Почему в производстве шин используют много видов каучука

Обновлено: 02.07.2024

Резина – эластичный материал, получаемый вследствие вулканизации каучука с добавлением активатора, обычно серы. В основном используется для изготовления автомобильных шин, камер, мячей, спортивных снарядов, лодок, шлангов.

История появления

Изначально резина изготавливалась исключительно из натурального каучука. Это сок гевеи, произрастающей в Южной Америки. С древних пор его использовали индейские племена для изготовления мячей, а также непромокаемых чулок. На территорию Европы каучук попал только в первой половине 18 века. Исследовав его качества, тогдашние промышленники придумали использовать получаемую из него массу только для изготовления ластиков для стирания карандаша.

Вся проблема в том, что эластичный каучук после обработки становился твердым. Лишь в 1823 году был найден способ и пропорции компонентов, при котором он сохранял эластичность. Тогда примитивную резину начали применять для пропитки тканей с целью обеспечения их водонепроницаемости.

Полноценную же резину впервые получили лишь 1839 году, когда была разработана технология вулканизации. Новый материал сразу получил признание и начал использоваться для изготовления уплотнителей и изоляции.

Состав резины

Для производства резины требуется провести полимеризацию каучука, но не просто нагревом, а с добавлением серы. Создаваемая ею среда позволяет сделать вулканизацию, благодаря чему масса становится не твердой, а эластичной.

Вещество, полученное этим способом, уже является резиной, но с совершенно не такой, какой ее знают сейчас. Она имеет мутный сложно определяемый цвет, сильно подвержена эффекту старения и обладает многими другими недостатками. Для ее улучшения первоначальный состав был усовершенствован.

Сейчас в него входит:

Каучук.
Регенерат.
Вулканизирующие вещества.
Ускорители вулканизации.
Наполнители.
Размягчители.
Противостарители.
Красители.

Регенерат – это вторсырье. В состав практически всей резины, кроме высококачественной медицинской и подобной ей, входят уже отработанные резиновые изделия. Их наличие снижает необходимую концентрацию каучука, который является самым дорогостоящим компонентом состава.

В качестве вулканизирующего вещества обычно применяется сера. Она включается в 1-35%. Причем от ее количества зависит уровень эластичности. У самой тягучей ее всего 1-4%. Процесс вулканизации достаточно продолжителен. Чтобы его ускорить, используются добавки, обычно каптакс или окись свинца. Их нужно совсем немного 0,5-2%. Причем они не только работают как ускорители, но и уменьшают температуру вулканизации.

Современная резина не является чистым вулканизированным каучуком. В ее состав входят различные наполнители, доля которых может доходить до 80%. От того какой из них применяется, зависят качества резины.

Всего используется 3 типа наполнителей:

Активные.
Неактивные.
Специальные.

В качестве активного применяется сажа или свинцовые белила. Такие наполнители укрепляют резину, делают ее более прочной, но при этом в некоторой мере позволяют ей сохранить эластичность. С ними она становится более прочной на разрыв и истирание. Автомобильные покрышки являются ярким примером резины, которая изготовлена на основании сажи.

К неактивным наполнителям для резины можно отнести тальк и мел. С ними получается менее прочный и стойкий материал, но более дешевый. Талька и мела много, их несложно добыть, намного проще, чем производить сажу. Такой наполнитель просто увеличивает объем резины.

Специальные наполнители это каолин и асбест. С ними резина приобретает нехарактерные для себя свойства, такие как температурная или химическая стойкость. Применение в качестве наполнителя диатомита делает ее улучшенным электроизолятором.

Размягчители в составе резины как понятно из названия делают ее более мягкой. Это дает характерную упругость, гибкость. Противостарители же снижают склонность материала к эффекту старения. С ними растрескивание резины со временем проявляется в меньшей мере.

Где используется резина

Применение резины получило широкое распространение благодаря ее упругости, долговечности, устойчивости отдельных ее видов к воздействию масла, бензина. Даже в обычном легковом автомобиле используется 200 видов резиновых деталей. Это шланги, приводные ремни, манжеты, втулки и т.д.

Из резины производят десятки тысяч наименований продукции. Большая доля этого сырья идет на изготовление автомобильных шин. Из нее делают коврики, тротуарную плитку, жгуты, транспортировочные ленты и т.д.

