CC BY
43
УДК 678.7-139-9
Н. А. Охотина, С. И. Вольфсон, О. А. Панфилова, Р. В. Карпунин, К. А. Семенов
ВЛИЯНИЕ ОРГАНОМОДИФИЦИРОВАННЫХ БЕНТОНИТОВ
НА СВОЙСТВА ПРОТЕКТОРНЫХ РЕЗИН
Ключевые слова: протекторные резины, бутадиен-стирольные каучуки, органобентониты, физико-механические свойства.
Представлены результаты исследования влияния органомодифицированных слоистых нанонаполнителей на основе бентонитовых глин восточно-европейских месторождений на прочностные и упруго-гистерезисные свойства протекторных резин
Keywords: tread rubbers, butadiene-styrene rubbers, organobentonites, physical and mechanical properties.
In this study were given the results of investigation of the influence of organomodified layered nanofillers based on Eastern Eropean-natured bentonite clays on stress-strain and elastic and hysteresic properties of tread rubbers.
Введение
Современные требования, предъявляемые к высокоскоростным всесезонным легковым и легкогрузовым шинам, касаются, в первую очередь тягово-сцепных свойств на различных дорожных покрытиях (асфальт, снег, лед), а так же потерь на качение, 90-95 % от которых составляют гистерезисные потери, вызванные деформацией материалов покрышки при движении автомобиля.
Известно, что упруго-гистерезисные свойства, характеризующиеся величиной тангенса угла механических потерь tg 5, определяют выходные характеристики резин, влияющие на основные эксплуатационные показатели шин (потери на качение, сцепление с дорогой и износостойкость) [1]. Для протекторной части покрышки важными показателями являются значения тангенса угла механических потерь при минус 20 °С («зимнее» сцепление), при 0 °С («мокрое» сцепление), при 60 °С (потери на качение). Кроме того, сцепные свойства материала протектора хорошо характеризуются отношением tg 8 при 0°С/ tg 8 при 60°С: чем выше это значение, тем лучше сцепные характеристики протекторных резин.
Известно [2, 3], что одним из вариантов улучшения гистерезисных свойств протекторных резин является замена бутадиен-стирольных каучуков эмульсионной полимеризации на бутадиен-стирольные каучуки растворной полимеризации при использовании кремнеземных наполнителей.
На кафедре химии технологии переработки эластомеров КНИТУ также проводятся работы по исследованию упруго-гистерезисных свойств эластомерных композиционных материалов различного строения [4, 5]. В работе [5] исследованы вулканизаты протекторных резиновых смесей на основе бутадиен-стирольных каучуков эмульсионной (СКМС-30 АРКМ-15) и растворной (У8Ь 2438 и У8Ь 5025, фирма ЬапхезБ) полимеризации, отличающиеся содержанием 1, 2-структур бутадиеновых звеньев. Показано, что замена части кремнеземного наполнителя ЕеоБЙ 1165 МР на 5 мас. ч. органофильный монтмориллонита С1о18Йе 15А фирмы Rockwood
компании Southern Clay позволяет суммарно улучшить сцепные свойства вулканизатов протекторных резиновых смесей на основе каучука VSL 2438 на 67 %, каучука VSL 5025 - на 28 %.
Промышленное производство органофиль-ных глин в России отсутствует, исследования по модификации глин отечественных месторождений проводятся в ряде научных учреждений России, в том числе в Татарстане. В ФГУП «НИИГеолнеруд» разработана технология механохимической обработки бентонитовых глин поволжских месторождений, относящихся к низко- и средне-качественному монтмориллонитовому сырью по содержанию обменных катионов натрия и калия. Измельчение глинистого сырья в присутствии химических реагентов повышает дисперсность и удельную поверхность глинистых частиц и обеспечивает успешный обмен ионов кальция и магния на ионы натрия. Это, в свою очередь, позволяет успешно провести модификацию бентонитов с целью повышения их органофильности в процессе ионного обмена катионов натрия на органические катионы с достаточно развитыми углеродными радикалами. В результате получается модифицированная глина с увеличенным расстоянием между соседними первичными частицами. Интеркалированные органофильные слоистые силикаты способны совмещаться с полимерной матрицей, что и используется для получения нанокомпозитов.
В настоящей работе представлены результаты исследования влияния органобентонитов отечественных месторождений на прочностные и упруго-гистерезисные свойства протекторных резин.
