrał: Anatol Szydłowski Źródła: Zawora J. Podstawy technologii maszyn. WSiP, Warszawa Praca zbiorowa: Mały poradnik mechanika. WNT, Wydanie XVII, Warszawa Internet: www. Ściąga.pl/prace/przedmioty ścisłe 1. Wiadomości ogólne Guma jest elastycznym produktem wulkanizacji (tj. usieciowania makrocząsteczek) kauczuku naturalnego lub syntetycznego w temperaturze C w czasie od kilku minut do kilku godzin. Otrzymuje się ją przez przeróbkę mieszanek zawierających oprócz kauczuku inne substancje ułatwiające procesy przetwórcze oraz nadające gumie odpowiednie własności. Do najważniejszych składników mieszanek kauczukowych należą: 1) kauczuk naturalny lub syntetyczny, 2) środki wulkanizujące najczęściej siarka lub związki wydzielające siarkę oraz przyspieszacze, tj. substancje przyspieszające reakcje wulkanizacji, np. tiazole, sulfonamidy, 3) zmiękczacze składniki ułatwiające przetwórstwo oraz obniżające twardość gumy w stanie zwulkanizowanym, np. żywica kumarenowo-indenowa, smoła z węgla kamiennego, parafina, cerezyna, oleje mineralne, faktysa, zmiękczacze estrowe, 4) napełniacze, tj. organiczne lub nieorganiczne ciała stałe o różnym stopniu dyspersji, wprowadzane w celu polepszenia własności przetwórczych mieszanki kauczukowej oraz nadania zwulkanizowanej gumie wymaganych własności fizycznych, np. różne typy sadzy, syntetyczne krzemionki i krzemiany, kaolin, kreda itd., 5) pigmenty i barwniki, np. biel cynkowa, litopon, 6) środki ochronne, tj. substancje zabezpieczające gumę przed niszczącym działaniem światła, ciepła, tlenu, ozonu, promieniowania, agresywnych środowisk chemicznych i innych czynników obniżających własności użytkowe wyrobów gumowych, 7) środki porotwórcze, tj. składniki mieszanek kauczukowych, wydzielające podczas ogrzewania gaz, np. azot, dwutlenek węgla lub parę wodną, a stosowane przy produkcji gumy porowatej. 2. Kauczuki Podstawowym surowcem do produkcji gumy jest kauczuk, naturalna lub syntetyczna substancja wielkocząsteczkowa o bardzo dobrych własnościach elastycznych. Wszystkie kauczuki zalicza się do elastomerów, tj. tworzyw polimerycznych, charakteryzujących się w temperaturze otoczenia zdolnością prawie natychmiastowego powrotu po dużym od- 1

2 kształceniu do postaci pierwotnej. Moduł sprężystości kauczuków jest bardzo mały, rzędu 1 10 MPa, wydłużenie przy zerwaniu wynosi do 1200%, wydłużenie odwracalne %. 1) Kauczuk naturalny jest produktem roślinnym, otrzymywanym głównie z lateksu drzew kauczukowych (Hevea brasiliensis) rosnących w klimacie tropikalnym, a także z niektórych roślin występujących w klimacie umiarkowanym (meksykański krzew guayule i uprawiany w WNP mniszek kok-sagiz). Lateks, czyli sok drzew kauczukowych wyglądem przypominający mleko, jest wodną emulsją cząsteczek kauczuku. Zawiera on 30 45% substancji stałej, składającej się z ok. 96% węglowodoru kauczukowego (cis-poliizoprenu 1,4); reszta to białka, cukry, kwasy tłuszczowe, żywice i in. Z lateksu drzew plantacyjnych wyrabia się dwa rodzaje kauczuku o nazwach handlowych smoked sheet (kauczuk wędzony) i pale crepe (jasna krepa). Oprócz tego, z odpadów produkcyjnych krepy jasnej produkuje się różne odmiany tzw. krepy brunatnej. Kauczuki wyrabia się również z lateksu drzew dzikich. Kauczuk otrzymuje się w wyniku koagulacji lateksu za pomocą kwasu mrówkowego lub octowego. Przed koagulacją lateks poddaje się filtracji i rozcieńczeniu wodą do stężenia 15 17% suchej substancji w przypadku kauczuku wędzonego i do 20% w przypadku krepy. Koagulat po przemyciu wodą poddaje się suszeniu, a odmianę smoked sheet jednoczesnemu wędzeniu do uzyskania złotawo-bursztynowego koloru. Poszczególne odmiany kauczuku są dostarczane w postaci płyt prasowanych lub pakowanych w bele o masie ok. 100 kg. Odmiana SMR (Standard Malaysian Rubber) jest produkowana wg najnowszej