Список тематических статей

Резинотекстильные изделия. Их производство.

Сегодня резинотекстильные изделия — это широкий класс самых необходимых изделий в нашей жизни и технике. Они включают большое число разных видов, в том числе следующие:

• автомобильные, авиационные и другие виды шин;
• передаточные элементы устройств для перемещения различных материалов (конвейерные ленты, рукава, шланги);
• гибкие тяговые связи передач (приводные ремни, гусеничные ленты и др.);
• воздухо- и водоплавательные средства (аэростаты, надув­ные лодки, плоты, понтоны и др.);
• устройства безопасности в авто- и авиатранспорте (надувные трапы, подушки безопасности и др.);
• пневматические строительные конструкции (сборно-разборные промышленные, сельскохозяйственные, общественные и жилые здания и сооружения и др.), а также надувная мебель;
• средства защиты человека (костюмы, фартуки) и многие другие.

Особенностью резинотекстильных изделий является то, что они почти всегда создаются как конструкции и их в большинстве случаев получают путем соединения текстильного армирующего наполнителя и резиновых заготовок с последующей вулканизацией [1–6].

Резинотекстильные изделия, в основном, работают в условиях преимущественного воздействия растягивающих нагрузок; они легко деформируются также при воздействии изгибающих или сжимающих нагрузок. В резинотекстильных материалах основным структурным элементом являются нити или системы нитей. Нити могут состоять из волокон (пряжа) или являться непрерывными химическими нитями. Входящие в их состав волокна или элементарные нити (филаменты) объединены в единый структурный элемент путем обязательной крутки и пропитаны связующим резиновым компонентом. Важнейшим условием армирования резинотекстильных материалов и изделий является низкое значение модуля деформации матрицы (резины) по сравнению с нитями Е_м<<Е_н.

Резинотекстильные изделия представляют собой специально созданные изделия — конструкции с заданным расположением волокнистого наполнителя в направлении растягивающих нагрузок и находящихся между ними слоев резины. Слои резины вследствие малого модуля деформации и высокой деформативности почти не препятствуют изгибающим и сжимающим нагрузкам.

Для изготовления (армирования) резинотекстильных изделий (транспортерных лент, приводных ремней, шлангов и других), а также автомобильных и авиационных шин, применяются текстильные материалы — технические нити, бельтинги, кордные ткани [5–14]. Основные виды технических нитей, используемых в качестве исходных для армирующих текстильных структур — это вискозные (в настоящее время их применение невелико), алифатические полиамидные (полиамид 6 — капрон и полиамид 66 — анид), полиэфирные. Для тяжелонагруженных шин используются параполиамидные нити. Для специальных видов шин иногда используются углеродные, стеклянные и металлические нити. Для некоторых видов шин и других резинотекстильных изделий пока еще традиционно используются гидратцеллюлозные (вискозные) технические нити. В очень редких случаях пока еще применяются хлопчатобумажные нити (пряжа).

Механические свойства резинотекстильных изделий определяются при полуцикловых, одноцикловых и многоцикловых испытаниях (цикл включает стадии нагрузки, разгрузки и «отдыха» образца) [15]. При полуцикловых испытаниях, включающих только стадию нагрузки, определяют абсолютную и относительную прочность, напряжение при разрыве и разрывную длину армирующих нитей, их относительное удлинение и модуль деформации при растяжении, который условно оценивают как нагрузку при заданном небольшом удлинении или удлинение при заданной небольшой нагрузке.

Выносливость кордных нитей при многократных деформациях в различных условиях определяют с помощью многоцикловых испытаний. Этот показатель оценивают по количеству циклов нагружения до разрушения образца или по относительному падению прочности после заданного количества циклон.

При многоцикловых испытаниях нитей многократно подвергают различным видам деформации: растяжению, изгибу, удару на копрах, сжатию и изгибу в резинотекстильных образцах. Кроме того, проводят испытания на сопротивление расслоению резинотекстильной системы при деформациях сдвига и сжатия, при которых на границе резина–нить возникают касательные напряжения. Таким образом оценивается адгезия армирующих нитей к резине в режиме многократного нагружения.

Для армирующих нитей определяют влагостойкость или относительную потерю прочности во влажном состоянии.

Важнейшими условиями нормальной эксплуатации резинотекстильных изделий, особенно подвергаемых длительным многократным деформациям, является сохранение длительной адгезионной связи армирующих нитей с резиной [16, 17].

Адгезионные связи в системе корд — адгезив–резина отличаются наличием двух границ раздела: адгезив — кордная нить и адгезив — резина. При образовании этих связей образуется несколько размытая граница раздела между компонентами и происходит миграция ингредиентов резиновой смеси из резины в корд и из корда в адгезив.

