Почему не бывает резины, которая и не стирается, и не режется, и не греется? Смешивай каучуки, сажу, кремнезем и масло, смотри на треугольник свойств и петлю гистерезиса и заморозь смесь до −40 °C.
Натуральный каучук (NR) прочен на разрыв, мало греется и хорошо держит порезы. Синтетические каучуки добавляют то, чего ему не хватает: бутадиеновый (BR) стирается медленнее, бутадиен-стирольный (SBR) дешевле в работе и тоже повышает износостойкость. Технический углерод (сажа) и кремнезем делают резину прочной и твердой: без них протектор стерся бы за неделю. Масло облегчает смешивание, сера с ускорителями сшивает цепи при вулканизации, антиоксиданты и антиозонанты защищают от старения и трещин. Как устроены полимеры и что делает вулканизация, разобрано в теме химии «Полимеры, резина и вулканизация», а резину среди других неметаллов сравнивает тема «Неметаллы в технике».
Площадь петли гистерезиса это тепло за один цикл, а температура стеклования смеси считается по долям каучуков. Числа берутся из опыта.
Сколько тепла за один оборот?
Резину в пятне сжимают и отпускают. При разгрузке она отдает меньше энергии, чем получила, и разница превращается в тепло. Эта разница равна площади петли на графике нагрузка–деформация.
При какой температуре резина дубеет?
Приближенно: стеклование смеси равно среднему от стеклования ее каучуков с весами по их долям. Масло немного понижает Tg. Чем ближе мороз к Tg, тем жестче и хрупче резина.
Подходит ли смесь к работе?
Правило выбора. Острая скала и короткое плечо: главное стойкость к порезам. Длинная быстрая откатка в жару: главное низкий нагрев. Сильный мороз: смесь не должна дубеть. Остальное: износостойкость.
Каучук это клубок длинных цепей, сшитых редкими серными мостиками. При растяжении цепи распрямляются и трутся друг о друга, а частицы сажи сцеплены между собой в сетку. При каждом цикле эта сетка рвется и собирается снова, и на это уходит энергия. Поэтому больше сажи значит прочнее резина, но толще петля и сильнее нагрев.
Кремнезем с особым связующим (силаном) прилипает к каучуку крепче, а друг к другу слабее. Сетка наполнителя получается рыхлее, рвать почти нечего, и петля уже. Натуральный каучук при растяжении частично кристаллизуется: на конце надреза цепи выстраиваются в ряд и тормозят рост трещины. Отсюда его стойкость к порезам.
На морозе цепям все труднее двигаться. Ниже Tg они замирают, и резина становится стеклом. Еще до Tg жесткость растет, протектор хуже гасит удары камней и легче откалывается кусками.
Самосвалы на коротком плече и погрузчики берут смесь, стойкую к порезам: больше натурального каучука и кремнезема. Шина греется чуть сильнее, но на короткой откатке тепло успевает уйти.
Если шина работает на пределе TKPH, ставят теплостойкую смесь с низким гистерезисом. Она дает запас по нагреву, но быстрее режется, поэтому дорогу держат чистой от камней.
На руднике на 4000 м зимой бывает −40 °C, а летом сильное солнце и озон. Нужна смесь с низким Tg и хорошей защитой от озона, иначе на боковинах появляются сетки трещин.
Шины хранят в тени, подальше от электромоторов и сварки: озон и ультрафиолет старят резину. Склад шин на открытом высокогорье быстро съедает защитные воски.
При наварке нового протектора и ремонте порезов сырую резину подбирают под смесь шины и вулканизуют под давлением и при температуре около 150 °C, как на заводе.
Те же законы работают в рукавах гидравлики, ремнях, сайлентблоках и футеровке. Например, рукав для мороза делают из резины с низким Tg, иначе он трескается при изгибе.
Баллы износостойкости, стойкости к порезам и низкого нагрева получены простыми учебными формулами от долей каучуков, сажи, кремнезема и масла. Они верно показывают направления (BR повышает износостойкость, NR стойкость к порезам, сажа нагрев), но не заменяют лабораторных испытаний. Тангенс потерь при +20 °C считается линейно по составу, у стеклования к нему добавлен пик. На рисунке петля утолщена в 2,5 раза, иначе она похожа на линию, а площадь в расчетах взята настоящая. Твердость по Шору пересчитана в модуль упругости по известной эмпирической формуле. Стеклование смеси взято как среднее по долям каучуков (на самом деле NR и BR смешиваются не полностью, и у смеси бывает два перехода). Кривая жесткости от температуры сглажена. Кристаллизация натурального каучука при долгом морозе и влияние скорости деформации на Tg не учтены. Смеси производителей показаны условными рецептами, а настоящие рецепты держат в секрете.
Термины в словаре:Каучук: NR, SBR, BRВулканизацияТехнический углеродКремнеземСилан, связующий агентphr, части на 100 каучукаАнтиозонантTg, температура стеклованияГистерезис, tg δ