Napełniacze
Podstawowymi obok polimeru składnikami kompozytów polimerowych są napełniacze, głównie nieorganiczne.
Początkowo napełniacze pełniły rolę składników rozcieńczających mieszankę polimerową, zwiększając jej objętość i masę, przez co uzyskiwano obniżenie kosztów, ponieważ napełniacze są z reguły tańsze niż składnik polimerowy.
Napełniacze mieszanek elastomerowych powinny charakteryzować się odpowiednim stopniem rozdrobnienia, aby możliwe było ich łatwe i równomierne rozprowadzenie w elastomerze podczas mieszania mechanicznego. Stosowanie napełniaczy ma na celu nadanie mieszankom elastomerowym odpowiednich właściwości przerobowych, a wulkanizatom określonych właściwości fizycznych, jak równie wspomniane już obniżenie kosztów produkcji wyrobów gumowych.
Wśród najczęściej stosowanych napełniaczy mieszanek elastomerowych należy wymienić sadzę, krzemionkę oraz napełniacze pochodzenia mineralnego, tj. talk, kredę, kaolin, krzemiany i glinokrzemiany. Mieszanka gumowa po wulkanizacji powinna odznaczać się jak najlepszą wytrzymałością mechaniczną i dużą elastycznością Poprzez dobór odpowiedniego napełniacza mamy możliwość uzyskania wymaganych właściwości fizycznych wulkanizatów, co znacznie poszerza zakres wykorzystania gumy, jako materiału konstrukcyjnego oraz wydłuża czas użytkowania wyrobów gumowych. Wulkanizaty zawierające napełniacze wzmacniające, takie jak sadza i krzemionka strącana, charakteryzują się dobrymi właściwościami wytrzymałościowymi i dobrą odpornością na ścieranie.
O wytrzymałości połączenia kauczuk – napełniacz decydują między innymi właściwości napełniacza, stopień dyspersji i wielkość cząstek – im mniejsze cząstki, tym uzyskuje się lepsze właściwości dynamiczne wulkanizatów. Działanie wzmacniające w dużej mierze zależy od wielkości cząstek pierwotnych i struktury tworzonych przez nie aglomeratów oraz grup funkcyjnych obecnych na powierzchni cząstek napełniaczy.
Napełniacze mieszanek gumowych powinny więc odznaczać się odpowiednim stopniem rozdrobnienia. Najbardziej aktywne sadze wzmacniające składają się z cząstek o wymiarach w granicach 10 do 40 nm., natomiast krzemionki aktywne – w granicach od 40 do 100 nm.
Sieciowanie
Proces prowadzący do powstania trójwymiarowej sieci nadcząsteczkowej, na skutek powstawania mostków między różnymi cząsteczkami chemicznymi.
Najczęściej mówi się o sieciowaniu w kontekście polimerów. Gdy długie, liniowe cząsteczki polimeru zawierają reaktywne grupy boczne mogą one z sobą reagować, na skutek czego tworzy się gęstsza lub rzadsza trójwymiarowa sieć, w której wszystkie, albo prawie wszystkie pierwotne łańcuchy polimeru są z sobą powiązane chemiczne.
Kauczuk
Ogólna nazwa dla nieusieciowanych polimerów o własnościach elastomerycznych.
Kauczuki charakteryzują się pewnymi szczątkowymi własnościami elastycznymi, przy bardzo słabych ogólnych własnościach mechanicznych. Stanowią one półprodukt do otrzymywania gumy w wyniku wulkanizacji, czyli chemicznego sieciowania cząsteczek tworzących kauczuk.
Kauczuki dzieli się na naturalne i syntetyczne.
Kauczuk naturalny – substancja otrzymywana z soku mlecznego (lateksu) roślin kauczukodajnych – drzew, krzewów lub roślin zielnych.
Kauczuk syntetyczny – ogólna nazwa wszystkich kauczuków, otrzymywanych na drodze sztucznej syntezy chemicznej.
