Что такое вулканизация в химии

Большой Энциклопедический словарь даёт такое пояснение слова вулканизация: «превращение каучука в резину, осуществляемое с участием т. н. вулканизующих агентов (например, серы, органических пероксидов, некоторых синтетических смол) или под действием ионизирующей радиации. В результате вулканизации повышаются прочность, твердость, эластичность, тепло- и морозостойкость каучука, снижается его растворимость в органических растворителях».

Что такое вулканизация

Практическое применение вулканизации

Что такое вулканизация в химииСлово «вулканизация» многим из нас известно с детства: мы слышали его всякий раз, когда обращались к взрослым за помощью, проколов велосипедную шину. Вскочив на отремонтированный велосипед, мы улетали по своим детским делам, недолго поудивлявшись, какое отношение ремонт велика имеет к вулканам. Как оказывается, имеет!

Слово «вулканизация», как и сказано в Энциклопедии, означает «превращение каучука в резину». Процесс осуществляется при помощи т.н. вулканизирующих агентов, веществ, способствующих этому превращению. В качестве таких агентов используют серу, оксиды металлов и другие вещества вместе с ускорителями вулканизации.

Сами по себе каучук, резина и их взаимные превращения, мало кого волнуют, кроме специалистов. Нас сейчас интересует практическое применение этого метода. А точнее, один его аспект: ремонт автомобильных покрышек.

Немного истории: Goodyear и вулканизация

Что такое вулканизация в химииХотя вулканизация применяется далеко не только для ремонта шин, изобретение этого метода тесно связано именно с автомобильными покрышками. Всем автолюбителям хорошо знакома фамилия изобретателя вулканизации. Его звали Чарльз Нельсон Гудьир. Да-да, именно Goodyear, в честь которого и названа известная компания-производитель, основанная почти через 40 лет после смерти изобретателя. Открытый им процесс был назван именем Вулкана, древнеримского бога огня.

Изобретению Гудьира мир обязан существованию всех изделий из резины, которыми мы привычно пользуемся, не задумываясь о том, что эксперименты с каучуком, по сути, стоили изобретателю жизни. Гудьиру приходилось работать с весьма вредными веществами, что не могло отразиться на здоровье изобретателя.

История жизни Чарльза Нельсона Гудьира заслуживает отдельного описания, каковых, впрочем, существует немало. Мы же, отдав должное памяти изобретателя, вернёмся к использованию метода вулканизации для ремонта автомобильных шин.

Горячая вулканизация

Для ремонта автомобильных шин используют заплатки из «сырой резины», которые в процессе вулканизации образуют с покрышкой единое целое, надёжно заделывая место прокола. Этот процесс можно выполнить одним из двух способов: горячая и холодная вулканизация.

ВАЖНО: результат ремонта шины методом горячей вулканизации во многом зависит от квалификации мастера. Неправильное использование оборудования может привести к браку.

Горячую вулканизацию используют для восстановления покрышек с боковыми порезами от 1 см, а также для ремонта серьёзных повреждений протекторной части. Как видно из названия, этот способ подразумевает воздействие высокой температуры. Этот способ считается более прочным, кроме того, к важным преимуществам горячей вулканизации относится возможность использования покрышки сразу после ремонта.

Применение этого способа требует наличия специального оборудования и навыков работы с ним. Качественный ремонт шин методом горячей вулканизации возможен лишь при соблюдении всех технологических требований.

Читайте также:  Накидной ключ с трещоткой набор

Холодная вулканизация

При этом способе вместо термического воздействия для активации бутилового слоя покрышки применяются химические вещества. По сути, если говорить бытовым языком, холодная вулканизация — это склеивание.

ВАЖНО: качество ремонта зависит от предварительной подготовки поверхности покрышки. Её необходимо очистить от грязи и влаги, сделать шероховатой для лучшего схватывания.

Для проведения ремонта шин холодной вулканизацией не требуется громоздкое оборудование, здесь можно обойтись ручным инструментом. Между тем, соблюдение технологии в этом случае не менее важно: любое нарушение процесса приведёт к браку. После ремонта использовать покрышку можно не ранее, чем через сутки (при температуре не ниже +20°С).

Подытожим

Выбор способа ремонта покрышки, горячей или холодной вулканизации, зависит от конкретных условий: особенности повреждения покрышки, возможности шиномонтажной мастерской, и других. Заочно нельзя сказать, который из способов окажется предпочтительнее в вашем случае, каждый из них имеет как преимущества, так и недостатки в сравнении с другим.

