Усталостные свойства резинометаллических композитов и резин в различных условиях испытания Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

УДК 678.063

А.С. Барышев, А.Б. Ветошкин, М.Е. Соловьев, С.В. Гудков

УСТАЛОСТНЫЕ СВОЙСТВА РЕЗИНОМЕТАЛЛИЧЕСКИХ КОМПОЗИТОВ И РЕЗИН

В РАЗЛИЧНЫХ УСЛОВИЯХ ИСПЫТАНИЯ

(Ярославский государственный технический университет) e-mail: asbarishev@mail.ru

Уровень усталостной выносливости резины, определенный в условиях сложнона-пряженного деформирования, оказывается значительно ниже определяемого стандартными методами в условиях одноосного растяжения. В то же время данный показатель, определенный для резинометаллических композитов, занимает промежуточное положение. Метод испытания в условиях сложнонапряженного деформирования дает возможность узнать больше о свойствах граничных слоев резины в резинометаллических композитах.

Ключевые слова: сложнонапряженное состояние, резинометаллический композит, усталостная выносливость, коэффициент усталостной выносливости

Использование современных адгезионных систем холодного и горячего отверждения в производстве резинотехнических изделий позволило сильно повысить прочность связи эластомера с армирующим материалом [1,2]. Однако даже при достижении высокого уровня адгезионного взаимодействия композиты не обеспечивают того уровня эксплуатационных свойств, которого можно было бы ожидать, исходя из характеристик эластомера вне композита, определенных стандартными методами. Связано это с тем, что граничный слой эластомера в композите работает в условиях сложно-напряженного состояния и его свойства не вполне корректно могут оцениваться методами, применимыми для оценки свойств материала в условиях одноосного растяжения [3].

П

С X

4

_I

О X

Рис. 1. Схема крепления резинометаллического композита в зажимах разрывной машины: 1 - образец - стандартная лопатка, 2 - стальной цилиндр, 3 - зажимы разрывной машины, 4 - плёнка клея

Fig. 1.The scheme of fixing the rubber-metal composite in tensile machine clips: 1- simple is standard blade, 2 - steel cylinder, 3 - tensile machine clips, 4 - glue film

В настоящей работе исследовалась возможность оценки работоспособности резинометаллических композитов по показателям усталостной выносливости резин, определенных в условиях сложно-напряженного состояния.

Объектами исследования явились резины на основе каучуков СКИ-3, БНКС-28 и СКМС-30АРК. В качестве образцов для проведения испытаний использовались стандартные двухсторонние лопатки, резиновые диафрагмы с диаметром рабочего участка 65 мм и толщиной 2±0,2 мм, и резинометаллические композиты, изготовленные путем приклеивания части двусторонней лопатки торцом рабочего участка к заранее отполированному стальному грибку (рис. 1). Связующим для композитов являлся клей холодного отверждения «Локтайт 406».

Рис. 2. Фотография приставки для определения прочностных характеристик резин в сложно-напряженном состоянии при

малых скоростях деформации Fig. 2. Photo of special attachment for determination of strength characteristics of rubber in complex stress-strain conditions at low deformation rates

Рис. 3. Фотография испытания образца на приставке для определения прочностных характеристик резин в сложно-напряженном состоянии при малых скоростях деформации Fig. 3. Photo of sample testing on attacment for determination of strength characteristics of rubber in complex stress-strain conditions at low deformation rates

Ранее было исследовано сложнонапряжен-ное состояние методом продавливания эластомер-ных диафрагм сферическим индентором с помощью спроектированной и изготовленной приставки к испытательной машине FR-100/1, использующейся для определения упруго-прочностных характеристик резин (рис. 2). Была доказана возможность более адекватного описания прочностных свойств с помощью этого метода, в связи с чем интерес представляло изучение усталостных свойств резин, находящихся в условиях сложно-напряженного состояния, с помощью приставки к машине МРС-2 (рис. 3).

В связи с тем, что относительное удлинение резин, выбранных в качестве объектов исследования, при разрыве отличается в несколько раз, испытания по определению усталостной выносливости проводились при разной амплитуде динамической деформации, а в качестве сравнительной характеристики использовалась величина коэффициента усталостной выносливости, который определялся по тангенсу наклона прямой lg ss -lg N, где ss - относительное изменение площади поверхности диафрагмы при заданном перемещении индентора, а N - динамическая выносливость, и усталостная выносливость при амплитуде деформации 100 %, рассчитанная по коэффициенту усталостной выносливости.

