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
POPESCU RADU GEORGIAN AM 1937
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.
POPESCU RADU GEORGIAN AM 1937
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.
POPESCU RADU GEORGIAN AM 1937
4
1.3. Caracteristicile esenţiale ale principalelor familii de elastomeri
POPESCU RADU GEORGIAN AM 1937
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.
POPESCU RADU GEORGIAN AM 1937
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
POPESCU RADU GEORGIAN AM 1937
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.
POPESCU RADU GEORGIAN AM 1937
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.
POPESCU RADU GEORGIAN AM 1937
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).
POPESCU RADU GEORGIAN AM 1937
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
POPESCU RADU GEORGIAN AM 1937
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.
POPESCU RADU GEORGIAN AM 1937
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.
POPESCU RADU GEORGIAN AM 1937
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
POPESCU RADU GEORGIAN AM 1937
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.