CC BY
143
ИЗДАТЕЛЬСКОЕ ДЕЛО. ПОЛИГРАФИЯ ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 2 (120) 2013
УДК 678.073/074
О. А. ТИМОЩЕНКО Н. А. МУЛЬТАНОВСКАЯ
Омский государственный технический университет
Волгоградский государственный технический университет
РАЗРАБОТКА
КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ ПОЛИАМИДА И ЭЛАСТОМЕРОВ ДЛЯ ДЕТАЛЕЙ ПЕЧАТНЫХ МАШИН___________________________
В работе исследована возможность разработки композитов на основе полиамида и каучуков различных марок с применением методов квантовой химии. Приведены прочностные свойства композитов. Показана возможность применения их в качестве деталей печатных машин.
Ключевые слова: печатная машина, втулки, композиты, квантовая химия, прочность.
В процессе печати на прижимные валы флексо-графских машин действуют циклические нагрузки, вызванные различной величиной натяжения бумаги или пленочного материала, «биение» в процессе размотки, регулирование натиска при печати и т.п. Влияние этих факторов, усугубляющихся воздействием высокой температуры сушильных устройств и агрессивных сред растворителей и добавок для красок, приводит к разрушению втулок прижимных валов.
Серийно применяемые втулки изготавливают из полиамидов (ПА). Этот материал применительно к вышеперечисленным условиям эксплуатации обладает недостаточной долговечностью. Зачастую в процессе эксплуатации детали разрушаются, и полиграфические предприятия несут существенные потери материальных и трудовых ресурсов вследствие простоя печатного оборудования из-за внеплановых остановок для обслуживания и ремонта. В ряде случаев недостаточная надежность работы втулок приводит к аварийным ситуациям.
Известно, что добавка к термопластам эластомер-ных материалов позволяет существенно повысить их ударно-прочностные характеристики. Однако для разработки композитов с высоким комплексом физико-механических показателей требуется подобрать каучук, обладающий высокой совместимостью с полиамидом. Наиболее перспективным представлялось подобрать пару полимеров таким образом, чтобы в процессе смешения происходило не только межмолекулярное, но и химическое взаимодействие между макромолекулами каучука и полиамида.
Для разработки композитов были выбраны каучуки, имеющие в своем составе двойные связи, обладающие повышенной реакционной способностью: изопреновый (СКИ-3), бутадиен-нитрильный (СКН-40), бутадиен-метилстирольный (СКМС-30 АРКМ-15), этиленпропиленовый каучук тройной (СКЭПТ-50). Кроме этих каучуков изучали композиты с фтор-каучуком — сополимером винилиденфторида с гекса-фторпропиленом (СКФ), у которого в процессе сме-
шения при температуре более 220 °С происходит образование двойных связей в результате отщепления от макромолекул водорода и фтора [1].
Прогнозирование химического и межмолекуляр-ного взаимодействия ПА и эластомеров различных марок выполняли с помощью квантово-химических методов в программном пакете ИурегСИеш с полуэм-пирическим приближением РМ3. В этом же программном пакете рассчитывали межмолекулярные взаимодействия между структурными элементами макромолекул полиамида и каучуков. Для исследования элементарного акта межмолекулярного взаимодействия (МВ) в настоящей работе применена модель активного центра полимера (АЦП) [2, 3], представляющего собой атом углерода с соответствующей функциональной группой (т. е. АЦП и ближайшие к нему атомы углерода цепи с их функциональными группами), всего три атома углерода с их окружением. Все соответствующие им геометрические параметры (длины связей, углы между связями) были оптимизированы в процессе квантово-химических расчетов (соответствовали минимуму полной энергии).
Межмолекулярное взаимодействие между структурными элементами ПА и эластомера оценивали по сближению структурных элементов ПА и каучука. Это сближение достигало для каждого из изучаемых каучуков 1,7 А, что свидетельствовало об образовании между макромолекулами ПА и каучука водородных связей средней силы.
