Механизм диспергирования в резиновых материалах

Введение наполнителей в резиновые смеси преследует различные цели:

1) улучшение механических свойств резин и придание им специфических свойств (например, электрическая проводимость, химическая стойкость и др.);

2)облегчение обработки резиновых смесей;

3)снижение стоимости резиновых смесей.

Наполнители, улучшающие механические свойства резин, называются активными или усиливающими. Усиливающие наполнители в наибольшей степени влияют на структуру резин. Значение усиливающих наполнителей для резиновой промышленности огромно, особенно для резин на основе синтетических каучуков.

В качестве активных наполнителей используют технический углерод, двуокись кремния («белую сажу»), силикаты металлов, некоторые органические продукты (например, лигнин) и другие вещества [13] .

Резиновые смеси можно изготовлять в роторных смесителях и на вальцах (при периодическом характере процесса), а также в червячных машинах (при непрерывном процессе). В каждом виде смесительных машин имеются свои, существенно отличные друг от друга условия приготовления смесей, которые предопределяют качество получаемых смесей, технические и экономические показатели процесса. Основная технологическая цель процесса смешения заключается в достижении равномерного пространственного распределения частиц каждого компонента в объеме общей системы [12].

Простое перемешивание – процесс, в результате которого увеличивается случайность пространственного распределения предельных частиц без уменьшения их размеров.

Диспергирование – процесс, в результате которого происходит как уменьшение размеров предельных частиц, так и увеличения статического беспорядка в их распрделении.

В процессе диспергируемого смешения энергия расходуется как на пространственное перераспределение частиц, так и на измельчение, разрушение предельных частиц.

В процессе смешения увеличивается однородность смеси и поверхность контакта полимера с наполнителем. При этом в приделе смеси достигается статистическое распределение частиц каждого компонента по всему объёму смеси при практически одинаковом соотношении компонентов в каждом элементе объёма.

Общее положение, определившее качество процесса смешения может быть сформулировано следующим образом:

1. Поверхность раздела компонентов должна сильно увеличиваться при смешении;

2. Элементы поверхности раздела должны быть равномерно распределены по всей смешиваемой массе;

3. Компоненты смеси должны быть распределены так, чтобы в любом элементе объёма относительное содержание компонентов было таким же, как и во всей системе.

Наибольшая трудность в диспергировании связана с техническим углеродом. Поэтому предложено [14, 15] рассматривать взаимодействие технического углерода как отдельный этап процесса смешения, который предлагает захват частичек технического углерода полимером, Проникновение молекул каучука в пространство между агломератами и удаление воздуха. Образовавшиеся в процессе смешения агломераты технического углерода затем в той или иной степени разрушаются [4].

Процесс смешения рассматривают как простое и диспергирующее смешение. Простое смешение определяется в основном величиной накопления деформации сдвига [1-3, 16-18]. Диспергирующее смешение зависит от напряжения сдвига или вязкости системы при смешении. Качеств резиновых смесей характеризуется степенью диспергирования технического углерода в каучуках.

Разнообразные требования, предъявляемые к техническим свойствам резиновых изделий, не могут быть обеспечены применением одного каучука. Для придания каучуку способности вулканизоваться к нему необходимо прибавить серу, а также ускорители и активаторы, чтобы можно было проводить вулканизацию каучука достаточно быстро. Вулканизаты должны обладать высоким сопротивлением старению, это достигается введением в резиновую смесь различных противостарителей. Во многих случаях резиновые изделия должны обладать высоким пределом прочности при растяжении и высоким сопротивлением раздиру и истиранию, что обеспечивается применением активных наполнителей. Чтобы облегчить процесс смешения резиновой смеси, сообщить ей способность хорошо каландроваться и шприцеваться, применяют различные мягчители и наполнители. Для придания резине определенного цвета в ее состав вводятся красящие вещества. Кроме того, резиновые изделия часто должны обладать достаточной морозостойкостью, иногда должны быть пористыми, поэтому в резиновые смеси приходится вводить специальные добавки.

Все эти некаучуковые вещества, входящие в состав резиновой смеси, называются ингредиентами. Буквально слово ингредиент означает — составная часть. Каждый ингредиент, для того чтобы он проявил свое действие в нужном направлении, берется в определенном количестве или, как говорят, в определенной дозировке.

Следует иметь в виду, что ряд ингредиентов может выполнять а составе резиновых смесей разные функции в зависимости от того, в каких количествах они берутся в данной резиновой смеси, а также с какими каучуками и другими ингредиентами они применяются. Примером может служить окись магния (жженая магнезия) и окись цинка (цинковые белила), которые могут применяться как ускорители вулканизации или активаторы, а также как наполнители. Кроме того, цинковые белила могут применяться и в качестве красящего вещества.

Все ингредиенты должны удовлетворять следующим требованиям: 1) высокая и достаточно однородная степень дисперсности (малый размер частиц); 2) минимальное содержание влаги и летучих веществ; 3) отсутствие посторонних механических примесей и включений; 4) отсутствие свободных минеральных кислот и растворимых в воде минеральных солей; 5) однородность; 6) стабильность в условиях хранения.

Твердые порошкообразные ингредиенты должны обладать высокой степенью дисперсности, обеспечивающей получение однородной резиновой смеси с равномерным распределением ингредиентов, а также достаточно большой площадью контакта порошкообразного ингредиента с каучуком, что необходимо для достижения высоких физико-механических показателей вулканизата резиновой смеси [19].