Elasztomer

Az elasztomer egy térhálósodás  után nyert, „  elasztikus ” tulajdonságokkal rendelkező polimer . A repedés előtt nagyon nagy deformációkat támogat . A gumi kifejezés az elasztomer általános szinonimája.

Az elasztomer anyagok, mint például a gumiabroncsok , gyakran természetes gumi (NR betűszó) és szintetikus gumi (vágott) alapúak .

A természetes gumi volt az egyetlen ismert elasztomer sokáig.

A 1860 , az angol kémikus Charles Hanson Greville Williams azt mutatta, hogy ez az anyag volt, egy poli izoprenoid .

A szintetikus kaucsuk gyártására vonatkozó első szabadalmat benyújtották 1909. szeptember 12Fritz Hofmann német vegyész .

Szigorúan véve az elasztomerek nem részei a műanyagoknak .

Bemutatás

A legtöbb elasztomer szerves polimer . Kiváló üzemanyagok. A szilikon elasztomereket ásványi természetük különbözteti meg.

Az elasztomer egy amorf anyag , alacsony üvegesedési hőmérséklettel (T v ) (gyakran –40  ° C alatt ).

Különbség az elasztomer és a plasztomer között

Az elasztomer csak rugalmas alakváltozáson megy keresztül , míg a plasztomer feszültség hatására rugalmas alakváltozáson mehet keresztül, amelyet plasztikus (tartós) alakváltozás kísér. A plasztomerek az etilénből származó lineáris polimerek osztálya, amelyet az 1990-es évek elején fejlesztettek ki.

Az elasztomerek rugalmas tulajdonságai

Ahhoz, hogy megértsük, hogy figyelemre méltó elasztikus tulajdonságok , fontos megjegyezni, hogy az elasztomerek nyert lineáris polimerek , amelyek szobahőmérsékleten (sokkal nagyobb, mint a T v , lásd fent), a folyadékok (nagyon viszkózus ); a polimer láncok közötti kohéziós erők nagyon gyengék, ugyanolyan nagyságrendűek, mint az illékony molekuláris folyadékokban és gázokban .

A makromolekuláris láncok általában hajtogatottak  ; ez az állapot a lánc ( láncszemek ) egymáshoz viszonyított "kapcsolóinak" nagy forgásszabadságának és az őket tartósan befolyásoló rendezetlen termikus keverési mozgásoknak ( Brown-mozgások ) következménye; egy lánc tehát különböző konformációkat vehet fel, amelyek véletlenszerűen követik egymást  ; egy lánc összecsukott állapota csak statisztikailag írható le .

A folyékony polimer láncainak egymáshoz viszonyított csúszásának korlátozása érdekében enyhe térhálósodás horgonyzó csomópontokat hoz létre, miközben az anyag háromdimenziós szerkezetet ad . A ugyanúgy, mint korábban, a lánc szegmensek két csomópont között rendszerint hajtva (diagram A szemközti). Ha vontatást fejtünk ki a szerkezeten, a szegmensek kibontakoznak, és két csomópont közötti távolság jelentősen megnő ( B ábra ); az anyag nagyon deformálható .

A húzófeszültség eltávolításakor az anyag nem marad kifeszített állapotban, de a láncszemek szinte kizárólagos Brown-mozgásainak hatására a láncszegmensek visszatérnek kezdeti hajtogatott állapotukba (ami statisztikailag a legvalószínűbb állapotot képviseli) ( ábra A ). A deformáció ezen reverzibilitása rugalmas alakváltozást jellemez .

Entrópia rugalmassága - A feszültség az anyag láncszegmenseit rendezi , ez a módosítás a rendszer entrópiájának csökkenésével jár ; a stressz eltávolításával az anyag visszatér a rendellenesség kezdeti állapotába (a legvalószínűbb állapot, amely a rendszer legmagasabb entrópiájának felel meg). Az elasztomerek, amelyeknél az egyensúlyi állapot megegyezik a maximális entrópiájukkal, entrópia rugalmasságú szilárd anyagok  ; a rugalmas alakváltozásra való képességük magas. Ebben különböznek az entalpia-rugalmasságú szilárd anyagtól (fémek, kristályos kerámiák, ásványi vagy szerves üvegek, erősen térhálósított hőre keményedő polimerek  stb. ), Amelyeknél az egyensúlyi állapot megfelel a minimális entalpiájuknak ; rugalmas alakváltozásuk képessége nagyon korlátozott.

