Разработка и исследование полимерной нанокомпозиции для машин агропромышленного комплекса

Безотказность машинно-тракторных агрегатов играет решающую роль в обеспечении их высокой производительности, особенно в условиях Западной Сибири [1]. Эксплуатация сельскохозяйственной техники зачастую осуществляется в напряженных режимах (высокотемпературные колебания, значительные динамические нагрузки, контактирование с агрессивными средами), что оказывает существенное влияние на быстрый износ деталей, перегрев агрегатов, окисление смазочного материала с последующей его деструкцией, увеличение скорости коррозионных процессов и др. [2–4].

Темпы развития химической промышленности в России способствуют созданию и внедрению в производство прогрессивных материалов на полимерной основе с уникальными физико-химическими свойствами, что обусловливает их широкое применение в машиностроении и различных отраслях агропромышленного комплекса [5;6].

Таким образом, актуальным направлением является разработка новых полимерных композиций, позволяющих устранить незначительную выносливость, низкие физикомеханические показатели эксплуатирующихся изделий, а также улучшить экологическую обстановку при их использовании [7–9].

Цель работы – разработка и исследование полимерного нанокомпозиционного материала на основе эластомеров специального назначения для изготовления герметизирующих уплотнительных элементов и изделий техники агропромышленного комплекса.

Задача предлагаемой разработки – устранение недостатков, присущих известным резиновым смесям, применяемым при производстве резинотехнических изделий (РТИ): низкая динамическая выносливость изделий при их эксплуатации, сложная технология их синтеза [10] , невысокая стабильность в условиях существенного перепада температур и широкого диапазона изменения давления [11] .

Материалы и методы

Исследования велись на базе научно-исследовательской лаборатории Сибирского казачьего института технологий и управления в 2023–2024 гг.

Технический результат разработки направлен на повышение значений физикомеханических показателей (твердость, прочность, сопротивление раздиру и др.) для деталей механизмов, обеспечивающих герметизацию пневматических систем сельхозмашин и автобронетехники, а также увеличение срока службы резинотехнических изделий, эксплуатирующихся при высоком давлении (в пределах от 5 до 12 кг/см2) и многократных неравномерных циклических нагружениях.

При разработке резиновой смеси в качестве основы был выбран бутилкаучук.

Известно, что из-за малой гибкости молекулярных цепей бутилкаучука и высокой плотности их упаковки введение компонентов различной химической природы, направленных на увеличение прочности полимерной композиции у герметизирующих изделий, не вызывает значительного повышения физико-механических показателей,

Vestnik of Omsk SAU, 2024, no. 3 (55)

AGROENGINEERING

особенно модуля упругости (условного напряжения при заданном удлинении) [12]. В связи с этим для обеспечения стойкости к высокому давлению и к многократным неравномерным циклическим нагружениям полимерной композиции при вулканизации бутилкаучука в вулканизующую систему предложили включить следующие вулканизующие компоненты: незначительное количество серы молотой (2,0–3,0 мас.ч. на 100 мас.ч. каучука) для образования в процессе вулканизации малосульфидной пространственной сетки полимера, октил-фенол резольную смолу марки SP1056, модифицированную бромом (10–14 мас.ч.). Эти вещества в процессе вулканизации создают прочную монолитную пространственную сетчатую структуру взаимосвязанных молекул серы и смолы с молекулами матрицы бутилкаучука. Следует отметить, что октил-фенол резольная смола обеспечивает экстремально высокую скорость вулканизации, поэтому идеально подходит для деталей с короткими циклами вулканизации.

Технические характеристики компонентов предлагаемой полимерной композиции представлены в табл. 1.

Таблица 1 Состав полимерного нанокомпозитного материала

Компонент	Показатель
Бутилкаучук марки БК-1675, ТУ 2294-48158319-2001	Вязкость по Муни, усл.ед.	46-56
	Условное напряжение при 300% удлинения, мпа	не менее – 6,0
	Условная прочность при растяжении, мпа	13,0
	Относительное удлинение при разрыве, %	450
Технический углерод марки N330 по ASTM	Размер частиц, м	28·10-9-36·10-9
	Йодное число, г/кг	82 ± 5
	Абсорбция ДФБ, см3/ 100 г	102
	Насыпная плотность, кг/м3	380
Технический углерод марки N550 по ASTM	Размер частиц, м	39·10-9-55·10-9
	Йодное число, г/кг	43 ± 5
	Абсорбция ДФБ, см3/ 100 г	121
	Насыпная плотность, кг/м3	360
Стеариновая кислота, ГОСТ 6484–96	Йодное число, гj 2 /100 г	10,0
	Кислотное число, мг КОН/г	194-210
	Температура застывания, °С	59,0
Гексол ХПК, ТУ 6-01-5-81-97	Массовая доля хлора гидролизуемого, %	53-62
	Температура каплепадения, °С	не менее 92
	Слеживаемость, Н/см2	не более 16,0
Белила цинковые, ГОСТ 202-84	Массовая доля соединений Zn в пересчете на zno, %	не менее 99,7
	Насыпная плотность, г/м3	не более 140
Сера молотая, ГОСТ 127.4-93	Массовая доля серы, %	99,95
Октил-фенол резольная смола марки SP1056, модифицированная бромом	Температура плавления, °С	80-90
	Содержание метилольных групп, %	9-11

Разработка рецептуры резиновой смеси проводилась в соответствии с ГОСТ ISO 2302–2013 с учетом известного прототипа [13]. В качестве основы выбран бутилкаучук (табл. 2).

