Elastomerii in Industria de Automobile

UNIVERITATEA TRANSILVANIA BRASOV

FACULTATEA DE INGINERIE MECANICA

ELASTOMERII ÎN INDUSTRIA DE

AUTOMOBILE

POPESCU RADU GEORGIAN

AM 1937

POPESCU RADU GEORGIAN AM 1937

1

Cuprins 1. ELASTOMERII IN INDUSTRIA DE AUTOMOBILE .................................................... 2

1.1. Introducere ................................................................................................................... 2

1.2. Principalele familii de elastomeri ................................................................................ 3

1.2.1. Cauciucul natural .................................................................................................. 3

1.3. Caracteristicile esenţiale ale principalelor familii de elastomeri ................................. 4

1.3.1. Compoziţia elastomerului pentru anvelopă .......................................................... 5

2. CARACTERISTICILE ELASTOMERILOR .................................................................... 5

2.1. Elasticitatea .................................................................................................................. 5

2.2. Comportamentul la variaţiile de temperatură .............................................................. 7

2.3. Rezistenţa la rupere ..................................................................................................... 9

2.4. Incombustibilitatea ...................................................................................................... 9

2.5. Proprietăţile electrice ................................................................................................. 10

2.6. Rezistenţa la acţiunea produselor chimice şi a uleiurilor .......................................... 11

2.7. Adeziunea la substraturi ............................................................................................ 11

2.8. Proprietăţi de curgere ................................................................................................. 11

2.9. Permeabilitatea la gaz ................................................................................................ 11

2.10. Proprietăţi de amortizare ........................................................................................ 12

3. APLICAȚII ALE ELASTOMERILOR............................................................................ 13

3.1. Procesul tehnologic de obţinere al anvelopei ............................................................ 13


2

1. ELASTOMERII IN INDUSTRIA DE AUTOMOBILE

1.1. Introducere

Elastomerii constituie o familie aparte a materialelor de sinteză. Ei se diferenţiază

prin proprietăţile fizice şi modalităţile de transformare.

Elastomerii (cauciucurile) sunt materiale utilizate intr-un numar mare de aplicatii

industrial si casnice. Unul dintre tratamentele fizico-chimice cel mai des utilizat este

vulcanizarea (reticulare), ce confera cauciucurilor stabilitate mecanica si termica. Elastomerii

au coeficienti de conductivitate termica mici, incalzirea lor fiind dificila si necesitand

procedee complexe si costisitoare: de aici interesul pe care il prezinta utilizarea radiatiilor

ionizante (electronii accelerati) si neionizante (microundele) in procesele de grefare si

reticulare. Fiabilitatea, flexibilitatea, costul redus, adaugate la lipsa de impact asupra

mediului, confera tehnologiilor de iradiere o atractivitate deosebita. Grefarea si reticularea

polimerilor cu ajutorul radiatiilor este o tehnica noua de modificare a polimerilor fara ajutorul

nici unui agent chimic. Inlocuirea procedeelor clasice de vulcanizare cu iradierile tehnologice

aduc urmatoarele avantaje :

eliminarea tuturor agentilor de vulcanizare cu exceptia activatorilor pentru cauciuc;

obtinerea de noi materiale cu grad inalt de puritate (de exemplu articole medicale, articole

din cauciuc pentru industria alimentara, jucarii pentru copii, etc);

tipuri noi de cauciuc, care nu se pot reticula chimic sau a caror reticulare este foarte

dificila prin procedeele conventionale de vulcanizare, pot fi prelucrate in produse finite cu

aplicatii tehnice foarte importante (aviatie, armata, medicina);

procesul este foarte rapid si poate fi controlat cu precizie;

fascicolul de electroni poate fi foarte usor directionat pentru a satisface cerintele de variatie

geometrica ale produselor ce trebuie vulcanizate;

datorita puterii mari de penetrare a radiatiilor, are loc o vulcanizare eficienta si uniforma in

toata masa articolelor de cauciuc;

nu se obtin deseuri.