Рис. 4. Фотография приставки к стандартной машине МРС-2 для определения усталостной выносливости резин в сложно-

напряженном состоянии Fig. 4. Photo of attachment to the standard machine MRS-2 for determination the fatigue endurance of rubber in complex stressstrain conditions

Для резиновых диафрагм, в связи с тем, что приставка к машине МРС-2 в силу своих конструкционных особенностей не могла позволить использовать широкий диапазон деформаций, деформирование образцов происходило при амплитуде 96% и 82%, рассчитанной по градуировочной кривой для определения относительной деформации диафрагмы. Под относительной деформацией диафрагмы понималось относительное изменение ее площади es (%):

£S= 100,

где S0 - начальная площадь рабочей части диафрагмы, мм2; SP - площадь рабочей части диафрагмы в текущий момент испытания или в момент разрыва, мм2.

В случае ненаполненных резин на основе некристаллизующихся каучуков БНКС -28 и СКМС-30АРК разрушение резинометаллических склеек происходило не по пограничному слою, как для всех других типов резин, а по участку, удаленному от границы раздела, аналогично тому, как это наблюдается при стандартных испытаниях двухсторонних лопаток на усталостную выносливость.

Можно предположить, что в данном случае такой механизм разрушения обусловлен двумя факторами. С одной стороны, для данных резин

изменения структуры материала граничного слоя при относительно небольших деформациях образца минимальны по сравнению с основной частью склейки, а с другой - осевая деформация граничного слоя оказывается значительно меньше по сравнению с материалом, удаленным от границы раздела [4, 5].

Вследствие неравномерного распределения деформации по длине образца усталостная выносливость основной части образца, работающего в более жестких условиях, оказывается ниже, чем усталостная выносливость граничного слоя. В остальных случаях превалирующее влияние оказывает, по-видимому, первый фактор -отсутствие ориентации материала граничного слоя, находящегося в условиях сложно-напряженного состояния, в отличие от основной части образца, работающей в условиях одноосного растяжения.

Результаты расчета представлены в табл. 1 и 2.

Таблица 1

Коэффициенты усталостной выносливости и усталостная выносливость ненаполненных резин на основе различных каучуков при одноосном растяжении, в сложно-напряженном состоянии и в составе резинометаллических композитов при амплитуде

деформации 100% Table 1. The coefficients of the fatigue endurance and fatigue strength of unfilled rubbers based on various rubbers under uniaxial tension, the complex stressstrain conditions and in rubber-metal composites under

Из представленных данных видно, что максимальную усталостную выносливость резинам в различных условиях испытания, а также

эластомерам в составе резинометаллических композитов обеспечивает каучук СКИ-3, причем для ненаполненных резин разница в уровне усталостной выносливости составляет 1,5 ^ 2,5 десятичных порядка.

Таблица 2

Коэффициенты усталостной выносливости и усталостная выносливость наполненных резин на основе различных каучуков при одноосном растяжении, в сложно-напряженном состоянии и в составе рези-нометаллических композитов при амплитуде деформации 100% Table 2. The coefficients of the fatigue endurance and fatigue strength of filled rubbers based on various rubbers under uniaxial tension, the complex stress-strain conditions and in rubber-metal composites under de-

formation amplitude of 100%

Тип каучука

Показатели СКИ-3 БНКС-28 СКМС-30АРК

Тип образца

Двухсторонняя лопатка

Коэффициент усталостной выносливости 7,63 6,37 8,04

Усталостная выносливость, 398,7 11,2 282,5

тыс. циклов

Резинометаллическая склейка

Коэффициент усталостной выносливости 14,59 7,38 11,8

Усталостная выносливость, 17,7 2,1 12,5

тыс. циклов

Диафрагма

Коэффициент усталостной выносливости 6,5 5,69 6,05

Усталостная выносливость, 8,46 1,21 5,23

тыс. циклов

При введении активного технического углерода в СКИ-3 усталостная выносливость как резин в различных условиях нагружения, так и резинометаллических склеек значительно снижается (табл. 1, 2), что можно объяснить значительным повышением жесткости резин и, следовательно, ростом энергии цикла многократных деформаций на фоне мало изменяющейся прочности [6]. Усталостная выносливость всех образцов на основе СКМС-30АРК с введением ТУ, напротив, возрастает в несколько раз, так как в данном случае повышение жесткости резины компенсируется резким ростом ее прочности за счет образования техуглерод-каучуковых структур, устойчивых к

deformation ^ amplitude of 100%

Показатели Тип каучука

СКИ-3 БНКС-28 СКМС-30АРК

Тип образца

Двухсто зонняя лопатка

Коэффициент усталостной выносливости 6,14 6,14 6,92

Усталостная выносливость, тыс. циклов 933,5 13,2 8,8

Резинометаллическая склейка

Коэффициент усталостной выносливости 7,34 5,49 6,01

Усталостная выносливость, тыс. циклов 207,7 3,7 1,4

Диафрагма

Коэффициент усталостной выносливости 4,63 4,36 6,12

Усталостная выносливость, тыс. циклов 10,9 0,67 0,69

внешним механическим воздействиям. Для резин на основе БНКС-28 введение наполнителя к существенным, на фоне других каучуков, изменениям усталостных свойств не приводит.

