CC BY
26
УДК 678.01:678.074
ИССЛЕДОВАНИЕ АДГЕЗИИ ЭЛАСТОМЕРНЫХ КОМПОЗИЦИЙ
К АРАМИДНЫМ ВОЛОКНАМ
*
В. Р. Пен, С. И. Левченко , К. А. Коляда
Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газеты «Красноярский рабочий», 31
E-mail: levchenko167@inbox.ru
Исследована адгезия резины к арамидным волокнам, используемым в качестве конструкционных материалов для усиления боковин авиационных и других типов шин. Проведена оптимизация составов резиновых смесей и пропиточных составов.
Ключевые слова: арамидные волокна, эластомерные композиции, адгезионные системы.
RESEARCH OF ADHESION OF ELASTOMERIC COMPOSITIONS
TO ARAMID FIBERS
V. R. Pen, S. I. Levchenko*, K. A. Kolyada
Reshetnev Siberian State University of Science and Technology 31, Krasnoyarskii rabochii prospekt, Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation E-mail: levchenko167@inbox.ru
The adhesion of rubber to aramid fibers used as structural materials for reinforcing the sidewalls of aircraft and other types of tires. The optimization of the compositions of rubber compounds and impregnating compounds.
Key words: aramid fibers, elastomeric compositions, adhesive systems.
В последнее время в качестве конструкционного материала в производстве резино-техничееких изделий, в частности для усиления конструкции боковин авиационных и других типов шин с целью снижения риска проколов и других повреждений, успешно применяются арамидные волокна. Разработан большой ассортимент сверх высокомодульных волокон (СВМ) из ароматических полиамидов различного строения. Такие волокна с вытянутыми полимерными цепями из жесткоцепных макромолекул все чаще рассматриваются как носители особых физико-механических свойств, делающих пригодными их для эксплуатации в экстремальных условиях [1; 2].
Арамидные волокна обладают уникальным комплексом, свойств: очень высокой прочностью и модулем упругости, высокой термостойкостью, термостабильностью, позволяющей эксплуатировать их в широком температурном интервале, значительной стабильностью размеров, хорошей защитной стойкостью при ударе, отличаются высокими демпфирующими свойствами и стойкостью к циклическим нагрузкам, негорючестью, повышенными усталостными и диэлектрическими свойствами, благоприятным соотношением прочности и массы. Эти факторы обуславливают основное применение пара-арамидов в качестве корда для шин, а также для изготовления облегченных баллистических материалов [3-5]. Существуют серии первого, второго и третьего поколения пара-арамидов, широко используемые в аэрокосмической отрасли и производстве специальных композитных материалов.
Секция «Перспективные материалы и технологии»
Вследствие низкой плотности арамидные волокна превосходят по удельной прочности наиболее известные в настоящее время армирующие волокна и металлические сплавы [6; 7]. Однако прочность резино-кордной системы и ее стабильность не могут быть реализованы в полной мере из-за разности в значениях модуля резиновой смеси и арамидного волокна, а также недостаточного адгезионного взаимодействия на границе раздела фаз.
Поэтому целью данной работы было исследование зависимости прочностных характеристик изучаемых композиционных материалов от состава резиновой смеси на основе натурального каучука, от свойств компонентов адгезионных систем (пропиточных составов), и от процессов, проходящих на межфазной границе арамид - резина, определяющих прочность связи между компонентами системы. Для испытания прочности связи корда с резиной применялись следующие метод выдергивания нити корда из блока резины (Н-метод) по ГОСТ 14863-69.
В результате проведенной работы установлено, что заметное улучшение свойств резиновых смесей и резин в композиционных материалах наблюдаемся при введении в рецептуру стандартных резиновых смесей модифицирующих композиций, в состав которых входили специальные ингрединеты: диоксид кремния, бис-
З(этоксисилилпропилтетрасульфид) и хиноловый эфир - о,о-бис(1,3,5-три-трет. бутил-циклогексадиен-2,5-он-4-ил)-и-бензохинондиоксим. Проведена работа по оптимизации рецептур резиновых смесей, регламентированы способы их изготовления.
В таблице представлены составы вводимых модифицирующих композиций и результаты испытаний резиновых смесей и резин. Установлено, что улучшение адгезионных характеристик наблюдается при введении в состав стандартной резиновой смеси на основе натурального каучука 10,0 мае. ч. диоксида кремния, 0,8 мае. ч. бис-3 (этоксисилилпропилтетрасульфида) и 1,0 мае. ч. хинолового эфира. В то же время применения модифицирующей системы в таком соотношении не приводит к ухудшению вязко-упругих свойств композитов.