3

1.2. Principalele familii de elastomeri

Elastomerii pot fi:

naturali (cauciucul natural NR);

de sinteză:

SBR - copolimer butadien stiren;

NBR - copolimer butadien – acrilonitril;

BR - polibutadien;

PI - poliizopren;

SBS și SIS - copolimer-secvenţe;

CR - policloropren;

IIR - copolimer izobutilen izopren;

EPM și EPDM - copolimeri şi terpolimeri etilenă propilenă.

1.2.1. Cauciucul natural

El rezultă din latexul arborelui de cauciuc Hevea Brasiliensis, originar din bazinul

Amazonului şi implantat în Asia de Sud Est (Malaesia, Indonesia, Thailanda, etc.) şi în ultimii

ani în Africa (Liberia, Nigeria, Zair, Camerun, Coasta de Fildeş, etc.).

Latexul este obţinut prin crearea în coaja copacului a unui canal în spirală şi colectarea

lichidului care se scurge timp de 4…5 ore.

Compoziţia latexului este:

25…40 % cauciuc;

52…70 % apă;

1,5…2,8 % proteine;

1,0…2,7 % extract acetonic;

0,5…1,5 % zahăr;

0,2…0,9 % săruri minerale.

Latexul colectat este apoi concentrat (prin centrifugare) sau coagulat cu acid, fapt ce

permite obţinerea unor clase superioare de cauciuc natural.


4

1.3. Caracteristicile esenţiale ale principalelor familii de elastomeri


5

Spre deosebire de materialele plastice, elastomerii necesită înainte de formare, o

preparare prin amestecare (structura amestecului este dependentă de tipul elastomerului şi de

domeniul de utilizare), împreună cu materiale de umplutură (pentru ameliorarea

performanțelor) și ingrediente. Amestecarea este realizată în malaxoare.

1.3.1. Compoziţia elastomerului pentru anvelopă

Comportamentul Proporţia

Elastomer natural (Plăci de cauciuc) 65,7

Agent de vulcanizare (Sulf) 0,7

Acceleratori primari (MBT) 0,6

Acceleratori secundari (TMT) 0,1

Activator anorganic (Oxid de zinc) 3,3

Ingrediente (Negru de fum) 26,3

Plastifianţi (Ulei mineral) 1,0

Antioxidanţi şi antiozonanţi (PNB) 1,3

Aceste operaţii sunt mulate în forme prin diverse procedee (calandrare, injecţie,

presare, transfer, extrudare, etc.), asamblare (ex.: anvelopele, curelele trapezoidale, garniturile

de etanşare, etc.) şi vulcanizare în matriţă.

2. CARACTERISTICILE ELASTOMERILOR

2.1. Elasticitatea

Analiza curbei forţă de tracţiune-deformare permite să se evidenţieze proprietăţile

elasticităţii unui material. Modulul de elasticitate este un parametru important pentru analiza

comportamentului elastic al acestuia.


6

Dependenţa deformării de forţa de tracţiune

Temperatura modifică foarte mult proprietăţile elastice ale elastomerilor. În particular,

aceasta alterează, în anumite limite, puţin caracteristicile cauciucului siliconic. Cauciucul

siliconic este cel mai bun, din acest punct de vedere deoarece poate lucra la temperaturi

cuprinse între 210…520 K (-63…247 °C).

Cercetările experimentale arată că proprietăţile elastice ale cauciucului depind foarte

mult de densitatea reticulării, compoziţia amestecului, natura şi cantitatea şarjelor de

umplutură.

Deformarea remanentă a cauciucului siliconic, după 24 de ore de comprimare,

la diferite temperaturi


7

2.2. Comportamentul la variaţiile de temperatură

Cauciucurile îşi păstrează proprietăţile în anumite intervale de temperatură, în funcţie

de familia din care provin. Cel mai extins domeniu de aplicaţii, îl are cauciucul siliconic. El

este mult mai rezistent, la căldură şi mai ales la frig, faţă de alţi elastomeri. Se poate remarca,

de asemenea, excelenta sa rezistenţă la ozon şi radiaţii.

