Использование модифицированного "неодимового" полибутадиена в рецептуре обкладки конвейерных лент

В связи с ужесточением требований к эксплуатационным характеристикам резинотехнических изделий, работающих в сложных условиях особую актуальность, приобретают исследования, направленные на совершенствование конструкции изделий, материалов и технологии их изготовления. К таким изделиям относится конвейерная лента, являющаяся гибким элементом транспортирующей установки, передающей тяговые усилия от приводного барабана и несущей транспортируемый груз [1]. Это основная часть ленточного конвейера, поскольку обычно стоимость конвейерной ленты и ее ремонта за полный срок эксплуатации конвейера в несколько раз выше стоимости механического оборудования и его монтажа: до 50 % капитальных и до 30 % эксплуатационных расходов при строительстве и обслуживании конвейерной установки приходится на стоимость и эксплуатацию конвейерной ленты [2]. Ленты используют для транспортировки руд черных и цветных металлов, крепких горных пород кусками, известняка и других абразивных материалов, поэтому они должны иметь высокую прочность при растяжении, обеспечивающую передачу тягового усилия с учетом коэффициента запаса прочности; низкое удлинение при рабочей нагрузке, что обеспечивает минимальный ход натяжных устройств конвейера и снижение числа перестыковок ленты в процессе эксплуатации. Кроме того, они должны иметь стойкость к ударным нагрузкам, износу обкладки, продольным порывам и порезам, расслоению, распространению разрушения после частичного повреждения, сохранение прочностных и эксплуатационных характеристик в процессе эксплуатации [3].

В рецептурах обкладки конвейерных лент, особенно эксплуатирующихся при пониженных температурах, для улучшения прочностных показателей, износостойкости и морозостойкости резин используют бутадиеновый каучук в дозировке до 50 масс. ч. [4]. В настоящее время проводятся работы по созданию новых марок бутадиеновых и бутадиен-стирольных каучуков, полученных с применением разветвляющих или функционализирующих агентов [5-7], которые характеризуются узким молекулярно-массовым распределением и обеспечивают улучшение эксплуатационных свойств резин на их основе. Как известно, улучшению упруго-прочностных свойств резин способствует снижение коэффициента полидисперсности каучука, увеличение стерео- регулярности его микроструктуры [8], при этом, как правило, повышаются износостойкость и долговечность резин [9]. Однако при переработке таких каучуков как правило, возникает ряд проблем, связанных с корректировкой рецептуры резиновых смесей и режимов их изготовления, что может привести к повышению энергозатрат на переработку, усложнению и удорожанию рецептуры резиновой смеси, что требует дополнительного обоснования целесообразности применения таких каучуков. В этой связи исследование возможности и целесообразности применения модифицированных бутадиеновых каучуков в рецептуре конвейерных лент является актуальной задачей.

Целью работы явилось исследование свойств резиновых смесей и резин, полученных по рецептуре износостойкой обкладки конвейерных лент на основе различных бутадиеновых каучуков.

Материалы и методы

Объектами исследования являлись резиновые смеси предназначенные для изготовления обкладки конвейерных лент, полученные на основе тройной комбинации каучуков: изопреновый, бутадиенстирольный, бутадиеновый в соотношении 33:34:33, соответственно. В работе использовали следующие бутадиеновые каучуки:

• •    СКД-Ti - синтезированный на титановой каталитической системе: содержание 1,4- цис -звеньев - 92,2 % масс.; вязкость по Муни (ML(1+4) 100°С) - 45,2 ед. , полидисперсность (Mw\Mn) - 2,6;

• •    СКД-НД - синтезированный на неодимовой каталитической системе: содержание 1,4- цис -звеньев - 96,5 % масс., вязкостью по Муни - 45,3 усл ед., полидиспесрность - 2,6;

• •    модифицированный «неодимовый» каучук шифра СКД-НД-M, при получении которого в качестве модификатора использовали поли-функциональное гетероциклическое соединение. Образец отличался повышенным содержанием 1,4- цис -звеньев - 98,4 % масс. и низкой полидисперсностью - 2,3. Вязкость по Муни модифицированного образца - 44,5 усл. ед., то есть близка к показателю каучуков СКД-НД и СКД-Ti.

Таким образом исследовали три типа образцов: серийный на основе СКД-Ti и два опытных на основе СКД-НД и СКД-НД-М.