Таким образом, незначительные изменения состава стандартных резиновых смесей путем введения специальных ингредиентов в предлагаемых количествах способствует улучшению их адгезионных характеристик.
Состав модифицирующих систем и результаты испытаний
Состав модифицирующей композиции резиновой смеси, мае. ч.
Двуокись кремния - - 10 15
Наполнитель N 770 50
Наполнитель N 330 - 50 45 40
бис-З(этоксисилилпропилтетрасульфид) - - - 0,8
хиноловый эфир - - - 1,0
Свойства резиновых смесей, резин, адгезионных соединений
1;90 , мин 12,0 13,4 15,3 15,0
Напряжение при 300 % удлинении, МПа 6,5 12,4 10,0 12,2
Условная прочность при разрыве, МПа 19.0 23.0 21,2 22,8
Твердость, усл. единицы 57 67 66 66
Прочность связи резина-корд, Н метод 120 160 160 180
С целью повышения адгезионного взаимодействия в исследуемой системе проводилась модификация поверхности арамидных волокон, в результате которой появились бы границы, способные более легко взаимодействовать с функциональными группами резиновой смеси. Для этих целей были использованы пропиточные составы. Известно, что количество проникающего внутрь СВМ волокна связующего определяется его природой и соотношением скорости диффузии компонентов связующего и скорости процесса
отверждения [8-10]. Учитывалось, что чем ниже вязкость связующего или выше температура пропитки, тем выше скорость диффузии компонентов связующего внутрь волокна. В свою очередь проникающая способность связующего в волокно повышает прочность композиционного соединения.
Пропитку арамидных волокон проводили в две стадии. В качестве поверхностно-активных веществ чаще всего используются бифункциональные соединения. Поэтому были выбраны: диэпоксиды - эпоксидно-диановая смола ЭДТ-10; резорцин-формальдегидная смола. Проведено исследование по определению влияния молекулярной массы применяемых смол на прочностные характеристики получаемых адгезионных соединений. Оптимизированы количественные соотношения смол и других компонентов в пропиточных составах. Концентрация первой пропитки - 12 %. Результаты определения прочности связи изучаемых резин с арамидными волокнами, пропитанными составом на основе ЭДТ-10, представлены в таблице.
Установлено, что присутствие в пропитке смол, имеющих более высокую молекулярную массу, приводит к уменьшению уровня адгезии. В свою очередь в случае отсутствия предварительной пропитки, адгезия очень мала.
В результате проведенных исследований можно сделать следующие выводы: адгезия резиновых смесей на основе натурального каучука к арамидным волокнам может быть улучшена введением в состав смесей модифицирующих композиций, включающих диоксид кремния, бис-Э(этоксисилилпропилтетрасульфид) и хиноловый эфир, и оптимизацией пропитывающих составов первой и второй стадии обработки волокна.
Библиографические ссылки
1. Кудрявцев Г. П., Варшавский В. Я. Армирующие химические волокна для композиционных материалов. М. : Химия, 1992. 236 с.
2. Сверхпрочное высокомодульное синтетическое волокно СВМ / Г. П. Кудрявцев, А. В. Токарев, Л. В. Авророва, В. А. Константинов // Химические волокна. 1974. № 6. С. 70-71.
3. Перепёлкин К. Е. Структура и свойства волокон. М. : Химия, 1985. 274 с.
4. Перепелкин К. Е. Химическое волокно: настоящее и будущее // Химические волокна, 2000. № 5. С. 35-38.
5. Микрофиламентная нить Русар для средств баллистической защиты / П. В. Слугин, Г. Б. Скляров и др. // Химические волокна. 2006. № 1. С. 17-20.
6. Слугин П. В., Скляров Г. Б. Пара-арамидные нити Русар для композиционных материалов конструкционного назначения // Химические волокна. 2006. № 1. С. 19-21.
7. Сверхпрочное синтетическое волокно Вниивлон, Информация ВНИИВ // Химические волокна. 1971. № 1. С. 76.
8. Кестельман В.Н. Физические методы модификации полимерных материалов. М. : Химия, 1980. 224 с.
9. Новикова O.A. Сергеев В.П. Модификация поверхности армирующих волокон в композиционных материалах. Киев : Наук. Думка, 1989. 220 с.
10. Перепелкин К.Е. Полимерные волокнистые композиты, их основные виды, принципы получения и свойства. Часть 2 // Химические волокна. 2005. № 5. С.54-59.
© Пен В. Р., Левченко С. П., Коляда К. А., 2020
