Почему нельзя ремонтировать автомобильные шины
Возможно, кто-то из вас уже пытался латать проколы шин для своей ласточки и после этого всё ещё жив, здоров и не сидит в тюрячке. Но это всё потому, что вы не заходили слишком далеко и не чинили грыжи, разрывы и прочие более серьёзные повреждения шины.
А вот пакистанские ребята на кортах и в пыли делают и не такое. Так-то громадный им респект и уважуха за то, что не унывают в своей нищете и способны достойно жить в пещерных условиях. Знаю точно, что во вселенной Mad Max это будет самая продвинутая цивилизация и кормилица остатков одичавшего человечества.
В ютубе сотни каналов, для которых регулярно снимают всю ту дичь, которой занимаются паки. И литьё деталья из стали марки ХЗ и восстановление свинцовых аккумуляторов и изготовление сварочных аппаратов… Ну и, конечно, же «ремонт» автомобильных шин. Достаточно в поиске ютуба набрать «pakistan repair tires» и получить сотни роликов про то, чего ни в коем случае нельзя делать
Не, ну если вы увлекаетесь скульптурой и хотите лепить штуковины, внешне похожие на шины – пожалуйста. Только не вздумайте эксплуатировать это творчество под грузом в 20 тонн.
Я не обладаю способностями Доктора Дью, но попытаюсь здесь в доступной форме без формул и цифр объяснить, что такое каучук, резина, резиновая автомобильная шина и почему всё не так просто. Может быть, после прочтения этой статьи вы заодно перестанете называть шину резиной. Вы же не называете батон тестом или мукой. Но это отдельная боль :(
Придётся начать издалека
Все эти шины, резинки, ремни, шланги делают из полимеров. Это общее название всех химических веществ, молекула которых состоит из тысяч повторяющихся друг за другом одинаковых обычных молекул (мономеров). Как железная цепь состоит из тысяч сцепленных между собой одинаковых звеньев. Пакет из пятёрочки, шина, презик, подошва твоей кроссовки, краска, которой покрашен сарай на твоей даче – всё это полимеры.
Чем с точки зрении обывателя полимеры особенны? Тем, что они пластичны и иногда эластичны. Что это значит?
На картинках короткие линии – это серные сшивки в резине между молекулами полимера. О них расскажу позже.
Вот эти длинные молекулы полимера имеют два свойства – химические связи внутри молекулы прочные, как у любых других веществ.
А физические связи между разными молекулами послабее. По сути это просто сила трения. К тому же, если полимер просто налить и дать ему застыть, примет хаотичную структуру – молекулы будут валяться как попало, переплетаться в клубки. И для полимеров это на самом деле круто.
Если взять кусок полимера и начать его растягивать, то на молекулярном уровне сначала молекулы начнут разматываться из клубков, проскальзывать относительно друг друга и вытягиваться в направлении приложенной силы. Ну, вот попробуйте взять клок собачей шерсти, которую вы вычесали из своей болонки и начните его вытягивать в нечто, вроде верёвки – волосы из спутанных комков будут тянуться. И вот пока в полимере происходит это вытягивание, он держится одним куском и не рвётся. Его можно комкать, сжимать, тянуть… Он будет сохранять ту форму, которую вы ему зададите. Потому, что сила, которую вы прикладываете, молекулы полимера растягивает, сдвигает и скручивает, а вот своих собственных сил на то, чтоб вернуться к прежней форме, у него не хватает. И называется это пластичность. А эти полимеры называются пластиками.
А ещё есть разновидность полимеров под названием эластомеры. Это полимеры, которые могут восстанавливать первоначальную форму после снятия нагрузки - эластичные. И вот к ним относятся резины. А делают резины из каучуков.
Каучуки - это полимеры, которые способны вулканизироваться. История полимеров с них и началась. Сначала индейцы открыли латекс, который можно было налить в тазик, опустить в него же свои ноги и получить идеальные калоши или сапоги. А потом только учёные поняли, что это за штука такая и стали придумывать новые полимеры.
Про вулканизацию каучуков придётся рассказать подробнее.
Т.к. у всех полимеров между молекулами связь слабая – просто за счёт трения, то сделать из них что-нибудь достаточно прочное не получится. Ну, а если из каучука слепить какую-нибудь штуку, то через некоторое время она просто потечёт. К примеру было изобретение – обмазать дождевой плащ латексом, чтоб он не намокал. Классная была штука! Но на холоде он дубел и даже трескался, в тепле становился липким и латекс с ткани, можно сказать, стекал. Всё из-за того, что молекулы полимера в латексе никак не были связаны между собой.
