CC BY
205
УДК 678.762.213.453.2
Ю. В. Коровина, аспирант; Е. И. Щербина, профессор;
Р. М. Долинская, вед. науч. сотрудник
СОПОСТАВЛЕНИЕ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ СВОЙСТВ РЕЗИН НА ОСНОВЕ КАУЧУКОВ СПЕЦИАЛЬНОГО НАЗНАЧЕНИЯ
Comparison of properties of rubbers of the special purpose is conducted in the article. It is shown that elastomeric materials based on hydrogenated butadiene-nitrile rubber (HNBR) offers an advantage in performance attributes. Dense net of durable carbon - carbon connections of HNBR peroxide vulcanizates provides creation of hard framework elastomeric matrix, steady to external loadings. It is expedient to use such materials in the conditions of action of high temperatures and static loadings. Sulfur cursd HNBR vulcanizates is characterized by the rare net of easily reforming sulfides connections that offers an advantage in performance attributes of articles in the conditions of the dynamic loadings.
Введение. На современном этапе развития технический прогресс важнейших отраслей народного хозяйства Республики Беларусь тесным образом связан с применением разнообразных эластомерных композиций. Как известно, работоспособность машин и механизмов в большинстве случаев зависит от качества герметизирующих уплотнений, поэтому развитие машиностроительного комплекса, а именно увеличение мощностей двигателей, уменьшение свободного подкапотного пространства, увеличение длительности безремонтного пробега, привело к ужесточению требований, предъявляемых к уплотнительным эластомер-ным изделиям. В связи с этим расширение ассортимента эластомерных материалов за счет модификации их свойств применительно к условиям эксплуатации является важной проблемой отрасли переработки полимеров. Среди исследований, ведущихся в этом направлении, особое место занимают проблемы получения материалов с высокими показателями теплостойкости, стойкости к действию различных
типов масел и смазок, а также атмосферостой-кости. Свойства эластомерных материалов в первую очередь зависят от типа используемого базового каучука, строение основной полимерной цепи которого определяет стойкость к тепловому воздействию, а тип и количество функциональных полярных подвесков у основной цепи влияет на стойкость эластомера к воздействию жидких агрессивных сред [1].
Основная часть. В настоящее время в промышленных масштабах производится целый ряд каучуков, обладающих тепло- и масло-бензостойкостью. Эти каучуки различаются как диапазонами высокотемпературной эксплуатации, прочностными свойствами, так и стоимостью, и называются каучуками специального назначения. При производстве уплотнений, предназначенных для работы в области высоких температур и масел, преимущественно используют бутадиен-нитрильный каучук (БНК), акрилатный каучук (АК) и фторкаучук (ФК). В табл. 1 приведены основные свойства перечисленных каучуков.
Таблица 1
Физико-механические свойства резин на основе различных каучуков
Показатель БНК * ФК * АК [9, 10] ГБ] НК
Пероксидная вулканизация Серная вулканизация
Условная прочность при растяжении, МПа 13,7 15,9 10,5 22,3 27,6
Относительное удлинение при разрыве, % 200 220 120 180 400
Твердость по Шору А 77 70 70 69 70
Эластичность по отскоку, % 23 20 15 21 28
Сопротивление раздиру, Н/мм 37 30 29 46 46
ОДС (20%) (100°С х 24 ч), % 42,1 10 12 18,7 47,3
ОДС (20%) (130°С х 24 ч), % 51,7 12 20,3 37,6 86
ОДС (20%) (150°С х 24 ч), % 65,7 18 22,0 37,1 79,1
Истираемость, м3/ТДж 107 62 291 33 47
Сопротивление истиранию, Дж/мм3 10,3 16 3,8 33,8 23
Температурный предел хрупкости, °С -26 -24 -36 Более -60 -56
Озоностойкость при t = 40°С и 20%-ном растяжении, ч 21 72 72 72 72
* Данные получены от центральной лаборатории ОАО «Беларусьрезинотехника».