Uogólniony podział mieszanek
Mieszanki gumowe ogólnego przeznaczenia - nazywane podstawowymi, służą do produkcji wyrobów gumowych o bardzo różnych zastosowaniach, od wyrobów o niskich wymaganiach, aż po wyroby o najwyższych wymaganiach. Mieszanki ogólnego przeznaczenia są zalecane do wyrobów gumowych eksploatowanych w warunkach otoczenia nie narażonych na działanie paliw i olejów, wysokiej temperatury itp.
Mieszanki gumowe specjalnego przeznaczenia - nazywane specjalnymi, produkowane są z różnego rodzaju kauczuków syntetycznych (nitrylowy, chloroprenowy, etylenowo-propylenowy, oraz innych). Są one przeznaczone do produkcji wyrobów pracujących w trudnych warunkach otoczenia lub spełniających inne specjalne, bądź nietypowe wymagania (np. wysoką odporność na starzenie).
Wulkametr
Urządzenie służące do pomiaru poprawności przebiegu procesu wulkanizacji kauczuków. Poprawność przebiegu procesu wulkanizacji jest oceniana na podstawie pomiarów szybkości zmiany wymiarów termostatowanej próbki kauczuku pod wpływem działania oscylujących naprężeń rozciągających i ściskających.
Otrzymywane wyniki pomiaru pozwalają ustalić w funkcji czasu:
maksymalny moment siły, przy którym próbka nie ulega trwałej deformacji
minimalny moment siły, przy którym próbka ulega zauważalnej deformacji odwracalnej
moment rewersji
temperatury komory pomiarowej
kąt fazowy - tj. kąt stratności momentu siły, umożliwiający ustalenie zdolności do pochłaniania przez kauczuk energii mechanicznej bez trwałej deformacji.
Wynik zmian opisanych wyżej parametrów w czasie są nazywane krzywą wulkametryczną.
Cel ćwiczenia
Zbadanie i ocena wpływu różnych napełniaczy na sieciowanie i właściwości usieciowanych mieszanek kauczukowych.
Wykonanie ćwiczenia
Odważenie odpowiednich ilości substratów do przedmieszki.
Obróbka na walcarce.
Podział mieszanki na trzy równe części.
Odważenie odpowiednich ilości glikolu i napełniacza.
Ponowna obróbka mieszanki wraz z dodatkami.
Wycięcie kawałków wykonanych mieszanek każda po 12g.
Badanie kinetyki wulkanizacji w temperaturze 160°C oraz wyznaczenie odpowiednich parametrów wulkanizacji.
Przygotowanie próbek do dalszych oznaczeń wybranych właściwości gumy.
Skład mieszanek kauczukowych
| Mieszanka I | Mieszanka II | Mieszanka III | |
|---|---|---|---|
| szara | czerwona | żółta | |
| Przedmieszka | |||
| Kauczuk SBR | 100 | 100 | 100 |
| Stearyna | 2 | 2 | 2 |
| Tlenek cynku | 3 | 3 | 3 |
| Przeciwutleniacz Polnox N | 1 | 1 | 1 |
| Przyspieszacz DM (MBTS) | 1,5 | 1,5 | 1,5 |
| Siarka Mielona | 2 | 2 | 2 |
| Dodatki | |||
| Glikol etylenowy | - | 3 | 3 |
| Krzemionka akrylowa ARSIL | - | 35 | - |
| Kaolin | - | - | 35 |
Wyznaczone parametry wulkanizacji
| szara | czerwona | żółta | |
|---|---|---|---|
Moment minimalny [dNm] |
10,2 | 15,8 | 10,0 |
Moment optymalny [dNm] |
62,1 | 63,2 | 46,6 |