Экспериментальная часть
Объектами исследования явились
органобентониты, полученные на основе глинистого сырья Верхне-Нурлатского месторождения (РТ) и Саригюхского месторождения (Армения), различающихся по содержанию монтмориллонита и обменных катионов натрия. Некоторые
характеристики полученных на их основе органоглин и органоглины Cloisite 15A представлены в табл. 1.
Таблица 1 - Сравнительные характеристики органобентонитов
Шифр Показатели
1 К Органобентонит на основе механоактиви-рованной глины Верхне-Нурлатского месторождения РТ (катионная обменная ёмкость: до активации 45 мг-экв/100г; после активации 74 мг-экв/100г). Модификатор алкилбензилдиметиламмонийхлорид* (Катамин) (3,7 %)
3К Органобентонит на основе природного №+- монтмориллонита месторождения Саригюх (Армения) (катионная обменная ёмкость 67 мг-экв/100г). Модификатор алкилбензилдиметиламмоний хлорид* (Катамин) (3,7 %)
1Т Органобентонит на основе механоактив-ированной глины Верхне-Нурлатского месторождения РТ (катионная обменная ёмкость: до активации 45 мг-экв/100г; после активации 74 мг-экв/100г). Модификатор диалкилдиметиламмоний хлорид* (Текстапав) (3,7 %)
2Т Органобентонит на основе механоактиви-рованной глины Верхне-Нурлатского месторождения РТ (катионная обменная ёмкость: до активации 45 мг-экв/100г; после активации 74 мг-экв/100г). Модификатор диалкилдиметиламмонийхлорид* (Текстапав) (9,0 %)
3Т Органобентонит на основе глины Верхне-Нурлатского месторождения РТ (катионная обменная ёмкость 45 мг-экв/100г). Модификатор Диалкилдиметиламмонийхлорид* (Текстапав) (3,7 %)
Cloisit e 15A Органобентонит на основе природного № - монтмориллонита (США) катионная обменная емкость 125 экв/100 Модификатор Диалкилдиметиламмонийхлорид* (Текстапав)
*Алкил - остаток гидрированных жирных кислот С16-С18
Резиновые смеси на основе растворных бутадиен-стирольных каучуков У8Ь 2438 и У8Ь 5025, различающихся микроструктурой
бутадиеновых звеньев [5], изготавливались в роторной смесительной камере пластикордера Брабендер по трехстадийному режиму.
Вулканизационные характеристики
оценивались при испытании на реометре 1008, смеси вулканизовались в электропрессе при 150 °С в течение 35 мин.
Физико-механические испытания ДТЭП проводились в соответствии с ГОСТ 270-75 на приборе Inspect mini 3kH при скорости растяжения 50 мм/мин.
Упруго-гистерезисные характеристики
определялись с помощью многофункционального динамического механического анализатора упругих свойств материалов NETZSCH DMA 242 C.
Результаты и их обсуждение
Контрольный образец резиновой смеси для изготовления протектора содержал 60 мас. ч. кремнеземного наполнителя Zeosil 1165 MP, в опытных образцах часть его была заменена на 5 мас. ч. органобентонитов. Испытания резиновых смесей на реометре показали, что введение органоглин практически не влияет на уровень вулканизационных характеристик смесей.
Результаты физико-механических испытаний на разрывной машине показали, что более высокий уровень основных показателей (условного напряжения при удлинении 300 %, относительного удлинения при разрыве и условной прочности при растяжении) наблюдался для вулканизатов резиновых смесей на основе каучука VSL 2438 (рис. 1 и 2).
ОрганоЬентонит
■ Вулканизат каучука У&Ь 243В □ Бул нанизат каучука \*£1.5025
Рис. 1 - Влияние типа органобентонита на величину условной прочности при разрыве
an ii зк 2" -;
ОрганоБентонит
■ Вулкан и зат каучука У51_ 2438 □ Вулкани зат каучука 502Ь
Рис. 2 - Влияние типа органобентонита на величину относительного удлинения при разрыве
Для вулканизатов этого каучука, содержащих опытные органобентониты, отмечен более высокий уровень прочности, как по сравнению с контрольным образцом, так и с вулканизатом, содержащим монтмориллонит СЫ8Йе 15А.
Для вулканизатов на основе каучука У8Ь 5025
все показатели были на уровне контроля и уступали образцу с СЫБЙе 15А.
