ФОРМИРОВАНИЕ СТРУКТУРЫ КОМПОЗИЦИОННЫХ ЭЛАСТОМЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ ПРИ СМЕШЕНИЕ ИНГРЕДИЕНТОВ

АННОТАЦИЯ

В данной статье рекомендован комплекс стандартизированных ингредиентов для получения износостойких, тепло-, морозостойких композиционных эластомерных материалов и изделий из них. Также разработаны состав композиций и технология раздельного добавления предложенных ингредиентов в состав эластомеров. Показано сокращение времени технологического процесса приготовления резиновых смесей на 5 минут в результате применения модифицированного Ангренского каолина с МФАЖК за счет уменьшения количества вулканизирующих агентов в составе смеси. Рекомендован состав эластомерной композиции для получения износостойких, тепло-, морозостойких, формующихся и неформующихся армированных резинотехнических изделий.

ABSTRACT

This article recommends a set of standardized ingredients for obtaining wear-resistant, heat-and-frost-resistant composite elastomeric materials and products from them. As well as the composition of the compositions and the technology for separate addition of the proposed ingredients to the composition of elastomers was developed. It is shown that the time of the technological process of preparing rubber mixtures by 5 minutes is shown as a result of the use of modified Angren kaolin with MFAFA due to a decrease in the amount of vulcanizing agents in the composition of the mixture. The composition of the elastomer composition is recommended for obtaining wear-resistant, heat-and-frost-resistant, shaped and non-shaped reinforced rubber products.

Ключевые слова: композиция, ингредиент, износостойкость, тепло-, морозостойкость, технология, вулканизация, вязкость, пластичность, рецепт.

Keywords: composition, ingredient, wear resistance, heat and frost resistance, technology, vulcanization, viscosity, plasticity, recipe.

Введение. В мировой практике, как известно, широко применяются композиционные металлополимерные материалы в самых различных отраслях промышленности и сельском хозяйстве. Однако до сих пор не все проблемы, связанные с повышением их физико-химических, физико-механических и эксплуатационных характеристик, решены. В связи с этим в целях производства отраслями предприятий конкурентоспособной продукции необходимо существенно повысить физико-химические, механические и эксплуатационные характеристики выпускаемых материалов, главным образом лимитирующих общую надежность конечной продукции и промышленные показатели ресурсосбережения. Практика показала, что путем подбора состава и свойств компонентов композиционных материалов (матрицы и наполнителя, их соотношения, ориентации наполнителя) можно обеспечить получение практически любых изделий с заранее заданным сочетанием эксплуатационных технологических свойств [10; 2]. Композиционные материалы являются одним из наиболее востребованных материальных ресурсов современного промышленного производства. Особенно широко и эффективно они используются в высокотехнологичных отраслях. В настоящее время нет ни одной отрасли, в которой не были бы использованы композиты. Успехи в области получения композиционных материалов предопределили разработку принципиально новых конструкций и видов композиционных и нанокомпозитных материалов, обладающих уникальными свойствами. В особо жестких условиях эксплуатации незаменимость композитов обеспечивается сочетанием таких важнейших характеристик, как высокая механическая прочность, теплостойкость, коррозионная стойкость, малая плотность [14; 15]. В свете вышеизложенного целью данной статьи является формирование структуры композиционных эластомерных материалов при смешении ингредиентов с наночастицами.

