Какие физические свойства характерны для каучука

Отклонения физических свойств каучука от номинальных и колебание физиче­ских констант,которые характеризуют эти свойства, являются следст­вием отличием каучуков по степени их полимеризации,предрасположенности к окислению и разнообразным изменениям структуры, а также способности некоторых каучуков кристаллизоваться. Та­ким образом, на физические свойства каучука влияет условия его получения и хранения. Этим объясняется то, что физические константы, которые приводят разные авторы, отличаются друг от друга на значительные величины.

Оптические свойства

Показатель преломления чистого натурального каучука п = 1,519. Показатели преломления синтетических каучуков близки к 1,5.

Недеформированные аморфные каучуки оптически изотропны, что является результатом хаотического расположения макромоле­кул и их звеньев. Под влиянием внешнего механического воздей­ствия, например растяжения, в каучуках происходит перегруппи­ровка элементов структуры, ориентация цепей в результате конформационных превращений, что приводит к возникновению оптической анизотропии и связанного с ней двойного лучепрелом­ления. Это явление иначе называется фотоупругостью.

В аморфных каучуках двойное лучепреломление при растяже­нии пропорционально напряжению. В сильно растянутых кристаллизующихся каучуках эта закономерность усложняется из-за ро­ста кристалличности при растяжении.

Поглощение света и прозрачность натурального и синтетиче­ских каучуков в значительной степени зависят от содержания в них примесей, способа получения и обработки.

Диэлектрические свойства

Натуральный каучук и многие синтетические каучуки являются хорошими диэлектриками.

Диэлектрические свойства характеризуются следующими показателями:

– удельным объемным электрическим сопротивлением, значе­ние которого колеблется в пределах 1010— 1014 Ом*м (1012—■ 1016 Ом*см),

– электрической прочностью (пробивной градиент), состав­ляющей 15* 103—40*103 кВ/м,

– диэлектрической проницаемостью, изменяющейся в пределах 2,3—16,0,

– тангенсом угла диэлектрических потерь, который изменяет­ся в пределах от 0,0003 до 0,01 (при 50 Гц).

Удельное объёмное электрическое сопротивление зависит от на­личия свободных электронов и ионов; оно снижается с повыше­нием температуры вследствие увеличения подвижности свободных зарядов. При наличии полярных низкомолекулярных примесей (например, воды) удельное объемное электрическое сопротивление значительно снижается.

Величина, обратная электрическому сопротивлению, называет­ся электрической проводимостью, которая измеряется в обратных Ом*м.

Электрическая прочность — минимальная напряженность внеш­него электрического поля, при которой происходит пробой диэлек­трика. При этом наблюдается резкое увеличение электрической проводимости каучука или резины под влиянием внешнего электрического поля и, следовательно, потеря диэлектрических свойств. Электрическая прочность характеризуется отношением пробивного напряжения (В) к толщине образца (м).

Диэлектрическая проницаемость определяется как отно­шение емкости конденсатора, между пластинами которого помещен диэлектрик, к емкости того же конденсатора с вакуумированным пространством между пластинами. Диэлектрическая проницаемость зависит от строения полимера, состава резины, температуры и частоты тока. Она связана с поляризацией, т. е. образова­нием электрического (дипольного) момента в объеме диэлектрика при помещении его в электрическое поле. Полярные каучуки, мо­лекулы которых обладают постоянным дипольным моментом, об­ладают более высокой диэлектрической проницаемостью.

Тангенс угла диэлектрических потерь характеризует часть энергии электрического поля, которая рассеивается в единице объема диэлектрика, превращаясь в тепловую энергию.

Диэлектрические свойства каучуков зависят от состава и структуры молекулярных звеньев, а также от строения молекулярных цепей. Полярные каучуки имеют более низкое удельное объемное сопротивление, более высокие значения диэлектрической проницаемости, диэлектрических потерь и пробивной прочности.

Показатели диэлектрических свойств каучуков и резин дают возможность сделать правильный выбор материалов для производства электроизоляционных деталей и электрических кабелей.

Значения диэлектрической проницаемости и диэлектрических потерь позволяют оценить способность каучука нагреваться в электрическом поле высокой частоты.

Высокочастотный нагрев каучуков и резиновых смесей находит все большее применение в резиновой промышленности при подготовке каучуков к производству и вулканизации.

Теплофизические свойства научу кой и резин

Каучуки характеризуются низкой теплопроводностью; коэффициент их теплопроводности составляет 0,126—0,210 Вт/(м*К), что примерно в 300 раз меньше коэффи­циента теплопроводности стали.

Теплопроводность возрастает с увеличением молекулярной мас­сы каучука. Наполнители повышают теплопроводность резин; при введении 10 масс. ч. (на 100 масс. ч. каучука) оксида цинка тепло­проводность возрастает примерно на 7%, а при введении такого же количества технического углерода (сажи)—на 17%. Техниче­ский углерод печного типа (печные сажи) обеспечивает более вы­сокую теплопроводность резины по сравнению с техническим угле­родом ДГ-100 (канальной сажей). С повышением теплопровод­ности резины теплообразование при многократных деформациях снижается из-за повышения теплоотдачи в окружающую среду, что учитывается при составлении рецептуры резин.