Domeniile de aplicaţii, din punct de vedere termic, ale elastomerilor

Rezistenţa cauciucului siliconic la temperaturi înalte este următoarea:

- 420 K - 2…4 ani

- 470 K - 1 an

- 520 K - 100 zile

- 570 K - 15 zile

Introducerea în amestec a negrului de fum, bioxidului feros şi acizilor metalici permite

obţinerea unei bune rezistenţe până la temperaturi de 520 K. În anumite situaţii, se poate

obţine un bun comportament la căldură şi rezistenţe mecanice acceptabile până la 1170 K.


8

Influenţa temperaturii asupra proprietăţilor cauciucului siliconic

Pe lungă durată, cauciucul siliconic rezistă la temperaturi de până la 400 K. De aceea,

el poate fi utilizat la fabricarea furtunurilor pentru combustibil. Rezistenţa înaltă la vapori

reflectă o mare densitate a reticulării.

Este important să se cunoască faptul că proprietăţile mecanice sunt reversibile la

temperaturi mai mici de 470 K. De asemenea, când rezistenţa la rupere este diminuată

temporar cu 50%, după o expunere la 470 K, este posibil de a se reveni la proprietăţile

iniţiale, atâta timp cât nu se degradează termic polimerul.

Cauciucul siliconic păstrează aceeaşi elasticitate într-o plajă largă de temperaturi

(210…390 K). Prin încorporarea în material a grupelor de fenili se diminuează substanţial

temperatura de cristalizare. O caracteristică a cauciucului siliconic este rezistenţa deosebită la

acţiunea ozonului. Astfel, în urma expunerii unui eşantion de cauciuc siliconic, timp de 70

ore, într-o atmosferă cu 2% ozon şi temperatura de 310 K, nu se produc modificări ale

proprietăţilor acestuia. Comportamentul cauciucului siliconic la radiaţii γ şi X este, de

asemenea, foarte bun.

Înalta rezistenţă la acţiunea ozonului şi a radiaţiilor confirmă buna comportare a

cauciucului fluorosiliconic la intemperii. Astfel, după 5 ani de expunere la intemperii, acesta

pierde mai puţin de 50% din rezistenţa iniţială la rupere.


9

Rezistenţa la rupere a elastomerilor sintetici după îmbătrânire la diverse temperaturi

2.3. Rezistenţa la rupere

Rezistenţa la rupere a elastomerilor depinde de reţetele după care aceştia au fost

elaboraţi. Astfel, cauciucul natural poate avea o rezistenţă la rupere mai mare de 25 N/mm2, în

timp ce cel siliconic poate atinge una standard de 5…6 N/mm2. Astfel, se poate constata că

temperatura influenţează foarte puţin caracteristicile mecanice ale cauciucului siliconic, până

la valori de 470 K.

O altă observaţie, este aceea că, la temperaturi mai mari de 470 K, elastomerul

siliconic este superior, din punct de vedere mecanic, cauciucurilor organice.

Rezistenţa la rupere a unor elastomeri

2.4. Incombustibilitatea

Cauciucurile se disting prin aceea că sunt incombustibile (nu arde decât foarte greu și

cu mult fum).


10

În timpul combustiei, cantitatea de fum, care se dezvoltă, este dependentă de tipul

cauciucului. De asemenea, nu se emană gaze toxice sau agresive precum acidul clorhidric sau

compuşii sulfuroşi. Principalele produse ale combustiei sunt bioxidul de carbon şi apa.

2.5. Proprietăţile electrice

Cauciucurile posedă excelente caracteristici dielectrice. În particular, cauciucul

siliconic face parte din categoria celor mai buni izolanţi electrici, existenţi. Pentru el, valorile

caracteristicilor electrice nu sunt influenţate de temperatură.

Pentru obţinerea unei rezistenţe mari la temperatură înaltă este necesar să crească

densitatea de reticulare.

Este posibil să se obţină un produs electro-conductor prin adăugarea de încărcături, ce

conţin materiale conductoare (ex. fibre de carbon, negru de fum) în amestecul de formare

(rezistivitatea fibrelor de carbon şi a cauciucului siliconic conductor = 10-2 .m).