Moment max [dNm] |
67,9 | 68,5 | 50,7 |
Czas podwulkanizacji [s] |
336 | 213 | 248 |
Czas wulkanizacji [s] |
792 | 665 | 752 |
| Wskaźnik szybkości wulkanizacji | 21,9 | 22,1 | 19,8 |
Właściwości mieszanek
Elastyczność
| Nr pomiaru | Szara | Czerwona | Żółta |
|---|---|---|---|
| 1 | 28,0 | 20,0 | 26,00 |
| 2 | 30,0 | 20,2 | 28,0 |
| 3 | 28,0 | 20,0 | 27,0 |
| 4 | 29,0 | 21,0 | 26,0 |
| 5 | 28,0 | 20,0 | 26,0 |
| 6 | 30,0 | 20,2 | 27,0 |
| 7 | 29,0 | 21,0 | 28,0 |
| 8 | 28,0 | 21,0 | 26,0 |
| 9 | 30,0 | 20,0 | 28,0 |
| 10 | 29,0 | 20,0 | 27,0 |
| Wartość średnia | 29,0 | 20,1 | 27,0 |
| Mediana | 29,0 | 20,5 | 27,0 |
Twardość
| Nr pomiaru | Szara | Czerwona | Żółta |
|---|---|---|---|
| 1 | 35 | 49 | 42 |
| 2 | 35 | 50 | 42 |
| 3 | 35 | 49 | 44 |
| 4 | 37 | 48 | 44 |
| 5 | 36 | 49 | 43 |
| 6 | 35 | 49 | 43 |
| 7 | 35 | 48 | 43 |
| 8 | 36 | 48 | 43 |
| 9 | 36 | 48 | 43 |
| 10 | 36 | 49 | 45 |
| Wartość średnia | 35,5 | 49 | 43 |
| Mediana | 36 | 49 | 43,5 |
Wnioski
Próbka oznaczana jako szara, była bez dodatku napełniacza.
Jako czerwoną oznaczyliśmy próbkę z dodatkiem ARSIL’u.
Próbka z dodatkiem kaolinu została oznaczona przez nas jako żółta.
Porównując moment minimalny dla próbki szarej i żółtej, można stwierdzić, że są one zbliżone do siebie i osiągają wartość odpowiednio 10,2 oraz 10,0 [dNm]. Natomiast próbka czerwona ma stosunkowo duży moment minimalny, osiągający wartość 15,8 [dNm].
Próbka szara i czerwona osiągają zbliżone wartości momentu optymalnego oraz momentu maksymalnego. Próbka żółta cechuje się niższymi wartościami tych momentów.
Czas podwulkanizacji jak i czas wulkanizacji jest najkrótszy dla próbki czerwonej, natomiast najdłuższy dla próbki szarej.
Największą elastycznością charakteryzuje się próbka bez dodatku napełniacza. Niewiele mniejszą wartość osiąga próbka z dodatkiem kaolinu, natomiast próbka z dodatkiem ARSIL’u, osiąga bardzo niską wartość elastyczności.
Najtwardsza okazała się próbka czerwona, następna w kolejności, znajduje się próbka szara. Najbardziej miękka okazała się próbka żółta, zawierająca kaolin.
Mieszanka SBR bez napełniacza (szara), osiągnęła minimalne wydłużenie o 250,9% (próbka 3), natomiast maksymalne wydłużenie osiągnęła próbka nr 1, które osiągnęło 411,0%. Mediana wydłużenia osiąga 330,95%, natomiast średnie wydłużenie osiąga 299,82%.
Mieszanka SBR z krzemionką (czerwona), osiągnęła minimalne wydłużenie o 381,8% (próbka 2), natomiast maksymalne wydłużenie osiągnęła próbka nr 4, które osiągnęło 596,0%. Mediana wydłużenia osiąga 488,9%, natomiast średnie wydłużenie osiąga 485,18%.
Mieszanka SBR z kaolinem (żółta), osiągnęła minimalne wydłużenie o 512,1% (próbka 3), natomiast maksymalne wydłużenie osiągnęła próbka nr 5, które osiągnęło 557,4%. Mediana wydłużenia osiąga 330,95%, natomiast średnie wydłużenie osiąga 561,18%.