Установлено, что для резин в сложнона-пряженном состоянии данная характеристика оказывается значительно ниже той, которая определяется в условиях одноосного растяжения. В то же время усталостная выносливость резинометалли-ческих композитов занимает промежуточное положение между стандартными лопатками и диафрагмами.

На практике резинометаллические склейки разрушались по участку, значительно удаленному от границы раздела. Согласно полученным данным, более высокой является вероятность разрушения материала в композите в той его части, где деформирование приближается к одноосному растяжению.

ЛИТЕРАТУРА

1. Махлис Ф.А. Технические свойства резин. М.: Химия. 1986. 240 с;

Makhlis F.A. Technical properties of rubbers. M.: Khimiya. 1986. 240 p. (in Russian).

2. Жовнер Н.А., Чирикова Н.В., Хлебов Г.А. Структура и свойства материалов на основе эластомеров. Омск: Филиал Рос ЗИТЛП. 2003. 276 с;

Zhovner N.A., Chirikova N.V., Khlebov G.A. Structure and properties of materials based on elastomers. Omsk: Filial Ros ZITLP. 2003. 276 p. (in Russian).

3. Ветошкин А.Б., Усачев С.В., Берсенев А.С., Куликова С.О. // Изв. вузов. Химия и хим. технология. 2007. Т. 50. Вып. 4. С. 91-95;

Vetoshkin A.B., Usachev S.V., Bersenev A.S., Kulikova

S.O. // Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol. 2007. V. 50. N 4. P. 91-95 (in Russian).

4. Хромов М.К. // Каучук и резина. 1981. № 8. С. 6-9; Khromov M.K // Kauchuk i rezina. 1981. N 6. P. 6-9 (in Russian).

5. Шмурак И.Л. // Каучук и резина. 1976. № 8. С. 27-30; Shmurak LL. // Kauchuk i rezina, 1976. N 8. P. 27-30 (in Russian).

6. Ляпина Л.А., Иваницкий М.А. // Каучук и резина. 2008. №5. С. 38-41;

Lyapina L.A., Ivanitskiy M.A. // Kauchuk i rezina. 2008. N 5. P. 38-41 (in Russian).

Кафедра химии и технологии переработки эластомеров

УДК 678.747.2:661.718.5 Г.И. Кострыкина, Е.А. Крутова, М.В. Цветков, М.А. Кокорева ОКИСЛЕНИЕ ИЗОПРЕНОВОГО КАУЧУКА СКИ-3, МОДИФИЦИРОВАННОГО СИЛАНАМИ

(Ярославский государственный технический университет) e-mail: kostrikinag@yandex.ru; krutova265@gmail.com; mvtsvetkov@mail.ru; kokkik@ mail.ru

Исследовано влияние высокотемпературного окисления изопренового каучука СКИ-3, модифицированного силанами различного строения, на молекуярную массу и вязко-упругие свойства полимера. Показано, что силаны повышают степень деструкции каучука при смешении. После окисления модифицированные каучуки характеризуются большими значениями характеристической вязкости, модуля накопления и модуля потерь по сравнению с немодифицированным полимером.

Ключевые слова: окисление, изопреновый каучук, силаны, модификация

Окисление - это процесс, который сопровождает практически все технологические операции, необходимые для получения изделий из кау-чуков, а также вносит свой негативный вклад при эксплуатации резиновых изделий. Ненасыщенные каучуки, являясь самыми распространенными полимерами в резиновой промышленности, являются и самыми уязвимыми с точки зрения окисления. Различные целевые добавки в составе резины

могут оказывать как ингибирующее, так и каталитическое влияние на процесс окисления и, как следствие, на изменение структуры каучука. Среди широкого спектра добавок представляют интерес силаны различного строения, которые обычно используются в качестве агентов сочетания между неполярными каучуками и кремнекислотными наполнителями [1, 2]. Ранее было показано положительное влияние силанов на свойства резино-