VIII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2016

Исследованы свойства резины на основе эпихлоргидринового (СКЭПХГ) каучука, модифицированного углеродными нанотрубками. Проведено исследование структуры углеродных нанотрубок. Изучен элементный состав, получены электронные микрофотографии образцов при различных масштабах на электронном микроскопе. Проведены эксперименты по определению физико-механических, износостойких и релаксационных свойств резин.

1. Введение

В настоящее время выход из строя машин, механизмов и их внеплановых простоев в зимнее время в климатических условиях Республики Саха (Якутия), связаны с разрушением или частичной потерей работоспособности резиновых деталей уплотнительного назначения. Основными причинами существующего положения являются недостаточная морозостойкость деталей вследствие неправильного выбора эластомерной основы или снижение низкотемпературных характеристик материала при совместном воздействии климатических и эксплуатационных факторов [2].

Для надежной работы эластомерных материалов в экстремальных климатических условиях Севера, они должны обладать повышенным уровнем эксплуатационных характеристик. Возникает потребность в резинах с высокой морозостойкостью, стойкостью в углеводородных средах и прочностью. Достижение в одном эластомерном материале комплекса разных по своей природе свойств: высоких физико-механических, маслостойких, релаксационных и низкотемпературных характеристик - довольно сложная задача. Она достигается разнообразными рецептурно-технологическими способами, один из которых – модификация резин органическими и неорганическими нанонаполнителями.

Углеродные нанотрубки (УНТ) с момента их открытия Инжимой в 1991 году стали объектом исследований во всем мире благодаря их уникальной структуре и целому ряду интересных свойств. Одно из перспективных направлений исследований УНТ связано с их применением в полимерных композиционных материалах. Наполнение полимера малым количеством УНТ приводит к упрочнению, появлению проводимости, радиопоглощающих свойств и т.д. В связи с этим, мы провели исследования по возможности улучшения свойств резины на основе эпихлоргидринового каучука посредством введения в нее углеродных наночастиц [1].

Целью данной работы является разработка материалов на основе эпихлоргидринового каучука, наиболее полно удовлетворяющих условиям эксплуатации в Республике Саха Якутии, с помощью модификации углеродным нанонаполнителем.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

• Изучение структуры углеродных нанотрубок

• Разработка технологии и изготовление смесей с различным содержанием УНТ

• Изучение физико-механических свойств, износостойкости, остаточной деформации сжатия резин, стойкости резин к воздействию жидких сред.

1. Объекты и методы исследования

Объектом исследований являлись резиновые смеси на основе эпихлоргидринового каучука, содержа­щие от 0,05 до 10 мас.ч. углеродных нанотрубок, представляющие собой нановолокна.

Эпихлоргидриновые каучуки (СКЭПХГ) занимают особое положение в ряду топливо- и термостойких каучуков специального назначения: они обладают сочетанием таких свойств, как
бензо-, термостойкость, и в главную очередь обладают хорошей морозостойкостью, область температурной эксплуатации: от -60°С до +135°С. Однако, они еще мало изучены и крайне ограниченно используются в РФ для производства деталей уплотнительного назначения [10].

Резиновые смеси готовили в универсальном смесительном оборудовании Пластикордер Брабендер. Смешивание проводили при 50 °С в течении 15 минут затем вулканизовали на гидравлическом прессе GT-7014-H10C.

При проведении исследований использовали сле­дующие методы и оборудование. Микроскопические исследования и элементный анализ УНТ проводили на растровом электронном микроскопе JSM-7800F фирмы JEOL с рентгеноспектральной приставкой элементного анализа X-max20 фирмы OXFORD. Физико-механические свойства исследованы на разрывной машине Autograph AGS-J, оснащенной персональным компьютером и позволяющей проводить статистическую обработку результатов. Испытания проводили в соответствие с ГОСТ 270-84. Определение накопления остаточной деформации сжатия производили в соответствие с ГОСТ 9.029-74 «Методы испытаний на стойкость к старению при статической деформации сжатия» после старения в течение 3 суток при 100°С. Износостойкость резин, модифицированных УНТ, оценивали по методу определения сопротивления истиранию при скольжении в соответствии ГОСТ - 426-77 на абразивной машине МИ-2. Для расчета объемного износа определяли плотность ком­позиции, используя метод гидростатического взве­шивания. Определение степени набухания резин в нефти Талаканского месторождения проводили в соответствии с ГОСТ 9.030-74 после выдержки в течение 3суток при 70°С.

