Gumy materiały niemetalowe PDF

Preview

Summary

Download Gumy materiały niemetalowe PDF

Description

Guma jest elastycznym produktem wulkanizacji (sieciowania makrocząsteczek) kauczuku. W skład gumy obok kauczuku wchodzi wiele różnorodnych substancji pomocniczych, które modyfikują jej końcowe własności użytkowe. Swoje specyficzne właściwości do których można zaliczyć wysoką elastyczność, zdolność do dużych odkształceń sprężystych podczas obciążeń dynamicznych i statycznych, odporność na działanie czynników atmosferycznych oraz niską przepuszczalność wody i gazów materiały gumowe uzyskują wyłącznie po przeprowadzeniu procesu chemicznego tzw. wulkanizacji.

Wulkanizacja jest procesem sieciowania makrocząsteczek kauczuku. Polega ona na tworzeniu poprzecznych wiązań między łańcuchami i prowadzi do przemiany liniowego polimeru kauczukowego w przestrzenną, usieciowaną strukturę. Podczas wulkanizacji kauczuki przeprowadzane są w użytkową postać gumy, uzyskując większą wytrzymałość na rozciąganie, ściskanie oraz ścieranie. Stają się one bardziej elastyczne w szerokim przedziale temperatur oraz odporne na działanie rozpuszczalników i czynników środowiskowych. W praktyce przemysłowej wulkanizację kauczuków przeprowadza się na ogół przy użyciu systemów wulkanizacyjnych, złożonych z siarki, przyspieszaczy wulkanizacji i aktywatorów, które wymagają prowadzenia procesu w podwyższonej temperaturze (140-1600C). Wulkanizacja w przemyśle gumowym traktowana jest nie tylko jako proces chemicznego sieciowania kauczuków ale również sposób jej technologicznego przeprowadzania. Przyjętymi technikami wulkanizacji mieszanek gumowych są: wulkanizacja w prasie, w parze wodnej i gorącym powietrzu, solach stopionych, pod wpływem promieniowania jonizującego oraz wulkanizacja podczas formowania wtryskowego i przetłoczonego.

Niemal każdy rodzaj gumy otrzymuje się z kauczuku poprzez wulkanizację. Kauczuk złożony jest z ułożonych obok siebie długich łańcuchów poliolefin czyli polimerów zawierających tylko węgiel i wodór, w których długie łańcuchy węglowe -C-C-C-, stanowią podstawowy szkielet łańcuchów samych polimerów. Wulkanizacja czyli chemiczny proces sieciowania cząsteczek polimerów, powoduje tworzenie się niewielkiej liczby mostków chemicznych między łańcuchami, na skutek czego powstaje przestrzenna sieć. Proces sieciowania musi być kontrolowany, ponieważ gęstość występowania tych mostków decyduje o mechanicznych własnościach gumy. Wraz ze wzrostem usieciowania spada elastycznośc gumy, natomiast wzrasta wytrzymałośc na zerwanie. Zbyt uża liczba mostków powoduje utratę elastyczności gumy, przez co materiał staje się duromerem odpornym na rozciąganie i ściskanie, jednak w niektórych przypadkach bardzo kruchym. Większość gum usieciowana jest w 1% do maksymalnie 8% molowo, czyli, że przy 1% do 8% merów występują mostki sieciujące. Do produkcji wyrobów metodą wulkanizacji stosuje się gumę chaotycznie i słabo zasieciowaną, czyli zwulkanizowaną tylko do tego stopnia by stała się jednolitym ciałem stałym nadającym się do ponownego, właściwego zwulkanizowania. Wulkanizacja powoduje sieciowanie tych łańcuchów, co wzmacnia uzyskany materiał, nadaje mu elestyczność i uodparnia na wpływ środowiska. Guma często jest łączona z innymi materiałami np. siatkami stalowymi lub płutnami tworząc

kompozyty. Przykładem może być tutaj opona samochodowa, w której zatopione są metalowe siatki, lub węże wysokociśnieniowe które zawierają zatopione bardzo wytrzymałe płutno.

