Воздушные шары: рождение и старение

Коллеги, мы в своей работе используем шары, изготовленные из латекса. Для профессионального использования нужно иметь представление о том: как и из чего изготовляются шары, а так же необходимо быть осведомленными о процессах, происходящих в шарах.

Итак, приступим!

Латекс

Общеизвестно, что латекс (от лат. latex - сок) есть млечный сок растений, называемых каучуконосами, т.е. растения, дающие каучук (от инд. «каучу» – слезы млечного дерева). Натуральный латекс, т.е. эти самые "слезы" представляет собой водную эмульсию каучука, содержит 34 ... 37% натурального каучука, 52 ... 60% воды, а также белки, смолы углеводы и минеральные вещества.

Натуральный латекс - воняющая жидкость беловатого цвета, которая быстро начинает гнить. Латекс используется для получения натурального каучука.

Каучуконосы

Родиной каучуконосов является экваториальная тропическая область, проходящая через Южную Америку, Африку и Аз
ию. В настоящее время каучуконосы выращивают на специально выращиваемых плантациях. Крупнейшие в мире плантации каучуконосов находятся в странах Юго-Восточной Азии (Малайзия, Индонезия, Таиланд, Шри-Ланка - в тропической части) и в Бразилии.

Важнейшим родом каучуконосов является род гевеи. Этот род подразделяется на несколько ботанических видов, но каучук высшего качества получается только из одного вида - гевеи бразильской. Подробнее о гевеи бразильской.

На коре гевеи делаются надрезы, через которые латекс и вытекает.

Количество латекса, получаемого с каждого дерева зависит от возраста гевеи, а так же от времени года. Латекс собирают с каждого дерева и направляют на переработку.

Каучук

Из собранного латекса удаляют воду - выпариванием или на центрифугах и кислотами коагулируют каучуковый концентрат, содержащий более 60% каучука. Для сохранности во время транспортировки, в каучуковый концентрат добавляют различные химические соединения.

В натуральном каучуке содержится 91 ... 96% углеводорода полиизопрена, а также белки и аминокислоты, жирные кислоты, каротин, небольшие количества солей меди, марганца, железа и др. примеси. Поэтому натуральный каучук называют изопреновым. Кстати, промышленность производит синтетический изопреновый каучук, но полного достижения свойств натурального он не имеет. Да и стоит дороже.

Молекула натурального каучука:

может содержать 20–40 тыс. элементарных звеньев:

В не растянутом состоянии молекулы каучука свернуты в клубки, а при растяжении - клубки разматываются в нити и каучук растягивается. Если перестать растягивать каучук, то молекула опять свернеться в клубки, (т.к. это для них является более энергетически выгодным состоянием) и каучук вернется к первоначальному размеру. Это свойство называется эластичностью каучука.

У натурального каучука эластичность очень высока и проявляется в большом интервале температур. Это является одной из причин использования натурального каучука при производстве шаров.

Производство шаров

Концентрат каучука не портится при перевозке, поэтому шары можно производить в любой стране, а не только в близости от плантаций гевеи.

Производители шаров окутывают технологию их изготовления завесой коммерческой тайны. Но общие вещи есть в любой технологии.

В раствор каучука погружают формы, обработанные загустителем каучука (коагулянтом). Каучук осаждается на форме - твердеет и форму вынимают из раствора.

Для приготовления каучукового раствора используют очищенный натуральный каучук, воду, красители (пигменты), антиоксиданты и прочие вещества, составляющие коммерческую тайну. Коагулянты приготовляют из нитратов, солей и связующего вещества (типа мыла). Составы коагулянтов опять таки засекречены.

Жидкий раствор каучука довольно быстро оседает на форме. После чего на шейке шарика формируют колечко, а сами шары снимают с формы и тщательно моют, чтобы смыть остатки нитратов и прочие остатки. Далее шары сушат в печи, обсыпают тальком и фасуют по пачкам.

Во время коагуляции и сушки между молекулами латекса возникают поперечные связи, иными словами, молекулы каучука сшиваются между собой в большую трехмерную сетку. Качество этой сетки (форма шара, толщина стенок, равномерность свойств, цвет, прочность к старению и пр.) обеспечивается технологией производства. Поэтому мы можем легко отличить шары, например, мексиканского производства, от шаров американского производства.

Производство шаров в Америке:

Производство шаров в Мексике:

Производство шаров в Португалии:

Производство шаров в Китае:

Сдувание шаров

Если шар надуть воздухом (или гелием) и завязать, то он какое-то время будет держать приданную ему форму, а затем начнет уменьшаться в размерах (сдуваться). И чем меньше он будет становиться, тем медленнее он будет сдуваться.

Материал шара состоит из молекул каучука, сшитых между собой. В надутом положении шара, все молекулы вытянуты и между ними имеются пустоты, называемые порами. В шарах, изготовленных из латекса, все эти поры открыты.