1. Результаты исследований и их обсуждение

х500	х1000
х5000	Х100000

На рисунке 1 приведены электронные микрофотографии углеродных нанотрубок.

Рисунок 1. Электронные микрофотографии углеродных нанотрубок

В результате микроскопических исследований определены размеры нанотрубок. Они представляют собой нановолокна диаметром 11-23нм и длиной несколько микрон.

На рисунке 2 представлен элементный состав УНТ

Элемент	Весовой %	Атомный%
C	88.34	91.73
O	9.89	7.71
Al	0.76	0.35
Co	1.01	0.21

Рисунок 2. Элементный состав углеродных нанотрубок

Как видно из рисунка 2 УНТ состоят преимущественно из углерода (88% мас.). В образцах содержится до 10% мас. кислорода, что позволяет предположить их равномерное распределение при введении в СКЭПХГ. Присутствие Co объясняется присутствием остатков каталитической системы для получения нанотрубок.

Результаты испытаний:

Рисунок 3. Остаточная деформация сжатия резин на основе ЭПХГ от содержания УНТ.

Как видно из данных, приведенных на рисунке 3, введение углеродных нанотрубок в наполненную техническим углеродом резиновую смесь на основе СКЭПХГ дает следующие результаты. Наименьшее значение ОДС получено для резины с содержанием УНТ 0,2 мас.ч. на 10 мас.ч. каучука - 58,6. Что на 4,4% ниже, чем у ненаполненной нанотрубками резины на основе ЭПХГ. С увеличением концентрации УНТ наблюдается тенденция к увеличению ОДС.

Условная прочность при разрыве для резины, не содержащей УНТ равна 11 МПа (рис.4). Наименьшее значение для смесей, наполненных нанотрубками УНТ 0,05 мас.ч.: 10,6 МПа, т.е. прочностные свойства резин практически не меняются при введении УНТ. Относительное удлинение модифицированных резин по мере увеличения содержания нанотрубок уменьшается. Наименьшее значение получено для резины с содержанием УНТ 10мас.ч.: оно составляет 183%, что на 49,9 % меньше, чем у ненаполненной резины.

Рисунок 4. Условная прочность резин на основе ЭПХГ, модифицированных УНТ.

Как видно из данных, приведенных на рисунке 5 зависимость объемного износа от содержания УНТ имеет экстремальный характер. Объемный износ резин на основе СКЭПХГ, по мере увеличения содержания УНТ снижается, что следует признать положительным фактором. Для резины, содержащей 1 мас.ч. УНТ, объемный износ наименьший и составляет 0,57 см³, на 47,7% ниже, чем у исходной резины. Для резин, наполненных большим содержанием УНТ (более 2 мас.ч.), происходит увеличение объемного износа.

Рисунок 5. Объемный износ резин на основе ЭПХГ, модифицированных УНТ.

Один из важных показателей резин уплотнительного назначения – это степень набухания в средах, в которых они эксплуатируются. Нами были проведены испытания маслостойкости резин в углеводородной среде – нефти Талаканского месторождения.

Рисунок 6. Степень набухания резин на основе ЭПХГ, модифицированных УНТ.

Как видно из рис.6, наименьшее значение степени набухания характерно для смеси с УНТ мас.ч. 0,5, которое равно 31,45 %. Что на 7,6 % меньше ненаполненной резиновой смеси, что хорошо согласуется с классическими представлениями. В наполненных резинах меньше набухающего в нефти компонента, технический углерод и нанотрубки образуют с каучуком саже-каучуковый гель, что приводит к снижению набухания эластомерной основы в углеводородных средах.