Technologia wytwarzania produktów czy też wyrobów z gumy obejmuje kilka następujących czynnosci: 1. Wykonywanie mieszanek gumowych, czyli dodawanie do kauczuku w odpowiedniej kolejności różnych składników, aktywatorów, przyśpieszaczy itp. w celu uzyskania gumy o odpowiednich właściwościach. 2. Wykonanie konfekcji (pocięcie gumy na odpowiednie kawałki o odpowiedniej wadze i wielkości by pasowały do danej formy) ręcznie np. gilotyną lub specjalną wytłaczarką. 3. Wulkanizacja gumy czyli ogrzewanie w formie w odpowiedniej temperaturze, pod ciśnieniem, przez określony czas. 4. Końcowa obrówka wyrobów gumowych - rozcięcie na sztuki, oberwanie lub obcięcie gumy która wypłynęła poza formę, spiłowanie grzbietów gumowych, które powstają w miejscach łączenia formy. Kauczuk wiąże się z siarka, co polepsza jego właściwości techniczne i odporność chemiczną. Kauczuk zwulkanizowany nazywa się gumą. Wulkanizację przeprowadza się zwykle w temperaturze 135-180°C z dodatkiem od 2% do 3% siarki. Wulkanizację na zimno stosuje się przy produkcji drobnych wyrobów gumowych np. rurek, oraz przy gumowaniu tkanin. Wtedy do wulkanizacji nie stosuje się siarki lecz jej rozcieńczone roztwory w dwusiarczku węgla. Guma jest znacznie twardsza od kauczuku, posiadawiększą sprężystość i elastyczność, zachowujac swoje właściwości w szerszym przedziale temperatur niż kauczuk. jest odporniejsza od kauczuku na działanie powietrza i rozpuszczalników, jest nieprzepuszczalna dla wody i słabo przepuszczalna dla gazów, posiada dużą odpornośc na ścieranie Przebieg wulkanizacji oraz właściwości gumy zależą w znacznym stopniu od procentowej zawartości w niej siarki i innych domieszek np. przeciwutleniaczy i przyspieszaczy skracających czas wulkanizacji gumy. Wysoka zawartość siarki (32-40%) nadaje gumie dużą twardość, a jednoczesnie kruchość. Na przykład ebonit, zawierający około 40% siarki, jako materiał dostatecznie twardy, stosuje się do produkcji aparatów medycznych, skrzynek akumulatorowych,itp.; w elektrotechnice służy on jako izolator. Czarna guma wykożystywana do produkcji opon zawiera do 50% sadzy. Do zabarwienia gumy na kolor czerwony wykożystywany jest pięciosiarczek antymonu Sb5S5. Roztwór kauczuku w mieszaninie ksylenów itoluenu stosuje się jako klej do gumy i skóry. Dodatek sadzy aktywnej do gumy powoduje zrost twardości oraz zmniejszenie wydłużenia względnego i elastyczności gumy. Twardość gumy jest granicach 25° - 95° wg Shore'a. Dobry wpływ na zmniejszenie ścieralności wyrobu (bardzo ważny czynnik np. przy produkcji opon) wywierają dodatki mineralne, a zwłaszcza krzemionka aktywna i sadze drobnocząsteczkowe. Odporność gumy na działanie wysokiej temperatury wzrasta po dodaniu takich napełniaczy jak: sadzy piecowej termicznie, węglanu magnezowego, krzemionki aktywnej, tleneku cynkowego i