Как видно из данных табл. 1, резины на основе бутадиен-нитрильного каучука обладают сбалансированным комплексом эксплуатационных свойств, а именно высокими прочностью при растяжении, относительным удлинением, сопротивлением раздиру; удовлетворительными сопротивлением накоплению остаточных деформаций при сжатии (ОДС) и истираемостью. Поэтому резины на основе БНК в настоящее время применяются в большинстве узлов машин и механизмов, где требуются высокие прочностные свойства и маслобензостой-кость. Однако ужесточение условий эксплуатации уплотнительных резинотехнических изделий, связанное с увеличением скоростей автомобилей и сокращением количества охлаждающего масла, привело к тому, что уплотнительные изделия должны обеспечивать работу узлов при температурах до +150°С. При этих температурах происходит структурирование, а затем охрупчивание и разрушение резин на ос-
нове бутадиен-нитрильных каучуков, в результате чего они становятся твердыми и хрупкими, что и подтверждается данными табл. 2.
В связи с этим возникла проблема повышения теплостойкости эластомерных композиций. Традиционно для получения композиций, работоспособных при высоких температурах, используют фторкаучуки, которые по теплостойкости уступают только силоксановым каучукам, а по масло-стойкости превосходят все каучуки [2]. Помимо этого фторкаучуки обладают хорошими физикомеханическими свойствами, высокими сопротивлением накоплению остаточных деформаций при сжатии, истираемостью и озоностойкостью (табл. 1). Однако к существенным минусам ФК следует отнести недостаточно низкий температурный предел хрупкости, что ограничивает применение изделий из данного типа каучуков. Кроме того, серьезным недостатком фторкаучуков является сложность получения исходных мономеров и, как следствие, высокая цена (табл. 3).
Таблица 2
Изменение свойств резин на основе различных каучуков при старении на воздухе
и в средах Л8ТМ № 1, Л8ТМ № 3
Показатель БНК * ФК * АК [10, 11] ГБНК
Пероксидная вулканизация Серная вулканизация
Изменение твердости по Шору А после старения в среде воздуха в течение 72 ч при температуре: 130°С +11 0 +1 +2 +2
150°С +16 0 +2 +4 +5
Изменение твердости по Шору А после старения в среде Л8ТМ № 1** в течение 12 ч при температуре: 130°С +9 -1 -2 -1 -1
150°С +11 -2 0 -1 0
Изменение массы образцов после старения в среде Л8ТМ № 1 ** в течение 72 ч при температуре, %: 130°С -7 0 -1,2 +0,4 +1,0
150°С -15 -1 -1,1 +0,8 +1,9
Изменение твердости по Шору А после старения в среде Л8ТМ № 3 *** в течение 72 ч при температуре: 130°С -10 -6 -11 -5 -10
150°С -14 -6 -12 -6 -15
Изменение массы образцов после старения в среде Л8ТМ № 3 *** в течение 72 ч при температуре, %: 130°С +20,0 -1 +23,2 +15 +18,4
150°С +24,2 -2 +31,4 +18 +20,3
Изменение массы/объема образцов после воздействия смеси изооктан + толуол в соотношении 70 : 30 в течение 24 ч при температуре 23°С, % 29,3/ 35,6 13,1/ 11,7 40,5/ 71,2 27,2/ 37,1 30,9/ 42,9
* Данные получены от центральной лаборатории ОАО «Беларусьрезинотехника».
** Стандартная жидкость, имитирующая масло (анилиновая точка (124 ± 1)°С).
*** Стандартная жидкость, имитирующая масло (анилиновая точка (71 ± 1)°С).
Таблица 3
Сравнительная характеристика экономических и температурных свойств специальных каучуков
Показатель БНК ФК АК ГБНК
Температурный интервал работоспособности, °С От -35 до +100 От -40 до +160 От-35 до +150 От -50 до +160
Индекс стоимости на 1 кг каучука 1 8 3 10
В ряде случаев для производства резинотехнических изделий целесообразно использовать акрилатный каучук - эластомер, который при эксплуатации до +150°С не уступает по тепло- и маслостойкости ФК, но обладает лучшим комплексом низкотемпературных свойств и при этом значительно дешевле фторкаучука (табл. 1-3). Однако при высокой маслобензостойкости, акрилатный каучук характеризуется низкими прочностными свойствами и сопротивлением истиранию, что не позволяет использовать резины на его основе при производстве резинотехнических изделий, работающих в паре трения.