Vestnik of Omsk SAU, 2024, no. 3 (55)

AGROENGINEERING

Таблица 2

Состав ингредиентов резиновых смесей

Компонент	Содержание компонентов, мас.ч.
	Прототип	Полимерная композиция
Бутилкаучук марки БК-1675	70,0 – 95,0	100,0
Этилен-пропиленовый каучук	5,0 – 30,0	–
Стеариновая кислота	1,0 – 2,0	1,5 – 2,5
Гексол ХПК	0,5 – 0,6	0,4 – 0,5
Белила цинковые	5,0 – 7,0	6,0 – 8,0
Сера молотая	–	2,0 – 3,0
Смола «Рибетак»	8,0-12,0	–
Октил-фенол резольная смола, SP1056	–	10,0 – 14,0
Аэросил А300	0,5 – 1,0	–
Технический углерод N330	45,0 – 50,0	40,0 – 45,0
Технический углерод N550	–	20,0 – 30,0

Изготовление разработанной резиновой смеси проводили в две стадии в закрытом стандартном резиносмесителе периодического действия марки РС-250-40. На первой стадии смешения компоненты для маточной смеси перемешивали при температуре роторов и смесительной камеры 160-180%, числе оборотов взаимозащемляющих роторов 40 об/мин в течение 3,0 мин: изначально вводили бутилкаучук – 100 мас.ч., а затем технический углерод марки N330 в количестве 40 мас.ч. Операцию проводили совместно с техническим углеродом марки N 550 – 20,0 мас.ч. в присутствии стеариновой кислоты – 1,5 мас.ч.

На второй стадии смешения компонентов для маточной смеси при температуре от 80 до 90% и числе оборотов вращения ротора не более 30 об/мин с продолжительностью 4 мин. вводили вулканизирующую сгруппированную систему, состоящую из серы молотой – 2,0 мас.ч., октил-фенол резольной смолы марки SP1056 – 10,0 мас.ч., гексола ХПК – 0,4 мас.ч., цинковых белил – 6,0 мас.ч.

После процесса смешения из готовой пластичной полимерной композиции были выпущены заготовки необходимой формы и размера для дальнейшей вулканизации и физико-механических испытаний.

Процесс вулканизации проводили в вулканизационном гидравлическом прессе с электрообогревом в пресс-форме при давлении 4,5 МПа и температуре 155% в течение 45 мин., а затем повышали температуру до 195% и вулканизовали 15 мин.

Результаты исследования

Для проверки возможности применения в сельскохозяйственной промышленности изготовленной полимерной композиции были проведены сравнительные испытания. Определение показателей физико-механических характеристик образцов вулканизатов, изготовленных на основе бутилкаучука по стандартной (прототип) и разработанной рецептуре, исследовалось на разрывной машине «Zwik Roill». Согласно ГОСТ 270-75 за результат испытания принимали средние арифметические показатели всех испытуемых образцов одного испытания (не менее 5 шт.) из одной закладки резиновой смеси (одной пластины). Повторность опыта – трехкратная (табл. 3).

Vestnik of Omsk SAU, 2024, no. 3 (55)

AGROENGINEERING

Физико-механические характеристики вулканизатов

Таблица 3

Наименование показателей	Числовые значения показателей
	по прототипу	по предлагаемой полимерной композиции
Модуль упругости при 300% удлинения, МПа	7,69	9,23
Вязкость по Муни при 100°С, усл.ед.	40	56
Условная прочность при растяжении, МПа	14,0	17,9
Относительное удлинение при разрыве, %	290	600
Сопротивление раздиру, кН/м	92	98
Твердость по Шору, усл.ед.	86	92

Результаты, полученные в ходе испытаний готовых композитов, доказывают, что полимерная композитная смесь, разработанная на основе бутилкаучука, по сравнению с аналогичным прототипом, имеет наиболее высокие значения физико-механических показателей: модуль упругости при 300% удлинения выше на 16,7%; условная прочность при растяжении (разрыве) – на 21,8%; удлинение при разрыве относительно рабочей зоны больше в 2,1 раза. Также отмечается незначительное повышение сопротивления раздиру и твердости по Шору.

Таким образом, предлагаемая полимерная композиция позволяет сократить время вулканизации, проводя ее в две стадии. При этом на первой стадии молекулы серы молотой полностью, без остатка свободной серы, за счет межмолекулярного взаимодействия с молекулами матрицы бутилкаучука образуют малосульфидную пространственную сетку полимера. На второй стадии при повышении температуры до 195 С и вулканизации в течение 15 мин вулканизующий агент – октил-фенол резольная смола марки SP1056, смешиваясь своими молекулами с молекулами матрицы бутилкаучука, создает более плотную монолитную пространственную сетчатую структуру по сравнению с упомянутым прототипом.

Заключение

Результаты экспериментальных испытаний свидетельствуют о том, что разработанная полимерная нанокомпозиционная смесь на основе бутилкаучука обладает повышенными значениями физико-механических свойств, по сравнению со стандартными резиновыми смесями, и может быть рекомендована для изготовления герметизирующих элементов и изделий для сельскохозяйственной техники и оборудования, эксплуатирующихся в условиях широкого диапазона изменения давления и многократных неравномерных циклических нагружений.