technologii w postaci okruchów lub granulek, prasowanych w bloki o masie kg. 2) Kauczuki syntetyczne są to materiały otrzymywane przez polimeryzację związków organicznych, wykazujące cechy fizyczne kauczuku, mogące natomiast różnić się od niego pod względem chemicznym. Ogólnie dzielą się na dienowe i niedienowe, np. butadienowe, izoprenowe, styrenowe, butylowe. Do najczęściej stosowanych kauczuków syntetycznych należą: a) Kauczuki butadienowe charakteryzujące się bardzo dobrą odpornością na ścieranie i powstawanie spękań, bardzo dobrą elastycznością w szerokim zakresie temperatur, dobrymi własnościami dynamicznymi i niezłą odpornością na starzenie. Stosowane głównie w przemyśle oponowym, ale również na taśmy przenośnikowe, izolacje, kable i artykuły stosowane w obniżonej temperaturze. Nazwy handlowe: Ker 8512 (Polska), SKD (WNP), Ameripol CB (USA), Buna CB (RFN), Cariflex BR (Francja) itd. b) Kauczuki butadienowo-akrylonitrylowe (nitrylowe) odporne na działanie olejów i materiałów pędnych. Stosowane na węże do paliw ciekłych i olejów, na uszczelki, wykładziny itp. Nazwy handlowe: Perbunan N (RFN), SKN (WNP), Chemigum (USA), itd. c) Kauczuki butadienowo-styrenowe wykazujące dużą odporność na ścieranie, na powstawanie spękań, o dobrych własnościach mechanicznych. Są podstawowymi kauczukami syntetycznymi stosowanymi na wielką skalę w produkcji opon, artykułów technicznych, obuwia i innych wyrobów gumowych. Nazwy handlowe: Ker S (Polska), SKS (WNP), Ame- 2

3 ripol S (USA), Buna-Huls (RFN) itd. d) Kauczuki chloroprenowe wulkanizowane tlenkami metali, wykazujące bardzo dobrą odporność chemiczną na oleje i rozpuszczalniki. Niepalne. Stosowane na olejoodporne i niepalne węże, przenośniki taśmowe pracujące w wyższych temperaturach, wykładziny. Nazwy handlowe: Nairit (WNP), Neoprene (USA), Baypren (RFN), Butaclor (Francja) itd. e) Kauczuki izoprenowe czyli tzw. syntetyczne kauczuki naturalne, o budowie cząsteczkowej i własnościach bardzo podobnych do kauczuku naturalnego. Stosowane na opony i różne artykuły techniczne. Nazwy handlowe: Ameripol SN, Natsyn (USA), SKI-3 (WNP), Nipol IR (Japonia) itd. f) Kauczuki butylowe wykazujące po wulkanizacji dobrą odporność chemiczną na działanie środków utleniających, kwasów i zasad, odporność na oddziaływanie podwyższonych temperatur, ozonu i wody, małą przepuszczalność gazów i par. Stosowane głównie na dętki rowerowe, motocyklowe i samochodowe, na artykuły techniczne dla motoryzacji, płyty wykładzinowe, amortyzatory, węże do pary i gorących cieczy, taśmy przenośnikowe, kleje, tkaniny gumowane, okrycia ochronne itp. Nazwy handlowe: Enjay Butyl (USA), Esso Butyl (W. Brytania), Butił-kauczuk (WNP), JSR-Butyl (Japonia itd. g) Kauczuki akrylowe wykazujące bardzo dobrą odporność na działanie wyższych temperatur oraz chemiczne działanie smarów i olejów, odporność na starzenie pod wpływem tlenu i ozonu oraz wytrzymałość na wielokrotne zginanie. Stosowane głównie na wyroby dla przemysłu samochodowego. Nazwy handlowe: Chemigum AC, Paracril, Thiacril (USA), Elaprim AR (Włochy) itd. h) Kauczuki wielosiarczkowe (tiokole) odznaczające się doskonałą odpornością na działanie olejów i rozpuszczalników, małą przepuszczalnością gazów oraz odpornością na starzenie atmosferyczne, ozon i światło. Wydzielają nieprzyjemny zapach, są mało odporne na działanie wyższych temperatur, a także mają niskie własności mechaniczne. Zależnie od masy cząsteczkowej i budowy chemicznej tiokole mają postać stałą lub ciekłą. Tiokole stałe są stosowane na uszczelki odporne na benzynę, węże do paliw i farb, membrany do gazomierzy, wałki poligraficzne, opony kablowe itp. Nazwy handlowe: Thiokol A, Thiokol FA, Thiokol ST, Thiokol Da (USA). Tiokole ciekle są stosowane do wyrobu kitów i mas uszczelniających dla lotnictwa, przemysłu