Но совершенно случайно изобрели серную вулканизацию. Почему именно серную? Потому, что сера – тоже полимер. Внезапно! В природе сера состоит из коротких молекул S-S-S-S-S-S-S-S-S. Если сера вступает в химическую реакцию с полимером, то образует достаточно прочную связь, как и любая другая химическая. А внутри полимерной цепочки серы связи очень слабые. Но, прочнее силы трения между молекулами каучука. Т.е. используя серу, мы можем получить три уровня прочности: химические связи молекулы каучука и серы > связи цепочек серы > силы трения между молекулами каучука.
Добавлять каучук в серу придумали ещё до изобретения органической химии, как науки. Названия всему давали по аналогии тем, что уже знали. Ну и ничего умнее в голову не пришло, как назвать это вулканизацией. Сера вступает в соединение с каучуком при высокой температуре 140-160 °С. «Как в вулкане», ага. Нормальных термометров тогда тоже ещё не изобрели, поэтому не знали, что в вулкане тысячи градусов.
Но просто вулканизовать каучук – это слишком просто. Чтоб он был достаточно прочным, его надо ориентировать. Для примера опять возьмём клок собачей шерсти. Когда мы держим в руках просто клок, он весь такой мягкий, податливый, принимает любую форму, если его мять или вытягивать. Но, если продолжать его тянуть в одном и том же направлении, то в какой-то момент он почти перестаёт растягиваться и становится довольно упругим и прочным. Но если продолжать его тянуть, то он порвётся. Так вот, если полимер растянуть до такого промежуточного прочного состояния, а потом вулканизовать, то он так и сохранит вот эту свою максимальную прочность. Ну и заодно у него уменьшится пористость. Он станет гораздо плотнее, чем просто спутавшийся клубок и в зазоры между волокнами (молекулами полимера) воздуху будет труднее просочиться. Как же каучук ориентируют? Его каландруют.
На примере той же шерсти-ткани можно посмотреть работу каландра тут:
Два валка каландра вращаются. Между ними в зазоре наш материал. Валки вращаются с разной скоростью. Тот, который быстрее, тянет материал сильнее и вытягивает волокна. Если каландр собрать из четырёх валков, то через него можно будет протянуть и ткань и резину одновременно.
эти каландры бывают разные и по количеству валков и по их расположению. Нам сейчас это не важно
Суть в том, что молекулы полимера вытягиваются и втираются в ткань.
Автомобильные шины делают из ткани особой структуры. Нити, проложенные вдоль, толстые. А те, которые держат их между собой, чтоб не рассыпались – тонкие и чисто условные. Они не несут вообще ни какой нагрузки и нужны только для того, чтоб эту ткань можно было спокойно довести до каландра и заправить в зазор между валками. Толстые нити в этой ткани называются кордом (cord – англ. шнур). А ткань эта зовётся кордной. Кстати, эту ткань тоже вытягивают под небольшим нагревом, чтоб полимер и в волокнах корда тоже вытянулся и упрочнился.
Ещё это упрочнение можно увидеть прямо своими глазами без всякого микроскопа. Берём любую чёрную резинку и начинаем её растягивать. В самом слабом месте она становится тоньше, белеет и рвётся. Вот в этом побелевшем месте полимер кристаллизуется. Белый цвет – это цвет кристаллов каучука. Он вытягивается настолько гладко и ровно, что зазоры между молекулами полимера пропадают и они создают самый настоящий кристалл. Т.е. между параллельными молекулами создаются связи, не уступающие по прочности химическим. Но для полимера это плохо. Он не может после этого разорвать связь теряет эластичность. Но, всё же, за секунду до разрыва он приобретает наивысочайшие свои прочностные характеристик. Из последних сил. Стоит уважать его и за это.
Кстати, а почему же резина чёрная?