Газ, находящийся внутри шара, имеет давление большее, чем газ, находящийся вокруг шара (иначе бы шар и не раздулся). Избыточное давление выталкивает молекулы газа из шара наружу, через стенки шара (диффузия газа). И молекулы газа проходят сквозь стенки шара как раз через эти поры.

Воздух состоит из смеси различных газов, состоящих из молекул большого размера, а газ гелий состоит только из атомов гелия, очень маленьких. Поэтому гелий гораздо быстрее покидает шар - воздушные шары держаться много дольше, чем гелиевые.

Размер пор в латексе превышает размер атомов гелия в тысячи раз. Вообще удивительно, как в шаре гелий вообще может удерживаться, да еще так долго! :-)

При повышении температуры, молекулы каучука из-за тепловых колебаний "раздвигаются" и размеры пор увеличиваются. Молекулы газа, находящегося внутри шара, при повышении температуры, так же становятся более активными. Поэтому на жаре диффузия газа сквозь стенки шара возрастает в несколько раз и шары "вянут" за несколько часов. Причем быстрей всего "умирают" шары темного цвета, т.к. они больше нагреваются, чем шары светлых цветов.

А на холоде диффузия сильно замедляется, так что зимой на улице шары ведут себя просто замечательно.

Скорость сдувания шаров

На скорость диффузии влияет толщина стенок шара. Чем толще стенки, тем длиннее и запутаннее "дорога" у атомов гелия, пробирающихся наружу. Поэтому колумбийские шары дольше "держат" газ по сравнению с итальянскими - разная толщина стенок.

Так же можно использоваться шары большого размера, а надувать их на малый размер: например, шары 12" надувать до диаметра в 21 см. Это приводит у утолщению стенок надутого шара и замедлению диффузии газа.

Еще одним способом замедления диффузии является калибровка шаров. Шар раздувается на больший размер и, проходя через калибр, сдувается до нужного размера. В момент передувания шара, молекулы каучука распределяются в плоскости, касательной к поверхности шара и количество пор сокращается. А в шаре, который сразу был раздут до нужного размера молекулы расположены хаотично и количество пор между ними больше, чем у калиброванного шара. Аналогичным образом сокращение пор происходит у шаров, предварительно растянутых воздухом.

На рынке имеется предложение вещества Hi-Float, которое будучи введенным во внутрь шара, образует пленочный слой, препятствующий диффузии. Несомненно, что это является радикальным решением замедления диффузии. Но при неправильном применении Hi-Float может не дать требуемого эффекта. Например, очень важным моментом, является тщательное разминание шара, обработанного Hi-Float, а многие этим пренебрегают. Hi-Float должен быть основательно втерт в каучук чтобы сцепиться с ним. Иначе в пленке, которая потом образуется внутри шара, будут дыры, сквозь которые диффузия будет идти полным ходом. Подробнее о применении Hi-Float можно прочитать на сайте изготовителя (даже на русском).

Окисление шаров

Основным фактором, разрушающий воздушные шары является кислород, содержащийся в атмосфере. Молекула каучука, в ступившая в химическую реакцию с кислородом распадается на две короткие части - явление деструкции. У окисленного каучука снижается эластичность и увеличивается липкость, а так же возрастает количество пор. Окисление каучука происходит во внешнем слое надутого шара и продвигается во внутрь. Последствия окисление каучука называются старением каучука.

Визуально окисление каучука проявляется в потере блеска (отражающей способности) и появлению белого налета на поверхности шара. Чем белее выглядит шар, тем быстрее он сдувается.

Поскольку деструкцию каучука вызвана кислородом, то все факторы, повышающие активность кислорода, увеличивают скорость окисления шаров. Это температура, ветер, солнечный свет и озон.

При повышении температуры процесс окисления ускоряется, а при понижении - замедляется. Поэтому на холоде шары дольше сохраняют свой внешний вид. Комнатной температуры уже достаточно чтобы начался процесс старения.

При обдуве шара воздухом увеличивается приток кислорода. Поэтому ветры и сквозняки нежелательны для шаров. Даже работа вентилятора или кондиционера увеличивает процесс старения.

Солнечный свет в фиолетовой и ультрафиолетовой части спектра сильно увеличивает активность кислорода. При прямом действии летнего солнца шары старятся за несколько часов. Зимнее солнце поднимается невысоко над горизонтом, его лучи проходя через толщу атмосферы и интенсивность УФ излучения в них невелика. Мощным источником ультрафиолета является подсветка в ночных клубах - она вполне может быстро состарить шары.

Перед грозой или вблизи линий электропередач в атмосфере образуется много трех атомарного кислорода - озона. Ели воздух богат озоном, то старение каучука сильно ускоряется.

Выводы

Оптимальными условиями длительной жизни надутых воздушных шаров является: холодная зимняя ночь и полное безветрие, качественные шары; надутые воздухом. Наиболее не подходящими условиями являются: летний жаркий полдень и сильный ветер, перед приближающейся грозой; китайские шары, надутые гелием.

Коллеги, кто предупрежден, у того четыре руки. Удачи вам!