1.4. Физико-механические испытания каучуков, резиновых смесей и резин

Механические свойства любого материала характеризуют его способность деформироваться под влиянием внешних воздействий и сопротивляться разрушению. По механическим свойствам каучуки, резиновые смеси и резины отличаются от упругих тел и жидкостей. За счет отличительных особенностей структуры эластомера эти материалы способны к обратимым деформациям. Обратимые деформации называются высокоэластическими и обусловлены гибкостью макромолекул каучуков. Наряду с обратимыми деформациями в эластомерах развиваются необратимые или остаточные пластические деформации. Они являются следствием взаимного перемещения макромолекул друг относительно друга, т.е. вязкого течения полимера.

Вязкое течение характерно только для исходных каучуков и резиновых смесей, когда между цепями нет прочных межмолекулярных связей. В вулканизованных резинах образуются валентные поперечные связи, свобода относительного перемещения макромолекул исчезает, и они могут лишь сдвигаться друг относительно друга на расстояния, ограниченные длиной поперечной связи. Поэтому при рассмотрении этой группы материалов говорят об определенном соотношении высокоэластических и пластических деформаций. Каучуки и резиновые смеси, в которых преобладают пластические деформации, называют упруговязкими телами, а резины - вязкоупругими.

Особенности структуры любого материала влияют на все параметры деформации. Так, в упругих телах напряжение, возникающее при деформировании, зависит от величины деформации и не зависит от скорости ее приложения, а в жидкостях, наоборот, напряжение не зависит от величины деформации, а зависит от скорости ее приложения. В эластомерах, как промежуточных материалах, напряжение зависит и от величины деформации, и от скорости деформирования. Поэтому во всех видах механических испытаний обязательно оговаривается режим деформирования.

Как и любому полимеру, эластомеру присуща способность релаксировать, т.е. переходить из одного состояния равновесия в другое за счет перестройки молекулярных и надмолекулярных структур. В каучуках имеются макромолекулы с различной молекулярной массой, поэтому протекающие в них релаксационные процессы характеризуются набором времен релаксации. Короткие времена релаксации в пределах 10^-4 - 10^-6с соответствуют временам перемещения звеньев макромолекулы, очень длинные (до10⁹с) - временам перегруппировки надмолекулярных структур в наполненных системах и химической релаксации вулканизатов, связанной с частичным разрушением структуры.

Крайние проявления релаксации - релаксация напряжения при постоянной деформации и релаксация деформации при постоянном напряжении. В реальных условиях любое деформирование сопровождается релаксацией напряжения и деформации, что приводит к ухудшению механических показателей резин. Типичным проявлением этого является ослабление и разнашивание различных уплотнителей и прокладок.

Вследствие релаксации происходит рассеивание части энергии в образце, что приводит к несовпадению кривых нагружения и разгружения и появлению петли гистерезиса. Чем жестче структура, тем выше гистерезисные потери и тем больше влияние релаксации на свойства.

За счет высокой вязкости при деформировании эластомеров часть рассеянной в образце энергии превращается в тепловую энергию, т.е. процесс деформации сопровождается теплообразованием, величина которого также зависит от жесткости структуры. Теплообразование приводит к повышению температуры внутри образца, что инициирует окисление и в конечном итоге деструкцию цепей.

Поскольку основную нагрузку несут молекулярные цепи, любое их разрушение, например при старении под влиянием химических факторов (тепло, свет, кислород, озон и влага воздуха, радиация) или при утомлении под влиянием многократно повторяющихся циклических или ударных деформаций, приводит к ухудшению механических свойств эластомеров и резин на их основе.

Механические свойства резин зависят также от конструкции изделия, которая должна обеспечивать максимально возможное равномерное распределение напряжений по всему изделию и не должна способствовать концентрации напряжения на отдельных элементах. Так, в многослойных резино-резиновых, резинотканевых, резинометаллических изделиях прочностные свойства зависят в первую очередь от прочности связи между слоями, что учитывается в конструкции изделия.

Для того чтобы оценить полный комплекс механических свойств каучуков, резиновых смесей и резин, разработаны стандартные методы испытаний, которые учитывают все особенности механических свойств эластомеров. Поскольку релаксационные процессы очень трудно компенсировать, большинство испытаний проводится на специальных образцах, частично учитывающих релаксацию, гистерезис, теплообразование.

В первую очередь проводятся лабораторные испытания на образцах, специально изготовленных или вырезанных из готовых изделий. Затем проводятся стендовые и в ряде случаев натурные испытания изделий, от качества которых зависит безопасность жизнедеятельности человека. Стендовые и натурные испытания изделий, как правило, длительны.

Лабораторные испытания по назначению могут быть общими, контрольными, специальными.

Общие испытания дают физически обоснованные характеристики материалов. Контрольные необходимы для проверки стандартности качества каучука и других компонентов резиновых смесей. Специальные методы позволяют определить поведение материала в конкретных условиях эксплуатации.

Независимо от назначения механические испытания могут проводиться в статическом и динамическом режимах нагружения. Статический режим характеризуется постоянством скоростей деформирования или относительно малой скоростью их изменения. Динамический режим означает применение ударных, периодических и других переменных внешних воздействий.