Температурный коэффициент линейного расширения каучуков при температурах выше температуры стеклования Тс составляет (1,72—2,45) • 10-4 К-1; он в 5—6 раз выше, чем у стали, которая применяется для изготовления вулканизационных форм. Такое раз­личие в коэффициентах линейного расширения каучуков и сталь­ных вулканизационных форм используется практически для созда­ния внутреннего давления при вулканизации изделий в закрытых вулканизационных формах.

Удельная теплоемкость каучуков составляет 1,84—2,18 кДж/(кг* К). Наполнители понижают удельную теп­лоемкость и, как правило, несколько повышают объемную тепло­емкость, измеряемую в кДж/(м3*К), т. е. с увеличением содержа­ния наполнителей повышаются затраты тепла на нагревание изделия при вулканизации.

Удельная теплоемкость резиновых смесей может быть рассчи­тана на основании правила аддитивности по теплоемкости каучука и ингредиентов с учетом их массовой доли в резиновой смеси.

Газопроницаемость

Газопроницаемость каучука связана с растворением (сорбцией) газа в каучуке и с диффузией его через каучук. Газонепроницае­мость резин используется в таких резиновых изделиях, как автомо­бильные камеры, резиновые рукава и шланги, оболочки аэроста­тов, газгольдеры (емкости для хранения газов), надувные лодки и другие надувные изделия из резины и прорезиненных тканей.

Растворимость и диффузия газов играют важную роль при изготовлении и эксплуатации резиновых изделий — при вулканизации и старении резин, при химическом действии на резины газов и паров.

Газопроницаемость каучуков характеризуется коэффициентом газопроницаемости, который пропорционален коэффициенту диффузии  и коэффициенту растворимости.

Коэффициент диффузии газов с молекулярной массой менее 40 (водорода, гелия, азота, кислорода) в каучуках и резинах не зави­сит от давления газа и обусловливается природой газа, строением и гибкостью макромолекул каучука, межмолекулярным взаимодействием и температурой.

С увеличением молекулярной массы, полярности газов и паров коэффициент диффузии уменьшается. С увеличением полярности и межмолекулярного взаимодействия и повышением температуры стеклования каучуков Тс коэффициент диффузии газов и паров понижается. Коэффициент и скорость диффузии снижаются и при кристаллизации.

С повышением температуры возрастает подвижность макромо­лекул каучука, поэтому коэффициент и скорость диффузии возрастают, одновременно увеличивается газопроницаемость каучука.

Коэффициент растворимости так же, как и коэффициент диф­фузии, зависит от природы каучука, природы газа и температуры. Газы и пары, имеющие полярные молекулы, лучше растворяются в полярных каучуках.

Вулканизация приводит к уменьшению растворимости газов. Мягчители повышают растворимость газов в резинах, такое же влияние на растворимость газов оказывают те наполнители, которые плохо смачиваются каучуком (вследствие поглощения газа свободной поверхностью частиц). С повышением температуры растворимость газов и паров в каучуке увеличивается. Растворение га­зов и паров в каучуках приводит к набуханию, т. е. к увеличению объема каучуков.

Коэффициент газопроницаемости так же, как и коэффициент диффузии, в основном определяется гибкостью цепей каучука, энергией межмолекулярного взаимодействия и температу­рой.

С увеличением энергии межмолекулярного взаимодействия коэффициент газопроницаемости уменьшается. Введение полярных заместителей —Cl, —CN, —СООН, —ОН, —NH2 и др. приводит к снижению газопроницаемости. Каучуки с симметрично расположенными заместителями также обладают меньшей газопроницае­мостью (например, бутилкаучук). Ненасыщенные каучуки благо­даря наличию двойных связей и повышенной гибкости макромоле­кул обладают большей газопроницаемостью по сравнению с насы­щенными. Если коэффициент проницаемости водорода через нату­ральный каучук принять за 100, то для бутадиен-стирольного кау­чука он составит 73, бутадиен-нитрильньтх СКН-18 — 34, СКН-26 — 32. СКН-40— 14, для хлоропренового каучука — 24, для бутилкау- тука—14, для силоксанового каучука—1130. Высокая газопроницаемость последнего объясняется высоким коэффициентом диф­фузии газов D, что связано с большой гибкостью молекулярных цепей каучука, малым межмолекулярным взаимодействием и не­плотной упаковкой молекулярных цепей.

Коэффициент газопроницаемости уменьшается пропорционально числу поперечных связей, образующихся при вулканизации, благодаря снижению гибкости молекул. С повышением температуры газопроницаемость каучуков и резин увеличивается вследствие возрастания скорости диффузии и растворимости. При кристаллизации каучука происходит скачкообразное снижение газопроницае­мости.

