Как делают резину. Резины: состав, свойства и виды История о создании автомобильных шин

Изобретатель : Чарльз Гудиер
Страна : США
Время изобретения : 1839 г.

Еще испанские конкистадоры привезли из Южной Америки чудесные изделия (эластичные мячи, непромокаемую обувь). Индейцы изготавливали их из застывшего млечного сока гевеи. Делалось это просто. Например, чтобы изготовить мяч, они обмазывали круглый предмет соком слой за слоем по мере его застывания. Когда получался достаточно толстый слой, форму удаляли. Подобным образом делали и непромокаемую обувь, причем колодкой служили собственные ноги. Материал этот жители Бразилии называли «каучу» («кау» - дерево, «учу» - плакать), а ныне он известен как каучук.

Серьезное внимание на каучук обратили лишь после того, как французский инженер из Кайенны Франсуа Фрейсине доставил в Парижскую академию наук из Южной Америки каучук, изделия из него и описание способов его добычи. Его записка и образцы попали в руки исследователя Шарля Мари де ля Кондамина, который использовал эти образцы, чтобы укрывать от дождя инструменты. В 1751 г. Кондамин сообщил о записке Ф.Фрейсине Парижской академии наук.

Долгое время каучук использовали преимущественно для изготовления мягких игрушек, пробовали им покрывать обувь, чтобы сделать ее водонепроницаемой. Каучук попытались использовать и для шин повозок, но материал был очень мягок и легко стирался о покрытие дороги. Кроме того, в жару он становился липким, а в мороз - хрупким.

Английский химик и изобретатель Чарльз Макинтош (1766-1843) нашел новое применение каучуку. Он изготовил плащ из двух слоев материи, связанных раствором каучука в нефтяных углеводородах, и начал выпуск непромокаемых пальто, названных впоследствии его именем. В 1823 г. Ч.Макинтош получил патент на это изобретение. Но и макинтоши портились при высокой и низкой , поэтому каучуковая промышленность переживала период упадка.

Многие исследователи пытались устранить недостатки каучука, сохранив его достоинства, но безуспешно. Наконец, это удалось американскому изобретателю Чарльзу Гудиеру (Charles Goodyear).

Чарльз Гудиер (29.12. 1800 — 1.07.1860) родился в Нью-Хейвене, штат Коннектикут. В молодости он делил свое время между магазином, фабрикой и фермой отца, который среди прочих инструментов продавал и собственные изобретения. В 1826 г. Чарльз с отцом организовали в Филадельфии первый американский специализированный магазин скобяных товаров, бизнес оказался неудачным: в 1830 г. фирма разорилась.

Энергичный молодой человек занялся изобретательством. В 1834 г. на витрине нью-йоркского магазина его заинтересовали изделия из каучука. Узнав, что требуется улучшить термостойкость этого перспективного материала, Гудиер после ряда опытов предложил добавлять в каучук оксиды магния и кальция. Он начал делать обувь из полученного «гумм-эластика», но в сильный мороз тот вел себя не лучше обычного каучука.

В 1836 г. изобретатель научился обрабатывать каучук азотной кислотой, нитратами висмута и меди и 17 июня 1837 г. получил патент, а затем основал фабрику в Нью-Йорке. Однако дела шли неважно. Гудиер продолжал эксперименты. В 1838 г. он приобрел патент Хэйварда, состоящий в смешивании каучука с раствором серы.

Но лишь в 1839 г. Гудиер изобрел способ, который ныне именуется вулканизацией и получил широкое распространение во всем мире. Отчасти это произошло случайно, когда оставленный на горячей печи образец из смеси каучука с серой не растекся, а превратился в твердый обугленный материал, который нам известен как резина. Еще пять лет изобретатель посвятил напряженной работе над технологическим процессом, прежде чем 15 июня 1844 г. появился патент №3633. Однако автор не мог получать с патента прибыль, ибо не располагал средствами для его юридического оформления.