okrętowego, samochodowego i budownictwa. Nazwy handlowe: LP-2, LP-8, LP-205 (USA), Tiokoł I, II NWB-2 (WNP). i) Kauczuki silikonowe charakteryzujące się bardzo dobrą odpornością na wysoką temperaturę w środowisku suchego powietrza, odpornością na niską temperaturę, dobrymi własnościami elektroizolacyjnymi w podwyższonej temperaturze, odpornością na starzenie pod wpływem światła, tlenu, ozonu, dobrą odpornością chemiczną na działanie wodnych roztworów kwasów, zasad i soli. Stosowane w lotnictwie, kosmonautyce i technice rakietowej, elektrotechnice i elektronice, w przemyśle maszynowym, samochodowym itd. Nazwy handlowe: Silastic (USA), SKT (WNP), Silopren (RFN), j) Kauczuki fluorowe wykazujące doskonałą odporność na działanie kwasów utleniających, węglowodorów aromatycznych, olejów technicznych, cieczy hydraulicznych, bardzo dobrą odporność na wysoką temperaturę, dobre własności mechaniczne po wulkanizacji, 3

4 małą przepuszczalność gazów oraz niepalność. Stosowane w lotnictwie, technice kosmicznej oraz w przemyśle samochodowym i chemicznym. Nazwy handlowe: Fluorel, Vi-ton (USA), SKF (WNP), Tecnoflon (Włochy). Porównawcze charakterystyki kauczuku naturalnego i różnych typów kauczuków syntetycznych podano w tabl. 1. W tabl.2. przedstawiono orientacyjne własności gumy z kauczuków syntetycznych specjalnych. Tablica 2. Orientacyjne własności gumy z kauczuków syntetycznych specjalnych 4

5 3. Własności i zastosowanie gumy Własności gumy zmieniają się w szerokich granicach, w zależności od rodzaju kauczuku, ilości i rodzaju pozostałych składników mieszanki kauczukowej, sposobu jej przygotowywania oraz warunków wulkanizacji. Praktycznie więc dobierając odpowiednio składniki mieszanki i stosując różne parametry technologiczne, można otrzymywać wiele gatunków gum o bardzo zróżnicowanych własnościach. Guma mikroporowata (mikroguma) jest stosowana na podeszwy i obcasy obuwia, uszczelki, podkładki amortyzacyjne, płyty do izolacji akustycznej i cieplnej. Do wyściełania siedzeń pojazdów samochodowych, mebli, do produkcji taśm uszczelniających stosuje się gumę piankową. Niektóre wyroby gumowe są zbrojone tkaninami (kordem), siatką metalową, a nawet innymi tworzywami. Gumę przewodzącą stosuje się w elektronice, a w budowie maszyn - elementy gumowo-metalowe, wykonywane przez łączenie gumy z metalem pokrytym galwanicznie cienką warstewką mosiądzu za pomocą specjalnego kleju. W y t r z y m a ł o ś ć na r o z c i ą g a n i e gumy waha się od 2 do 40 MPa, a nawet wyżej. Gumy produkowane z kauczuku naturalnego wykazują wystarczającą wytrzymałość nawet w stanie nie napełnionym. Uzyskanie natomiast wysokiej wytrzymałości gum, opartych na kauczukach syntetycznych, wymaga stosowania odpowiednich napełniaczy, głównie sadzy aktywnej. Dodatek takiej sadzy powoduje jednocześnie wzrost twardości oraz zmniejszenie wydłużenia względnego i elastyczności gumy. Twardość gumy zawiera się w granicach wg Shore'a. O d p o r n o ś ć na ś c i e r a n i e, własność szczególnie istotna w przypadku takich wyrobów, jak bieżniki opon, czy uszczelnienia połączeń ruchowych, zależy również od rodzaju kauczuku i napełniacza. Bardzo dobry wpływ na ścieralność wywierają napełniacze mineralne, a zwłaszcza krzemionki aktywne lub sadze o drobnych cząsteczkach. Ze względu na bardzo dobre własności amortyzacyjne, guma znalazła szerokie zastosowanie do wyrobu różnego rodzaju zderzaków i amortyzatorów dla przemysłu motoryzacyjnego, maszynowego i in. Na amortyzatory stosuje się zwykle gumy z kauczuku naturalnego, bądź butadienowo-styrenowego napełnianego bardzo aktywną sadzą. Stosowanie zwiększonej ilości tlenku cynku ( cz. na 100 cz. kauczuku) wpływa korzystnie na histerezę gumy przeznaczonej na amortyzatory tłumiące drgania ciągłe. Guma charakteryzuje się na ogół dużym współczynnikiem