magnezowego. Jako zmiękczacze stosuje się przeważnie żywice, jednak w tym przypadku nie zaleca się stosowania siarki jako środka wulkanizacyjnego. W procesie wulkanizacji otrzymuje się nie tylko gotowe produkty gumowe, lecz także półprodukty gumowe np. tkaniny oblane gumą, z których następnie wykonane zostaną ubrania ochronne, kombinezony itp.; lub płyty gumowe czyli zwulkanizowane akrusze płaskiej gumy, przeznaczone do późniejszego wykrawania na np. uszczelki płaskie. Z gumy często oblewane są różne elementy metalowe, na które wcześniej nakładany jest specjalny klej powodujący przyklejenie gumy do metalu. W ten sposób wykonuje się wiele rodzaji rączek np. do pieców C). Gumą ze względu na swoje własciwości amortyzacyjne, stosowana jest przy produkcji różnego rodzaju odbijaków i amortyzatorów. Zastosowanej dużej ilości tlenku cynku (20 + 50. cz. na 100 cz. kauczuku) w mieszance wpływa korzystnie na histerezę gumy przeznaczonej na amortyzatory tłumiące drgania ciągłe. W wielu przypadkach guma wypierana jest przez inne materiały sztuczne. Głównym tego powodem jest pracochłonna produkcja wyrobów, proces wulkanizacji jest dość długi, a wyroby trzeba jeszcze oberwać z wypływki, i oszlifować fazki. Przy produkcji np. materiałów wtryskiwanych proces wtryskiwania trwa kilka kilka sekund, a wyjęty z formy wyrób jest wyrobem gotowym nie wymagającym dalszej obróbki. Kolejnym problemem przy produkcji wyrobów gumowych jest starzenie się gumy. Materiał gumowy przygotowany do produkcji czyli z domieszkowaną już siarką nie może leżeć zbyt długo gdyż od momentu dodania siarki zaczyna się powolny samoistny i chaotyczny proces wulkanizacji. W zależności od ilości dodanej siarki guma w kilka tygodni lub miesięcy staje się bezuzyteczna. Pomimo wielu problemów na jakie napotyka się przy procesie produkcji wyrobów gumowych, produkcja produktów z gumy nie spada i nie jest zbyt tragicznie wypierana przez inne substytuty. Guma po dziś dzień jest surowcem na tyle naturalnym, że ciężko go w niektorych przypadkach zastąpić innym materiałem, a w niektórych przypadkach jest to wręcz niemożliwe. Drugim ważnym czynnikiem powodującym wzrost liczby przedsiębiorstw produkujących wyroby z gumy jest tani i szybki proces przygotowania produkcji danego produktu. Zarówno wykrojniki, jak i formy do wulkanizacji gumy są znacznie prostrze i łatwiejsze do wykonania, a przez to znacznie tańsze (czasem nawet kilkanaście lub kilkadziesiąt razy tańsze), niż formy np. do produkcji wyrobów wtryskiwanych.

Pomiary materiałów niemetalowych (metoda durometrowa Shore’a)

Termin skala twardości Shore’a odnosi się także do metody statycznej pomiaru twardości gumy, elastomerów i sztywnych tworzyw sztucznych[3]. Wynalazcą był wyżej wymieniony Albert F. Shore, który ok. 1915 r. opracował przyrząd nazwany durometrem. Twardość materiałów polimerowych oznacza się metodą Shore’a zgodnie z normą PN-ISO 868, wgłębnikiem według normy PN-93/C-04206. Aparat mieszczący się w dłoni (są także dokładniejsze stacjonarne przyrządy) dociska się podstawą do tworzywa minimum 10 mm od krawędzi próbki. Wgłębnik (do materiałów miękkich jak guma używany jest wgłębnik zatępiony, do twardszych – igła) wystający z podstawy, wypychany sprężyną wgniata się w materiał, przy czym ustala się równowaga między naciskiem sprężyny a reakcją tworzywa. Po ustaleniu równowagi wskazówka zatrzymuje się na odpowiednim zakresie skali wyrażonej w stopniach Shore’a (0 – 100). Do materiałów miękkich stosowane są twardościomierze typu A, a typu C i D do twardych. Wyniki uzyskiwane z pomiarów prowadzonych przy użyciu różnych typów twardościomierzy nie są porównywalne dlatego zawsze w wyniku należy podać oznaczenie typu. Zaleca się wykonywanie pomiarów twardości twardościomierzem typu D, gdy twardość wskazana przez twardościomierz typu A wynosi ponad 90. Jeżeli twardość zmierzona za pomocą twardościomierza typu D jest mniejsza niż 20, twardość należy oznaczać twardościomierzem typu A. Markowe durometry Shore'a były produkowane do ok. 2010 r. przez INSTRON (ITW), który w 1995 r. przejął firmę SHORE INSTRUMENTS, założoną w 1907 r. przez Alberta F. Shore'a.

Miarą twardości w metodzie durometrowej Shore'a jest głębokość wniknięcia wgłębnika w materiał mierzony (albo inaczej długość wysunięcia wgłębnika poza powierzchnię stopy dociskowej). Pomiar polega na ścisłym przyłożeniu stopy dociskowej durometra - wraz z wystającym z niej wgłębnikiem - do powierzchni materiału mierzonego. Należy docisnąć stopę do materiału płynnie, bez gwałtownego czy zbyt silnego pchniecia. W materiał powinien się zagłębić wgłębnik, a nie stopa! Odczyt twardości następuje zwykle w momencie kiedy zatrzymuje się wskazówka wskaźnika zegarowego (lub stabilizuje się wskazanie na wskaźniku cyfrowym). Jest to ten sam moment, w którym siłę adiustowanej sprężyny wpychającej wgłębnik w materiał mierzony równoważy siła reakcji tegoż materiału....