В 1841 г. Гудиер дал несколько кусков резины англичанину. Эти образцы, попавшие в руки английского химика Т. Хэнкока, помогли ему повторить технологию вулканизации и получить в 1843 г. британский патент. Название процесса по имени бога Вулкана предложил также английский изобретатель.

Ч. Гудиер пытался широко распространить свое изобретение сначала в США, затем в Европе, затратил огромные деньги на выставки в Лондоне и Париже, экспозицию которых составляли изделия из резины, вплоть до страниц книги самого Гудиера. Изобретатель способствовал развитию резиновой промышленности в Старом и Новом свете, но сам не смог разбогатеть. Он шутил, что его можно узнать как человека, одетого во все резиновое и с резиновым кошельком без единого цента. Гудиер умер в бедности, оставив большие долги. Лишь его» сыну, тоже Чарлзу, который продолжил дело отца, удалось добиться успеха в резиновом бизнесе.

В 1846 г. А.Паркс предложил процесс холодной вулканизации при помощи хлористой серы. Каучуковые изделия при комнатной температуре помещают в хлористую серу, растворенную в сероуглероде, либо в камеру, наполненную парами хлористой серы. Процесс длится 1-2 мин, после чего остатки реагента удаляют с изделия. Этот метод применяют при изготовлении тонкостенных изделий (перчатки, детские игрушки и т.п.). Полученные при холодной вулканизации изделия обладают худшими свойствами, чем продукты горячей вулканизации.

Развивающейся промышленности все больше и больше требовалось резины. Разрастались огромные плантации гевеи в Южной Америке и Индонезии. Примерно в то же время один предприимчивый англичанин тайком вывез из Бразилии 70 тыс. семян гевеи, но прижились они только в одном месте – на Цейлонских островах, принадлежавших тогда Англии.

На мировом рынке каучука появились два крупных монополиста, и стало ясно: природный каучук не экономичен и не рентабелен, необходимо обнаружить способ получения искусственного каучука. Дальнейшая история освоения резины – это история химических исследований, в основном, российской химической науки.

В России резиновая промышленность возникла в первой половине 19 века. До революции резиновое производство было представлено четырьмя предприятиями: «Треугольник», «Проводник» и сравнительно небольшими заводами «Богатырь» и «Каучук». В 1913 году на них работало 23 тыс. человек и выпускали они главным образом обувь.

Сырье и оборудование были заграничными, техническое руководство осуществляли иностранцы. Мало кто знает, что производство туалетной губки являлось в 19 веке секретом завода «Треугольник»; как ни странно, этот незамысловатый предмет был наиболее конкурентоспособным резиновым изделием на мировом рынке. После Октябрьской революции резиновая промышленность представляла достаточно мощную отрасль. Был взят общий курс на индустриализацию, а потому резко возросла потребность в комплектующих резинотехнических изделиях.

Но производство резины находилось в исключительной зависимости от импорта натурального каучука. Существовало два возможных варианта решения проблемы. Первый — изыскание каучуконосов, пригодных для разведения в районах с умеренным климатом. В СССР этим занимался Н.И. Вавилов, в США инициаторами этих работ были Т. Эдисон и Г. Форд.

Второй вариант – создание синтетического каучука. Химические исследования состава каучука начались еще с опытов М. Фарадея в 1826 году. В 1879 А. Бушард наблюдал превращение изопрена в каучукоподобную массу, а в 1910 – И. Л. Кондаков подобное превращение диметилбутадиена. В 1909 г. Сергей Васильевич Лебедев показал вещество, близкое к каучуку, приготовленное из дивинила – бесцветного летучего газа. Но после долгих трудов ему удалось добыть всего лишь 19 граммов.

В России в том же направлении работал И. И. Остромысленский, проводя опыты на заводе «Богатырь», в Германии – К. Гарриес, в Англии – Ф. Мэтьюс и Е. Стрейкедж. Таким образом, наука шла по стопам природы: сначала надо было получить полимер диеновых углеводородов, а затем синтезировать из них каучук.