Виды резины

Изменяя соотношение компонентов, а также видов каучука и наполнителя, можно получать совершенно разные по своим качествам типы резины. Одни ее образцы отличаются великолепной тягучестью и упругостью, другие жесткостью, температурной устойчивостью, стойкостью к истиранию.

Таким образом, различают много видов резины, которые можно разделить на несколько объединенных групп:

Армированная.
Пористая.
Твердая.
Мягкая.

Армированной называют резину, внутри которой имеются армирующие включения. Это может быть металлическая сетка, спираль, трос, нитка. Сталь обычно покрывается тонким слоем латуни, что обеспечивает ее устойчивость к коррозии. Армирующее включение размещается в массе, которая еще не является резиной, и поддается вулканизации. После срабатывания серы в условиях высокой температуры и происходит надежное закрепление сетки, проволоки и т.д. Обычно армированными делают резиновые изделия, такие как шины, ремни, ленты транспортеров, трубы высокого давления и т.п. Также армируют и рулонную резину, но обычно ниткой или проволокой, так как они позволяют сохранить хорошую гибкость.

Пористая резина имеет внутри небольшие поры. Это достигается за счет свойства каучука абсорбировать на себе пузырьки газа. Для изготовления данной резины через подготовленную массу пропускают газ, который задерживается в ее толще. Для этого необходимо включение большего количества каучука, размягчителей и меньшего наполнителей. Пористая резина бывает губчатая и однородная. У первой поры получаются крупными и открытыми. У однородной они представляют собой внутренние закрытые ячейки. Пористую резину используют при изготовлении амортизаторов, прокладок, в частности уплотнителей для окон. Она отличается высокой мягкостью, отлично заполняет неровности при сжатии. Кроме этого пористость снижает вес резины, уменьшает теплопроводность.

Для твердой резины характерно присутствие большого количества серы при вулканизации. За счет этого происходит ее отвердевание. Одним из ее видов выступает эбонит. Он отличается высокой прочностью и жесткостью, благодаря чему может применяться для изготовления корпусов электроприборов вместо пластика. Эбонит меньше подвержен растрескиванию при ударах или понижении температуры, при этом обладает лучшей электроизоляцией. Для твердой резины характерна большая масса. Так, эбонит имеет плотность в среднем 1300 кг/м³.

Мягкие резины занимают основной ассортимент всей продукции производимой из каучука. Они имеют различную степень эластичности и упругости. Из них делают прокладки, медицинские жгуты, мембраны, манжеты и т.д.

Свойства резины

Для резины характерны уникальные качества, которых лишены прочие материалы. В связи с этим она и получила столь высокое значение.

К ее главным свойствам относят:

Эластичность.
Непроницаемость.
Выраженная химическая стойкость.
Электроизоляция.
Малая теплопроводност.

Самым выдающимся качеством резины выступает высокая эластичность. Она может подвергаться любым деформациям, в том числе и растяжению. При этом после механического воздействия практически полностью возвращает свою первоначальную форму, причем мгновенно. Она обладает высоким сопротивлением к разрыву. Выраженная упругость позволяет ее применять для изготовления, к примеру, оружия для подводной охоты, жгутов для остановки кровотечений на конечностях.

Резина является непроницаемым материалом для воды, газов. Не удивительно, что из нее делают водонепроницаемые сапоги, перчатки. Но нужно отметить, что большинство видов резины все же могут пропустить сквозь себя агрессивные жидкости если будут с ними долго контактировать. Те просто ее растворят. Так, зачастую она боится бензина, масла. Но в целом ее химическая стойкость более чем высокая.

Материал выступает отличным электроизолятором. Именно поэтому защитные перчатки для электриков делают из резины. Кроме этого самая лучшая изоляция для гибких проводов также изготавливается из нее. Резину используют для получения уплотнителей на окна, так как она обладает низкой теплопроводностью, особенно если имеет пористую структуру.

Важные недостатки резины:

Низкая теплостойкость и морозостойкость.
Эффект старения.

Под воздействием высоких температур резина начинает сильно размягчаться, приобретает текучесть. В холод она наоборот затвердевает, от чего ее упругость снижается. В таких условиях ее действительно можно разорвать, приложив усилие, которое она с легкостью переносит при нормальной температуре.