На границе корд — адгезив связь обеспечивается вследствие затекания адгезива между элементарными волокнами, а также в результате образования межмолекулярного физического или химического взаимодействия между волокнами и активными функциональными группами адгезива.

На границе адгезив — резина под действием давления и температуры при обрезинивании и вулканизации между функциональными группами адгезива, волокном и ингредиентами резины возникает межмолекулярное взаимодействие. Введение в резины специальных добавок с активными функциональными группами (резорцино-формальдегидных смол, сульфохлорированного полиэтилена и др.) приводит к существенному повышению прочности связи системы вследствие образования химических связей на границе резины с адгезивом.

Пленка адгезива, превышающая по значению модуля деформации резину (в области малых деформаций до 100%), служит «переходным мостиком» между высокомодульным кордом и низкомодульной резиной, принимая на себя часть напряжений, возникающих в работающей системе.

Наибольшее распространение получили адгезивы на основе натурального, бутадиенстирольного, карбоксилатного и винилпиридинового латексов. В качестве активных добавок в латексные составы вводят в основном резорцино-формальдегидные смолы в виде фенолоспиртов или низкомолекулярных олигомеров. Иногда вводят также и другие компоненты. Обычно применяют адгезивы следующего состава (в частях по массе): латекс — 100, резорцино-формальдегидная смола — 10–25 (иногда также газовая сажа — 20–40).

Пропитка корда должна обеспечить нанесение на его поверхность 4–8% адгезива. Пропитанный корд сушат для удаления влаги; при этом происходит также дальнейшая конденсация резорцино-формальдегидной смолы в пленке адгезива. Для различных типов корда технологический процесс обработки и рецептура адгезивов различны.

Технологический процесс пропитки корда адгезивами является довольно сложной операцией. Поэтому все шире применяются методы крепления корда к резине, основанного на создании химических связей между непропитанным кордом и резинами, содержащими специальные добавки.

Близкие по составам пропитки применяются в случае других резинотекстильных изделий, работающих в режиме длительных многократных деформаций/нагрузок, например приводных ремней.

Приведем краткую характеристику основных видов кордных нитей с учетом их свойств и некоторых особенностей применения.

Механические свойства вискозных кордных нитей в сухом состоянии и достаточная термическая стойкость при эксплуатации обеспечили изготовление шин с достаточно высокими эксплуатационными характеристиками по сравнению с шинами на основе хлопчатобумажного корда. Однако недостаточная устойчивость к действию влаги (при проколах) и некоторые другие недостатки вискозного корда привели с созданием синтетического корда к вытеснению первого полиамидным и полиэфирным кордом в качестве армирующего каркаса.

Полиамидные кордные нити характеризуются более низкой, чем вискозное, адгезией к резинам вследствие меньшей полярности и большей гидрофобности. Для пропитки полиамидного корда применяют латексные адгезивы с более высоким содержанием резорцино-формальдегидной смолы и более высокой концентрацией пропиточных составов (18–20% вместо 11–15% для вискозного корда). Недостатки полиамидного корда — ползучесть под нагрузкой, повышенная усадка при высоких температурах.

Полиамидные нити имеют сравнительно невысокую температуру стеклования 45–50°С. Поэтому они обладают заметной ползучестью. Вследствие этого изделия, изготовленные с применением полиамидного корда, при эксплуатации разнашиваются (увеличиваются в размерах), что снижает сроки их службы. Капроновый корд при этом оказывается хуже, чем корд из анида (найлона 66). Зато полиамидный корд прекрасно работает в условиях многократного динамического нагружения — в условиях эксплуатации.

Один из способов повышения модуля полиамидного корда и устранения разнашиваемости изделий — вытяжка его при высоких температурах. Поэтому технология обработки этого корда включает стадии термической вытяжки и последующей термостабилизации. Температурa на этих стадиях для капронового и анидного корда составляет соответственно 190–200 и 220–240°С при продолжительности пребывания в каждой из зон от 20 до 60 с. Натяжение при термической вытяжке составляет от 20 до 50 Н (от 2 до 5 кгс) на нить в зависимости от типа корда.

Полиэфирное кордные нити характеризуются достаточно высокой температурой стеклования (80–90°С), что соответствует их низкой ползучести. Они не содержат полярных функциональных групп в основной молекулярной цепи, поэтому они очень мало гигроскопичны и обладают низкой адгезионной способностью к традиционным видам адгезивов. Поэтому полиэфирный корд не пропитывается латексными адгезивами.