В 1926 году Советское правительство объявило всемирный конкурс на производство искусственного каучука, причем выдвигались 3 условия: 1) сырье должно быть дешевым; 2) качество не хуже натурального; 3) срок до представления результатов разработок – 2 года. В мае 1928 года этот конкурс выиграл С. В. Лебедев. В качестве сырья он использовал обыкновенный картофель, из которого получал спирт, а уже из спирта – дивинил. Причем сначала из 1 л спирта он получал 5 грамм дивинила, а два года спустя — 50 грамм тем самым сокращая расходы в 10 раз.

Но этот безусловный прорыв не решал проблему, так как, например, на изготовление одной уходило 500 кг картофеля. Потом ученые, усовершенствовав изобретение С. В. Лебедева, стали добывать дивинил из природных газов. И уже в 1929 году правительство приняло решение строить в Ленинграде опытный завод по получению синтетического каучука из спирта по методу Лебедева и еще два завода, которые должны были опробовать другие известные методы: Б. В. Бызова и группы ученых под руководством А. Л. Клебанского.

15 февраля 1931 года газеты всего мира сообщили, что в СССР выпущена первая большая партия искусственного каучука. Ни Германия, ни Англия на тот момент не были готовы предложить свой вариант решения этой промышленной проблемы.

Интересно, что Т. Эдисон в своем интервью так оценил это событие: «Известие о том, что Советы достигли успехов в производстве синтетического каучука из нефти, невероятно. Этого нельзя сделать. Я бы даже сказал больше: весь этот отчет является фальшивкой. На основании моего собственного опыта и опыта других сейчас нельзя сказать, что получение синтетического каучука вообще когда-нибудь будет успешным». И тем не менее, уже в 1932 году в Ярославле дал продукцию первый завод синтетического каучука.

С 1951 года началось производство каучука из нефтяных газов и продуктов переработки нефти. Долгое время искусственный каучук, превосходя настоящий по отдельным показателям (температурный диапазон, прочность, химическая стойкость), уступал в одном – в эластичности (что очень важно для, например, автомобильных и авиационных шин), но и эта проблема была решена.

Таким образом, и природный дар – дерево гевея, и ряд случайностей, и долгий кропотливый труд ученых сделали резину одним из самых необходимых и универсальных материалов, востребованным каждый день, в самых разных ситуациях, в самых разных сферах деятельности человека.

Колеса были изобретены 5 тысяч лет назад. Первое их появление было зафиксировано в Древнем Египте. При строительстве пирамид для облегчения передвижения грузов использовали особые изобретения. Они назывались «катки» и выглядели, как круглые куски бревен. Их подкладывали под большие каменные глыбы. Это можно назвать началом в истории колеса.

На протяжении многих столетий колесо подвергалось видоизменениям и совершенствованиям. Однако в 19 веке произошел настоящий переворот во всей истории колеса. Около 200 лет назад была изобретена пневматическая шина, которая используется и в настоящее время для эксплуатации современного автомобиля. Ее открытию способствовало открытие процесса вулканизации. Что являлось толчком в развитии резинотехнической отрасли в промышленности.

Что такое шина?

О том, что же такое шина, существует множество мнений. Многие считают, что это резиновый баллон. С геометрической точки зрения шина - это тор. Механическая точка зрения определяет шину сосудом в форме упругой мембраны с высоким давлением.

Химия принимает шину, как материал, который имеет макромолекулы с длинными цепями. Шина воплотила в себе открытия химической промышленности, ведь при изготовлении шины применяют различные синтетические материалы. Производство шин каждый год затрачивает несколько миллионов тонн углеродной сажи, масел эластомеров, пигмента и других материалов.

В широком же смысле, шина - достижение научно-технического прогресса, а также синтез научных знаний и современных технологий.

В 1844 году впервые шина была запатентована официально.

Изобретение пневматической шины было официально запатентовано Робертом Уильямом Томсоном, 1822 года рождения. В 22 года – в год изобретения шины – он был инженером железнодорожного транспорта, а также имел свой бизнес в Лондоне.

В 1846 году 10 июня был датирован патент, описаны суть изобретения, конструкция шины и все необходимые для ее изготовления материалы. В патенте описывалось, что «воздушное колесо» предназначалось для телеги или экипажа.