Для резины характерным является эффект старения. Она теряет свои качества под воздействием света, воздуха, тепла, особенно бензина и масла. Это проявляется растрескиванием, появлением белесого цвета, потерей упругости. Для решения этой проблемы в ее состав добавляют различные добавки. Чем их больше и они лучше, тем меньше проявляется эффект старения. Большинство видов резиновых изделий без проблем служат десятки лет, так что эта проблема почти решена.

Автомобильная шина отличается сложной, высокотехнологичной конструкцией, что необходимо для обеспечения безопасного и комфортного хода автомобиля. Современные производители покрышек применяют в процессе изготовления продукции новейшие разработки и специальные резинотехнические смеси, программы для компьютерного моделирования, что необходимо для достижения максимальной эффективности и производительности шины. Такой подход позволяет изготавливать колеса, устойчивые к внешним негативным факторам, обеспечивающие отличные показатели на любой дороге или обладающие необходимыми свойствами для эксплуатации в определенное время года.

Состав резины

Точный состав резиновой смеси для производства шин держится в секрете, хотя основные компоненты известны. Всего их более 20, они необходимы для придания покрышкам тех или иных свойств. Среди базовых составляющий компаунда следующие:

1. Синтетический или натуральный каучук. Такой компонент является основным, он добавляется в разных пропорциях и обладает различными характеристиками. Наиболее качественным считается натуральный каучук, производимый из сока гевеи. Чаще всего такое сырье применяется азиатскими брендами, что связано с особенностью добычи и рядом требований, предъявляемых к экологичности продукции. Европейскими производителями чаще применяется синтетический материал, добываемый в процессе нефтепереработки. Насчитывается около десятка разновидностей искусственного каучука, каждая обладает индивидуальными особенностями, что используется в производстве шин с определенными характеристиками. Но полностью заменить натуральное сырье синтетическим нельзя, поэтому оно все равно входит в состав, пусть и в меньших количествах.

2. Технический углерод, или промышленная сажа, является вторым обязательным компонентом, придающим резине характерный черный цвет, повышенную стойкость к износу и прочность.

3. Силика (диоксид кремния) является аналогом технического углерода, обеспечивая повышенную прочность. Полностью заменить сажу она не может, но добавки кремния обеспечивают покрышкам повышенное сцепление с дорожным полотном, сниженное сопротивление качению.

4. Сера необходима для вулканизации, именно благодаря ей резина становится эластичной и прочной, выдерживающей неблагоприятные условия эксплуатации.

Дополнительно при производстве используются смолы и смягчающие масла, необходимые при изготовлении сезонной зимней резины, ускорители вулканизации в виде стеариновых кислот и оксида цинка, наполнители и другие компоненты. Корд шины изготавливается в виде металлических вставок, на основе текстиля, полимеров или комбинированных материалов.

Конструкция шины

Конструктивно шина – это резинокордная эластичная оболочка, которая устанавливается на обод колесного диска. От качества и свойств такой оболочки зависят управляемость транспортного средства, безопасность и комфорт движения. Также особенности шины влияют на топливную экономичность, акустический комфорт и многие другие параметры, которые следует учитывать при выборе автомобильных покрышек.

Состав любой шины включает в себя следующие базовые конструктивные элементы:

каркас покрышки;
усиливающий брекер;
боковины покрышки;
зона протектора с рисунком определенного типа;
неремонтируемая бортовая зона;
герметизирующий слой (он используется только для бескамерной резины).

Точный конструктивный состав достаточно сложный, он также включает в себя наполнительные шнуры, крыльевые ленты, чефер, надбрекерные детали и прочие элементы. Все они обеспечивают шине определенные свойства, способность работать при различных нагрузках и климатических условиях.

Основной частью любой шины является каркас, передающий нагрузки на колесо. В зависимости от конструкции он собирается в один или несколько слоев и может быть диагональным или радиальным. Первый тип означает, что нити перекрещиваются между собой, их количество всегда четное – 2, 4, 6, 8. Подобный вариант конструкции каркаса сегодня используется крайне редко.

Радиальные шины наиболее распространены, они могут быть бескамерными или камерными, кордовые нити при производстве не перекрещиваются. Для производств подобной резины применяется металлокордный брекер, что делает всю конструкцию более жесткой и прочной, устойчивой к износу. При маркировке такие покрышки обозначаются буквой R.