Rezistivitatea transversală a cauciucului este funcţie de concentraţia negrului de fum

din amestec.

Rezistivitatea transversală în funcţie de concentraţia negrului de carbon


11

2.6. Rezistenţa la acţiunea produselor chimice şi a uleiurilor

În general, cauciucurile au o bună rezistenţă la acţiunea produselor chimice şi pot fi

utilizate în zone care vin în contact cu acizi şi alcali diluaţi. O creştere a concentraţiei sau a

temperaturii atrage o scădere a performanţelor.

Dacă în contact cu uleiurile şi cu unele produse chimice, cauciucurile organice sunt

puţin rezistente, elastomerul siliconic are, în schimb, un comportament excelent.

Cauciucul siliconic este atacat, cu mare violenţă, de elementele agresive, oxidanţi sau

descompuşi, ai uleiurilor. Solvenţii apolari, precum benzina, benzenul şi hidrocarburile

clorurate, provoacă o puternică gonflare. După evaporarea solvenţilor, cauciucul siliconic

revine la proprietăţile iniţiale.

De remarcat, este marea rezistenţă la acţiunea uleiurilor a cauciucului siliconic ce

conţine grupele trifloroparafine.

2.7. Adeziunea la substraturi

Cauciucul trebuie să adere foarte bine la elementele de ranforsare (pliuri). În multe

cazuri, adeziunea se obţine numai după aplicarea unui prim strat aderent pe substraturi.

Straturile adezive primare, necesare pentru metale şi materiale plastice, sunt pe bază de răşini

şi promotori de aderenţă. Este posibil a se incorpora în structura cauciucului grupe care să

favorizeze aderenţa.

2.8. Proprietăţi de curgere

Cauciucul posedă excelente proprietăţi de curgere. Datorită acestora el este un material

uşor de format prin turnare sau extrudare.

Calitatea curgerii poate fi apreciată prin energia de activare (ex. 14,2 kJ/mol pentru

metilpolisiloxan).

Amestecurile de cauciuc trebuie ferite de radiaţii, deoarece acestea determină formarea

de punţi de hidrogen, între polimeri şi grupele OH, care pot influenţa fluiditatea. Masa de

cauciuc rigidizată poate fi din nou lichefiată printr-o măcinare care rupe punţile de hidrogen.

2.9. Permeabilitatea la gaz

Permeabilitatea la gaze a cauciucului este în strânsă corelaţie cu mărimea forţelor

intermoleculare şi cu mobilitatea lanţurilor polimerilor.


12

Marea permeabilitate la gaz a cauciucului siliconic joacă un rol important pentru

acoperiri şi separarea gazelor. Teflonul izolează cel mai bine, siliconul izolează cel mai puțin.

Elastomerul Permeabilitatea la gaz

[100 m3/s m]

Cauciuc siliconic 60

Cauciuc natural 2,4

Cauciuc butil 0,24

Policlorură de vinil 0,014

Teflon 0,0004

2.10. Proprietăţi de amortizare

Cauciucul posedă un modul de elasticitate foarte redus şi un factor de pierderi

mecanice înalt. Datorită acestora el este un mediu ideal pentru absorbţia şocurilor şi

zgomotului.

Coeficienţii de amortizare ai cauciucului pot atinge valori de 90%.

Referitor la compresibilitate, trebuie menţionat faptul că aceasta este mai redusă ca cea

a poliuretanilor.

În cazul cauciucului, schimbarea permanentă de volum, după un număr mare de cicluri

de compresie este infimă.

Conversia energiei mecanice în energie termică, care se produce în momentul

impactului, conduce la o acumulare de căldură. Un şoc puternic poate rupe punţile de

reticulare ale cauciucului şi acesta devine în parte fluid. Acest efect este ireversibil, deoarece

o nouă reticulare se produce lent după şoc.