Az elasztomerek általában hőre keményedőek , hosszú, gyengén térhálósított polimer láncokból állnak . Ezeket úgy állítják elő, hogy (rövid vagy hosszú) hidakat készítenek a molekulaláncok között, gyakran összetett térhálósító rendszer alkalmazásával, hőmérséklet és esetleg nyomás hatására.

A hőre lágyuló polimertől eltérően az elasztomer (alacsony térhálósítású) profilok az extrudálás után nem folynak .

Az elasztomerek átalakulását tekintve az extrudálás 10 térfogatszázalékot jelent, szemben az öntéssel 90% -kal .

Néhány elasztomer hőre lágyuló ["  hőre lágyuló elasztomer  " (TPE), például kopolimer sztirol-butadién (SBS)], megvalósításuk általában hőre lágyuló polimer technikákra van fenntartva.

A legtöbb amorf jellegű; az NR, CR és F KM (fluorelasztomer) elasztomereket polikristályos jellegükkel különböztetjük meg .

Leggyakrabban üvegesedési hőmérsékletük feletti hőmérsékleten, a gumiszigeten használják.

A sűrűsége változik 0,86 ( EPDM ) 1,8 [FVMQ (fluorozott elasztomer), az FKM].

A Shore A mérési skála méri a keménységüket (30 és 95 között). Van egy másik eszköz a keménység mérésére, a DIDC durométer (a gumi nemzetközi keménysége, előnyben részesítendő az A partnál ).

Megfogalmazás

A nyers elasztomerek nem felhasználásra kész anyagok, azokat különösen úgy kell megfogalmazni , hogy megfeleljenek egy meghatározott alkalmazás követelményeinek. Körülbelül 20–40% polimert tartalmaznak, a maradék töltőanyagokból , lágyítószer (ek) ből, ​​vulkanizáló szerekből, például kénből vagy szerves peroxidból áll , a hidak kialakításához, vulkanizációs gyorsító (k), különféle adalékanyagok (például a feldolgozás megkönnyítése érdekében , oxigén , ózon , hő, láng , UV sugarak ) és gyakran korom elleni védelem érdekében  ; ez a nanokomponens multifunkcionális: különösen pigmentként, töltőanyagként használják az elasztomerek mechanikai tulajdonságainak megerősítésére, stabilizátorként és elektromos vezetőként.

A telített elasztomereket nem lehet vulkanizálni kénnel. Gyakorlatilag az összes elasztomer vulkanizálható szerves peroxiddal.

Mechanikai szempontból

Ami az elasztomereket különlegessé teszi, az a képesség, hogy rugalmas ütközésekre képesek , például rugalmas visszapattanásra és nyújtásra , ami lehetővé teszi számukra, hogy a stressz megszűnése után visszatérjenek eredeti alakjukhoz. Ezt a különleges tulajdonságot az összefonódások és a hálózati csomópontok jelenléte éri el (ezek a kapcsolatok alkalmi és állandó jellegűek; a hidak „rugóként” működnek).

Az elasztomer repedés előtt nagyon nagy (kb. 1000% -ban) ellenáll, szinte teljesen visszafordítható . Éppen ellenkezőleg, egy merev polimer, amelyet 100% -ban deformálnának, jelentős deformációt tartana fenn: „elasztoplasztikusnak” minősítik.

Az elasztomerek és más polimerek közötti megkülönböztetés megfelel a szobahőmérsékleten megfigyelt viselkedésnek. Valójában a polimerek viselkedése függ a hőmérséklettől, a feszültség mértékétől és a deformációtól.

