Почему пластиковую трубу можно сварить, а шину нельзя расплавить обратно? Собирай цепи из мономеров, нагревай разные полимеры и сшивай каучук серными мостиками.
Молекула этилена C₂H₄ маленькая: два атома углерода и четыре водорода. Если раскрыть ее двойную связь, она может сцепиться с соседней, та со следующей, и так тысячи раз. Получается цепь полиэтилена длиной в микрометры, а молекулы сплетаются, как спагетти в кастрюле. Из таких цепей сделаны пластики, резина, клеи, волокна.
Если цепи ничем не связаны, при нагреве они начинают скользить друг по другу, и материал плавится: это термопласт, его можно расплавить и сварить. Если цепи сшиты мостиками, они уже не могут разойтись. Редкая сшивка дает резину: она тянется и возвращается. Густая сетка дает реактопласт: он не плавится, а при сильном нагреве обугливается. Сшивку каучука серой называют вулканизацией.
ⓘ Термопласт в опыте: полиэтилен низкого давления (ПНД), из него делают трубы. Эластомер: натуральный каучук, сшитый серой с ускорителем. Реактопласт: отвержденная эпоксидная смола. Наполнители вроде технической сажи не учтены.
Первая формула считает массу цепи по числу звеньев. Вторая показывает, почему резина тем тверже, чем больше в ней серных мостиков. Третья предсказывает, с какой силой резина сопротивляется растяжению. Числа берутся из опыта, а карточка, которая сейчас работает, подсвечена.
Сколько весит одна цепь?
Масса цепи равна числу звеньев, умноженному на массу одного звена. Длина вытянутой цепи растет так же: n раз по длине звена.
Почему сера делает резину тверже?
Каждый отрезок цепи между двумя мостиками работает как маленькая пружина. Чем больше мостиков, тем короче отрезки и тем их больше в каждом кубическом сантиметре, и резина жестче.
С какой силой резина сопротивляется?
Закон растяжения резины. Сначала сила растет почти как у пружины, потом медленнее. Перед разрывом цепи вытягиваются в струну, и резина резко твердеет.
Сталь упругая потому, что растяжение отодвигает атомы друг от друга и связи между ними тянут их назад. В резине не так. Отрезок цепи между мостиками все время извивается от теплового движения. Способов свернуться в клубок у него миллиарды, а вытянуться в прямую линию только один. Когда резину растягивают, цепи выпрямляются, и тепловое движение снова сворачивает их, а значит, тянет концы образца обратно.
Отсюда в формуле стоит температура T: чем сильнее тепловое движение, тем сильнее цепи тянут назад. Растянутая резиновая лента при нагреве не удлиняется, как металл, а сокращается и может поднять груз. Это эффект Гуфа-Джоуля, его легко проверить феном. А без мостиков цепи под нагрузкой просто проскальзывают друг относительно друга, и сырой каучук остается вытянутым. Поэтому шину и делают из вулканизированной резины.
Протектор, боковина и брекер делают из разных резин: каучук, сера, ускорители и сажа. Шину вулканизируют в пресс-форме при 150…170 °C. Перегретая шина в рейсе теряет прочность, а под сильным морозом резина дубеет и трескается.
Резиновые обкладки поверх тканевого или стального каркаса. Стык ленты соединяют горячей вулканизацией: сырую резину закладывают между концами и прогревают прессом, чтобы между старой и новой резиной выросли серные мостики.
Кольца и манжеты гидроцилиндров делают из маслостойкого бутадиен-нитрильного каучука. Твердость подбирают по Шору А: 70…90 для высоких давлений. Старая резина теряет упругость, и уплотнение начинает течь.
Трубы из ПНД для воды и пульпы сваривают встык: торцы нагревают зеркалом до 210…230 °C, цепи у поверхности плавятся, и при сжатии торцов цепи двух труб перепутываются между собой. Такой шов прочный, как сама труба.
Резиновая футеровка защищает барабаны мельниц, желоба и бункера от абразивной руды. Мягкая резина гасит удары частиц и изнашивается медленнее стали, пока частицы не слишком крупные и острые.
Эпоксидной смолой ремонтируют трещины корпусов, заливают анкеры и делают стеклопластиковые детали. После отверждения ее не расплавить, а выше температуры стеклования она размягчается и теряет прочность.
Резина считается идеальной сеткой: модуль по теории высокоэластичности G = ρRT/Mc с поправкой Флори на свободные концы цепей (1 − 2Mc/M). Каждый мостик принят из четырех атомов серы, как при вулканизации с ускорителем. Температура стеклования растет со сшивкой по формуле вида Фокса-Лошека. Твердость по Шору А пересчитана из модуля по формуле Гента, она верна для резины без наполнителя. Предельное удлинение взято по длине отрезка цепи между мостиками, а усиление кривой перед разрывом показано формулой Гента для предельно растяжимой сетки. Для полиэтилена и эпоксидной смолы модули, температуры плавления, стеклования и разложения взяты типичные справочные. Нарисовано несколько цепей вместо миллиардов, а число мостиков на рисунке условное: настоящее число на одну цепь пишется в подписи.