Изобретение заключалось в следующем: шина накладывалась на колесо, которое имело деревянные спицы. Деревянный обод был обит обручем из металла, в него и вставлялись спицы. Шина состояла из камеры, которая представляла собой нескольких слоев парусины, которые были пропитаны раствором гуттаперчи или натуральным каучуком. Также шина состояла из наружного покрытия, а точнее, из кусков кожи, которые были соединены заклепками. Шина крепилась на обод болтами. В патенте было написано, что кожаная покрышка имела необходимое сопротивление износу, а также многочисленным изгибам. Кожа имеет свойство растяжения при попадании воды и расширения при внутреннем давлении. Поэтому камера была усилена парусиной.

Испытания проводились с экипажем с воздушными колесами. Томсон замерял силу тяги, в результате было обнаружено, что на щебеночном покрытии сила тяги снижается на 38%, а на покрытии из дробленой гальки - на 68%. Испытания доказали удобство езды, бесшумность и легкий ход.
После проведенных испытаний, их результаты опубликовали в журнале Mechanics Маgazin в 1849 году. Однако появление этого значительного изобретения, а также доказательств и обоснования продуманного воплощения в жизнь, оказалось недостаточным для повода к массовому производству. Основная причина – не было добровольцев изготавливать это изделие с приемлемой стоимостью. После смерти Томсона про «воздушное колесо» все забыли, однако были сохранены образцы изделия.

Первое практическое применение пневматической шины.

О пневматической шине вспомнили в 1888 году. Шотландец Джон Данлоп усовершенствовал трехколесный велосипед, соорудив из шланга для поливки сада широкие обручи и, надув их воздухом, надел их на колесо. Он получил патент на изобретение и стал известен как автор пневматической шины.

Шина быстро получила распространение в применении. В 1889 году Уильям Хьюм, который участвовал в гонках на велосипедах, для своего транспорта использовал пневматические шины. Его талант в этом деле находился на среднем уровне. Тем не менее, выиграл все заезды.

В 1889 году этому изобретению нашлось и коммерческое применение. Существующая и до сих пор самая крупная компания «Пневматическая шина и агентство Бута по продаже велосипедов» была организована в Дублине. Сейчас ее название – «Данлоп».

Усовершенсование

В 1890 году инженером Чальдом Уэлтчем было предложено отделить камеру от покрышки. Также он счел необходимым вставить в края покрышки проволоку и посадить на обод. Англичанин Бартлетт и француз Дидье также внесли свою лепту относительно монтажа и демонтажа шин.

Французы Андре и Эдуард Мишлен первыми использовали пневматическую шину на автомобиле. Они имели большой опыт в изготовлении шин для велосипедов. В 1895 впервые в автомобильной гонке принял участие автомобиль с пневматическими шинами. Водителем был француз Бордо. Он справился с расстоянием в 1200 км, а также пришел к финишу. А уже в 1896 году пневматические шины были установлены на автомобиле «Ланчестер».

Пневматические шины были толчком в развитии плавности хода и проходимости автомобилей. Но надежность была под сомнением и требовала времени для монтажа. Последующее усовершенствование в этой области было связано с увеличением износоустойчивости шин, а также их быстрым монтажом и демонтажом.

Прошло много лет, и пневматическая шина навсегда вытеснила литую резиновую шину. Для дальнейшего усовершенствования шины использовали более дорогие и долговечные материалы. В шине появился корд – это прочный слой, который состоит из текстильных нитей. Также использовали быстросъемные конструкции, ведь это дало реальную возможность менять шины в течение нескольких минут.

Модернизация уже имевшейся модели пневматические шины получила повсеместное применение и привела к бурному всплеску инноваций в шинной промышленности. Толчок в развитии дала первая мировая война, который заключался в разработке шин для грузовиков и автобусов. Первым производителем стала Америка. Шины для грузовиков имели высокое давление, и были способны воспринимать большие нагрузки. Кроме того, они имели необходимые скоростные характеристики.

