Неметаллические детали, в машиностроении и их свойства

Резины общего назначения могут работать в среде  воды, воздуха, слабых растворов кислот и щелочей. Интервал рабочих температур составляет от — 35 --- -50 до 80-130°С. Из этих резин изготовляют шины, ремни, рукава, транспортерные ленты, изоляцию кабелей, различные резинотехнические изделия.

4. Физико-механические  свойства резин  и их применение

При растяжении резины происходит разрыв цепей вулканизационной сетки, при этом более слабые и  легко перегруппировывающиеся связи  способствуют релаксации перенапряжений и облегчают ориентацию главных  цепей. Более прочные связи сохраняют  целостность сетки при больших  деформациях.

Для каучуков и  резины характерны большие деформации при сравнительно низких напряжениях. Напряжения зависят от времени действия силы и от скорости деформирования, т. е. являются релаксационными. Механические свойства зависят от соотношения  энергии межмолекулярного взаимодействия и энергии теплового движения звеньев. "Релаксация убыстряется  при нагревании (энергичнее тепловое движение), поэтому для резин характерна резко выраженная зависимость механических свойств от температуры. Напряжение в процессе релаксации достигает  равновесного значения. В связи с  этим механическое поведение резины определяется ее упругими (высокоэластическими) свойствами при равновесии и релаксационными  свойствами. Большое влияние на долговечность  материала оказывает старение.

Резинам присущи  очень высокие обратимые деформации порядка 1000% и больше (для стали < 1%), в них может происходить  перегруппировка структурных элементов  в поле межмолекулярного взаимодействия — физическая релаксация и распад и перегруппировка химических связей — химическая релаксация. Резины на основе полярных каучуков имеют замедленную  релаксацию. Мягчители ее убыстряют (уменьшая связь между молекулами). Замедляют релаксацию активные наполнители  вследствие сорбции молекулярных цепей  каучука на частицах наполнителя, и  состояние равновесия не наступает (ограничена подвижность молекул, ее жесткость).

Восстановление  представляет собой изменение величины деформации во времени после снятия нагрузки с образца; внутренние силы в резине приходят в равновесие медленно, поэтому упругое последствие  в статических условиях проявляется  длительно. В резине наблюдается  остаточная деформация. Восстанавливаемость  резины характеризует ее эксплуатационные качества.

Прочность резины зависит от регулярности строения полимера и энергии взаимодействия между  звеньями его молекул. Переход в  кристаллическое состояние облегчается  ориентацией молекулярных цепей  при деформации резины. Быстро кристаллизуются  в процессе деформации НК, бутилкаучук, хлоропрен и СКИ, для них Ơв == 2 - 3 кгс/мм2, даже без наполнителей. Кроме прочности при разрыве, для резин определяется сопротивление  раздиру — Важная характеристика чувствительности резины к концентрации напряжения1.

По гистерезисной  диаграмме вычисляется полезная упругость резины как отношение  работы, возвращенной деформированным  образцом, к общей работе, затраченной  на эту деформацию (рис. 4).

Рис.4. Диаграмма  напряжение — удлинение резины, получаемая в цикле растяжение —  восстановление с заданной скоростью  деформации:

АБВЕА — работа растяжения;

АБВГДА —  работа необратимо рассеянная;  

ДГВЕД--- возвращенная работа

В условиях динамического  нагружения (переменные циклические  нагрузки) свойства резины определяются упругогистерезисными и усталостно-прочностными характеристиками. Эти свойства необходимо учитывать при применении резины в шинах, муфтах, рессорах, амортизаторах  и т.. п., где они являются решающими  для хорошей работоспособности, надежности, долговечности. Резины из НК (по сравнению с СКВ) отличаются малым внутренним трением, которое  определяет весьма благоприятные гистерезисные  свойства.

Усталостно-прочностные  свойства резин определяются их утомлением, когда под действием механических напряжений происходит разрушение. Утомлению  способствует также воздействие  света, теплоты, агрессивных сред и  т. п. Последние факторы вызывают старение. Число циклов нагружения, которое выдерживает, не разрушаясь, образец, называется усталостной выносливостью. Усталостному разрушению очень способствует действие озона, вызывающее растрескивание поверхностного слоя, особенно для  резин на основе НК, СКИ, СКВ, СКС  и др. Почти не подвержены озонному растрескиванию резины на основе бутилкаучука и хлоропренового каучука. По работоспособности  при нагревании резины из НК вследствие пониженной химической стойкости даже не превосходят резин из СКВ. Для  обеспечения высокой усталостной  прочности необходимы высокая прочность, малое внутреннее трение и высокая  химическая стойкость резины. При  повышенных температурах (150°С) органические резины теряют прочность после 1 -10 ч  нагревания, резины на СКТ могут  при этой температуре работать длительно. Прочность силоксановой резины при  комнатной температуре меньше, чем  у органических резин, однако при 200°С прочности одинаковы, а при температуре 250 — 300°С прочность даже выше. Особенно ценны резины на СКТ при длительном нагревании.

Воздействие на резину отрицательных температур вызывает снижение и даже полную утрату высокоэластических свойств, переход в стеклообразное состояние и возрастание ее жесткости  в тысячи и десятки тысяч раз.

Старение резины наблюдается при хранении и эксплуатации резиновых изделий под воздействием немеханических факторов. Свет, теплота, кислород воздуха, озон вызывает химические реакции окисления и другие изменения  каучука. Механические напряжения могут  активизировать эти процессы. Испытание  на старение проводят как в естественных, так и в искусственных условиях. Процесс старения по-разному сказывается  на резинах. Наихудшие показатели при  тепловом старении имеют резины на хлоропреновом каучуке, у резин  из СКТ происходит некоторое упрочнение, не меняется прочность резин из СКЭП; по относительному удлинению лучше  показатели у резин на основе ненасыщенных каучуков. Следует отметить низкую стойкость к тепловому старению резин из НК.

