Систематизация и морфологический анализ резиновых мембран

Важнейшей задачей резиновой промышленности является непрерывное повышение качества, надежности и долговечности изделий, в том числе резиновых мембран, которые нашли широкое применение в автомобильной, авиационной, станкостроительной, химической и других отраслях промышленности, а также в машиностроении. В большинстве случаев резиновые мембраны применяются в конструкциях, Для цитирования

позволяющих преобразовать изменение давления газа или жидкости в соответствующее изменение механического усилия (датчики и исполнительные механизмы регуляторов и др.), реже в качестве уплотнительных устройств. На практике существуют тысячи рецептур резиновых мембран, что связано с разнообразными условиями их эксплуатации и спектром требований, предъявляемых к ним.

This is an open access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution 4.0 International License

В современных условиях увеличение конкурентоспособности разработок во многом определяется фактором времени. Поэтому исследователям необходимо иметь четкую картину актуальных и перспективных направлений проведения поисковых работ, а также создания и применения резиновых мембран. Цель работы – систематизация и морфологический анализ резиновых мембран.

Первым этапом работы было проведение системно-функционального анализа резиновых мембран, предполагающего выявление функций, ради которых они создаются. Изучение основных опубликованных источников [1–3] позволило предложить обобщенную систематизацию резиновых мембран (рисунок 1).

По принципу действия резиновые мембраны подразделяются на мембраны прямого действия, предназначенные для преобразования изменения давления в перемещение, и мембраны обратного действия, предназначенные для преобразования перемещения в изменение давления (код А).

По назначению и условиям применения мембраны разделяют на силовые, компенсационные, насосные и демпферные (код Б).

По конструктивным признакам мембраны могут быть плоские, гофрированные, тарельчатые, конические, оболочковые, сферические (код В).

Рисунок 1. Основные принципы систематизации резиновых мембран

Figure 1. Basic principles of rubber membranes systematization

На основании проведенной систематизации и методов, применяемых при активизации инженерного творчества [4–9], составлена матрица показателей, которые характеризуют свойства резиновых мембран, определяющих основные функции, для выполнения которых они предназначены и которые обусловливают области их применения (таблица 1).

Возможные технические решения при проектировании и создании резиновых мембран могут быть обеспечены различными полимерными материалами, представленными в таблице 2 [9–13].

Этилен-пропилен-диеновый-каучук (СКЭПТ). Данный материал выдерживает температуру от -50 до 200 °С, может применяться для санитарных нужд. Главное его преимущество – долговечность. Мембраны из него выдерживают до 100 тыс. циклов динамического нагружения.

Резины на основе бутилкаучука (БК) обладают малой газо- и паропроницаемостью. Применимы для работы от -45 до 190 °С. Выдерживают до 60 тыс. циклов динамического нагружения.

Резины на основе натурального каучука (НК) применяются для изготовления мембран для санитарно-гигиенических целей. Диапазон рабочих температур – от -60 до 60 °С. Являются наиболее эластичными резинами, но обладают наименьшей стойкостью к диффузии воды и слабой динамической стойкостью. Выдерживает до 5 тыс. циклов реального рабочего нагружения. Для промышленных целей используются мембраны на основе его синтетического аналога – изопренового каучука (СКИ-3), т. к. при тех же характеристиках они имеют меньшую стоимость.

Таблица 1.

Матрица показателей, определяющих области применения мембран

The matrix of indicators defining membrane applications

Table 1.

Классификационный признак Classification sign	Код мембраны Membrane Code	Показатели Indicators
Назначение и условия применения An appointment and conditions of use	Б-1 B-1	Прочность, эластичность, большие обратимые деформации Strength, elasticity, large reversible strain
	Б-2 B-2	Прочность, эластичность, большие обратимые деформации, сопротивление раздиру, химическая инертность Strength, elasticity, large reversible strain, tear resistance, chemical inertness
	Б-3 B-3	Прочность, усталостная выносливость, химическая инертность, сопротивление раздиру Strength, fatigue endurance, chemical inertness, tear resistance
	Б-4 B-4	Прочность, усталостная выносливость, химическая инертность Strength, fatigue endurance, chemical inertness
Особенность конструкции Design feature	В-1 V-1	Прочность, эластичность, большие обратимые деформации Strength, elasticity, large reversible strain
	В-2 V-2
	В-3, V-3
	В-4, V-4	Прочность, эластичность, большие обратимые деформации, сопротивление раздиру, химическая инертность Strength, elasticity, large reversible strain, tear resistance, chemical inertness
	В-5, V-5	Прочность, эластичность, сопротивление раздиру, низкая газопроницаемость Strength, elasticity, tear resistance, low gas permeability
	В-6, V-6

Таблица 2. Морфологический анализ решений при проектировании резиновых мембран Table 2. Morphological analysis of solutions in the design of rubber membranes
Требуемые свойства | Required properties	Тип каучука | Type of rubber
	СКЭПТ EPDM	БК BR	СКИ-3 IR	НК NR	СКС/ СКМС SBR	БНКС NBR	ХБК CIIR
Прочность | Strength
Эластичность | Elasticity
Большие обратимые деформации | Large reversible strain
Сопротивление раздиру | Tear resistance
Усталостная выносливость | Fatigue endurance
Химическая инертность | Chemical inertness
Маслобензостойкость | Oil resistance
Газонепроницаемость | Low gas permeability
Долговечность | Durability
Низкая токсичность | Low toxicity
Низкая стоимость | Low cost
- материал обеспечивает требуемое свойство Резины на основе бутадиен-стирольного            Резины на основе бутадиен-нитрильного (СКС) / бутадиен-метилстирольного (СКМС)      каучука (БНКС) используются для изготовления каучука применяются для систем отопления.      мембран, работающих в химически агрессивных Один из самых дешевых материалов. Допустимый      средах (масло, топливо), температура эксплуа- диапазон эксплуатации от -50 до 50 °С. Менее      тации – от -40 до +140 °С. эластичен, чем перечисленные выше материалы.

Резины на основе хлорбутил каучука (ХБК) обладают достоинствами резин на основе БК. Отличаются высокой долговечностью, обладают сравнительно низкой токсичностью (но и одни из самых дорогих). Мембраны используются чаще всего в пищевой промышленности. Применимы для работы от -45 до 190 °С.

Конкретизация морфологического анализа возможных технических решений применительно к классификационным признакам показывает необходимость комбинации каучуков для получения резин с заданными техническими свойствами и стоимостными параметрами, а также возможность расширения спектра анализируемых каучуков для разработки перспективных технологических решений.

Заключение

Морфологический анализ совместно с другими методами реализации технических решений, используемых при создании резиновых мембран, позволяет решать следующие проблемы:

• •    разрабатывать перспективные технологические решения для улучшения характеристик изделия;

• •    проводить экспертизу новизны разрабатываемого изделия;

• •    проводить технико-экономическую экспертизу полезности разработок.