Alkalmazási példák: a gumiabroncsok rezgéseinek és sokkjainak csillapítása, a sportcipő talpa, a csendes blokkok .Példák: rugalmas , lufi , gömbök pelota (magas visszapattanás).Példa: tömítések .

Többek között esik az orvosi kesztyű (hagyományosan latexből ), az övek , a tömlők , a szállítószalagok , az esőztető csövek .

Mikrostrukturális szempontból

Az elasztomer hosszú molekuláris láncokból áll, amelyek nyugalmi állapotban "golyókba" vannak összegyűjtve. Ezeket a láncokat általában összekapcsolódás, térhálósító csomópontok vagy poláris kötések kötik össze ásványi töltőanyagokkal; hálózatot alkotnak.

Az elasztomerek mechanikai tulajdonságai elsősorban a híd sűrűségétől (az egységnyi térfogatú hidak számától) és a híd típusától ( jellege és hossza ) függenek . Minél nagyobb a híd sűrűsége (sűrű hálózat), annál merevebb az elasztomer. A térhálósító rendszer (típus és sebesség) szintén az egyik fontos paraméter. A Charles Goodyear által felfedezett kemény gumi , kemény és törékeny anyag a vulkanizált gumi extrém esete.

Tipológia

Általános elasztomerek

Az általános célú telítetlen és nem poláros (jó ellenállású ) elasztomerek a következők:

Hőmérséklethatáruk folyamatos használat esetén 80  ° C alatt van . Alacsony ellenállást mutatnak az olajjal és az ózonnal szemben (ez a gáz csak mechanikai igénybevétel hatására és a felszínen támad).

Az NR és az SBR tömegaránya a gumiabroncsban körülbelül 80%.

Az NR, SBR, BR és IR a teljes elasztomer termelés 40, 37, 10 és 3% -át képviseli.

A globális gumifogyasztást 2010-ben 24,3 millió tonnára becsülték.

NR és IR elasztomerek

A természetes gumi latex alacsony fehérje- és vitaminszintet tartalmaz .

A rendelkezésre álló különböző minőségű természetes kaucsuk közül a kiváló minőségű, világos színű (alacsony szennyezőanyag-tartalom) a legjobb ellenállás a hőmérsékleti öregedéssel szemben. Kis műszaki alkatrészeknek vannak fenntartva, mert ezek a legdrágábbak (7  € / kg 2007-ben).

Az NR és IR elasztomerek csillapító tulajdonságokkal és nagy nyújthatósággal rendelkeznek ( maximális szakadási nyúlás (A / R) 750%). A maximális szakítószilárdság (R / R) 30  M Pa . Kitapadásuk és szakadásállóságuk (R / d) kiváló.

-50  és  65  ° C között folyamatosan használhatók . Ezek az elasztomerek öregednek a legkevésbé; 65  ° C fölé melegítve öregedni és ragadóssá válnak.

Speciális elasztomerek

A hőmérséklet határ folyamatos használat kisebb, mint 150  ° C .

  • Poliizobutilén vagy izobutilén - izoprén elasztomer , más néven „butilkaucsuk” (PIB vagy IIR): a gázok számára nagy átjárhatatlanság miatt keresett; ellenálló az öregedéssel és a maró vegyszerekkel szemben.
  • Kloroprén (CR) vagy neoprén  : nem gyúlékony és ellenáll az öregedésnek; tárolásra érzékeny (kristályosodási hajlam). Wallace Hume Carothers és csapata fedezte fel 1931-ben.
  • Butadién-akrilnitril kopolimer vagy „nitrilkaucsuk” (NBR), más néven Buna N  : kiváló ellenállás a kőolajtermékekkel és az oldószerekkel szemben  ; fényre és ózonra érzékeny.
  • Etilén-propilén kopolimer (EP vagy EPM) és etilén-propilén-dién- terpolimer ( EPDM ): a poli- diénekhez képest jobban ellenállnak az oxidációnak (O 2és O 3 ) és zord időjárás; használt elektromos szigetelés (kiváló ellenállás) és a gépkocsi karosszéria ízületek (kiválóan ellenáll a légköri szerek); folyamatos üzemi hőmérséklet -40  és  150  ° C között .
  • Poliéter blokk-amid (PEBA) (TPE).
  • Santoprént (kereskedelmi név): EPDM- PP típusú TPE számára műanyag fröccsöntő .
  • Hőre lágyuló poliuretánok (TPU).
  • Hőre lágyuló olefinek (TPO).
  • Poliszulfidok  : ellenállnak az oldószereknek és az öregedésnek.
  • Elasztin fehérje .