Объекты и методы исследования. В качестве объектов исследования были выбраны композиции и наполнители на основе высокомолекулярных соединений, Ангренский каолин, волластонит, фосфогипс, монтмориллонит Каракалпакстана, ГЛЕЖ, вторичный углеродистий материал, смеси оксидов металлов, костной золы, фосфотированной, алкилоламидной жирных кислот и фурановых олигомеров. Изучены физико-химические свойства вторичного сырья призводства фосфорных удобрений – фосфогипс, он состоит из СаSO₄, SiO₂, H₂O, Р₂О₅, СаSO₄, SiO₂, H₂O, Р₂О₅ и других щелочных металлов [5]. Ангренский каолин входит в состав алюмосиликатных минералов и отличается от используемого Еленинского каолина, поэтому было предложено использовать его после модификации [4]. Монтмориллонит Каракалпакстана – минерал с наночастицами, используется в эластомерных композициях для повышения износостойкости изделий [8]. Койташский волластонит входит в группу алюмосиликатных минералов, и из-за того, что он имеет волокнистую структуру, используется в целях усиления прочности композиции и ее каркаса [3]. Кизилгия (ГЛЕЖ) – минерал, входящий в состав алюмосиликатов, сформировавшихся в результате самовозгорания угля на Ангренском месторождении, добавляется в состав резиновых изделий для повышения их адгезионных свойств [1]. Вторичный углерод, образующийся в процессе производства ацетилена с учетом того, что он модифицирован при образовании с олигомером, возникающим в результате термической циклизации ацетилена, способствует улучшению специальных свойств резины [6; 11; 12; 7], в связи с этим был введен в состав композиции. Наполненные и ненаполненные стандартные смеси готовили на лабораторных смесительных вальцах RC-WW 150/330 (Rubicon, Германия) при температуре поверхности валков 50–55 °С. Вулканизацию резиновых смесей проводили при 151 °С в течение 40 мин для СКМС-30 АРКМ-15. Дозировку наполнителей при выбранном оптимальном режиме вулканизации варьировали от 10 до 60 мас.ч. на 100 мас.ч. каучука, и в рецептуре удален технический углерод. Определение вязкости по Муни резиновых смесей проводилось на вискозиметре Муни МV 2000 (Alpha Technologies, Англия). Испытание на релаксацию напряжения проводится на тех же образцах, что и вязкость по Муни, сразу после завершения измерения вязкости путем очень быстрой остановки вращения ротора и измерением падения итоговой вязкости по Муни с течением времени. Кинетика вулканизации резиновых смесей определялась на реометре ODR 2000 (Alpha Technologies, Великобритания). В ненаполненных вулканизатах методом равновесного набухания в этилацетате определяли молекулярную массу отрезка полимерной цепи между поперечными связями (М_с) и содержанием золь-фракции (S), в резиновых смесях и вулканизатах оценивали технологические и физико-механические показатели по соответствующим ГОСТам.

Обсуждение результатов.  Известно, что для получения резинотехнических изделий с заранее заданными свойствами для формирования их структуры целесообразен выбор вулканизирующих агентов. С этой точки зрения нами было изучено вторичное сырье Алмалыкского завода по производству цинка – смеси металлических оксидов (СОМ), при изучении их состава выяснилось, что они состоят в основном из оксидов Mg, Zn, Ca, Pb [9]. Также нами были исследованы фосфатированный алкилоамид жирных кислот, полученный из госсипола, отхода масло-жирового производства, а также отходы процесса первичной очистки нефти и газа – адсорбенты – алканоламины и сера в качестве вулканизирующего вещества [13]. Исследовано влияние выбранных ингредиентов на технологические, физико-механические и динамические свойства эластомерных композиций главным образом в зависимости от порядка очередности добавления ингредиентов в процессе приготовления резиновой смеси. Учитывая, что создаваемое изделие предназначено для работы в условиях с высокой вероятностью износа, а также экстремальных условиях, смесь эластомеров была выбрана СКМС-30АРКМ-15 и СКН-18 в соотношении 3:1.

В результате исследования стандартного состава был выбран следующий порядок смешивания каучука и ингредиентов (табл. 1). При этом основное внимание было уделено равномерному распределению выбранных ингредиентов для получения однородной композиции.

Таблица 1.

Параметры технологического процесса получения резиновых смесей

В таблице 2 приведены результаты исследований технологических свойств композиционных эластомерных материалов. Показано, что из разработанных рецептур 4 имеют хорошие технологические свойства и отвечают требованиям для получения резинотехнических изделий машиностроительного назначение.

Таблица 2.

Технологические свойства разработанных эластомерных композиций

Кинетика вулканизации эластомерных композиции показывает, что образование вулканизационных сеток с предложенными выше вулканизирующими ингредиентами проходит достаточно интенсивно. Установлено, что атомы вулканизирующих агентов и фурановых олигомеров способствуют максимальному поглощению монтмориллонитом на различных поверхностях, тем самым влияя на формирование более упорядоченных вулканизирующих структур. Этот эффект показывает, что сочетание инредиентов на основе местного сырья и способность к различным реакциям приводят не только к активизации, но и к ускорению процесса образования вулканизирующей структуры в композиции (табл. 3).

Таблица 3.