Для определения упруго-гистерезисных свойств вулканизатов использовался метод динамического механического анализа, позволяющий зафиксировать значения модуля упругости и модуля потерь при постоянной скорости нагрева в установленном интервале температур, под действием на образец нагрузки с определенной частотой и силой. В качестве испытуемых образцов были выбраны вулканизаты резиновых смесей, обладающие лучшими физико-механическими свойствами. Результаты исследования представлены в табл. 2.
Таблица 2 - Результаты динамического механического анализа для образцов вулканизатов резиновых смесей, содержащих комбинацию наполнителей (55 мас. ч. Zeosil 1165 МР + 5 мас. ч. органоглины)
вулканизатов резиновых смесей на основе бутадиен-стирольных каучуков различной структуры, содержащих органобентониты, на сопротивление истиранию представлены на рис. 3.
Тип Органо -глина Температура, °С tg 0°С/ tg 60°С
кау- - 20 0 60
чука tg 5
Cloisite
VSL 2438 15 A 1,31 0,98 0,21 4,67
3К 0,58 1,1 0,24 4,58
2Т 0,84 0,81 0,25 3,24
3Т 0,94 0,78 0,26 3,00
Qoisite
VSL 15 A 1,3 0,95 0,26 3,65
5025 2Т 0,86 0,94 0,28 3,36
3Т 0,65 0,94 0,28 3,36
По данным табл. 2, замена 5 мас. ч. органобентонита СЫБЙе 15А на 5 мас. ч. органобентонитов отечественных месторождений во всех случаях приводит к повышению «зимнего» сцепления (т.е. снижению tg 5 при -20 °С), что особенно проявилось в случае каучука У8Ь 2438 и органобентонита 3К. Замена нанонаполнителя также проявляется в изменении величины отношения tg 0°С^ 60°С: происходит небольшое снижение сцепных свойств в случае вулканизатов каучука У8Ь 2438. В случае каучука У8Ь 5025 величина отношения tg 0°С/ tg 60°С практически не изменяется.
Для протекторных резин очень важным показателем является сопротивление истиранию, поскольку при движении автомобиля протекторная часть покрышки находится в постоянном контакте с дорожным покрытием. Результаты испытаний
* во =:
Органобентонит ■ Вулканизат каучукаVSL243S □ БулканизаткаучукаVSL5025
Рис. 3 - Влияние типа органобентонита на истираемость вулканизатов
Как видно из рис. 3, в присутствии органобентонитов (в особенности, 2Т и 3Т) достигаются наибольшие значения сопротивления истиранию.
Таким образом, результаты проведенных исследований показали, что применение органомодифицированных слоистых нанонапол-нителей может улучшить сцепные характеристики протекторов зимних и всесезонных высокоскоростных шин.
Литература
1. Пичугин А.М. Материаловедческие аспекты создания шинных резин /А.М.Пичугин// ВПК НПО «Машиностроение», Москва, 2008. - 383 с.
2. Пичугин А.М. Релаксационные свойства резин/
A.М.Пичугин, Степанова Л.И., Щербаков Ю.М.// Каучук и резина, 2006. - №2. - С. 13-16.
3. Юдин В.П. Свойства протекторных резин на основе блоксополимеров бутадиена и стирола/ Сб. «Резиновая промышленность. Сырье. Материалы. Технология. 9-я научно-практ. конф., Москва, 2002. - С. 126-129.
4. Вольфсон С.И. Исследование упруго-гистерезисных характеристик динамических термоэластопластов/ Вольфсон С.И., Охотина Н.А., Нигматуллина, А.И., Сабиров Р.К. // Вестник Казанского технологического университета. - 2012. Т.15. - № 11. - С. 100-101.
5. Охотина Н.А.. Влияние структуры бутадиен-стирольных каучуков на упруго-гистерезисные свойства протекторных резин/, С.И. Вольфсон, О.А. Кузнецова, Р.
B. Карпунин, Е.В. Новикова// Вестник Казанского технологического университета. - 2013. Т.16. - № 19. -
C. 183-185.
© Н. А. Охотина - канд. техн. наук, профессор кафедры химии и технологии переработки эластомеров КНИТУ, [email protected]; С. И. Вольфсон - д-р техн. наук, проф., зав. каф. химии и технологии переработки эластомеров КНИТУ; О. А. Панфилова - асп. той же кафедры; Р. В. Карпунин - магистрант той же кафедры; К. А. Семенов - магистрант той же кафедры.