Брекер представляет собой жесткий армирующий пояс, который находится под поверхностью рабочей беговой дорожки. Чаще всего он производится на основе металла, но для снижения веса производители могут использовать комбинированные варианты, брекеры на основе полимеров и текстиля. Такой элемент необходим для снижения уровня проскальзывая шины, повышения сопротивляемости ударным нагрузкам.

Боковая зона защищает покрышку от ударов, внешних воздействий и деформации. Это наиболее тонкая часть, требующая дополнительной защиты.

Проектор – основная рабочая часть покрышки, имеющая рельефную поверхность и специальный рисунок. Основными элементами такого рельефа являются:

беговая дорожка, обеспечивающая контакт с дорогой;
плечевые блоки по бокам для придания конструкции жесткости;
ламели для сцепления с дорогой;
водоотводящие каналы, используемые для защиты от гидропланирования.

В зависимости от типа протектора различают следующие базовые виды шин:

шоссейные;
городские;
региональные;
зимние (обычные и шипованные);
внедорожные;
строительные.

Борта – это части покрышки, обеспечивающие посадку на обод и надежное соединение. Для изготовления используется прорезиненная проволока, покрываемая слоем компаунда.

Для бескамерных покрышек дополнительно используется герметизация, располагающаяся внутри шины. Слой состоит из газонепроводящей особой резины, то есть при проколах или порезах покрышка сохраняет способность нормально работать, потери управляемости нет.

Процесс производства покрышек

Следующий шаг – вулканизация для придания резине необходимых свойств. Она производится в пресс-вулканизаторах, где поддерживаются необходимые условия для протекания химических реакций. Резина переходит из пластического в необходимое эластическое состояние и приобретает нужные свойства.

Процесс вулканизации – один из самых сложных, он выполняется при температуре в +170 градусов и давлении от 20 бар. Заготовка при воздействии на нее пара и воды распирается изнутри, прижимается к пресс-форме при помощи диафрагмы, что позволяет ей приобрести необходимую форму и характеристики. Время обработки зависит от типа покрышек – для легковых достаточно 10-15 минут, для грузовых – от 60-70 минут.

Финишный этап – контроль качества, визуальный осмотр на стендах. Выборочно проверяются такие параметры, как неоднородность резины, форма, радиальное биение и многие другие.

Виды и индикаторы износа

Любая покрышка в процессе эксплуатации подвергается механическим и другим воздействиям, вызывающим износ. Основные виды:

износ в средней части покрышки вызывается неправильно установленным давлением в колесе, грамотное техобслуживание позволяет продлить эксплуатационные сроки резины;
появление выпуклостей и трещин на боковой стенке – причины таких повреждений заключаются в ударах колесом по бордюрам, езда по дорогам с большим количеством выбоин и ям;
усиленный износ, проявляющийся по краям автошины – причиной такого явления является недостаточное давление;
появление следов одностороннего износа наблюдается при неправильно выполненном развале-схождении;
плоские отдельные пятна потертостей – причиной подобного явления выступает агрессивная езда, резкие ускорения или торможения, заносы.

Производителями шин для контроля износа и сигнала о необходимости замены резины используются специальные индикаторы:

классические, то есть сепараторный протекторный блок в продольной канавке, имеющий высоту 1,6 мм;
цифровые, то есть выдавливаемые на покрышке шифры и маркеры, соответствующие определенной глубине и показывающие степень износа;
электронные, являющиеся одной из функций контроля внутреннего давления.

Чаще всего используется протекторный блок с высотой 1,6 мм. Он находится в глубине продольных канавок покрышки и показывает предельное значение износа, при достижении которого шины необходимо менять. То есть от водителя требуется просто визуально контролировать высоту отдельных элементов.

Не менее удобной системой индикации является нанесение на поверхность изображений и цифр, показывающих степень износа. По мере эксплуатации они стираются, сигнализируя о том, что резина достигает предельного износа и уже не может быть используемой.