Влияние ингредиентов на образование вулканизирующей структуры в эластомерных композициях

Как видно из таблицы, при добавлении в состав композиции Каракалпакского монтмориллонита фурановых олигомеров скорость образования вулканизационной сетки несколько активней, что в результате приводит к уменьшению сульфидности поперечных связей. В результате изучения золь-гель-фракций композитов при добавлении монтмориллонита в состав композиции по частям совместно с фурановыми олигомерами было отмечено уменьшение интенсивности процессов старения и износа, а также существенное повышение доли активных центров в процессе вулканизации. Это доказывает взаимосвязь полученных результатов со способами приготовления резиновых смесей, структурой и химическими свойствами фурановых олигомеров и монтмориллонита. Как видно из результатов анализа, фурановый олигомер в составе композиции становится причиной дополнительного структурирования в составе вулканизующих агентов, в результате чего возрастает плотность вулканизационной сетки вулканизатов, и при этом происходит увеличение прочности композиции и уменьшается ее относительное удлинение при разрыве. Все это дает возможность целевого управления структурой композиции и ее физико-механическими свойствами. Из-за того что среди созданных нами модельных композиций выше показатели у четвертого состава, технические показатели эластомерной композиции изучались на его основе, и был определен производственный состав. В результате изучения влияния предложенных ингредиентов на комплекс свойств призводственных резин показано, что их физико-механические свойства улучшились на 25–40% и что они соответствуют требованиям ТР, ТУ, ГОСТ, ОСТ. Однако для выполнения требований, предъявляемых к резинотехническим изделиям, необходимо изменить производственные составы и технологии с учетом предлагаемой технологии, а также физико-химических свойств и структуры предложенных ингредиентов (табл. 4).

Таблица 4.

Влияние предложенных ингредиентов и технологии на эксплуатационные свойства резинотекстильных и металлокаркасных изделий

Как видно из таблицы, технологические и физико-механические свойства композиции намного выше требуемых стандартных показателей. Это показывает, во-первых, что отобранные нами ингредиенты на основе местного сырья (фурановые олигомеры, модифицированный Ангренский каолин, монтмориллонит, ФАЖК, фосфогипс, кизилгия, МУ) могут замещать стандартые ингредиенты, а во-вторых, предлагаемая технология добавления ингредиентов в композицию по частям дает возможность образования коллоидной дисперсной системы с эластомерами, что обеспечивает их равномерное распределение по всей композиции. Применение в производственном составе предложенных ингредиентов и технологии выявило возможность создания технологий по получению резинотехнических изделий с новыми показателями и условиями, т.е. при изменении соотношения каучука и ингредиентов имеется возможность получить износостойкие изделия (табл. 5).

Таблица 5.

Технологические и эксплуатационные свойства композиции для получения формовых резинотехнических изделий

Использование в производственном составе модифицированного каолина Ангренского месторождения, а в качестве пластификатора – фурановых олигомеров в составе резиновой смеси вместо оксида металла, активатора процесса вулканизации, ускорителя каптакса и наполнителя Еленинского каолина показало улучшение всех показателей при получении резинотехнических изделий (табл. 6). Были созданы состав и технология из предложенных ингредиентов на основе местного сырья, износостойкие композиционные эластомерные материалы, а также состав и технология получения изделий на их основе. Состав на 100% состоит из местного сырья. В результате были получены высокопрочные, формующиеся изделия (табл. 7).

Таблица 6.

Влияние предложенных ингредиентов и технологии на технологические и эксплуатационные свойства неформованных резинотехнических изделий, получаемых клеевыми методами

Таблица 7.

Технологические и эксплуатационные свойства композиций для получения износостойких изделий на основе разработанных составов

Эластомерные композиции, созданные в результате применения предлагаемого сырья, и резинотехнические изделия, используемые в различных условиях, полученные на их основе, были получены на основе созданных технологических условий без изменения технологического оборудования, действующего на предприятиях.

Заключение. Таким образом рекомендован комплекс стандартизированных ингредиентов для получения износостойких, тепло-, морозостойких композиционных эластомерных материалов и изделий из них на основе местного сырья. А также состав композиций и технология раздельного добавления предложенных ингредиентов в состав эластомеров. Показано сокращение времени технологического процесса приготовления резиновых смесей на 5 минут в результате применения модифицированного Ангренского каолина с МФАЖК за счет уменьшения количества вулканизирующих агентов в составе смеси. Рекомендован состав эластомерной композиции для получения износостойких, тепло-, морозостойких, формующихся и неформующихся армированных резинотехнических изделий.

