Разработка эластомерных нанокомпозитов уплотнительного назначения для техники севера

эластомерных материалов с высокими эксплуатационными характеристиками является одной из важнейших задач, решение которой позволит в значительной степени повысить надежность машин и механизмов, эксплуатирующихся в Сибири и на Крайнем Севере.

Перспективным направлением разработки новых морозостойких эластомерных материалов является создание материалов на основе смесей полимеров. Смешение полимеров является одним из самых эффективных способов получения материалов с уникальным уровнем свойств, недостижимым при использовании одного полимера. Однако с термодинамической точки зрения эти смеси полимеров в большинстве случаев являются несовместимыми и представляют собой двухфазную полимерную смесь с переходным слоем. Известно, что материал на основе смесей несовместимых полимеров может иметь улучшенный комплекс свойств только в том случае, если на границе раздела фаз образуется развитый переходный слой, который наблюдается при условии близких значений поверхностных энергий. Однако найти пару каучука и полимера с близкими значениями весьма трудно: каучук всегда будет иметь большие значения этого параметра. В этом случае необходимо применение специальных структурно-активных добавок (компатибилизаторов), способствующих снижению межфазного натяжения между двумя полимерами, вследствие чего происходит повышение взаимодействия на границе раздела фаз [1-2].

Исследования по созданию материалов на основе смесей полимеров имеют большую практическую значимость. Так, при создании морозостойких резин уплотнительного назначения необходимо в одном материале совместить несовместимое: с одной стороны материал должен иметь высокую морозостойкость, с другой – высокие агрессиво- и износостойкость. Высокую агрессивостойкость (или химическую стойкость в рабочих средах) и высокую износостойкость придают каучукам полярные группировки в полимерной цепи, однако их присутствие существенно усиливает межмолекулярное взаимодействие, что снижает гибкость макромолекул и, соответственно, процессы стеклования происходят при повышенных температурах, т.е. ухудшается морозостойкость.

В представляемой работе в качестве эластомерной основы использовали резиновую смесь В-14 на основе бутадиен-нитрильного каучука. Бутадиен-нитрильный каучук это единственно выпускаемый каучук в промышленности России, обладающий достаточной морозостойкостью для изготовления РТИ, работоспособный в среде масел. В качестве полимерного модификатора резин использовали сверхвысокомолекулярный полиэтилен (СВМПЭ)

производства Томского нефтехимкобмината со средневязкостной молекулярной массой 3,9 млн. СВМПЭ со степенью кристалличности (50%) меньшей, чем у серийного ПЭНД (72%), т.е. с большей долей аморфной области, имеет более высокие прочностные, агрессивостой-кие, триботехнические и морозостойкие характеристики за счет более развитого межмолекулярного взаимодействия, связанного с увеличением длины макромолекул [2]. Эти свойства и являются основой для его использования в качестве модификатора каучуков с получением композиционных материалов.

В качестве структурно-активных наполнителей, вводимых в полимерную смесь для интенсификации взаимодействия системы «каучук-полимер» выбраны нанонаполнители (наноуглерод, шпинель магния и β-сиалон) и природный цеолит. Как отмечено пионером нанотехнологий М. Ратнером [4]: «Секрет возможностей цеолитов заключается в специальной нанопористой структуре и они представляют одно из первых масштабных, очень прибыльных применений нанотехнологий». Химический состав и свойства наполнителей приведены в таблице 1.

Таблица 1. Химический состав и свойства наполнителей

Для диспергирования и повышения адсорбционной способности природный цеолит подвергался предварительной механоактивации в течение 2 минут. Механоактивацию цеолита проводили в планетарной мельнице АГО-2 (частота вращения водила 630 об/мин, барабана 1290 об/мин), обеспечивающей очень высокий уровень энергетического воздействия на материал (до 40 g). Получение эластомерного нанокомпозита заключается в предварительном смешении термопластичного полимера с нанонаполнителем в количестве 2 мас.% с получением полимерного нанокомпозита и последующим введением данного композита в количестве 10 масс.% в эластомерную матрицу.

Комплекс исследований модифицированных резин включал исследования упругопрочностных свойств при растяжении по ГОСТ 270-75, стойкости к воздействию углеводородных сред по ГОСТ 9.030-74, износостойкости при абразивном истирании по ГОСТ 23509-79, морозостойкости при растяжении по ГОСТ 408-78. В табл. 2 представлены основные эксплуатационные характеристики модифицированных резин. Как видно, при модификации эластомерной матрицы на основе резины В-14 полимерным композитом как из чистого СВМПЭ, так и СВМПЭ с нанодобавками (нанокомпозиты) происходит увеличение значения условного напряжения при 100% удлинении при сохранении уровня прочности по сравнению с исходной резиной. Условное напряжение при 100% удлинении резин, модифицированных нанокомпозитами, увеличивается в 1,4-1,6 раза. Относительное удлинение при введении СВМПЭ в эластомерную матрицу снижается на 35%. Дополнительное введение структурно-активных добавок приводит к увеличению этого показателя на 10-40% в зависимости от вида добавок по сравнению с исходной резиной В-14 и на 40-70% по сравнению с резиной, содержащей чистый СВМПЭ.

Таблица 2. Основные эксплуатационные характеристики модифицированных резин

Примечание: F 100 , МПа - условное напряжение при 100% удлинении; f p , МПа -условная прочность; e p , % - относительное удлинение; Q, % - степень набухания в среде масла И-50А; ∆V, см³ – объемный износ; К м – коэффициент морозостойкости при минус 45ºС

Низкотемпературные исследования показали, что происходит увеличение коэффициента морозостойкости при растяжении км при температуре ^45°С по сравнению с исходной резиной. Так, км модифицированных резин увеличивается от 5% до 17% в зависимости от вида нанодобавок. Резина, модифицированная композицией СВМПЭ с наноуглеродом, имеет повышенные значение км по сравнению с другими нанокомпозитами. Модификация бутади-ен-нитрильной резины В-14 нанокомпозитом приводит к значительному улучшению масло-стойкости и износостойкости Введение наполнителей приводит к снижению степени набухания до 2,5 раза по сравнению с исходной резиной В-14 и до 1,4 раз по сравнению с резиной, содержащей чистый СВМПЭ в зависимости от вида нанодобавок. Объемный износ модифицированных резин снижается соответственно до 1,5 и 1,3 раза.

Выводы: исследования показали, что модификация промышленной резины марки В-14 нанокомпозитом, состоящим из сверхвысокомолекулярного полиэтилена и нанонаполнителей позволила получить эластомерные материалы уплотнительного назначения с улучшенным комплексом служебных характеристик (физико-механическими, морозо-, износо-и маслостойкими). Это можно объяснить улучшением взаимодействия на границе раздела фаз «каучук-СВМПЭ» в присутствии структурно-активных наполнителей. Уровень показателей позволяет рекомендовать разработанные резины в качестве материалов уплотнительного назначения, эксплуатирующихся в зонах с экстремально холодным климатом.

Работа выполнена при поддержке фонда РФФИ, грант №09-03-98504-р_восток_а.