Nagyon különleges elasztomerek

Magas hőállósággal és / vagy egy (vagy több) sajátossággal rendelkeznek.

Szerkezetüket tekintve a legtöbbnek nincs szén-szén kettős kötése (ezért nincs labilis hidrogénatom allilhelyzetben ), ezért kénnel nem vulkanizálható.

Kis mennyiséget képviselnek (az elasztomerek 5% -a), és ezek a legdrágábbak (ár> 3  € / kg ).

  • Szilikon elasztomerek (VMQ, PVMQ, FVMQ és MQ): A VMQ (vinil-metil-szilikon) a leggyakrabban használt. Hőstabilitás (hőállóság 250  ° C-ig ), hidegállóság -80  ° C-ig és kiváló kémiai tehetetlenség széles hőmérsékleti tartományban. A szilikonok nem kompatibilisek az összes többi elasztomerrel. Ár 5-20  € / kg .
  • Fluorelasztomerek (FKM) (Viton, Tecnoflon, Dyneon márkanevek): a fluor jelenlétének köszönhetően ezek a fluor-szénhidrogén elasztomerek kiváló hőállósággal (felhasználás -10  és  250  ° C között ), üzemanyagokkal és agresszív vegyszerekkel szemben ellenállóak . Repülőgép-hajtóművek csövében használják. Ára 40 és 220  € / kg között van .
  • Perfluorelasztomerek (FFKM) (kereskedelmi nevek: Kalrez, Tecnoflon): kiváló kémiai tehetetlenség és folyamatos üzemi hőmérséklet −30  és  290  ° C között bizonyos fokozatoknál.
  • Kopolimer etilén-vinil-acetát (EVA vagy EVM), amely poláros csoportokat tartalmaz; tapadó tulajdonságai miatt ( olvadó ragasztók ) használják; folyamatos üzemi hőmérséklet 170  ° C-ig egyes készítményeknél.
  • Poliakril- elasztomerek (ACM): hő- és ózonállóság; színstabilitás (világos színű termékekhez alkalmas); folyamatos üzemi hőmérséklet 150  ° C-ig .
  • Etilén-akril-kopolimer (AEM) (Vamac márkanév): hőállóság 175  ° C-ig  ; jó ellenálló képesség az ásványi olajokkal szemben; az autóiparban használják.
  • Klórszulfonált polietilén (CSM) (Hypalon): ellenáll az öregedésnek és a színstabilitás; folyamatos üzemi hőmérséklet 120  ° C-ig .
  • Epiklórhidrin- elasztomerek (CO és ECO): a homopolimer (CO) jobban áthatolhatatlan a gázoknál, mint a butilkumi; folyamatos üzemi hőmérséklet 120  ° C-ig .