Не потому, а для того. Чтоб быть ещё прочнее. Примерно половину массы резины занимает чистый углерод. Сажа. Копоть. Получают её от сжигания природного газа при недостатке кислорода. Этот углерод тоже не просто углерод. Он имеет форму кристаллов огромного на молекулярном уровне размера. Кристаллы эти рыхлые, лохматые, непонятной формы. Напоминают астероид. Из-за этого у них огромная площадь поверхности. А эта поверхность имеет огромную силу трения, т.е. может образовывать физические связи. Активированный уголь – это он и есть. На него хорошо прилипает всякая низкомолекулярная мелочь типа токсинов от несвежих трёхлетних маринованных помидоров. Вот, если в каучук добавить эту сажу, то она создаст зазор между молекулами полимера, чтоб он не слипся в кристаллы раньше времени и создаст ещё один уровень прочности для резины. Примерно между серной связью и силой трения полимера. Чем больше разных уровней связи, тем прочнее и эластичнее резина. Под нагрузкой рвутся сначала самые слабые связи, потом те, что по прочнее и так далее. Т.к. нагрузка у нас не всегда равномерная и структура резины тоже не идеальная, нагрузка распределяется местами по разному и рвутся связи тоже неравномерно. Получается, что нагрузка разрушает резину очень плавно, постепенно и ступенчато, постепенно разрушая каждый уровень связи, да и то не везде, а только там, где послабже. И это хорошо. Физические связи, вообще, от этого никак не страдают – они всегда найдут, к чему прицепиться. С химическими похуже. Если серная связь разрывается, то после снятия нагрузки она ищет себе новую связь и находит её случайно. Может связаться с соседней цепочкой серы – полимер со всем этим ворсом и волосатой серой сдвигается вдоль нагрузки и фиксируется в новом положении, связавшись с другими обрывками серных цепочек соседей. А ещё сера может связаться с обрывками своей же цепочки, создав петлю и никак не прицепившись к полимеру каучука. Сера есть, а пользы от неё нет.
Ну, а если разрывается молекула самого полимера, то совсем беда – молекула становится короче, сила трения по всей её длине становится меньше. Это называется деструкцией. Если оборванные её концы и находят себе новую связь, то она создаётся в том положении, в котором была приложена нагрузка. Когда нагрузку снимаем, молекула сохраняет новую форму. Т.е. теряется эластичность, а получается пластичность. Но радует, что всё это происходит относительно редко и хаотично. Т.е. в массиве резины эти процессы точечные и незначительные.
Деструкция происходит при температуре, близкой к вулканизации. Или под действием ультрафиолета. Солнце светит на резину и вызывает в ней реакции. Это называется старением резины. Да, она тоже не вечная. Поэтому даже, если ей не пользоваться, она сохраняет свой товарный вид не дольше 5 лет. Ну, конечно, можно её упаковать в вакууме и хранить в холоде… Но и это ей не сильно поможет. Внутри резины, всё равно, будут происходить спонтанные реакции и перестроения структуры. Сера, каучук, сажа (и куча других компонентов, о которых я не буду здесь рассказывать) будут мигрировать туда-сюда и создавать связи, которые нам не нужны.
Ну так вот… перейдём наконец-то к автомобильной шине. А вы уже и забыли, о чём эта стена текста? :)
Шина – это прежде всего каркас. Скелет. Конструкция. Она состоит из нитей корда. Эти нити под нагрузкой растягиваются (хотя мы всеми возможными способами добивались, чтоб этого не происходило) и должны эту нагрузку выдерживать. Нагрузка эта под весом автомобиля прикладывается не вдоль качения колеса, а поперёк. Шина-то у нас полая. Внутри неё воздух. Воздух распирает шину изнутри, а снаружи на неё давит планета Земля и автомобиль. Когда отжимаемся на физ-ре из упора лёжа, то руками мы испытываем такую же нагрузку – в локтях, плечах и кистях нас распирает и пытается порвать сухожилия. Но сухожилия приспособлены под разумную нагрузку и не рвутся. Вот и в шине корд выполняет роль таких сухожилий. Ну, а резина просто держит весь этот корд в монолитной форме, даёт герметичность, чтоб накачанный воздух не улетучивался, и ещё добавляет эластичности, чтоб ехать на машине было мягко и приятно. Всего-то.
Вот на этой картинке параллельные линии в слоях корда – условно это те силы, которым шина и противостоит:
А если вам интересно, сколько всяких кордов, слоёв и прочее есть в шине, то нате вам вот эту дичь:
И все эти разные слои не просто так слои. Например, самый крайний слой внутри шины – герметизирующий – чтоб не пропускать воздух. А самый наружный – самый прочный на разрывы, проколы, истирание. Каждый слой имеет свою рецептуру, разные каучуки и т.д. Соседние слои должны иметь сходные химически свойства, чтоб переход между слоями был плавным и по химии и по физике нагрузок. Это всё важно.