Список литературы:

1. Влияние углеродсодержащего вторичного сырья на свойства эластомерных композиций / А. Ибадуллаев, А.Х. Юсупбеков, Т.Р. Абдурашидов, М.Л. Уральский // Каучук и резина. – 1987. – № 8. – С. 17–26.
2. Вострокнутов Е.Г., Новиков М.И. Современные представления о механизме смещения каучуков с ингредиентами резиновых смесей. – М. : ЦНИИТЭ нефтехимии, 1971. – С. 1–74.
3. Ибадуллаев А. Исследование и разработка эффективной технологии получения высококачественного наполнителя кизилгия для композиционных эластомерных материалов // Композиционные материалы. – 2003. – № 3. – С. 35–38.
4. Ибадуллаев А., Муфтуллаева М.Б. Изучение влияния монтмориллонита Каракалпакстана на технологические свойства эластомерных композиций // Композиционные материалы. – Ташкент, 2019. – С. 8–14.
5. Ибадуллаев А., Тешабаева Э.У. Создание и применение ингредиентов на основе местных сырьевых ресурсов и отходов производств в эластомерных композиционных материалах // Химия и химическая технология. – Ташкент, 2016. – Спецвып. – C. 66–71.
6. Ибадуллаев А., Юсупбеков А.Х. Исследование технологических свойств резиновых смесей, наполненных углеродсодержащим вторичным сырьем // Промышленность СК, шин и резинотехнических изделий. – 1988. – № 12. – С. 25–27.
7. Изучение влияния оксидов переходных металлов на кинетику вулканизации резиновых смесей и свойства композитов / Ш.С. Аминов, А.Х. Юсупбеков, А. Ибадуллаев, С.С. Негматов // Узбекский химический журнал. – 1996. – № 6. – С. 44–47.
8. Использование волластонита в качестве наполнителя резиновых смесей / А. Ибадуллаев, А.Х. Юсупбеков, И.Л. Уральский, Р.А. Горелик // Каучук и резина. – 1984. – № 8. – С. 20–22.
9. Новый ускоритель вулканизации для бутадиен-стирольных каучуков / Д.Я. Юлдашев, А.Х. Юсупбеков, А. Ибадуллаев, С.С. Негматов // Каучук и резина. – М., 1997. – № 3. – С. 46–48.
10. Усиление эластомеров / под ред. Дж. Крауса. – М. : Химия, 1968. – 216 с.
11. Ibadullaev A., Nigmatova D., Teshabaeva E. Radiation Resistance of Filled Elastomer Compositions // IOP Conference Series: Earth and Environmental Sciencethis link is disabled. – 2021. – № 808 (1).
12. International Symposium on Flow-Induced Vibration and Noise. Acoustic Phenomena and Interaction in Shear Flows over Compliant and Vibrating Surfaces / A.Kh. Yusupbekov, A. Ibadullaev, T.R. Abdurashidov, K.S. Akhmedov // Doklady. Chemical technology. – 1988. – Vol. 6, № 301-3. – P. 79–80.
13. Modifikatsiya kompozitsionnykh elastomernykh materialov polifunktsional'nogo naznacheniya [Modification of composite elastomeric materials for multifunctional purposes] / B.B. Yakubov, A. Ibadullaev, D.K. Yakubova, E.U. Teshabaeva // Universum: tekhnicheskiye nauki: elektron. nauchn. zhurn. – 2021. – № 10 (91) / [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://7universum.com/ru/tech/archive/item/12330.
14. Prospects and development of research of composite elastomer materials / B.B. Yoqubov, A. Ibadullaev, D.Q. Yoqubova, E.U. Teshabaeva // J. Sib. Fed. Univ. Chem. – 2021. – № 14 (4). – P. 464–476.
15. Reactivity of a secondary carbonaceous raw material with respect to carbon dioxide / A. Ibadullaev, A.Kh. Yusupbekov, V.A. Gorbunov, T.R. Abdurashidov // Journal of applied chemistry of the USSR. – 1986. – № 59 (11 pt. 2). – P. 2387–2389.