Достаточную прочность связи с резинами удается достигнуть только при обработке полиэфирного корда растворами изоцианатов или водными дисперсиями блокированных изоцианатов. Иногда после этого полиэфирный корд обрабатывают еще латексными адгезивами, содержащими резорцино-формальдегидные смолы. Значительное улучшение адгезионных свойств полиэфирного корда также достигается в результате высокотемпературной (220–240°С) обработки пропитанного корда. Производится также полиэфирный корд с введенными в его состав адгезивами, который не требует такой сложной обработки.

Для производства резинотекстильных изделий применяются различные виды резин в зависимости от условий их эксплуатации. Резины в резинотекстильных изделиях выполняют роль монолитизирующей матрицы, распределяющей механические усилия между армирующими текстильными структурными элементами, а также роль защитного слоя от различных видов внешних воздействий — механических, действия влаги и других.

Резина является особым классом полимерных материалов, которые сочетают в себе свойства твердых тел (эластичность, стабильность формы), жидкостей (высокая деформируемость при малых величинах механических воздействий) и газов (энтропийная природа упругости, повышение упругости вулканизационной сетки с ростом температуры) [14, 18–26]. Резины — гидрофобные материалы. Они незначительно поглощают воду и ограниченно набухают в органических растворителях. В зависимости от вида наполнителей резины могут обладать различными электрическими, магнитными и другими функциональными свойствами. Производятся резины с высокой термостойкостью, масло-, бензо-, водо-, паро- и стойкостью к действию химически агрессивных сред, ионизирующих излучений. По назначению различают следующие основные группы резин — общего назначения, теплостойкие, морозостойкие, маслобензостойкие, стойкие к действию химически агрессивных сред, диэлектрические, электропроводящие, магнитные, огнестойкие, радиационностойкие, вакуумные, фрикционные, пищевого и медицинского назначения, для условий тропического климата и др.

Важнейшее свойство резины ее — высокая эластичность, т.е. способность к большим обратимым деформациям в широком интервале температур. Нижним пределом температур является температура стеклования, ограничивающая нижний предел области ее эксплуатации. Для кристаллизующихся каучуков зависит также от температуры и скорости кристаллизации. Верхний температурный предел эксплуатации резины связан с термической стойкостью каучуков и поперечных химических сшивок, образующихся при вулканизации. Резины характеризуются также высокими фрикционными свойствами, износостойкостью, сопротивлением раздиру и утомлению.

Резины получают вулканизацией резиновых смесей (композиций), состоящих главным образом из каучуков (обычно 30–60% по массе). Другие компоненты резиновых смесей — это вулканизующие агенты, ускорители и активаторы вулканизации, активные наполнители, пластификаторы (мягчители), противостарители. В состав смесей могут также входить регенерат (пластичный продукт регенерации резин, способный к повторной вулканизации), модификаторы, красители, порообразователи, антипирены, и др. ингредиенты. Выбор каучука и других компонентов резиновой смеси определяется назначением, условиями эксплуатации, требованиями к изделию, технологией, экономическими и другими факторами. Для резинотекстильных изделий, эксплуатируемых при воздействии активных сред, применяются различные виды полиуретановых эластомеров, фторсодержащие эластомеры и другие виды каучуков. Применение активных наполнителей (высокодисперсных саж, SiO₂ и др.) позволяет на порядок повысить прочностные характеристики резин. Твердость резин определяется содержанием в ней наполнителей и пластификаторов, а также степенью вулканизации.

Технология производства изделий из резины включает смешение каучука с другими компонентами в смесителях или на вальцах, изготовление полуфабрикатов (экструдированных профилей, каландрованных листов, прорезиненных тканей, корда и т.п.), раскрой полуфабрикатов, сборку заготовок изделия и их вулканизацию в аппаратах периодического (формующие аппараты–вулканизаторы, прессы, автоклавы, и др.) или вулканизаторы непрерывного действия. Перспективны использование порошкообразных резиновых композиций и получение литьевых резин методами формования из композиций на основе жидких каучуков.

Вулканизация является важнейшей операцией, придающей резинам твердообразные свойства. Она представляет собой химическую реакцию сшивания макромолекул каучука с образованием заданной частоты сетки межмолекулярных связей. В качестве сшивающих агентов используются сера (вводимая заранее в состав резиновой смеси) или другие бифункциональные соединения, способные к реакциям взаимодействия с макромолекулами каучука при повышенных температурах. От количества вводимого вулканизующего агента зависит частота образующейся сетки и, соответственно, свойства получаемой резины.

Подробнее см. книгу «Армирующие волокна и волокнистые полимерные композиты», выходящую в октябре в издательстве «Научные основы и технологии».