Резиновые смеси получены в резиносме-сителе Intermix 1.5 по рецептуре, представленной в таблице 1 по двух-стадийному режиму смешения. На первой стадии температура загрузки ингредиентов составляла 65°С, температура выгрузки 155±5°С, на второй стадии начальная температура составляла 45°С, температура выгрузки 105±5°С. Резиновую смесь после первой стадии подвергали вылежке в течении 4 часов, после чего проводили вторую стадию смешения.

Для оценки технологических свойств резиновых смесей использовали ротационный вискозиметр Муни (ASTM D 1646) и анализатор перерабатываемости резин  RPA-2000

(ф. «Alpha Technologies») при 0,1 Гц и 100°С в диапазоне деформаций от 1 до 450 %. Оценку технологических свойств осуществляли по значению вязкости по Муни резиновой смеси после 1 и 2 стадии смешения.

Вулканизационные характеристики резиновых смесей определяли на приборе MDR 2000 в течение 30 мин при температуре Т=160°С, амплитуде колебаний 0,50°, частоте колебаний 1,7 Гц (ASTM D 5289).

Физико-механические испытания проведены на разрывной машине Zwick/Roell/Z005 согласно ASTM D 412-98.

Анализ упруго-гистерезисных свойств резин осуществляли с использованием прибора DMA 242 Е Artemis (ф. Netzsch) при частоте деформации 10 Гц; амплитуде динамической деформации 1%.

Таблица 1.

Рецептура износостойкой обкладки конвейерных лент

Table 1.

Recipe for wear-resistant lining of conveyor belts

Наименование ингредиента Ingredients	Мас.ч Phr
Каучук СКИ-3 | Rubber SKI-3	33,0
Каучук СКС-30АРКМ-15/ Rubber SKS-30 ARKM-15	33,0
Каучук СКД-Ti* или СКД-НД** или СКД-НД-M** | Rubber SKD-Ti* or SKD-ND** or SKD-M**	34,0
Сера | Sulfur	1,0
Оксид цинка | Zinc oxide	3,0
Кислота стеариновая | Stearic acid	1,0
Ускорители вулканизации Vulcanization accelerators	2,3
Техуглерод | Carbon black	60,0
Минеральные наполнители | Mineral fillers	10,0
Мягчители и пластификаторы Softeners and plasticizers	19,0
Противостарители | Antioxidants	1,9
Итого | Total	198,2

Обсуждение результатов

В ходе анализа пласто-эластических свойств исследуемых резиновых смесей установлено, что при замене СКД- Ti на СКД-НД наблюдается увеличение вязкости по Муни после 1 и 2 стадий на 12-15 %, а при использовании СКД-НД-М повышение вязкости по Муни незначительно (2-3 %) относительно образца СКД- Ti (рисунок 1, а), что свидетельствует о лучшей перерабатываемости резиновых смесей на основе СКД-НД-М по сравнению с СКД-НД.

Отмечено улучшение диспергирования наполнителей при использовании СКД-НД-М, что подтверждается более низким значением показателя эффекта Пейна ∆ G' 1-100%, кПа (рисунок 1, б), характеризующим взаимодействие каучука с наполнителем [10].

90 --------------------------- 1

СКД-Ti             скд-нд            скд-нд-м

а)

скд-n            скд-нд          скд-нд-м

б)

Рисунок 1. Вязкость по Муни резиновых смесей на основе разных марок бутадиеновых каучуков: 1 -после первой стадии смешения; 2 - после второй стадии смешения.

Figure 1. Mooney viscosity of rubber compounds based on different brands of butadiene rubber: 1 - after the first stage of mixing; 2- after the second stage of mixing.

В таблице 2 приведены результаты исследования вулканизационных характеристик исследуемых резиновых смесей. Установлено, что применение в рецептуре СКД-НД-М обуславливает увеличение продолжительности индукционного периода ( τ s ) и сокращение времени достижения оптимума вулканизации ( τ 90 ) по сравнению с образцами на основе СКД- Ti и СКД- НД, что приводит к повышению общей скорости вулканизации ( v ).

Сопротивление раздиру резин обкладки конвейерных лент является важным показателем, характеризующим его эксплуатационные свойства, так как в процессе эксплуатации лент часто происходят порезы и разрывы острыми кромками транспортируемого материала. Установлено, что введение в рецептуру износостойкой обкладки конвейерной ленты каучука СКД-НД-М позволило повысить сопротивление раздиру резин ~ на 8% по сравнению с серийной резиной на основе СКД-Ti (рисунок 2, а).