Физико-механические свойства каучуков и резин даны в  табл. 3.

Таблица 3

Физико-механические свойства каучуков и саженаполненных  резин

Применяемые в  машиностроении резиновые детали подразделяют по назначению на следующие группы: уплотнительные; вибро- и звукоизолирующие и противоударные; силовые (шестерни, корпуса насосов, муфты, шарниры); опоры  скольжения (резинометаллические подшипники, подпятники; опоры, ниппели); гибкие компенсационные  проставки, трубы для транспортирования  жидкости и газа (сильфоны, муфты, патрубки и др.); противоизносные (асфальтоходные башмаки, протекторные кольца, катки  и др.); фрикционные детали и инструменты (шлифовальные диски, фрикционные колеса); несиловые и защитные (ковры, ручки, педали и т. д.); декоративные (полосы, шнуры).

Представителями резинотканевых изделий являются напорные рукава для топлива, масла, воды, растворов  кислот и щелочей и газов; рукава могут быть гибкими трубопроводами воздушных тормозов. Для увеличения прочности и устойчивости смятию рукава армируют металлической проволокой. Резинотканевые приводные ремни бывают плоскими и клиновыми, последние изготовляют с кордшнуром или кордтканью в несущем слое ремня. Транспортерные ленты применяют для перемещения грузов по горизонтали или под небольшим уклоном. Шины бывают пневматическими, в которых амортизационная способность обеспечивается сжатым воздухом и частично эластическими свойствами шинных материалов, и массивными или цельнорезиновыми, в которых используется только эластичность самого резинового материала.

Клеящие материалы

1. Общие сведения, состав  и классификация  клеев

Клеями обычно называют коллоидные растворы пленкообразующих полимеров, способные при затвердевании  образовывать прочные пленки, хорошо прилипающие к различным материалам.

Клеевые соединения по сравнению с другими видами неразъемных соединений (заклепочными, сварными и др.) имеют ряд преимуществ: возможность соединения различных  материалов (металлов и сплавов, пластмасс, стекол, керамики и др.) как между  собой, так и в различных сочетаниях; атмосферостойкость и стойкость  к коррозии клеевого шва; герметичность  соединения; возможность соединения тонких материалов; снижение стоимости  производства; экономия массы и значительное упрощение технологии изготовления изделий.

Недостатками  клеевых соединений являются относительно низкая длительная теплостойкость (до 350°С), обусловленная органической природой пленкообразующего; невысокая прочность  склейки при неравномерном отрыве; часто необходимость проведения склейки с подогревом; склонность к старению. Однако имеется ряд  примеров длительной эксплуатационной стойкости клеевых соединений. Новые  клеи на основе кремнийорганических  и неорганических полимеров обеспечивают работу до 1000°С и выше, однако большинство  из них не обладают достаточной эластичностью  пленки.

Прочность склеивания зависит от явления адгезии, когезии  и механического сцепления пленки с поверхностью склеиваемых материалов. Адгезией (прилипаемостью) называется способность клеевой пленки прочно удерживаться на поверхности склеиваемых  материалов.

Для объяснения физико-химической сущности адгезионных  явлений предложены следующие теории: адсорбционная, электрическая и  диффузионная. Адсорбционная теория рассматривает адгезию как чисто  поверхностный процесс, аналогичный  адсорбции; пленка удерживается на поверхности  материала в результате действия межмолекулярных сил.

В основе электрической  теории (работы Б. В. Дерягина и Н. А. Кротовой) лежат электрические силы. Адгезия - результат действия электростатических и ван-дер-ваальсовых сил. Электростатические силы определяются двойным электрическим  слоем, всегда возникающим при контакте разнородных тел.

Диффузионная  теория, развиваемая С. С. Воюцким, предполагает, что при образовании связи  между неполярными полимерами электрический  механизм адгезии невозможен, и адгезия обусловливается переплетением макромолекул поверхностных слоев в результате их взаимодиффузии.

Когезия представляет собой собственную прочность  пленки. Работа когезии - это работа, затрачиваемая на преодоление сил  сцепления между частицами внутри однородного тела Кроме полярных функциональных групп на клеящие  свойства полимеров оказывают влияние  молекулярная масса и структура  макромолекул. Прочность склейки  можно повысить путем механического  сцепления пленки клея с шероховатой  поверхностью материала; для этого  перед склейкой часто поверхности  деталей фрезеруют; опескоструивают  или зачищают наждачной бумагой.

На процесс  склеивания влияет природа склеиваемых  материалов. Так, полярные материалы  требуют применения полярных клеев. Адгезионные свойства металлов различны. По мере убывания этих свойств металлы  можно расположить в следующем  порядке: сталь, бронза, алюминиевые  сплавы, медь, железо, латунь. При склеивании пластиков лучшим клеем является раствор или расплав этого  же пластика. Если пластики неполярны  и не растворяются в растворителях (полиэтилен, фторопласт-4, полипропилен), то характер их поверхности изменяют механическим или химическим путем.

В состав клеящих  материалов входят следующие компоненты: пленкообразующее вещество — основа клея, которое определяет адгезионные, когезионные свойства клея и основные физико-механические характеристики клеевого соединения; растворители, создающие  определенную вязкость клея; пластификаторы для устранения усадочных явлений  в пленке и повышения ее эластичности; отвердители и катализаторы для  перевода пленкообразующего вещества в термостабильное состояние; наполнители  для уменьшения усадки клеевой пленки, повышения прочности склеивания и, следовательно, возможности менее  точной подгонки поверхности и экономии клеящих материалов.