Megjegyzések és hivatkozások

  1. A polietilén , noha egy T v nagyon alacsony, egy hőre lágyuló polimer (és nem egy elasztomer), mert a szerkezete nagymértékben kristályos. A merevség a kristályosság sebességével növekszik .
  2. alacsony hőmérsékleten (az alábbi T v ), a polimer szilárd üveges állapotban (ez egy üveg ). A T v fölött először úgynevezett gumiszerű (vagy gumiszerű) állapotban van, majd a hőmérséklet emelkedésével fokozatosan viszkózus folyékony állapotba kerül. Lásd: C. Oudet, Polymers - Structure and properties - Introduction , Masson, 1993, p.  25, 66- ( ISBN  2-225-84271-X )
  3. anyagokra vonatkozó értekezés, vol.  1, 3 rd  ed. , Bevezetés az anyagtudományba , PPUR , 1999, p.  114, 148 ( ISBN  2-88074-402-4 )
  4. Az elasztomerekben található Brown-mozgásokról lásd például [PDF] A deformáció fizikai mechanizmusait
  5. C. Oudet, Polimerek - szerkezete és tulajdonsága - Bevezetés , Masson, 1993, p.  45-52 ( ISBN  2-225-84271-X )  ; Ashby és Jones, "Anyagok", t.  2, Mikrostruktúra és megvalósítás , Dunod, 1995, p.  209. szám ( ISBN  2-04-018979-3 ) . Lásd még Véletlenszerű labda .
  6. Egy mű színes módon beszél a "molekulák vívódásáról": vö. Ashby és Jones, "Anyagok", t.  2, Mikrostruktúra és megvalósítás , Dunod, 1995 ( ISBN  2-04-018979-3 ) , „Gumi viselkedés és elasztomerek”, p.  220-221.
  7. Általános szabály, hogy a rendszer egyensúlyban van a legvalószínűbb állapotban. Vö. A. Guinier, Az anyag szerkezete , Hachette , CNRS 1980, Gumi alcím ; gumi rugalmasság , p.  240, Hachette ( ISBN  2-01-007095-X ) .
  8. anyagokra vonatkozó értekezés, 1. köt.  1, 3 rd  ed. , Bevezetés az anyagtudományba , PPUR , 1999, p.  146 , 148-149, 155-158, 307 ( ISBN  2-88074-402-4 )  ; online: [PDF] A deformáció fizikai mechanizmusai és [PDF] nanostrukturált polimer anyagok
  9. A termoplasztikus elasztomerek bizonyos fokozatai vagy az alacsony viszkozitású elasztomerek extrudálása során a lejtés lehetséges .
  10. öntés az abroncs gyártásának utolsó fázisa.
  11. természetes gumi a " tiszta gumiban  " használt kevesek egyike  . Ez a kifejezés töltetlen vulkanizált gumikeveréket jelöl.
  12. Nagyon kevés képződik: kb. Egy híd 50-100 ismétlésenként . A keménység és a statikus Young modulus a híd sűrűségével növekszik (térhálósítási sűrűségnek is nevezik; megegyezik az egységnyi térfogatú hidak számával; ez fontos paraméter, mert sok tulajdonság függ tőle).
  13. Kerülje a másodlagos aminokon alapulóakat , amelyek nitrozaminokat termelnek N x O y nitrozáló szer jelenlétében .
  14. A kénes vulkanizáló rendszer az egyetlen, amely megváltoztathatja a hidak hosszát [monoszulfid, diszulfid , poliszulfid hidak (körülbelül tíz kénatomig)]. A poliszulfid hidak növelik a mechanikai tulajdonságokat, de csökkentik a hőállóságot (az S- S kötések energiája alacsonyabb, mint a CC kötéseké ). Peroxid-vulkanizációs rendszer választható, ha az anyag hőmérséklete meghaladja a 120  ° C-ot .
  15. A szén-szén kettős kötést > C = C <a hagyományos kénes vulkanizálás nem befolyásolja.
  16. A butadién kopolimerjei gazdaságilag fontosabbak, mint a homopolimerek .
  17. Jean-Louis Vignes, Gilles André és Frederick Kapala, Chemical Society of France , gumik, elasztomerek és gyanták, sztirolok , 8 th  ed. , 2012, on societechimiquedefrance.fr . (megtekintés: 2013. január 2.).
  18. Oxidáció, ozonolízis és UV.
  19. Osztályozás az ASTM D1418 szerint.
  20. A Si - O kötések energiája magasabb, mint a DC kötések energiája .

Lásd is

Kapcsolódó cikkek

Külső hivatkozás