tarcia. Wymagane dla pewnych wyrobów gumowych zmniejszenie oporów tarcia można uzyskać przez zastosowanie kauczuku fluorowego lub uretanowego (guma oparta na tych kauczukach ma współczynnik tarcia o stal ok. 0,1), bądź też nitrylowego o malej zawartości akrylonitrylu. Korzystne jest również wprowadzenie do mieszanki kauczukowej pewnej ilości grafitu lub dwusiarczku molibdenu (5 25%). O d p o r n o ś ć na t r w a ł e odk s z t a ł c e n i e przy ś c i s k a n i u jest istotną cechą gumy przeznaczonej głównie na różnego rodzaju uszczelnienia. Odporność tę wykazują gumy oparte na kauczuku naturalnym, izoprenowym, nitrylowym (o dużej zawartości akrylonitrylu), bądź chloroprenowym (nie stabilizowanym siarką), zawierające sadze o większych cząsteczkach, wulkanizowane środkami zawierającymi małe ilości wolnej siarki. 5

6 Gumy o d p o r n e na dział a n i e o l e j ó w, paliw i smarów najczęściej produkuje się z kauczuku nitrylowego (o większej zawartości akrylonitrylu). Stosowane są również kauczuki chloroprenowe i wielosiarczkowe specjalnie odporne na działanie związków aromatycznych i chlorowcowęglowodorów. Odporność na jednoczesne działanie olejów i podwyższonej temperatury charakteryzuje gumy wytwarzane z kauczuków epichlorohydrynowych, akrylowych i fluorowych o dopuszczalnej temperaturze pracy wynoszącej odpowiednio 150, i C. Jako napełniacie stosuje się sadze o drobnych cząstkach i żywice fenolowe, jako zmiękczacze najczęściej ftalany, sebacyniany, adypiniany i fosforany. Poszczególne gatunki gumy zachowują swoje własności użytkowe w różnych zakresach temperatur, przy czym zakresy te zależą głównie od rodzaju stosowanego kauczuku. O d p o r n o ś ć gumy na dział a n i e p o d w y ż s z o n e j t e m p e r a t u r y zwiększają takie napełniacze, jak sadze piecowe termiczne, krzemionka aktywna, węglan magnezowy, tlenek magnezowy i cynkowy. Jako zmiękczacze stosuje się przeważnie żywice. Nie jest zalecane natomiast w tym przypadku stosowanie siarki jako środka wulkanizującego. 4. Starzenie gumy Wyroby gumowe ulegają w warunkach pracy lub przechowywania tzw. star z e n i u. Terminem tym określa się pogorszenie własności fizycznych gumy, przejawiające się zwiększoną kleistością jej powierzchni jej mięknieniem lub twardnieniem i pojawieniem się powierzchniowych spękań. Guma ulega starzeniu pod wpływem tlenu, ozonu, światła, promieniowania jonizującego, odkształceń mechanicznych, nadmiernie obniżonej lub podwyższonej temperatury. O d p o r n o ś ć gumy na s t a r z e n i e podwyższa się przez wprowadzenie do mieszanki kauczukowej odpowiednich substancji przeciwstarzeniowych, bądź też zapobiega się przedwczesnemu starzeniu wyrobów gumowych przez ich odpowiednie przechowywanie. Pomieszczenia przeznaczone do przechowywania wyrobów gumowych powinny być zaciemnione i przewiewne, o względnej wilgotności powietrza 65 ±15% i temp C (wyroby z kauczuków chloroprenowych przechowuje się w temperaturze powyżej 12 C). Niewskazane są gwałtowne zmiany temperatury. 5. Ebonit Ebonit jest twardym materiałem otrzymywanym z kauczuku naturalnego lub niektórych kauczuków syntetycznych, zawierającym 20 33% siarki oraz niewielkie ilości zmiękczaczy (oleje roślinne i mineralne, parafina) i napełniaczy (pył ebonitowy, rzadziej sadza, kreda, kaolin). Gęstość ebonitu wynosi 1,1 2 g/cm 3, wytrzymałość na rozciąganie MPa, wytrzymałość na ściskanie MPa, wydłużenie przy zerwaniu 1 10%, udarność 0,5 2,5 J/cm 2, twardość 8 10 HB, wytrzymałość elektryczna kv/mm, rezystywność (opór elektryczny właściwy) mώ m. Jest nierozpuszczalny i nietopliwy, łatwo poddaje się obróbce mechanicznej. W handlu spotykany w postaci płyt, prętów i rur. Ebonit stosuje się na antykorozyjne wykładziny, naczynia akumulatorowe, części aparatury chemicznej, wyroby elektrotechniczne itp. 6