1. Заключение

Результаты проведенных исследований позволяют сделать следующие выводы.

Исследована структура углеродных нанотрубок. Данные нанотрубки представляют собой нановолокна толщиной 11-23нм, состоящие преимущественно из углерода (88% мас.). В образцах содержится до 10% мас. кислорода, что позволяет предположить их равномерное распределение при введении в СКЭПХГ.

Физико-механические свойства резиновых образцов, содержащих УНТ, не претерпевают значительных изменений. Они имеют достаточно высокие значения fр, ɛр. Основные показатели резин практически не зависят от количества введенных УНТ.

По мере увеличения содержания УНТ ОДС, степень набухания исследованных резин имеют тенденцию к снижению, что следует признать положительным фактором. Наиболее сильное влияние введение УНТ оказывает на износостойкость полученных резин, она увеличивается до 48%, т.е. можно предположить, что разработанные резины будут надежно эксплуатироваться в условиях Крайнего Севера.

1. Использованная литература

1. Дьячкова, Т.П., Ткачев А.Г. Методы функционализации и модифицирования углеродных нанотрубок. –М.: Издательский дом «Спектр», 2013. -152 с.

2. Петрова Н.Н., Курлянд С.К. «Физико-химические аспекты создания масло- и морозостойких резин на основе смесей эластомеров»// Полимерные композиты 98: сб. трудов конференции - Гомель, ИММС НАНБ, 1998, с. 247-252.

3. Захарычев Е.А., Рябов С.А., Семчиков Ю.Д., Разов Е.Н., Москвичев А.А. Исследование влияния степени функционализациина некоторые свойства многослойных углеродных нанотрубок // Вестник Нижегородского университета им. Н.И. Лобачевского, 2013, № 1 (1), с. 100–104.

4. Тлебаев, М.Б. Способ получения углеродных нановолокон и нанотруб путем каталитического пиролиза метана / М.Б. Тлебаев, Т. Байжуманов[Электронный ресурс]. URL: http://e-lib.kazntu.kz/sites/default/files/articles/tlebaev_2006_4.pdf

5. Елецкий, А.В. Углеродные нанотрубки / А.В.Елецкий // Успехи физических наук.- 1997. - т.167, №9. –С.945 – 972.

6. Мансурова, И.А. Определение геометрических характеристик структуры эластомерных композиций, модифицированных углеродным наноматериалом / И.А. Мансурова, В.Е. Ваганов, С.В. Фомин, Е.С. Широкова, И.А. Морозов // Каучук и резина. - 2010. - № 4. -С.19.

7. Углеродные нановолокна и нанотрубки. Краткие сведения. // Компания Углерод ЧГ. [Электронный ресурс]. URL: http://www.carbon.ru

8. Мансурова, И.А. О применении углеродных наноструктур для модификации эластомерных композиций / И.А. Мансурова, С.В. Фомин, В.Е. Ваганов, В.В. Ермолин // Известия вузов. – 2011. – Т.54.№9. - С.92 – 94.

9. Догадкин Б.А., Донцов А.А., Шершнев В.А. «Химия эластомеров». – М.: Химия, 1981. –376 С.

10. «Большой справочник резинщика» ч.1. Каучуки и ингридиенты/Под ред. С.В. Резниченко, Ю.Л. Морозова. – М.:ООО «Техноформ», 2012. - С.744

11. ГОСТ 270-84 Метод определения упругопрочностных свойств при растяжении

12. ГОСТ 9.029-74 «Методы испытаний на стойкость к старению при статической деформации сжатия»

13. ГОСТ 23509-79. Резина. Метод определения сопротивления истиранию при скольжении по возобновляемой поверхности.

14. ГОСТ 9.030-74 «Методы испытаний на стойкость в ненапряжённом состоянии к воздействию жидких агрессивных сред»

15. Методы исследования структуры и свойств полимеров: Учеб. пособие / Аверко-Антонович И. Ю., Бикмулкин Р. Т.; КГТУ. Казань, 2002 – 604 с.

11

Код для цитирования: Скопировать