В 1925 году в мире было зафиксировано уже почти 4 миллиона автомобилей с пневматическими шинами. Исключениями были отдельные типы грузовиков. Начали появляться крупные компании по изготовлению шин. Некоторые из них успешно работают и на сегодняшний день. Например: «Данлоп» (Англия), «Пирелли» (Италия), «Мишлен» (Франция), «Гудьир», «Метцелер» (ФРГ), «Файрстоун» и «Гудрич» (США).

Наука и пневматические шины

Создание шин заканчивается к концу двадцатых годов прошлого века благодаря интуиции конструктора. Дело в том, что появилась необходимость научного подхода к усовершенствованию пневматических шин. В то время база химической технологии уже была хорошо освоена. Ее применяли для приготовления резиновых смесей шин.

Конструирование и испытания шин для автомобилей не сразу получили опыт. Проводились многочисленные научные исследования, и использовались на практике в деятельности многих компаний различных стран. Для разработки дальнейших эксплуатационных характеристик шин создавали особенные стенды для испытаний.

В тридцатые годы конструкторы видоизменяли форму и рисунок протектора и старались отразить важность роли шины в управляемости автомобиля.

Во времена второй мировой войны начали целостно использовать синтетический каучук. Это делалось для создания усовершенствованных шин в рецептурах резин.

Следующим этапом в развитии шинного производства можно считать применение корда из вискозы и нейлона. Так как шины с вискозой улучшили характеристики шин и сократили некоторую долю случаев выхода из строя шин. Шины с нейлоном были более прочными. Таким образом, разрывы каркаса некоторым образом свелись к нулю.

Компания «Мишлен» в середине двадцатого века предложила новую конструкцию шин. Изюминка в этой идее была заключена в жестком поясе, который состоял из слоев металлокорда. Нити корда были расположены не в диагональном виде, а в радиальном - от борта к борту. Далее эти шины называли радиальными и позволили автомобилю быть более проходимым транспортом. В то же время конструкторы работали над износоустойчивостью и сцепными свойствами шины.

В следующее десять лет было изменено отношение высоты шины к ширине профиля. Стремление к более низким профилям шин случилось благодаря повышению площади контакта с дорогой. Что способствовало повышению общего срока службы шины, а также улучшило устойчивость боков и сцепные свойства.

В семидесятые годы, по сравнению с пятидесятыми годами, пневматическая шина достигла определенного уровня усовершенствования. Были замечены следующие изменения: была увеличена безопасность, и снижен расход топлива. Кроме того, легковые автомобили перешли на использование радиальных шин.

Компания «Континенталь» в восьмидесятые годы предложила новое усовершенствование: конструкцию шины с особым креплением на Т-образном ободе колеса. Данное новшество обеспечило более безопасное движение на маленькой скорости, даже если будут спущены шины.
Одновременно с полетами в космос и исследованиями космоса началась новая эпоха в создании шин. Так как луноходы и лунороботы требовали производства новых видов шин, которым бы не было страшно ни жары, ни холода, ни даже вакуума, которые могли бы двигаться по любой поверхности.

Современный этап развития

В современное время действует тенденция к эксплуатации бескамерных радиальных шин низкого профиля. Эти шины предоставляют возможность использовать различные рабочие характеристики транспортного средства по степени грузоподъемности и объема и обеспечивать безопасность перевозок и эффективность работы транспортного средства.

Модернизация шин движется по всем направлениям и обосновывается широкой специализацией в соответствии с назначением. Долгое время уделялось большое внимание сцепным качествам, грузоподъемности и сопротивлению качения шин. Разработчики шинной промышленности трудятся над химическим составом, увеличением длительности срока службы шины и безопасности передвижения транспортных средств, рисунком протектора, упрощением производства и улучшением технико-экономических показателей шин.

1817 — немецкий барон Карл фон Дрейс изобрёл велосипед, сделанный полностью из дерева. Можно сказать, что на нём были установлены деревянные шины.