Сроки эксплуатации у резины различных производителей могут сильно отличаться. Но обычно 10% утраты ресурса достигается уже через 3 года после использования, 50% наблюдается через 5 лет эксплуатации. Но точные значения зависят от состава компаунда, конструкции покрышки, особенностей протекторного рисунка и стиля езды. Поэтому при выборе автомобильных покрышек большое внимание рекомендуется уделять производителю, составу резины и используемым технологиям, продлевающим сроки эксплуатации, обеспечивающим надежность и управляемость на дороге.

Резина – широко известный материал, который применяется практически во всех сферах человеческой жизни. Медицина, сельское хозяйство, промышленность не могут обойтись без этого полимера. Во многих производственных процессах также используется резина. Из чего делают этот материал и в чем его особенности, описано в статье.

Что такое резина

Резина являет собой полимер с высокой эластичностью. Его структура представлена хаотично расположенными цепочками углерода, скрепленными атомами серы.

В нормальном состоянии углеродные цепочки имеют скрученный вид. Если резину растянуть, цепочки углерода раскрутятся. Способность растягиваться и быстро возвращаться в прежнюю форму сделала незаменимым во многих сферах такой материал, как резина.

Из чего делают ее? Обычно резину получают путем смешивания каучука с вулканизирующим веществом. После нагрева до нужной температуры смесь густеет.

Отличие каучука от резины

Каучук и резина – высокомолекулярные полимеры, полученные натуральным или синтетическим способом. Эти материалы отличаются физико-химическими свойствами и способами производства. Натуральный каучук являет собой вещество, изготовленное из сока тропических дерев - латекса. Он вытекает из коры при ее повреждении. Синтетический каучук получают путем полимеризации стирола, неопрена, бутадиена, изобутилена, хлоропрена, нитрила акриловой кислоты. При вулканизации искусственного каучука образуется резина.

Из чего делают разные типы каучуков? Для отдельных видов синтетических материалов применяют органические вещества, позволяющие получить материал, идентичный натуральному каучуку.

Свойства резины

Резина является универсальным материалом, который обладает следующими свойствами:

Высокая эластичность – способность к большим обратным деформациям в широком диапазоне температур.
Упругость и стабильность форм при малых деформациях.
Аморфность – легко деформируется при незначительном нажатии.
Относительная мягкость.
Плохо поглощает воду.
Прочность и износостойкость.
В зависимости от типа каучука резина может характеризоваться водо-, масло-, бензо-, термостойкостью и стойкостью к действию химических веществ, ионизирующих и световых излучений.

Резина со временем утрачивает свои свойства и теряет форму, что проявляется разрушением и снижением прочности. Срок службы резиновых изделий зависит от условий использования и может составлять от нескольких дней до нескольких лет. Даже при длительном хранении резина стареет и становится непригодной к эксплуатации.

Производство резины

Резина изготовляется методом вулканизации каучука с добавлением смесей. Обычно 20-60% перерабатываемой массы составляет каучук. Другие компоненты резиновой смеси – наполнители, вулканизующие вещества, ускорители, пластификаторы, противостарители. В состав массы могут также добавляться красители, душистые вещества, модификаторы, антипирены и другие компоненты. Набор компонентов определяется требуемыми свойствами, условиями эксплуатации, технологией использования готового резинового изделия и экономическими расчетами. Таким способом создается высококачественная резина.

Из чего делают резиновые полуфабрикаты? Для этой цели на производствах применяется технология смешивания каучука с другими компонентами в специальных смесителях или вальцах, предназначенных для изготовления полуфабрикатов, с последующей порезкой и раскройкой. В производственном цикле используются прессы, автоклавы, барабанные и тоннельные вулканизаторы. Резиновой смеси придается высокая пластичность, благодаря которой будущее изделие приобретает необходимую форму.

Изделия из резины

На сегодняшний день резина используется в спорте, медицине, строительстве, сельском хозяйстве, на производстве. Общее количество изделий, изготовляемых из резины, превышает более 60 тыс. разновидностей. Наиболее популярные из них - уплотнители, амортизаторы, трубки, сальники, герметики, прорезиненые покрытия, облицовочные материалы.

Изделия из резины массово используются в производственных процессах. Этот материал также незаменим в производстве перчаток, обуви, ремней, непромокаемой ткани, транспортных лент.

Большая часть производимой резины используется для изготовления шин.