Газопроницаемость наполненной резины так же, как и раство­римость в ней газов и паров, зависит от природы наполнителей и их содержания. При содержании до 15—20% (об.) наполнителя газопроницаемость уменьшается, что объясняется уменьшением коэффициента диффузии с повышением содержания наполнителя вследствие увеличения пути молекул газа при огибании частиц наполнителя в резине, а также уменьшением гибкости макромолекул при их взаимодействии с поверхностью частиц наполнителя. При содержании наполнителей свыше 40% (об.) газопроницаемость возрастает. Причина этого явления не установлена.

При старении полимеров под действием различных факторов вследствие деструктивных процессов, преобладающих на началь­ной стадии старения, газопроницаемость сначала возрастает, за­тем по мере окисления, образования полярных групп, структуриро­вания и уменьшения гибкости макромолекул снижается. Образо­вание трещин при дальнейшем старении приводит к резкому по­вышению газопроницаемости.

К списку

Натуральный каучук — аморфное, способное кристаллизоваться твёрдое тело.

Природный необработанный (сырой) каучук — белый или бесцветный углеводород.

Он не набухает и не растворяется в воде, спирте, ацетоне и ряде других жидкостей. Набухая и, затем, растворяясь в жирных и ароматических углеводородах (бензине, бензоле, эфире и других) и их производных, каучук образует коллоидные растворы, широко используемые в технике.

Натуральный каучук однороден по своей молекулярной структуре, отличается высокими физическими свойствами, а также технологическими, то есть, способностью обрабатываться на оборудовании заводов резиновой промышленности.

Особенно важным и специфическим свойством каучука является его эластичность (упругость) — способность каучука восстанавливать свою первоначальную форму после прекращения действия сил, вызвавших деформацию. Каучук — высокоэластичный продукт, обладает при действии даже малых усилий обратимой деформацией растяжения до 1000%, а у обычных твёрдых тел эта величина не превышает 1%. Эластичность каучука сохраняется в широких температурных пределах, и это является характерным его свойством. Но при долгом хранении каучук твердеет.

При температуре жидкого воздуха –195°C он жёсткий и прозрачный; от 0 ° до 10 °C — хрупкий и уже непрозрачный, а при 20 °C —  мягкий, упругий и полупрозрачный. При нагреве свыше 50 °C он становится пластичным и липким; при температуре 80 °C натуральный каучук теряет эластичность; при 120 °C — превращается  в смолоподобную жидкость, после застывания которой уже невозможно получить первоначальный продукт. Если поднять температуру до 200—250 °C, то каучук разлагается с образованием ряда газообразных и жидких продуктов.

Каучук — хороший диэлектрик, он имеет низкую водо- и газопроницаемость. Каучук не растворяется в воде, щёлочи и слабых кислотах; в этиловом спирте его растворимость небольшая, а в сероуглероде, хлороформе и бензине он сначала набухает, а уж затем растворяется. Легко окисляется химическими окислителями, медленно — кислородом воздуха. Теплопроводность каучука в 100 раз меньше теплопроводности стали.

Наряду с эластичностью, каучук ещё и пластичен — он сохраняет форму, приобретённую под действием внешних сил. Пластичность каучука, проявляющаяся при нагревании и механической обработке, является одним из отличительных свойств каучука. Так как каучуку присущи эластические и пластические свойства, то его часто называют пласто-эластическим материалом.

При охлаждении или растяжении натурального каучука наблюдается переход его из аморфного в кристаллическое состояние (кристаллизация). Процесс происходит не мгновенно, а во времени. При этом в случае растяжения каучук нагревается за счёт выделяющейся теплоты кристаллизации. Кристаллы каучука очень малы, они лишены чётких граней и определённой геометрической формы.

При температуре около –70 °C каучук полностью теряет эластичность и превращается в стеклообразную массу.

Вообще все каучуки, как и многие полимерные материалы, могут находиться в трёх физических состояниях: стеклообразном, высокоэластическом и вязкотекучем. Высокоэластическое состояние для каучука наиболее типично.

Каучук легко вступает в химические реакции с целым рядом веществ: кислородом (O2), водородом (H2), галогенами (Cl2,  Br2), серой (S) и другими. Эта высокая реакционная способность каучука объясняется его ненасыщенной химической природой. Особенно хорошо реакции проходят в растворах каучука, в которых каучук находится в виде молекул сравнительно крупных коллоидных частиц.

Почти все химические реакции приводят к изменению физических и химических свойств каучука: растворимости, прочности, эластичности и других. Кислород и, особенно, озон, окисляют каучук уже при комнатной температуре. Внедряясь в сложные и большие молекулы каучука, молекулы  кислорода разрывают их на более мелкие, и каучук, деструктурируясь, становится хрупким и теряет свои ценные технические свойства. Процесс окисления лежит также в основе одного из превращений каучука — перехода его из твёрдого в пластичное состояние.