1844 — Чарльз Гудиер открыл процесс вулканизации резины, который изменил историю велосипедных шин. До открытия процесса вулканизации резина была нестабильной, поскольку не сохраняла свою форму: становилась слишком мягкой в жаркую погоду и хрупкой на холоде. Изобретение компании Goodyear превратило резину в мягкий материал, который идеально подходил для велосипедных шин. В течение нескольких лет велосипедные шины были сделаны из твердой резины. Хотя они были тяжелыми и не обеспечивали плавный ход, но они все же были крепче, чем предыдущие. Сегодня еще можно найти несколько типов шин из твердого каучука.

1845 — Инженер Роберт Томпсон из Англии получил патент на своё изобретение. Шина Томпсона состояла из камеры, которая изготавливалась из кусков парусины, пропитанных каучуком и самой покрышки из кожи, прикреплённой к ободу колеса заклёпками. Томпсон назвал это изобретение воздушным колесом. Гениальное изобретение Томпсона не имело коммерческого успеха и скоро было забыто.

1870 — В Англии, инженер по имени Джеймс Старлей выпускает велосипед , на котором использовал цельные литые резиновые шины, установленные на стальные диски.

1882 — Томас Б. Джеффри, производитель велосипедов и изобретатель, получил патент на улучшенную шину. Новшеством было то, что он по краям шины вплавлял в резину проволоку, которая жёстко фиксировала её на ободе колеса. До этого, велосипедные шины крепили к краю обода с помощью клея или заклёпок, что было небезопасно, потому что шины часто сходили с обода.

1887 — , шотландский ветеринар, разрабатывает первую в мире пневматическую шину, наполненную воздухом на трехколесный велосипед своего сына. Шина Dunlop, для которой он был выдан патент в 1888 году имеет кожаный шланг, выступающей в качестве внутренней трубки и внешней части шины с резиновым протектором. Его изобретение позволило комфортно ездить на велосипеде. Такие шины применялись вплоть до момента изобретения отдельной камеры.

1893 — Август Шредер и его сын Джордж Шредер изобретают улучшенную версию клапана для удержания и накачки воздуха в шины. Шредер клапаны все еще широко используется в производстве велосипедных шин.

1911 — Филипп Страус изобрел комбинацию, где, была резиновая трубка, заполненная воздухом внутри и резиновая шина с внешней стороны.

1933 — немецкий инженер и предприниматель, эмигрировавший в Америку Игнац Швин разработал расширенную шину, которая дала начало внедорожному использованию велосипеда.

1978 — Запуск в производство первых высококачественных складных шин Turbo.

Современные велосипедные шины используются с 1970-х годов, со многими доработками и усовершенствованиями, направленными на надёжность и для улучшения спортивных результатов. Современные шины разработаны с большим акцентом на аэродинамику, легкий вес с применением специальных материалов, которые обеспечивают эффективность и минимальное сопротивление при движении. С появлением современных технологий и автоматизированного проектирования велосипедная шина продолжает развиваться.

Также на эту тему читать:

Или взять, например период с 1951 по 1956 год, когда группа молодых велосипедистов, числом около 20-ти человек из Франции попробовали разработать велосипед удивительно похожий на современный горный. Он был оснащён большим количеством технических новинок…

Определить изобретателя и место изобретения практически невозможно, теория об этом строится на догадках и тех малых обрывках информации, которые дошли до наших дней. Примерно также, как нельзя определить когда и где люди научились использовать процесс горения…

1817 – немецкий барон Карл фон Дрейс изобрёл велосипед, сделанный полностью из дерева. Можно сказать, что на нём были установлены деревянные шины…

Имея мобильный телефон или любое средство выхода в интернет, можно посмотреть, где в вашем районе поблизости имеется свободный велосипед и сделать заявку на его использование перед выходом из дома. После этого заказчик получает пин код…

Скорость и маневренность, небольшие габариты и дешевизна велосипеда сыграли свою роль в выборе этого вида транспорта для оснащения полицейских патрулей. Велосипед имеет преимущества движения в пробках, лавируя между автомобилями, проезд по тротуарам…