Результаты расчетов изменения полной энергии при взаимодействии структурных элементов пар полимеров показали термодинамическое разрешение химического взаимодействия между полиамидом и каждым из выбранных каучуков. Однако величины изменения полной энергии при реализации взаимодействия для каждой пары полимеров существенно отличались (табл. 1). Максимальное изменение полной энергии происходило для пары ПА фторкаучук, что свидетельствовало о наиболее вероятном протекании химического взаимодействия между этой
Таблица 1
Возможность химического взаимодействия полиамида с каучуками различных марок и прочность композитов на их основе
Эластомер, совмещаемый с полиамидом Величина максимального изменения полной энергии, Ккал/моль Возможность химического взаимодействия расплава ПА и эластомера Предел прочности при растяжении композитов, МПа
СКФ - 16,39 Да, высокая 29,7
СКН -5,39 Да 25,5
СКМС -5,30 Да 12,4
СКИ -5,30 Да 11,8
СКЭПТ -5,30 Да 11,0
а б
Рис. 1. Схематическое изображение результатов химического взаимодействия ПА и сополимера винилиденфторида с гексафторпропиленом после оптимизации их структуры
Температура, град С
—ПА-6 -Х-СКФ А композит с 50% масс. ПА-6
Рис. 2. Кривые ТС ПА-6, фторкаучука и композита на их основе
ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 2 (120) 2013 ИЗДАТЕЛЬСКОЕ ДЕЛО. ПОЛИГРАФИЯ
ИЗДАТЕЛЬСКОЕ ДЕЛО. ПОЛИГРАФИЯ ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 2 (120) 2013
Температура, град С
-♦-ПА
-х-СКФ
-А—Композит с 50% масс. ПА
Рис. 3. Кривые ДТА для ПА-6, фторкаучука и композита на их основе
парой полимеров и её наибольшей привлекательности при дальнейших исследованиях. Квантовохимические расчеты показали, что для пары СКФ-ПА изменение полной энергии при реализации взаимодействия с образованием сшивок, приведенных на рис. 1 а составляет —11,032 Ккал/моль, на рис. 1 б составляет —16,39 Ккал/моль.
Изготовление композитов выполняли в режиме динамического смешения на пластикодере «Брабен-дер» при температуре 230 ° С. После загрузки каучука в смесительную камеру вводили полиамид. Смешение проводили в течение 12 минут при скорости вращения роторов 60 об./мин. Соотношение между ПА и каучуком составляло 1:1. После вылежки в течение 24 часов из смеси методом литья под давлением изготавливали образцы. Результаты прочностных испытаний композитов представлены в табл. 1.
Высказанное, на основании квантово-химических расчетов, предположение о возможности химического взаимодействия между ПА и фторкаучуком подтвердилось результатами изучения ИК спектров полученных композитов и исходных полимеров. Так, на ИК спектре разработанного композита обнаружена полоса поглощения 1675,75 см-1, характерная для двойных связей С = С. Появление пика 1126,44 с м-1, отнесенное к валентным колебаниям С — О — С, также свидетельствовало в пользу вышеописанного предположения. Таких полос поглощения не было ни на ИК спектре фторкаучука, ни на ИК спектре ПА-6. Термогравиметрические исследования также выявили существенное отличие термических свойств композита на основе ПА и фторкаучука от свойств исходных компонентов (рис. 2). Для индивидуальных компонентов было характерно резкое уменьшение массы после достижения температуры начала термической деструкции до полного разложения. Для композита такое уменьшение массы происходило значительно более плавно. Полная деструкция композита
завершалась при температуре около 800 °C, в то время как для исходных компонентов — при 600 °C.
Данные дифференциального термического анализа (ДТА) (рис. 3) показали, что пик плавления для композита смещен в зону меньших температур на 10 °C. В целом тепловые эффекты, протекающие в композите, существенно отличались от аналогичных процессов для ПА и СКФ. Так, для композита при температуре около 380 °С наблюдался эндотермический эффект. Такой же эффект для ПА происходил при температуре около 460 °С. Температура начала разложения композита находилась в диапазоне 330 — 340 °С, что значительно ниже начала термической деструкции исходных компонентов ПА и СКФ — соответственно 390 и 425 °С. Такое поведение композита, наряду с ранее приведенными данными квантово-химических расчетов и ИК-спектроскопии, подтверждало, что в процессе динамического смешения расплава ПА с СКФ происходило образование физико-химических связей между этими полимерами.
На основе проведенных исследований для изготовления деталей для печатной машины была выбрана композиция на основе ПА и фторкаучука.
Для испытания работоспособности разработанного композита методом литья под давлением были изготовлены втулки и установлены на прижимные валы флексографской печатной машины KDO 508 SEELTEC 2-8 МОДЕЛЬ 6 С 100. После эксплуатации в течение шести месяцев втулки оставались пригодными к дальнейшей эксплуатации. Некоторые из полиамидных втулок к этому времени потеряли работоспособность из-за разрушения.
Таким образом, в результате проведенных исследований был разработан композиционный материал на основе полиамида и фторкаучука для втулок прижимных валов флексографской печатной машины с повышенной долговечностью при эксплуатации.