Резина в производстве шин

Резина является основным материалом в производстве автомобильных шин. Этот процесс начинается с приготовления резиновой смеси из натурального и синтетического каучука. Затем к резиновой массе добавляется силика, сажа и другие химические компоненты. После тщательного перемешивания смесь отправляется по конвейерной ленте в печь. На выходе получаются резиновые ленты определенной длины.

На следующем этапе происходит обрезинивание корда. Текстильный и металлический корд заливается горячей резиновой массой. В такой способ изготавливается внутренний, текстильный и брекерный слой шины.

Из чего делают резину для шин? Все производители автомобильных шин используют разные рецептуры и технологии изготовления резины. Для придания готовому изделию прочности и надежности могут добавляться разные пластификаторы и усиливающие наполнители.

Для производства шин используют натуральный каучук. Его добавление в резиновую смесь уменьшает нагревание покрышки. Большую часть резиновой смеси занимает синтетический каучук. Этот компонент придает шинам упругость и способность выдерживать большие нагрузки.

натуральный латекс и каучук из него Что такое каучук

Кроме сложных веществ наподобие полиэтиленов, представляющих из себя высокомолекулярные полимеры, существует класс химических веществ, который образован сопряжёнными диенами.

После процесса полимеризации диенов образуются новые химические вещества, имеющие высокомолекулярную структуру, называемые каучуками.

Что касается европейцев, то о каучуке узнали впервые только в момент открытия Америки. Именно Кристофор Колумб первым узнал о его свойствах и получении. В Европе каучук долгое время не мог найти себе применение. В 1823 г в первые было предложено использование этого материала для изготовления водонепроницаемых плащей и одежды. Каучуком и органическим растворителем пропитывали ткань, таким образом, ткань приобретала водостойкие свойства. Но, конечно же, был замечен и недостаток, который заключался в том, что ткань, пропитанная каучуком, прилипала в жаркую погоду к коже, а при морозе – растрескивалась.

Отличие каучука и резины

изопрен (2-метилбутадиен-1,3 (изопрен)) бутадиен-1,3 Натуральный изопреновый каучук Синтетический бутадиеновый каучук

Через 10 лет после первого применения натурального каучука и более детального изучения его химических физических свойств было предложено вводить каучук в оксиды кальция и магния. А ещё через 5 лет после изучения свойств нагретой смеси оксидов свинца и серы с каучуком научились получать резину. Сам процесс превращения каучука в резину назвали вулканизацией.

В начале 20 века, когда появился первый автомобиль, спрос на резину значительно возрос. В то же время возрос спрос и на натуральный каучук, так как на тот момент вся резина изготавливалась из сока тропических деревьев. Например, чтобы получить тонну резины, необходимо было обработать почти 3 тонны тропических деревьев, при этом работой было занято одновременно более 5 тысяч человек, причём такую массу резины могли получить только через год.

Поэтому, резина и натуральный каучук считались достаточно дорогим материалом.

Только в конце 20х годов русским учёным Лебедевым С.В. при химической реакции - полимеризации бутадиена-1,3 на натриевом катализаторе были получены образцы первого натрий-бутадиенового синтетического каучука.

Одним из достаточно дешёвых способов получения бутадиена-1,3, является его получение из этилового спирта. Но только в 30-х годах было налажено промышленное производство каучука в России.

реакция получения бутадиена

В середине 30-х годов 20 века научились производить сополимеры, представляющие полимеризованный 1,3-бутадиен. Химическая реакция производилась в присутствии стирола или некоторых других химических веществ. Вскоре получаемые сополимеры начали с большими темпами вытеснять каучуки, которые ранее широко использовались для производства шин. Каучук бутадиен-стирольный получил широкое применение для производства шин легковых автомобилей, но для тяжёлого транспорта - грузовых автомобилей и самолётов, использовался натуральный каучук (или изопреновый синтетический).

В середине 20 века после получения нового катализатора Циглера — Натты был получен синтетический каучук , который по своим свойствам эластичности и прочности значительно выше, чем все ранее известные каучуки, - был получен полибутадиен и полиизопрен. Но как оказалось, к общему удивлению полученный синтетический каучук по своим свойствам и строению подобен натуральному каучуку! А к концу 20 века натуральный каучук был почти полностью вытеснен синтетическим.