"Зачем её проводят? "
При этом повышаются прочностные характеристики каучука, его твёрдость и эластичность, снижаются пластические свойства, степень набухания и растворимость в органических растворителях.

В процессе вулканизации каучук становится резиной.

___
"Как её проводят? "
Каучук смешивают с серой, с сажей, и другими веществами и наполнителями. Из этого состава формуют нужные изделия и поддают нагреванию. При нагревании каучука с серой, макромолекулы каучука «сшиваются» друг с другом дисульфидными (серными) мостиками. А из отдельных макромолекул образуется единая трехмерная пространственная сетка. Изделие из такого материала (резины) прочнее, чем из каучука, и сохраняет свою эластичность в более широком интервале температур.

Вулканизующими агентами могут являться: сера, пероксиды, оксиды металлов, соединения аминного типа и др. Для повышения скорости вулканизации используют различные катализаторы-ускорители.

технол. процесс, в к-ром пластичный каучук превращается в резину. В результате В. фиксируется форма изделия и оно приобретает необходимые прочность, эластичность, твердость, сопротивление раздиру, усталостную выносливость и др. полезные эксплуатационные св-ва. С хим. точки зрения В. — соединение ("сшивание") гибких макромолекул каучука в трехмерную пространств. сетку (т. наз. вулканизационную сетку) редкими поперечными хим. связями. Образование сетки происходит под действием спец. хим. агента или (и) энергетич. фактора, напр. высокой т-ры, ионизирующей радиации. Поперечные связи ограничивают необратимые перемещения макромолекул при мех. нагружении (уменьшают пластич. течение), но не изменяют их способности к высокоэластич. деформации (см. Высокоэластическое состояние). Степень сшивания (густоту сетки поперечных связей) характеризуют равновесными модулями растяжения или сдвига, к-рые определяют при сравнительно небольших деформациях, равновесным набуханием в хорошем р-рителе, а также содержанием макромолекул, оставшихся в сшитом образце вне сетки (зольфракция).

Структура вулканизационной сетки. Механизм вулканизации. Вулканизац. сетка имеет сложное строение. В ней наряду с узлами, в к-рых соединяются две макромолекулы (тетрафункциональные узлы), наблюдаются также полифункциональные узлы (соединение в одном узле неск. макромолекул). Св-ва сеток зависят от концентрации поперечных хим. связей, их распределения и хим. строения, а также от средней мол. массы и ММР вулканизуемого каучука, разветвленности его макромолекул, содержания в сетке зольфракции и др. Оптимальная густота сетки достигается при участии в сшивании всего 1-2% мономерных звеньев макромолекулы. Дефектами сетки м. б. своб. концы макромолекул, не вошедшие в нее, но к ней присоединенные; сшивки, соединяющие участки одной и той же цепи; захлесты или переплетения цепей и т. д.

Читайте также:  Графитная смазка что это

Поперечные хим. связи — мостики образуются под действием разл.агентов В. и представляют собой фрагменты молекул самого агента. От хим. состава этих мостиков зависят мн. эксплуатац. характеристики резин, напр. сопротивление термоокислит. старению, скорость накопления остаточных деформаций в условиях сжатия при повыш. т-рах, стойкость к действию агрессивных сред. Влияние хим. состава и длины поперечных связей на прочность резин при обычной т-ре надежно не установлено.

Строение сетки вулканизатов, наполненных технич. углеродом (сажей), сложнее, чем ненаполненных, из-за сильного физ и хим. взаимод. каучука с наполнителем. Для таких вулканизатов количеств. связь между параметрами сетчатой структуры и эксплуатац. характеристиками до сих пор не найдена. Однако существуют разнообразные качеств. и полуколичеств. зависимости, к-рые широко используют для разработки рецептур резин и прогнозирования их поведения при В.

На практике, чтобы обеспечить высокую производительность оборудования, стремятся к миним. продолжительности В., но в условиях, обеспечивающих эффективную переработку смесей и получение резин с наилучшими св-вами. Весь процесс принято подразделять на три периода: 1) индукционный; 2) период формирования сетки; 3) перевулканизация (реверсия). По продолжительности индукц. периода, когда измеримое сшивание не наблюдается, определяют стойкость резиновой смеси к преждевременной вулканизации (подвулканизации). Последняя затрудняет переработку смеси и приводит к ухудшению кач-ва изделий. Этот период особенно важен при В. многослойных изделий, т. к. с увеличением его продолжительности усиливаются слипание отдельных слоев смеси при формировании изделия и совулканизация слоев.