А теперь про то, как шина изнашивается. Что она стирается, как стёрка – это вы и так знаете. Но она ещё нагревается. И даже не потому, что вы резко тормозите или стартуете с пробуксовкой, а потому, что то место, которым шина касается земли, проминается под тяжестью.
От неё это и нужно, чтоб она давала мягкость движения. Но, как любая сила, она никуда не пропадает, а выходит в виде тепла. А теперь представьте себе, что вся шина так мнётся на каждом обороте – по всему кольцу, десятки раз в минуту. Хотя, зачем представлять, если это можно увидеть? :)
Внутри шины автомобиля при движении
Просто катящаяся по идеальной дороге без превышения скорости, шина греется, что мама не горюй. В принципе она готова к этому. В её составе есть противостарители, которые, кстати, со временем расходуются на прерывание процесса деструкции полимера и тоже не бесконечные. Да и каучуки в ней всякие разные, в том числе и те, что способны выдержать перегрев. Но, как я выше описал, процессы в резине происходят неравномерные, то в итоге и шина изнашивается вся целиком, хоть и не сразу. Т.е. резина подвергается деструкции, нити корда таки вытягиваются сверх того, что мы вытянули их перед сборкой шины. Т.к. разные слои тянутся по-разному, она начинают смещаться между собой и расслаиваться. Т.е. между созданными нами слоями разрываются связи и теряется прочность. А восстановить эти связи уже нельзя. Т.к. сера связывается, как попало, и полимеры каучука становится мономерами. Тоска и печаль. Поэтому нельзя повторно вулканизовать старую резину. Т.е. это будет не обновлением резины, а превращение и без того бесформенной массы в ещё более убогое месиво.
Ну, а если в шине произошли разрывы корда, то всё – кранты. Заменить всю нить, с тем, чтоб она сохранила всё то переплетение с другими слоями корда, как было сделано при сборке, вы не сможете. Вы же не нейрохирург. Да и сколько такая операция будет стоить? А завязать узелком обрывки нити бесполезно. Узелок менее прочен, чем сама нить. Да и свободные концы должны быть, чтоб хватило на сам узелок. А где их взять, если в нормальном состоянии нить была натянутой? А уж штопать разрыв связыванием соседних нитей – совсем глупость. Силы-то прикладывается не по бокам от нити, а вдоль неё. Мы ж специально проложили корд вдоль векторов нагрузок. Вот эта порванная ниточка и становится мёртвым грузом. Место в каркасе занимает, нагрузки никакой нести не может. Теперь на её месте вся нагрузка перекладывается на резину, которая предназначается совсем не для этого. А если мы ещё и займёмся ремонтом…
Опишу, что происходит при «ремонте». Отрезаются слои резины – той самой, которая была направленной вдоль нагрузок, была на каландре внедрена в волокна корда, имеет химическое и физическое подобие между слоями и, вообще, не просто так там оказалась. Затем зачищается поверхность уцелевшего корда, чтоб к ней новая резина «лучше прилипала». Прилипать-то она будет, но уже не так, как при вулканизации на заводе. Да и что это за новая резина? Её состав кто-нибудь знает? Да её те же пакистанцы в соседнем гараже намешали. А что они знают о резине? Каучук, машинное масло, сажа, сера, цинковые белила, тальк, да и… Да и на большее денег нет. Да и не угадаешь, что там ещё надо добавить, т.к., вообщет, состав резины – это коммерческая тайна. Это в учебниках общими словами говорится, что в резине должно быть. А вот на заводе десятки лет этот рецепт совершенствуют и в дозировках и компонентах. Ну вот, значит, замазали мы штопанную дырку этой непонятной резиной и вулканизуем газовой горелкой. Какая получается температура? Да фиг её знает. Как-нибудь наша замазка отвулканизуется. Повторной вулканизацией подвергаются и уцелевшие участки шины – да и похер на их деструкцию.
Ну и получаем результат, как от хирургической операции в пещерных условиях. Вроде залатать дырку конским навозом получилось, чтоб ветер не гулял и кровь не хлестала. А вот работать этот орган будет или нет – время покажет – как-нибудь потом сам заживёт, клеточки там в нужном порядке поделятся и заменят навоз. Но резина – не живой организм. Все процессы в ней ведут только к разрушению. Лечиться она не способна. Плак-плак.