Свойства каучука

Все хорошо знают, что при нагревании материалы способны расширяться. В физике даже имеются коэффициенты температурного расширения, для каждого взятого материала этот коэффициент свой. Расширению поддаются твёрдые тела, газы, жидкости. Но что, если температура увеличилась на несколько десятков градусов?! Для твёрдых тел изменений мы не почувствуем (хотя они есть!). Что касается высокомолекулярных соединений, например полимеров, их изменение сразу становится заметным, особенно если речь идёт об эластичных полимерах, способных хорошо тянуться. Заметным, да ещё к тому же с совсем обратным эффектом!

Ещё в начале 19 века английские учёные обнаружили, что растянутый жгут из нескольких полосок натурального каучука при нагревании уменьшался (сжимался), а вот при охлаждении - растягивался. Опыт был подтверждён в середине 19 века.

Вы сами с лёгкостью можете повторить этот опыт, подвесив на резиновую ленту грузик. Она растянется под его весом. Потом обдуйте её феном - увидите, как она сожмётся от температуры!

Почему так происходит?! К этому эффекту можно применить принцип Ле Шателье, который гласит, что если воздействовать на систему , находящуюся в равновесии, то это приведёт к изменению равновесия самой системы, а это изменение будет противодействовать внешним силовым факторам. То есть если на растянуть под действием груза жгуты каучука (система в равновесии) подействовать феном (внешнее воздействие), то система выйдет из равновесия (жгут будет сжиматься), причём сжатие - действие направлено в обратную сторону от силы тяжести груза!

При очень резком и сильном растяжении жгута он нагреется (нагрев может на ощупь быть и незаметным), после растяжения система будет стремиться принять равновесное состояние и постепенно охладится до окружающей температуры. Если жгуты каучука также резко сжать - охладится, далее будет нагреваться до равновесной температуры.

Что происходит при деформации каучука?

При проведённых исследованиях оказалось, что с точки зрения термодинамики, никакого изменения внутренней энергии при различных положениях (изгибах) этих каучуковых жгутов не происходит. А вот если растянуть - то внутренняя энергия увеличивается из-за возрастания скорости движения молекул внутри материала. Из курса физики и термодинамики известно, что изменение скорости движения молекул материала (тот же каучук) отражается на температуре самого материала.

дальнейшем, растянутые жгуты каучука будут постепенно охлаждаться, так как движущиеся молекулы будут отдавать свою энергию, например, рукам и другим молекулам, то есть произойдёт постепенное выравнивание энергии внутри материала между молекулами (энтропия будет близка к нулю).

И вот теперь, когда наш жгут каучука принял температуру окружающей среды, можно снять нагрузку. Что при этом происходит?! В момент снятия нагрузки молекулы каучука ещё имеют низкий уровень внутренней энергии (они же ей поделились при растяжении!). Каучук сжался - с точки зрения физики была совершена работы за счёт собственной энергии, то есть своя внутренняя энергия (тепловая) была затрачена на возврат в исходное положение. Естественно ожидать, что температура должна понизится, - что и происходит на самом деле!

Резина - как уже говорилось, высокоэластичный полимер. Её структура состоит из хаотично расположенных длинных углеродным цепочек. Крепление таких цепочек между собой осуществлено с помощью атомов серы. Углеродные цепочки в нормальном состоянии находятся в скрученном виде, но если резину растянуть, то углеродные цепочки будут раскручиваться.

Можно провести интересный опыт с резиновыми жгутами и колесом. Вместо велосипедных спиц в велосипедном колесе использовать резиновые жгуты. Такое колесо подвесить, чтобы оно могло свободно вращаться. В случае, если все жгуты одинаково растянуты, то втулка в центре колеса будет расположена строго по его оси. А теперь попробуем нагреть горячим воздухом какой-нибудь участок колеса. Мы увидим, что та часть жгутов, которая нагрелась - сожмётся и сместит втулку в свою сторону. При этом произойдёт смещение центра тяжести колеса и соответственно колесо развернётся. После его смещения действию горячего воздуха подвергнутся следующие жгуты, что в свою очередь приведёт к их нагреванию и снова - к повороту колеса. Таким образом, колесо может непрерывно вращаться!

Это опыт подтверждает факт того, что при нагревании каучук и резина будут сжиматься, а при охлаждении - растянутся!

Перейти на английский
Rubber and caoutchouc

Читайте также: