Научная статья на тему 'ВЛИЯНИЕ ПОЛИМЕРНОЙ ОСНОВЫ НА СВОЙСТВА РЕЗИНОВОЛОКНИСТЫХ КОМПОЗИТОВ'

ВЛИЯНИЕ ПОЛИМЕРНОЙ ОСНОВЫ НА СВОЙСТВА РЕЗИНОВОЛОКНИСТЫХ КОМПОЗИТОВ Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

CC BY
53
19
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
РЕЗИНОВОЛОКНИСТЫЕ КОМПОЗИТЫ / ПОЛИМЕРНАЯ МАТРИЦА / БУТАДИЕН-НИТРИЛЬНЫЙ КАУЧУК / ЖЕСТКОСТНЫЕ СВОЙСТВА / СОПРОТИВЛЕНИЕ ТЕПЛОВОМУ СТАРЕНИЮ / ГУМОВОЛОКНИСТі КОМПОЗИТИ / ПОЛіМЕРНА МАТРИЦЯ / БУТАДієН-НіТРИЛЬНИЙ КАУЧУК / ЖОРСТКіСНі ВЛАСТИВОСТі / ОПіР ТЕПЛОВОМУ СТАРіННЮ / RUBBER-FIBRE COMPOSITES / POLYMER MATRIX / NITRILE-BUTADIENE RUBBER / STIFFNESS PROPERTIES / HEAT AGING RESISTANCE

Аннотация научной статьи по технологиям материалов, автор научной работы — Маркова И. В.

Цель. В данной работе предполагается исследовать влияние каучуков общего и специального назначения в качестве полимерной матрицы на жесткостные, прочностные свойства резиноволокнистых композитов и их сопротивление тепловому старению. Методика. Резиноволокнистые композиты изготавливали на основе каучуков общего (изопреновый, бутадиен-стирольный, дивиниловый) и специального (бутадиеннитрильный) назначения. В качестве армирующих волокон использовали полиамидное, хлопковое и стекло - волокна. Для обеспечения высокой прочности связи армирующих волокон с матрицей в резины вводили химический модификатор м-фенилен-бис-малеинимид. Резиновые смеси изготавливали в резиносмесителе. Волокно в резиновую матрицу вводили на вальцах при зазоре между валками 1,0-1,5 мм. В конце смешения полученную смесь 3 раза пропускали через зазор вальцев 0,3-0,5 мм, не меняя направления вальцевания. Вулканизацию образцов проводили в гидравлическом прессе с паровым обогревом при температуре 143 °С и оптимальном времени вулканизации. Для определения модуля жесткости резиноволокнистых композитов при малых деформациях (5, 20 %) растяжения снимали нагрузочную кривую (зависимость нагрузки от деформации) для образца в виде двухсторонней лопатки. По полученной кривой определяли напряжение в образце, соответствующее деформации. Тепловое старение вулканизатов осуществляли в воздушном термостате при 120 °С в течение 96 часов. Результаты. Показано, что армирование короткими волокнами резин на основе каучуков не только общего, но и специального назначения позволяет значительно повысить их жесткостные свойства и сопротивление тепловому старению при сохранении необходимого уровня прочностных характеристик. Максимальные жесткостные характеристики резиноволокнистых композитов достигаются при применении комбинации армирующих волокон. Научная новизна. Впервые была показана возможность создания резиноволокнистых композитов на основе бутадиен-нитрильной эластомерной матрицы с высокими показателями жесткостных, прочностных свойств, а также сопротивления тепловому старению. Практическая значимость. Полученные результаты открывают перспективы разработки материалов для шевронных уплотнителей и других конструкционных элементов, где необходимы высокие показатели не только жесткости и теплостойкости, но и маслостойкости.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по технологиям материалов , автор научной работы — Маркова И. В.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

INFLUENCE OF THE POLYMERIC BASIS ON THE PROPERTIES OF RUBBER-FIBER COMPOSITES

Purpose. This study investigates the influence of common and special rubbers as a polymer matrix on the stiffness, strength properties of rubber-fiber composites and their resistance to heat aging. Methodology. Rubber-fibre composites were made on the basis of general (isoprene, styrene-butadiene, divinyl) and special (nitrile-butadiene) rubbers. Polyamide, cotton and fiberglass were used as reinforcing fibers. To ensure high bond strength of the reinforcing fibers with the matrix, the chemical modifier m-phenylene-bis-maleimide was introduced into the rubber. Rubber mixtures were made in a rubber mixer. The fibre in the rubber matrix was introduced on the rollers with a gap between the rolls of 1.0 ÷ 1.5 mm. At the end of mixing, the mixture was passed three times through the gap of rollers 0.3 ÷ 0.5 mm without changing the direction of rolling. Vulcanization of the samples was carried out in a hydraulic press with steam heating at a temperature 143 °C and the optimum time of vulcanization. To determine the stiffness modulus of rubber-fiber composites with small deformations (5%, 20%) of tension, the load curve was received (strain deformation dependency) for the sample in the form of a double-sided blade. According to the obtained curve, the tension in the sample corresponding to the strain was determined. Thermal aging of the vulcanizates was carried out in an air thermostat at 120 °C for 96 hours. Findings. The article shows that the reinforcement of vulcanized rubbers based not only on common rubbers, but also on the rubbers of special purposes by short fibres allows significantly increasing their stiffness properties and resistance to heat aging at maintaining the required level of strength characteristics. The maximum stiffness characteristics of rubber-fiber composites were achieved by using a combination of reinforcing fibres. Originality. For the first time, the possibility of creating rubber-fibre composites based on a nitrile-butadiene elastomer matrix with high rates of stiffness, strength properties, as well as resistance to heat aging was shown. Practical value. The obtained results open the prospects for the development of materials for chevron seals and other constructive elements where high rates of not only stiffness and heat resistance, but also oil resistance were necessary.

Текст научной работы на тему «ВЛИЯНИЕ ПОЛИМЕРНОЙ ОСНОВЫ НА СВОЙСТВА РЕЗИНОВОЛОКНИСТЫХ КОМПОЗИТОВ»

Наука та прогрес транспорту. Вюник Дншропетровського нащонального унiверситету залiзничного транспорту, 2018, № 6 (78)

МАТЕР1АЛОЗНАВСТВО

УДК 678.4.046.7

И. В. МАРКОВА1*

'"Каф. «Химия и инженерная экология», Днепропетровский национальный университет железнодорожного транспорта имени академика В. Лазаряна, ул. Лазаряна, 2, Днипро, Украина, 49010, тел. +38 (099) 425 35 77, эл. почта [email protected], ORCID 0000-0001-7867-5380

ВЛИЯНИЕ ПОЛИМЕРНОЙ ОСНОВЫ НА СВОЙСТВА РЕЗИНОВОЛОКНИСТЫХ КОМПОЗИТОВ

Цель. В данной работе предполагается исследовать влияние каучуков общего и специального назначения в качестве полимерной матрицы на жесткостные, прочностные свойства резиноволокнистых композитов и их сопротивление тепловому старению. Методика. Резиноволокнистые композиты изготавливали на основе каучуков общего (изопреновый, бутадиен-стирольный, дивиниловый) и специального (бутадиен-нитрильный) назначения. В качестве армирующих волокон использовали полиамидное, хлопковое и стекло -волокна. Для обеспечения высокой прочности связи армирующих волокон с матрицей в резины вводили химический модификатор м-фенилен-бис-малеинимид. Резиновые смеси изготавливали в резиносмесителе. Волокно в резиновую матрицу вводили на вальцах при зазоре между валками 1,0-1,5 мм. В конце смешения полученную смесь 3 раза пропускали через зазор вальцев 0,3-0,5 мм, не меняя направления вальцевания. Вулканизацию образцов проводили в гидравлическом прессе с паровым обогревом при температуре 143 °С и оптимальном времени вулканизации. Для определения модуля жесткости резиноволокнистых композитов при малых деформациях (5, 20 %) растяжения снимали нагрузочную кривую (зависимость нагрузки от деформации) для образца в виде двухсторонней лопатки. По полученной кривой определяли напряжение в образце, соответствующее деформации. Тепловое старение вулканизатов осуществляли в воздушном термостате при 120 °С в течение 96 часов. Результаты. Показано, что армирование короткими волокнами резин на основе каучуков не только общего, но и специального назначения позволяет значительно повысить их жесткостные свойства и сопротивление тепловому старению при сохранении необходимого уровня прочностных характеристик. Максимальные жесткостные характеристики резиноволокнистых композитов достигаются при применении комбинации армирующих волокон. Научная новизна. Впервые была показана возможность создания резиноволокнистых композитов на основе бутадиен-нитрильной эластомерной матрицы с высокими показателями жесткостных, прочностных свойств, а также сопротивления тепловому старению. Практическая значимость. Полученные результаты открывают перспективы разработки материалов для шевронных уплотнителей и других конструкционных элементов, где необходимы высокие показатели не только жесткости и теплостойкости, но и маслостойкости.

Ключевые слова: резиноволокнистые композиты; полимерная матрица; бутадиен-нитрильный каучук; жесткостные свойства; сопротивление тепловому старению

Введение

Создание композитных материалов является наиболее перспективным направлением современного материаловедения [10, 11]. Так, например, армирование резин короткими волокнами позволило заметно увеличить жесткость материала [8, 9], его теплостойкость,

а также снизить теплообразование, оптимизируя гистерезисные свойства [4]. Однако эти исследования предусматривают оптимизацию шинных резин, поэтому в качестве полимерной матрицы использованы каучуки общего назначения (НК, СКИ и его комбинация с БСК).

Вместе с тем каучуки специального назначения, обладающие рядом уникальных свойств,

Наука та прогрес транспорту. Вюник Дншропетровського нащонального унiверситету залiзничного транспорту, 2018, № 6 (78)

также представляют интерес для создания ре-зиноволокнистых композитов, например, как материала для шевронных уплотнений. Шевронные уплотнения [6] широко используют в машиностроении, химической, фармацевтической и нефтеперерабатывающей промышленности. Их устанавливают в плунжерных насосах, измерительных приборах, гидравлических цилиндрах и вращающихся механизмах. Режим работы таких деталей определяет жесткие требования к материалу для их изготовления. Он должен обладать, наряду с достаточной прочностью, высокой жесткостью и сопротивлением тепловому старению. Известна работа, описывающая резиноволокнистые композиты на основе бутадиен-стирольных каучуков, однако свойства представленных там композитов не отвечают необходимым требованиям [5]. Кроме того, если уплотнитель контактирует с маслами, немаловажное значение приобретает маслостойкость материала. Этим качеством в гораздо большей степени, чем резины на основе каучуков общего назначения, обладают резины на основе нитрильных каучуков. Однако работ, посвященных исследованию нитрильных резин, армированных волокнами, крайне мало. Предпринималась попытка наполнять эластомеры на основе нитрильных каучуков очень малыми количествами углеродных волокон [3, 7], но заметного эффекта это не дало.

Цель

Основной целью данной работы является исследование свойств резиноволокнистых материалов на различной полимерной основе.

Методика

Были исследованы резины на основе каучу-ков общего и специального назначения, содержащие различные типы волокнистых наполнителей: полиамидное и хлопковое волокно короткой длины (4-6 мм), а также стекловолокно, аппретированное у- аминопропилтриэтоксиси-ланом. Начальная длина стекловолокна 90-110 мм, однако в процессе изготовления резиново-локнистых композитов длина стекловолокна уменьшается до 1-3 мм. Свойства композитов в значительной степени определяют уровнем адгезии коротких волокон к резине [12]. В ка-

Creative Commons Attribution 4.0 International doi: 10.15802/stp2018/154441

честве модификатора, обеспечивающего высокую прочность связи армирующих волокон с эластомерной матрицей, в композиты вводили м-фенилен-бис-малеинимид [1]. Резины содержали также серу, ускорители вулканизации и наполнители. Для повышения эффективности м-фенилен-бис-малеинимида в резиновую матрицу вводили стеарат натрия [2].

Изготовление резиновых смесей производили в резиносмесителе, а армирующие волокна вводили на вальцах. Необходимо было обеспечить направленное, а не хаотичное расположение волокон в композите. Это было достигнуто режимом вальцевания. Волокна перемешивали с резиновой матрицей при зазоре вальцев 1,0-1,5 мм. В конце перемешивания полученный композит 3 раза пропускали через зазор вальцев 0,3-0,5 мм, не меняя направления вальцевания.

Полученные образцы вулканизовали в гидравлическом прессе с паровым обогревом. Температура вулканизации 143 оС.

Жесткостные свойства резиноволокнистых композитов определяли по модулю жесткости при 5 и 20 % деформации растяжения. Для этого снимали кривую зависимости нагрузки от деформации для образца в виде двусторонней лопатки, и по полученной кривой определяли напряжение в образце при данной деформации.

Для теплового старения образцов использовали воздушный термостат.

Результаты

Резиноволокнистые композиты, созданные на основе сочетания полимеров СКИ-3 + БСК + СКД (60 + 30 + 10), БСК (100) и БСК + СКД (70 + 30), обладали высокими прочностными и жесткостными свойствами. Введение волокон позволило повысить прочность материала на 5-60 % по сравнению с полимерной матрицей. Жесткость же материала выросла гораздо существеннее. Свойства матриц и композитов приведены в табл. 1.

Сопоставительная оценка свойств резиново-локнистых композитов на основе маслостойких каучуков марок СКН-18 и СКН-40 показала преимущество каучука СКН-40.

Было исследовано также влияние соагентов различной природы на свойства композитов.

Наука та прогрес транспорту. Вюник Дншропетровського нащонального ушверситету з^зничного транспорту, 2018, N° 6 (78)

Установлено, что оптимальный комплекс прочностных и жесткостных свойств резиноволок-нистых композитов на основе СКН-40 достигается при введении перекиси дикумила. Кроме того, композиты на основе СКН-40 имеют су-

щественное преимущество перед композитами на основе каучуков общего назначения по сохранению свойств в условиях длительного старения при высокой температуре (120° х 96 час). Полученные данные представлены в табл. 2.

Влияние типа каучука на свойства резиноволокнистых композитов

Influence of the rubber type on the properties of rubber-fiber composites

Таблица 1

Table 1

Полимерная основа:

СКИ-3 60 - -

СКМС-30 АРКМ-15 30 100 70

СКД 10 - 30

Свойства матрицы:

Прочность связи по Н-методу с кордом 23 к сур, кН/м 13,0 17,7 18,8

Условное напряжение при удлинении 300 %, МПа 11,8 7,1 7,0

Условная прочность при растяжении, МПа 20,4 16,4 15,0

Относительное удлинение при разрыве, % 490 610 560

Сопротивление раздиру, кН/м 67 69 -

Свойства композитов (10 об. % ПА волокна):

Модуль жесткости при 5 % удлинения, МПа 79,0 90,6 108,5

Модуль жесткости при 20 % удлинения, МПа 61,3 69,2 90,4

Условная прочность при растяжении, МПа 21,5 24,2 24,4

Относительное удлинение при разрыве, % 43 44 32

Свойства резиноволокнистых композитов на основе СКН-40

Properties of NBR-40 rubber-fiber composites

Таблица 2

Table 2

Свойства матрицы: Прочность связи по Н-методу с кордом 23 к сур, кН/м Условное напряжение при удлинении 300 %, МПа Условная прочность при растяжении, МПа Относительное удлинение при разрыве, % Свойства композитов (10 об. % ПА волокна) Модуль жесткости при 5 % удлинении, МПа при н. у.

после старения 120о х 96 час Модуль жесткости при 20 % удлинении, МПа при н,у. после старения 120о х 96 час Условная прочность при растяжении, МПа при н.у. после старения 120о х 96 час

14,8 9,8 20,1 580

94,0 127,0 747 110,4 237

Наука та прогрес транспорту. Вюник Дншропетровського нащонального ушверситету залiзничного транспорту, 2018, N° 6 (78)

Продовження табл.1 Continuation of Table 1

Относительное удлинение при разрыве, % после старения 120о х 96 час Накопление относительной остаточной деформации при 20 % сжатия после старения 150о х 24 час

Представляло интерес исследовать возможность дальнейшего повышения жесткостных характеристик материала. Увеличение жесткости было достигнуто двумя путями:

- повышением концентрации технического углерода;

296 43 23 13

- введением волокон с высоким модулем жесткости (хлопкового и стекловолокна) дополнительно к ПА волокну.

Резины изготавливали на основе 100 м. ч. БСК и 100 м. ч. СКН - 40. Полученные результаты представлены в табл. 3 и 4

Влияние типа наполнителя на свойства резиноволокнистых композитов на основе БСК

The influence of the type of fillers on the properties of styrene butadiene rubber-fiber composites

Таблица 3

Table 3

Наполнители

П324, м. ч. - 50 60 70

П234, м. ч. 50 - - -

ПА волокно,об % 10 10 10 10

Хлопковое волокно,об % - - 20 -

Свойства матрицы:

Прочность связи по Н-методу с кордом 23 к сур, кН/м 17,7 - 13,1 16,1

Условное напряжение при удлинении 300 %, МПа 7,1 10,4 13,3 13,6

Условная прочность при растяжении, МПа 16,4 16,3 18,0 15,8

Относительное удлинение при разрыве, % 610 490 390 340

Сопротивление раздиру, кН/м 69 65 57 62

Свойства композитов:

Модуль жесткости при 5 % удлинения, МПа 90,6 87,9 130,9 92,6

Модуль жесткости при 20 % удлинения, МПа 69,2 77,9 73,9 78,8

Условная прочность при растяжении, МПа 24,2 22,2 18,6 20,3

Относительное удлинение при разрыве, % 44 31 22 34

Как следует из приведенных данных, увеличение концентрации технического углерода для резиноволокнистых композитов на основе СКН -40 с 50 до 70 м. ч. повышает модуль жесткости материала примерно на 15 %. Наиболее высокие жесткостные характеристики композитов

(как на основе СКН-40, так и на основе БСК) достигаются при применении комбинации волокон полиамидного и хлопкового. В этом случае модуль жесткости удалось повысить на 3040 %, при этом прочностные свойства материала остаются на достаточно высоком уровне.

© И. В. Маркова, 2018 121

Наука та прогрес транспорту. Вюник Дншропетровського нащонального ушверситету залiзничного транспорту, 2018, № 6 (78)

Влияние типа наполнителей на свойства резиноволокнистых композитов на основе СКН-40

The influence of the type of fillers on the properties of NBR-40 rubber-fiber composites

Таблица 4

Table 4

Наполнители:

П324, м.ч. 50 70 50 50

ПА волокно, об % 10 10 10 10

Хлопковое волокно, об % - - 20 -

Стекловолокно, об % - - - 10

Свойства матрицы:

Прочность связи по Н-методу с кордом 23 к сур, кН/м 14,8 11,9 12,2 11,8

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Условное напряжение при удлинении 300 %, МПа 9,7 - 11,8 11,0

Условная прочность при растяжении, МПа 20,1 19,0 20,5 19,0

Относительное удлинение при разрыве, % 580 280 480 490

Сопротивление раздиру, кН/м - 59 61 58

Свойства композитов:

Модуль жесткости при 5 % удлинения, МПа 94,0 119,3 124,2 104,0

Модуль жесткости при 20 % удлинения, МПа 74,7 106,2 83,0 79,4

Условная прочность при растяжении, МПа 23,7 27,9 19,4 19,5

Относительное удлинение при разрыве, % 43 30 30 34

Научная новизна и практическая значимость

Впервые установлена возможность создания резиноволокнистых композитов на основе мас-лостойкого бутадиен-нитрильного каучука марки СКН-40, обладающих оптимальным комплексом жесткостных, прочностных свойств и сопротивлением тепловому старению. Это дает возможность создавать композиционные материалы для маслостойких шевронных уплотнений. Как правило, шевронные уплотнения армируют обрезиненными техническими тканями для обеспечения необходимой жесткости. Резиноволокнистые композиты

позволяют отказаться от тканевых прослоек, заметно снизив, тем самым, трудоемкость изготовления шевронных уплотнений.

Выводы

Показано, что введение волокон различной природы в полимерную матрицу на основе кау-чуков не только общего, но и специального назначения позволяет значительно повысить жесткостные свойства материала и его сопротивление тепловому старению. Существенно важным является тот факт, что при этом удается сохранить необходимый уровень прочностных характеристик материала.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Гришин, Б. С. Материалы резиновой промышленности (информационно-аналитическая база данных) : в 2 ч. : монография / Б. С. Гришин. - Казань : Изд-во Казан. гос. технол. ун-та, 2010. - Ч. 2. - 485 с.

2. Дзюра Е.А. Увеличение эффективности бис-малеинимидов, как модификаторов адгезии резин к полиамидным монофиламентным и комплексным нитям // Резиновая промышленность: сырье, материалы, технология : Тез. докл. ХХ Межд. научн.-практ. конф. - Москва, 2015. - С. 100-102.

3. Красникова, И. В. Создание углерод-углеродных и углерод-минеральных гибридных систем методом каталитического наномодифицирования : дис ... канд. хим. наук : 02.00.04 / Красникова Ирина Вадимовна ; ин-т катализа им. Г. К. Борескова Сибирского отд. РАН. - Новосибирск, 2017. - 186 с.

Creative Commons Attribution 4.0 International

doi: 10.15802/stp2018/154441 © И. В. Маркова, 2018

Наука та прогрес транспорту. Вюник Дншропетровського нащонального ушверситету залiзничного транспорту, 2018, № 6 (78)

4. Маркова, И. В. Гистерезисные свойства и теплообразование резиноволокнистых композитов / И. В. Маркова, Е. А. Дзюра // Вопросы химии и хим. технологии. - 2011. - № 3. - С. 59-62.

5. Никулин, С. С. Композиционные материалы на основе наполненных бутадиен-стирольных каучуков / С. С. Никулин, И. Н. Пугачева, О. Н. Черных. - Москва : Академия Естествознания, 2008. - 160 с.

6. Справочник химика 21 [Электронный ресурс] : Химия и химическая технология. - Режим доступа: chem21 .info/info/820459 - Загл. с экрана. - Проверено : 02.01.2019.

7. Шадринов, Н. В. Модификация резины В-14 углеродными волокнами [Электронный ресурс] / Н. В. Шадринов // Научный журнал КубГАУ. - 2016. - № 115 (01). Режим доступа: https://cyberleninka.rU/article/v/modifikatsiya-reziny-v-14-uglerodnymi-voloknami - Загл. с экрана. - Проверено : 02.01.2019.

8. Karaagag, B. Properties of NR and NR/ENR Based Rubber Compounds Reinforced with Chopped and Sized Carbon Fiber / В. Karaagag, B. N. Ye§il // Anadolu University Journal of Science and Technology A - Applied Sciences and Engineering. - 2016. - Vol. 17. - Iss. 5. - P. 926-935. doi: 10.18038/aubtda.279860

9. Kashani, M. R. Aramid-short-fiber reinforced rubber as a tire tread composite / Mehdi Razzaghi Kashani // Journal of Applied Polymer Science. - 2009. - Vol. 113. - Iss. 2. - Р. 1355-1363. doi: 10.1002/app.30026

10. Materials for Wind Turbine Blades: An Overview / L. Mishnaevsky, К. Branner, Н. Petersen, J. Beauson, М. McGugan, В. S0rensen // Materials. - 2017. - Vol. 10. - Iss. 11. - P. 1285. doi: 10.3390/ma10111285

11. Manufacturing Technology of Composite Materials - Principles of Modification of Polymer Composite Materials Technology Based on Polytetrafluoroethylene / A. Panda, K. Dyadyura, J. Valicek, M. Harnicarova, J. Zajac, V. Modrak, I. Pandova, P. Vrabel, E. Novakova-Marcincinova, Z. Pavelek // Materials. - 2017. -Vol. 10. - Iss. 4. - P. 377-397. doi: 10.3390/ma10040377

12. Sobhy, M. S. The Influence of Fiber Length and Concentration on the Physical Properties of Wheat Husk Fibers Rubber Composites / Maged S. Sobhy, M. T. Tammam // International Journal of Polymer Science. -2010. - Vol. 2010. - Р. 1-8. doi: 10.1155/2010/528173

I. В. МАРКОВА1*

'*Каф. <Жмш та шженерна еколопя», Дншропетровський нацюнальний ушверситет з^зничного транспорту iменi ака-демжа В. Лазаряна, вул. Лазаряна, 2, Дтпро, Украша, 49010, тел. +38 (099) 425 35 77, ел. пошта [email protected], ORCID 0000-0001-7867-5380

ВПЛИВ ПОЛ1МЕРНО1 ОСНОВИ НА ВЛАСТИВОСТ1 ГУМОВОЛОКНИСТИХ КОМПОЗИТ1В

Мета. У цш робот передбачено дослвдити вплив каучушв загального та спещального призначення як полiмерноi матриц на жорстшсш властивосл, мщшсть гумоволокнистих композипв та !х отр тепловому старшню. Методика. Гумоволокнисл композити виготовляли на основi каучушв загального ^зопреновий, бутадieн-стирольний, дившшовий) i спещального (бутадieн-нiтрильний) призначення. Як армувальш волокна використовували полiамiдне, бавовняне та скло - волокна. Для забезпечення високо1' мщносп зв'язку ар-мувальних волокон iз матрицею в гуми вводили хiмiчний модифiкатор м-фенiлен-бiс-малеiнiмiд. Гумовi сумiшi виготовляли в гумозмiшувачi. Волокно в гумову матрицю вводили на вальцях за зазору мiж валками 1,0-1,5 мм. Напришнщ змiшування отриману сумiш 3 рази пропускали ^зь зазор вальщв 0,3-0,5 мм, не змiнюючи напрямку вальцювання. Вулканiзацiю зразкiв проводили в гiдравлiчному пресi з паровим об^ь вом за температури 143 °С та оптимального часу вулканiзацii. Для визначення модуля жорсткостi гумоволокнистих композипв за малих деформацiй (5, 20 %) розтягування знiмали навантажувальну криву (залеж-нiсть навантаження вщ деформацii) для зразка у виглядi двосторонньоi' лопатки. За отриманою кривою ви-значали напругу у зразку, що вiдповiдаe деформацii. Теплове старшня вулканiзатiв здiйснювали в повiтря-ному термостатi за 120 °С протягом 96 годин. Результати. Показано, що армування короткими волокнами гум на основi каучукiв не тiльки загального, але й спецiального призначення дозволяе значно пiдвищити i^ жорсткiснi властивосп й опiр тепловому старiнню зi збереженням необхiдного рiвня мiцностi. Максимальш жорсткiснi характеристики гумоволокнистих композитiв досягаються в разi застосування комбiнацii арму-вальних волокон. Наукова новизна. Уперше була показана можливють створення гумоволокнистих композипв на основi бутадiен-нiтрильноi еластомерноi матрицi з високими показниками жорсткостi, мiцностi, а також опору тепловому старшню. Практична значимкть. Отримаш результати вiдкривають перспективи Creative Commons Attribution 4.0 International

doi: 10.15802/stp2018/154441 © И. В. Маркова, 2018

Наука та прогрес транспорту. Вюник Дншропетровського нащонального ушверситету залiзничного транспорту, 2018, № 6 (78)

розробки матерiалiв для шевронних ущiльнювачiв та iнших конструкцiйних елеменпв, де необхiднi висок! показники не тшьки жорсткостi й теплостiйкостi, але й маслостшкостг

Ключовi слова: гумоволокнисп композити; полiмерна матриця; бутадieн-нiтрильний каучук; жорстшсш властивостi; опiр тепловому старшню

I. V. MARKOVA1*

'*Dep. «Chemistry and Engineering Ecology», Dnipropetrovsk National University of Railway Transport named after Academician V. Lazaryan, Lazaryan St, 2, Dnipro, Ukraine, 49010, tel. +38 (099) 425 35 77, e-mail [email protected], ORCID 0000-0001-7867-5380

INFLUENCE OF THE POLYMERIC BASIS ON THE PROPERTIES OF RUBBER-FIBER COMPOSITES

Purpose. This study investigates the influence of common and special rubbers as a polymer matrix on the stiffness, strength properties of rubber-fiber composites and their resistance to heat aging. Methodology. Rubber-fibre composites were made on the basis of general (isoprene, styrene-butadiene, divinyl) and special (nitrile-butadiene) rubbers. Polyamide, cotton and fiberglass were used as reinforcing fibers. To ensure high bond strength of the reinforcing fibers with the matrix, the chemical modifier m-phenylene-bis-maleimide was introduced into the rubber. Rubber mixtures were made in a rubber mixer. The fibre in the rubber matrix was introduced on the rollers with a gap between the rolls of 1.0 1.5 mm. At the end of mixing, the mixture was passed three times through the gap of rollers 0.3 + 0.5 mm without changing the direction of rolling. Vulcanization of the samples was carried out in a hydraulic press with steam heating at a temperature 143 °C and the optimum time of vulcanization. To determine the stiffness modulus of rubber-fiber composites with small deformations (5%, 20%) of tension, the load curve was received (strain deformation dependency) for the sample in the form of a double-sided blade. According to the obtained curve, the tension in the sample corresponding to the strain was determined. Thermal aging of the vulcaniza-tes was carried out in an air thermostat at 120 °C for 96 hours. Findings. The article shows that the reinforcement of vulcanized rubbers based not only on common rubbers, but also on the rubbers of special purposes by short fibres allows significantly increasing their stiffness properties and resistance to heat aging at maintaining the required level of strength characteristics. The maximum stiffness characteristics of rubber-fiber composites were achieved by using a combination of reinforcing fibres. Originality. For the first time, the possibility of creating rubber-fibre composites based on a nitrile-butadiene elastomer matrix with high rates of stiffness, strength properties, as well as resistance to heat aging was shown. Practical value. The obtained results open the prospects for the development of materials for chevron seals and other constructive elements where high rates of not only stiffness and heat resistance, but also oil resistance were necessary.

Key words: rubber-fibre composites; polymer matrix; nitrile-butadiene rubber; stiffness properties; heat aging resistance

REFERENCES

1. Grishin, B. S. (2010). Materialy rezinovoy promyshlennosti (informatsionno-analiticheskaya baza dannykh): monografiya. (Vol. 1-2). Kazan: Izdatelstvo Kazanskogo gosudarstvennogo tekhnologicheskogo universiteta. (in Russian)

2. Dzyura, Y. A. (2015). Uvelichenie effektivnosti bis-maleinimidov, kak modifikatorov adgezii rezin k poli-amidnym monofilamentnym i kompleksnym nityam. Rezinovaya promyshlennost: syre, materialy, tekhnologi-ya : Tezisy dokladov KhKh Mezhdunarodnoy nauchno-prakticheskoy konferentsii. Moscow. (in Russian)

3. Krasnikova, I. V. (2017). Sozdanie uglerod-uglerodnykh i uglerod-mineralnykh gibridnykh sistem metodom kataliticheskogo nanomodifitsirovaniya. (Dysertatsiia kandydata khimicheskikh nauk). Institut kataliza im. G. K. Boreskova Sibirskogo otdeleniya Rossiyskoy akademii nauk. Novosibirsk. (in Russian)

4. Markova, I. V., & Dzyura, Y. A. (2011). Gisterezisnye svoystva i teploobrazovanie rezinovoloknistykh kompozitov. Voprosy khimii i khimicheskoy tekhnologii, 3, 59-62. (in Russian)

5. Nikulin, S. S., Pugacheva, I. N., & Chernykh, O. N. (2008). Kompozitsionnye materialy na osnove napolnen-nykh butadien-stirolnykh kauchukov. Moscow: Akademiya Yestestvoznaniya. (in Russian)

Наука та прогрес транспорту. Вюник Дншропетровського нащонального ушверситету залiзничного транспорту, 2018, № 6 (78)

6. Spravochnik khimika 21. Khimiya i khimicheskaya tekhnologiya. Retrieved from chem21.info/info/820459 (in Russian)

7. Shadrinov, N. V. (2016). Modifikatsiya reziny V-14 uglerodnymi voloknami. Nauchnyy zhurnal KubGAU, 115(01). Retrieved from https://cyberleninka.ru/article/v/modifikatsiya-reziny-v-14-uglerodnymi-voloknami. (in Russian)

8. Karaagag, B., & Ye§il, B. N. (2016). Properties of NR and NR/ENR Based Rubber Compounds Reinforced with Chopped and Sized Carbon Fiber. Anadolu University Journal of Science and Technology A - Applied Sciences and Engineering, 17(5), 926-935. doi: 10.18038/aubtda.279860

9. Kashani, M. R. (2009). Aramid-short-fiber reinforced rubber as a tire tread composite. Journal of Applied Polymer Science, 113(2), 1355-1363. doi: 10.1002/app.30026 (in English)

10. Mishnaevsky, L., Branner, K., Petersen, H., Beauson, J., McGugan, M., & S0rensen, B. (2017). Materials for Wind Turbine Blades: An Overview. Materials, 10(11), 1285. doi: 10.3390/ma10111285 (in English)

11. Panda, A., Dyadyura, K., Valicek, J., Harnicarova, M., Zajac, J., Modrak, V., ... Pavelek, Z. (2017). Manufacturing Technology of Composite Materials - Principles of Modification of Polymer Composite Materials Technology Based on Polytetrafluoroethylene. Materials, 10(4), 377-397. doi: 10.3390/ma10040377 (in English)

12. Sobhy, M. S., & Tammam, M. T. (2010). The Influence of Fiber Length and Concentration on the Physical Properties of Wheat Husk Fibers Rubber Composites. International Journal of Polymer Science, 2010, 1-8. doi: 10.1155/2010/528173 (in English)

Поступила в редколлегию: 02.08.2018 Принята к печати: 30.11.2018

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.