Полный текст

Промышленность синтетического каучука (СК) является крупнейшей отраслью нефтехимического синтеза. Множество непродовольственных товаров изготовлено на основе СК: обувные товары, игрушки, спорттовары, товары для транспорта. Для изготовления шин и резинотехнических изделий используются каучуки общего назначения: бутадиен-стирольные (СКС) и бутадиен-метилстирольные сополимеры (СКМС), которые производит предприятие ОАО «Омский каучук», занимающее одно из лидирующих мест среди российских производителей синтетического каучука. Во многих отраслях промышленности, например шинной, обувной, кабельной, требуются особые свойства резинотехнических изделий. Для получения материала с заданными свойствами в резиновую смесь вводят различные добавки, например смолу АП-У, гексол ХПИ, технический углерод, оксиды металлов и др. Для увеличения жесткости и механической прочности материала в последние годы все чаще используются в качестве добавки углеродные нанотрубки [1, 2]. Исследовано влияние многослойных углеродных нанотрубок (МУНТ) на свойства наполненных резиновых смесей и вулканизатов на основе бутадиен-нитрильного каучука [3] и политетрафторэтилена [4]. Авторами отмечается более высокая твердость модифицированного каучука и повышенная износостойкость полимерных нанокомпозитов на основе политетрафторэтилена. Целью данной работы является исследование механических характеристик синтетического каучука марки СКМС-30АРК, наполненного нанотрубками. В качестве наполнителя каучука использовались многослойные углеродные нанотрубоки Graphistrength (корпорация Arkema) диаметром 10-15 нм и длиной 1-10 мкм (рис. 1). Рис. 1. Изображение МУНТ, полученное с помощью растрового электронного микроскопа JEOL JSM-6610LV В центральной заводской лаборатории ОАО «Омский каучук» было изготовлено два образца синтетического каучука СКМС-30АРК с МУНТ и без них. Образцы каучука изготовлялись по методике солевой коагуляции по регламенту завода. Для добавления углеродных нанотрубок в каучук изготавливалась специальная суспензия. При непосредственном добавлении УНТ в эмульсию УНТ осаждались в коллоидном растворе, и всего лишь небольшая их часть попадала в каучук. Чтобы этого не происходило, отдельно изготавливалась специальная суспензия. При добавлении данной суспензии в эмульсию углеродные нанотрубки участвовали в процессе образования каучука, а небольшая часть УНТ оставалась в растворе. Образец с 4 мас. % МУНТ был исследован под растровым электронным микроскопом (РЭМ). Перед сканированием образца под микроскопом была проведена следующая подготовка образца: - погружение образца в жидкий азот; - извлечение образца из жидкого азота с последующим его изломом; - магнетронное напыление платины на образец (проведено на оборудовании JFC-1600, величина ионного тока 30 мА) [5]. Затем образец помещался на медную подложку в растровый электронный микроскоп JEOL JSM-6610LV, под которым рассматривалась область излома образца (рис. 2). Рис. 2. РЭМ-изображение образца СКМС-30АРК с УНТ На рис. 2 окружностями выделены предполагаемые области скоплений МУНТ. При использовании РЭМ можно получить более качественные изображения УНТ, но при этом требуется либо большее содержание УНТ, либо большее приближение, недостатком которого является трудность настройки для больших приближений и ограниченность приближения [6]. Для изучения механических характеристик синтетического каучука марки СКМС-30АРК были проведены эксперименты, сравнивающие механические свойства чистого каучука и каучука, наполненного нанотрубками. Были измерены такие характеристики, как на вязкость по Муни, жесткость и эластическое восстановление по Дефо. Сущность метода определения вязкости по Муни заключается в деформации образца от погруженного в него вращающегося ротора и измерении момента относительно оси ротора, вызываемого вязкоупругим сопротивлением каучука, в условных единицах Муни [7]. Для определения вязкости по Муни использовался вискозиметр Mooney 1500S. Сущность метода определения жесткости и эластического восстановления по Дефо заключается в осевом сжатии образца до заданной высоты при выбранной нагрузке и в последующем измерении высоты после снятия нагрузки. Жесткость характеризуется числовым значением осевой нагрузки (с учетом предварительной нагрузки), требующейся для сжатия образца до высоты (4 ± 0,1) мм в течение 30 с. Результаты испытаний выражают значением подобранной величины нагрузки. Эластическое восстановление характеризуется разностью между высотой образца, определенной через 30 с после снятия нагрузки, и высотой образца, сжатого под нагрузкой [8]. С помощью разрывной машины была определена условная прочность при растяжении, относительное удлинение при разрыве и относительная остаточная деформация после разрыва. Для разрывной машины изготавливается образец в виде лопатки. Зафиксировав два конца лопатки, лопатку растягивали разрывной машиной до разрыва, затем снимались показания. В приведенной таблице содержатся данные, полученные при испытании образцов. Результаты испытаний образцов из резины на основе каучука с МУНТ Наименование показателей Норма по ГОСТ 15627-79 Контрольный образец Образец с МУНТ Вязкость по Муни, ед. 46-57 51 57 Жесткость по Дефо, гс / эластическое восстановление, мм Не нормируется 750/3,1 780/3,2 Условная прочность при растяжении, МПа (кгс/см2) 27,4 (280) 28,7 (293) 28,8 (294) Относительное удлинение при разрыве, % 550-750 500 463 Относительная остаточная деформация после разрыва, % 20 10 8 Модуль упругости при 300%-ной деформации, МПа (кгс/см2) Не нормируется 14,5 (148) 17,0 (173) Из таблицы видно, что вязкость, жесткость и эластическое восстановление каучука увеличивается с добавлением нанотрубок. Условная прочность при растяжении практически не изменяется, относительная остаточная деформация после разрыва уменьшается на 2 %. Увеличение данных характеристик является невысоким, но и процентное содержание МУНТ по массе также незначительно. Также отметим, что модуль растяжения при 300%-ной деформации увеличивается на 2,5 МПа (25 кгс/см2). Относительное удлинение при разрыве уменьшается на 37 % с добавление 4 мас. % МУНТ. Жесткость материала увеличивается, относительное удлинение уменьшается. Модуль упругости при деформации 300 % увеличивается, т.е. величина силы, которую нужно приложить для растяжения материала, увеличивается, значит, материал стал более жестким, что соответствует предыдущим показателям. В работе впервые исследованы механические характеристики резинотехнического изделия на основе каучука марки СКМС-30АРК, наполненного МУНТ. Резинотехнические изделия с подобными механическими свойствами можно практически использовать в обувной и кабельной продукции. Эластическое восстановление таких изделий увеличивается на 3,2 %, т.е. материал, подверженный нагрузке, лучше приходит в исходное положение. Это улучшает эксплуатационные свойства, например, у подошвы обуви. Таким образом, можно сделать следующие выводы: 1. Проведено модифицирование каучука марки СКМС-30АРК нанотрубками. 2. Добавление МУНТ в количестве 4 % улучшает следующие механические характеристики: - жесткость по Дефо увеличивается на 4 %; - эластическое восстановление увеличивается на 3,2 %; - относительное удлинение при разрыве уменьшается на 37 %; - модуль упругости при деформации 300 % увеличивается на 17 % (с 14,5 до 17 МПа).

Об авторах

И. В Николаев

Омский государственный технический университет

Email: virverax@gmail.com

В. В Даньшина

Омский государственный технический университет

Email: danshina_v@mail.ru

Список литературы

Статистика

Просмотры

Аннотация - 20

PDF (Russian) - 9

Ссылки

• Ссылки не определены.