13

3. APLICAȚII ALE ELASTOMERILOR

- Amortizor de vibrații, element de descărcare a sarcinilor, utilizat în industria

automobilului (bucși elastice), amortizoare elastice, suporți de motor;

- Elemente elastice de legătură (elemente de cuplare elastice);

- Elemente de etanșare (garnituri, manșete de rotație – semering, inele O, manșete de

rotație V);

- Furtune;

- Anvelope și camere pentru roți;

- Cheder geamuri, covorașe,capace airbag-uri, capace instrumente de bord.

3.1. Procesul tehnologic de obţinere al anvelopei

Etapele propriu-zise ale procesului tehnologic.

Amestecarea cauciucului natural, sintetic şi a negrului de fum

Construirea formei in care va fi turnat amestecul respectiv

Adǎugarea amestecului de cauciuc in formǎ

Placarea formei cu fire de oţel, fire sintetice si fibre textile

Plasarea inelului central şi al celor 2 laterale in formǎ

Tensionarea cauciucului (obţinerea formei finale)

Plasarea in mulaj şi tratarea cauciucului cu diferite tratamente termice, chimice şi mecanice

Eliminarea excesului de cauciuc

Controlul de calitate

Vedere in secţiune şi normalǎ a anvelopei


14

Procesul tehnologic:

1. Amestecul: Diverse tipuri de cauciuc natural şi sintetic sunt amestecate intr-un mixer şi

mixate cu negru de cărbune şi alte produse chimice. Se obţine ceea ce specialiştii denumesc

"amestecul primordial" cu o compoziţie aleasă in funcţie de parametrii şi performanţele dorite

de la viitoarea anvelopă.

2. Forma: Fibre din material textil sau corzi de otel sunt invelite in cauciuc pe ambele părţi.

Materialele textile (celofibra, nylon şi poliester) sunt folosite la acoperit suprafaţa, iar corzile

de oţel formează o "centura" a anvelopei, mult mai rezistentă.

3. „Burta” şi pereţii: Corpul anvelopei se construieste prin introducerea a două componente

diferite special concepute in forma, in care se pune amestec de cauciuc. Profilul - la origine -

este o bandă continuă, care este apoi racită şi tăiată la lungimea necesară.

4. „Cordonul”: Interiorul ("carnea") se construieşte prin placarea cu fire de oţel, care sunt

tăiate pe dimensiunea centurii şi rulate de un număr anume de ori, pentru a da un anume

diametru anvelopei. Din această bobinare, fiecăruicauciuc i se dă o anumită rezistenţă.

5. Construcţia efectivǎ: Construcţia efectivǎ este, de regulǎ, un proces in doi paşi. Cu toate

acestea, fabricile moderne au redus procesul la unul singur - executat de o maşina (evident).

Procesul din doi paşi este incǎ folosit la scarǎ largǎ, mai ales pentru dimensiunile speciale.

Pentru inceput, inelul central şi cele laterale sunt plasate intr-un container in care urmeazǎ sǎ

se producǎ anvelopa. Toate benzile sunt poziţionate, contururile benzilor laterale sunt indoite

peste inelul central, iar ceea ce urmează a fi profilul este aşezat deasupra.

In a doua fază a construcţiei, cauciucului i se dă forma prin tensionarea cu două

centuri, se mai adaugă straturi atat pe laterale, cat şi pe profil. La finalul acestui proces,

cauciucul este denumit "necopt" (verde).

6. „Vindecarea”: Cauciucul necopt este acum plasat intr-un mulaj. Aici i se aplică tratamente

bine controlate de presiune şi temperatură. Anvelopa finală este apoi scoasă din mulaj.

7. Egalizarea: Excesul de cauciuc de pe anvelopă (pentru că nu toate sunt făcute perfect) este

eliminat cu ajutorul unei maşini (e un fel de pilire, o exfoliere a excesului).

8. Inspecţia: Inainte ca anvelopele să fie trimise către magazine sau depozite sunt controlate

atat vizual cat şi electronic. Este ultimul control de calitate (aspect, uniformitate) inainte să

ajungă pe jante.

Elastomerii in Industria de Automobile

Documents

Transcript of Elastomerii in Industria de Automobile