Завершению периода формирования сетки соответствует оптимум вулканизации — время, за к-рое обычно достигается образование вулканизата с наилучшими св-вами. Технически важная характеристика — плато вулканизации, т. е. отрезок времени, в течение к-рого значения измеряемого параметра, близкие к оптимальным, изменяются сравнительно мало. К перевулканизации приводит продолжение нагревания резины после израсходования агента В. Перевулканизация проявляется в дальнейшем повышении жесткости вулканизата (напр., при В. полибутадиена, сополимеров бутадиена со стиролом или акрилонитрилом) или, наоборот, в его размягчении (при В. полиизопрена, бутил-каучука, этилен-пропиленового каучука). Эти изменения св-в связаны с термической перестройкой вулканизац. сетки, термич. и термоокислит. превращениями макромолекул.

Элементарные р-ции, протекающие при В., определяются хим. строением каучука и агента В., а также условиями процесса. Обычно, независимо от характера этих р-ций, различают 4 стадии В. На первой, охватывающей в основном индукц. период, агент В. переходит в активную форму: в результате его р-ции с ускорителями и активаторами процесса образуется т. наз. действительный агент В. (ДАВ). [Применение сравнительно стабильных компонентов вулканизующей системы обусловлено необходимостью относительно длительного (до одного года) их хранения на резиновых заводах, а также сохранения в течение нек-рого времени пластичности резиновой смеси, поскольку в противном случае исключается возможность формования изделия.]

Читайте также:  Шлифматериал 25а что это

Собственно сшивание охватывает две стадии: а) активацию макромолекул в результате их р-ции с ДАВ, приводящей к образованию полимерного своб. радикала, полимерного иона или активного промежут. продукта присоединения агента В. к макромолекуле; б) взаимод. двух активированных макромолекул (или активированной и неактивированной) с образованием поперечной связи. На 4-й стадии происходит перестройка "первичных" поперечных связей в термически и химически более устойчивые структуры; при В. каучуков спец. назначения, напр. полисилоксановых или фторкаучуков, этой цели служит отдельная технол. операция — выдержка в воздушных термостатах.

Специфич. особенности рассмотренных р-ций — высоковязкая среда, а также большой избыток каучука по сравнению с кол-вом агента В. (обычно 1-5% от массы каучука). Большинство агентов В. плохо растворимо (твердые в-ва) или плохо совместимо (жидкости) с каучуком; поэтому для равномерного диспергирования агента В. в среде каучука в виде частиц (капель) минимально возможного размера применяют спец. диспергаторы, являющиеся ПАВ для данной системы. Хорошим диспергатором служит, напр., стеарат цинка, к-рый образуется в резиновой смеси при р-ции стеариновой к-ты с ZnO, применяемыми в кач-ве активаторов серной В. Присутствие полярных группировок в макромолекуле, полярных нерастворимых в-в в резиновой смеси и ряд др. факторов способствует локальному концентрированию даже р-римых в каучуке агентов В. Вследствие этого р-ции, обусловливающие В., идут частично как гомогенные (растворенный ДАВ), а частично как гетерогенные [р-ции на границе раздела каучук — частица (капля) ДАВ]. Полагают, что гетерогенные р-ции приводят к образованию сетки с узким ММР отрезков макромолекул между сшивками, благодаря чему повышаются эластичность, динамич. выносливость и прочность вулканизатов. Статистич. распределение поперечных связей, характерное для гомогенных р-ций, предпочтительнее при получении уплотнит. резин, наиб. важное св-во к-рых — малое накопление остаточных деформаций при сжатии.

Поскольку от доли гетерог. р-ций зависит строение вулканизац. сетки, св-ва вулканизатов определяются не только механизмом хим. р-ций, но и размером и распределением дисперсных частиц агента В. и ДАВ в каучуке, интенсивностью межмол. взаимод. на межфазной границе и др. Влияние этих факторов проявляется при смешении каучука с ингредиентами и переработке резиновой смеси. Поэтому св-ва вулканизата зависят от "предыстории" конкретного образца.

Технология вулканизации. Вулканизующие системы. Большинство резиновых смесей подвергается В. при 130-200