1. Хаймович, А. М. Анализ межмолекулярного взаимодействия полимер-эластомерных систем с помощью методов квантовой химии / А. М. Хаймович, А О. Литинский, А И. Рахимов. — Волгоград, 1993. — 28 с. — Деп. в ВИНИТИ 02.06.93, № 1467.
2. Изучение межмолекулярного взаимодействия в системе политетрафторэтилен-эластомер методами квантовой химии / Н. А. Мультановская [и др.] // Известия ВолгГТУ. Сер. Химия и технология элементоорганических мономеров и полимерных материалов. — 2010. — № 2. — С. 124—127.
3. Купцов, А. X. Фурье-спектры комбинационного рассеяния и инфракрасного поглощения полимеров : справ. / А Х. Купцов, Г. Н. Жижин. - М. : ФИЗМАТЛИТ, 2001. -656 с.
ТИМОЩЕНКО Ольга Александровна, аспирантка кафедры «Оборудование и технологии полиграфического производства» Омского государственного технического университета.
МУЛЬТАНОВСКАЯ Наталья Александровна,
аспирантка кафедры «Технология высокомолекулярных и волокнистых материалов» Волгоградского государственного технического университета, технолог отдела допечатной подготовки ОАО «Флексо-Принт».
Адрес для переписки: fabiah@mail.ru
Статья поступила в редакцию 26.02.2013 г.
© О. А. Тимощенко, Н. А. Мультановская
удк 678.073 /074 н. А. МУЛЬТАНОВСКАЯ
Волгоградский государственный технический университет
ПРИМЕНЕНИЕ ДИНАМИЧЕСКИХ ТЕРМОЭЛАСТОПЛАСТОВ В КАЧЕСТВЕ МАТЕРИАЛА ДЕТАЛЕЙ ФЛЕКСОГРАФСКОЙ ПЕЧАТНОЙ МАШИНЫ KDO 508 SEELTEC 2-8 МОДЕЛЬ 6С 100____________________________
В работе изучена возможность применения динамических термоэластопластов на основе полиамида и каучуков различной природы для изготовления втулок прижимных валов флексографской печатной машины KDO 508 SEELTEC 2-8 МОДЕЛЬ 6С 100. Ключевые слова: флексография, печатная машина, втулки, динамические термоэласто-пласты, долговечность.
На флексографских машинах в процессе печати по рулонному материалу на прижимные валы действуют переменные динамические нагрузки, связанные с флуктуациями натяжения печатного материала, его «биением» в процессе размотки, регулированием натиска при печати и др. Влияние перечисленных факторов, а также высокой температуры сушильных устройств и действия агрессивной среды растворителей и добавок для красок приводит к постепенному износу и разрушению втулок прижимных валов.
Втулки, изготавливаемые в настоящее время из полиамидов, обладают недостаточным комплексом эксплуатационных свойств, в частности, детали характеризуются хрупкостью. Это приводит к тому, что полиграфические предприятия несут существенные потери материальных и трудовых ресурсов вследствие простоя печатного оборудования из-за частого обслуживания и ремонта. В ряде случаев недостаточная надежность работы втулок приводит к аварийным ситуациям.
В связи с вышеизложенным, целесообразным представляется разработка материала для изготовления втулок прижимных валов с улучшенным комп-
лексом эксплуатационных свойств, в частности деформационно-прочностными свойствами.
В последнее время получили распространение материалы, сочетающие свойства термопластов и эластомеров [1-3]. Эластомер смешивают с расплавом термопласта и полученный материал перерабатывают в изделия методом литья под давлением. Такие материалы, сочетающие свойства эластомеров и термопластов, называют динамическими термо-эластопластами. Как правило они обладают повышенной деформационной прочностью. При разработке материала втулок для печатного оборудования нами были изготовлены динамические термоэласто-пласты на основе полиамида, обеспечивающие высокую прочность изделий, достаточную эластичность, стойкость к воздействию температур до 170 °С, а также способные к многократной переработке методом литья под давлением.
В качестве эластической составляющей термо-эластопластов на основе полиамида марки ПА-6 были выбраны каучуки различной природы, а именно: каучук общего назначения этилен-пропиленовый (СЭПТ), изопреновый каучук СКИ-3, и каучуки специального назначения бутадиен-нитрильный (СКН-40),
ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 2 (120) 2013 ИЗДАТЕЛЬСКОЕ ДЕЛО. ПОЛИГРАФИЯ