Для создания резинотехнических изделий, обладающих уникальным комплексом свойств, большой интерес представляют современные модификации бутадиен-нитрильных каучуков. Одной из наиболее перспективных модификаций БНК являются высоконасыщенные или гидрированные бутадиен-нитрильные каучуки (ГБНК), которые мало еще известны даже специалистам химиической и в том числе резиновой промышленности. В то же время благодаря уникальному комплексу свойств эти каучуки заслуживают самого пристального внимания. В проведенных ранее исследованиях [3-8] нами были изучены особенности строения и свойства ГБНК, обоснован выбор ингредиентов эластомерных композиций, определено влияние вулканизующих систем различной природы на структуру и физикомеханические свойства композиций на основе ГБНК. На основании полученных результатов разработаны две композиции на основе ГБНК с пероксидной и серной вулканизующими системами. Особенностью вулканизатов на основе ГБНК, полученных при использовании пероксидной системы, являются высокие прочностные свойства и низкий уровень накопления остаточных деформаций при сжатии. Серные вулканиза-ты ГБНК характеризуются более высокими значениями показателей относительного удлинения при разрыве и эластичности по отскоку (табл. 1).
Как видно из табл. 1, 2, по сравнению с БНК гидрированные бутадиен-нитрильные каучуки позволяют получать изделия, работоспособные при температурах до +150°С. Кроме того, резины на основе ГБНК характеризуются высокой озоно-стойкостью. По сравнению с фтор- и акрилатными каучуками ГБНК обеспечивают более высокие прочностные свойства и лучшие низкотемпературные свойства. Следует также отметить высокое сопротивление истиранию резин на основе ГБНК,
что позволяет использовать их для производства изделий, эксплуатируемых в условиях высокого абразивного износа. Недостатком резин на основе ГБНК является более низкое сопротивление накоплению ОДС при использовании серных вулканизующих систем, что может быть устранено применением пероксидных сшивающих систем [5].
Заключение. Таким образом, сопоставление свойств каучуков специального назначения позволяет считать, что по совокупности показателей гидрированные бутадиен-нитрильные резины являются материалами с высокими эксплуатационными свойствами. Они обладают высокими прочностными показателями и характеризуются стабильностью свойств в широком температурном диапазоне, что обусловило возможность применения этих эластомеров для изготовления различных автомобильных резинотехнических изделий.
Литература
1. Донцов, А. А. Процессы структурирования эластомеров / А. А. Донцов. - М.: Химия, 1978. - 288 с.
2. Нудельман, З. Н. Фторкаучуки: основы, переработка, применение / З. Н. Нудельман. -М.: ООО «ПИФ РИАС», 2007. - 384 с.
3. Особенности термического старения резин на основе гидрированного бутадиен-нитрильного каучука / Ю. В. Коровина [и др.] // Вес. Нац. акад. навук Беларусь Сер. х1м. на-вук. - 2007. - № 4. - С. 90-94.
4. Коровина, Ю. В. Свойства резин на основе гидрированного бутадиен-нитрильного каучука при старении в агрессивных средах / Ю. В. Коровина // Материалы, технологии, инструменты. - 2007. - Т. 12, № 3. - С. 42-45.
5. Влияние типа сшивающего агента на свойства эластомерных композиционных материалов / Ю. В. Коровина [и др.] // Материалы, технологии, инструменты. - 2005. - Т. 10, № 4. - С. 34-37.
6. Особенности серной вулканизации гидрированного бутадиен-нитрильного каучука / Ю. В. Коровина [и др.] // Каучук и резина. -2006. - № 2. - С. 6-9.
7. Пероксидная вулканизация гидрированного бутадиен-нитрильного каучука / Ю. В. Коровина [и др.] // Каучук и резина. - 2007. - № 1. - С. 4-7.
8. Коровина, Ю. В. Гидрированные бутадиен-нитрильные каучуки. Свойства и применение / Ю. В. Коровина, Е. И. Щербина, Р. М. Долин-ская // Труды БГТУ. Сер. IV, Химия и технология орган. в-в. - 2005. - Вып. XIII. - С. 14-16.