При анализе износостойкости обкладки конвейерной ленты установлено, что применение в рецептуре СКД-НД и СКД-НД-М обуславливает значительное снижение показателя истирания, что вероятно связано с особенностями структуры, а именно снижением полидисперсности и проявлением эффекта гелеобразования в процессе получения каучука [11].

Анализ физико-механических свойств резин на основе исследуемых каучуков показал, что условная прочность при растяжении образцов на основе CКД-НД-М выше по сравнению с резиной, содержащей каучук СКД-НД (~ на 7%). По условной прочности при растяжении резин на основе СКД-НД-М и СКД-Ti получены близкие значения (таблица 3).

Таблица 2.

Вулканизационные характеристики резиновых смесей на основе бутадиеновых каучуков

Vulcanization characteristics of rubber compounds based on butadiene rubbers

Table 2.

Наименование показателей* |Properties	СКД-Ti | SKD-Ti	СКД-НД | SKD-ND	CКД-НД- М | SKD-M
Ml, дН·м / Ml, dN m	2,8	3,0	2,8
Mh, дН·м / Mh, dN m	15,0	15,8	14,6
t s1 , мин / t s1, min	4,2	4,5	5,2
t 25 , мин / t 25 , min	5,4	5,6	6,3
t 50 , мин / t 50 , min	6,8	6,9	7,6
t 90 , мин / t 90 , min	13,2	12,5	12,9
v, мин-¹ / v, min-¹	11,1	12,5	13,0

• *Ml и Mh – минимальный и максимальные крутящие моменты, соответственно; t s1 – время начала вулканизации; t 25 , t 50 , t 90 , - время достижения заданной степени вулканизации (25 50 ,90 %), v – скорость вулканизации, мин-¹

• *Ml и Mh – the minimum and maximum torques, respectively; t s1 – is the start time of vulcanization; t 25 , t 50 , t 90 , - time to reach the desired degree of vulcanization (25 50 ,90 %), v – curing speed, min-¹

Таблица 3.

Физико-механические характеристики вулканизатов на основе бутадиеновых каучуков

Table 3.

Physical and mechanical characteristics and elastic-hysteresis properties of vulcanizates based on butadiene rubbers

Наименование показателей* | Properties*	СКД-Ti | SKD-Ti	СКД-НД | SKD-ND	CКД-НД- М | SKD-M
ƒ 100 , МПа / ƒ 100 , МPа	1,9	2,0	1,8
ƒ 300 , МПа / ƒ 300 , МPа	6,6	7,0	5,9
ƒ p , МПа / ƒ p , МPа	20,7	19,8	21,1
ε p , %	682	634	715
Н А , усл.ед. / Н А , units	71	71	69
E, %	37	39	40
ОДС, 25 %, 72 ч 100 оС / Residual deformation in static compression, 25 %, 72 ч 100 оС	86	83	88
ОДС, 25 %, 72 ч 125 оС / Residual deformation in static compression, 25 %, 72 ч 100 оС	93	91	101

* ƒ 100 , ƒ 300 – условное напряжение при заданном удлинении (100, 300 %); ƒ p - условная прочность при растяжении; ε p - относительное удлинение при разрыве; Н А – твёрдость по Шору А; E – эластичность по отскоку

* ƒ 100 , ƒ 300 – nominal stress at a given elongation (100, 300 %); ƒ p - tensile strength; ε p - elongation at break; Н А – Shore A hardness; E - elasticity

• а)                                                             б)

Рисунок 3. Эксплуатационные характеристики резин на основе разных марок бутадиеновых каучуков: а – потеря объема при истирании; б – сопротивление раздиру.

Figure 3. Performance characteristics of rubbers based on different brands of butadiene rubbers: a – loss of volume during abrasion; b – tear resistance.

Таким образом, в результате проведенных сравнительных исследований свойств резиновых смесей и резин, полученных по рецептуре обкладки конвейерных лент при использовании различных бутадиеновых каучуков, выявлено, что использование модифицированного полибутадиена приводит к улучшению технологических свойств резиновой смеси по сравнению с СКД-НД, улучшению физико-механических показателей его вулканизатов относительно СКД-Тi и СКД-НД, а также значительному повышению показателей сопротивления раздиру и стойкости к стиранию по сравнению с серийной резиной.

Улучшение технологических свойств резиновых смесей при сохранении высокого уровня показателей вулканизатов может быть обусловлено улучшением взаимодействия между наполнителем и полимером, а также за счет образования микрогеля, способного выступать в роли структурного пластификатора.