Повышение масло- и морозостойкости эластомерных композиций на основе этиленвинилацетатного каучука сополимеров для электротехнической промышленности

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Московский государственный университет тонких химических технологий имени М.В. Ломоносова»

Рег № Кафедра Химии и технологии переработки эластомеров им. Ф.Ф. Кошелева

Повышение масло- и морозостойкости эластомерных композиций на основе ЭВА сополимеров для электротехнической промышленности.

д.т.н., профессор Л.Р. Люсова

Научный руководитель,

ассистент каф. ХиТП ЭА.М. Буканов

Студент группы ХЕМО-09-16 Мельников Василий Сергеевич

Москва 2018

Оглавление

Введение

1. Литературный обзор

1.1 Кабельные резины

1.1.1 Изоляционные и изоляционно-защитные резины

1.1.2 Резины для оболочек кабелей

1.1.3 Особенности резин для кабелей УЭЦН

1.2 Требования к оболочкам для кабелей УЭЦН

1.2.1 Физико-механические свойства кабельных резин

1.2.2 Морозостойкость кабельных резин

1.2.3 Маслостойкость и бензиностойкость кабельных резин

1.3 Бутадиен-нитрильный каучук

1.3.1 Синтез полимера ЭВА. Структура, виды и свойства каучуков ЭВА

1.3.2 Вулканизация резиновых смесей на основе ЭВА

1.3.3 Применение

2. Объекты и методы

Введение

Добыча нефти происходит с помощью центробежных электронасосов. Для их питания необходимы кабели работающие в суровых условиях севера.

Эва является перспективным каучуком в настоящее время. Но из-за не очень хороших свойств таких как масло- и морозостойкость его применение ограниченно. Поэтому для того, чтобы улучшить данные показатели разрабатываются рецептуры на основе ЭВА, и других каучуков в соответствии с требованиями предъявляемыми к оболочкам кабельных резин для добычи нефти.

В данной работе рассматривается смешение ЭВА с бутадиен-нитрильный каучуком.

1. Литературный обзор

1.1 Кабельные резины

В кабельных изделиях резины используются, в первую очередь, для изолирования токопроводящих жил и внешней защитной оболочки гибких переносных кабелей, проводов и шнуров, для силовых и контрольных кабелей напряжением до 660 В, осветительных проводов, кабелей и проводов для питания всевозможных электротехнических установок, для специализированных кабелей (судовых, автомобильных, самолетных, геофизических и др.).

Кабельные резины согласно ТУ 16.К71-098-90 разделяются на классы: изоляционные, изоляционно-защитные и защитные.

Изоляционные резины нужны для изолирования токопроводящих жил, изоляционно-защитные резины -- для изолирования кабелей, проводов и шнуров, способным защищать от внешних воздействий, защитные (шланговые)--для внешних защитных оболочек некоторых кабелей. В большинство кабельных резин входят также электропроводящие применяемые для экранирования гибких кабелей, и так называемые починочные резины, используемые для сращивания или ремонта кабелей. В пределах соответствующих классов резины делятся на типы и марки.

1.1.1 Изоляционные и изоляционно-защитные резины

Отличаются типами и количественным содержанием полимера, что показывает их физико-механические и электроизоляционные свойства.

Для изоляции, допускающей длительный нагрев токопроводящей жилы до температуры. 65° С, применяются резины на основе каучуков общего применения типов РТИ-0, РТИ-1 РНИ, а также изоляционно-защитные резины типов РТИШ и РТИШМ.

Резины типа РТИ-0 обладают повышенными физико-механическими и электроизоляционными параметрами. Они предназначены для изолирования ответственных кабельных изделий.

Для изолирования кабелей, проводи и шнуров применяют резины типа РТИ-1. Обладая хорошими характеристиками, они отвечают эксплуатационным требованиям всех кабельных изделий на переменное напряжение до 660 В и постоянное до 10 кВ

Для изоляции на рабочую температуру до 85 0С используется резина типа РТЭПИ-1 на основе этиленпропиленового каучука (высоковольтные кабели на напряжение 6, 10 и 3 силовые кабели повышенной теплостойкости и т.д.).

Для изоляции токопроводящих жил на рабочую температуру до +180° С используются резины типов и РТСИ-2. Это резины повышенной теплостойкости на основе силоксанового каучука.

1.1.2 Резины для оболочек кабелей

При транспортировании, хранении, монтаже и эксплуатации кабельные изделия получаются различным механическим воздействиям и влиянию света, влаги и т. д. Поэтому необходимо в зависимости от конструкции кабеля, провода и шнура скрученные или одиночные изолированные жилы заключать в защитную оболочку из материала, наиболее отвечающего условиям монтажа и эксплуатации данного кабельного изделия.

Резиновые оболочки применяются, главным образом, для переносных кабелей и проводов, так как требуется таким изделиям придавать максимальную гибкость. К ним относятся шланговые кабели и провода общего применения, шахтные кабели, экскаваторные, судовые переносные, электросварочные, лифтовые и кабели и провода многих других типов. Однако в ряде случаев резиновая оболочка используется также для силовых кабелей стационарной прокладки (для судовых кабелей, для кабелей вертикальной прокладки и т. д.).

Гибкие переносные кабели работают в тяжелых, умеренных или легких эксплуатационных условиях. Так, шахтные и экскаваторные кабели эксплуатируются в исключительно тяжелых условиях. Их тащат по земле, подвергают деформациям изгиба различного характера, на них попадают куски добываемых пород, по ним проезжают автомобили, они зачастую находятся в воде и т. д. Такие же кабели и провода, как судовые, лифтные, для радиоустановок, шланговые кабели и провода общего применения и некоторые другие, работают в сравнительно умеренных и легких условиях. Поэтому в соответствии с ТУ 16. К71-098-90 защитные оболочки кабелей, предназначенных для тяжелых условий эксплуатации, изготовляют из резин механически более прочных типов РШ-1 и PIIIH-1 с содержанием каучуков 50%, а для средних и легких условии--из резин типов РШМ-2, РШТ-2, РШТМ-2, РШН-2 с содержат каучуков 40--45%, причем резины типов РШН-1 и РШН-2, не распространяющие горение и обладающие маслостойкостью, предназначены для негорючих шахтных и судовых кабелей, нефтестойких каротажных и буровых кабелей и других изделии, к которым предъявляются требования негорючести и маслостойкости.

Электропроводящие резины используются в высоковольтных и шахтных кабелях. Как известно, в высоковольтных кабелях высокая напряженность электрического поля вызывает пробой изоляции. Защиту осуществляют наложением на поверхность резиновой изоляции или между токопроводящей жилой и изоляцией, а иногда с обеих сторон слоя электропроводящей резины, характерной особенностью которой является пониженное электрическое сопротивление, в этом случае происходит выравнивание электрического поля.

В силу тяжелых эксплуатационных условии в подземных шахтах кабели по разным причинам получают механические повреждения, приводящие к коротким замыканиям, что может служить причиной поражения людей электрическим током и взрывов метановоздушной среды. Наличие в кабеле поверх изоляции элемента, способного при механическом воздействий на оболочку кабеля мгновенно передать импульс к быстро действующей коммутационной аппаратуре для опережающее отключения электрооборудования, позволяет предупредить аварию. Таким защитным элементом служит экранирующий слой из электропроводящей резины, накладываемый поверх каждой изолированной жилы.

Ниже приводятся характеристики специальных резин. К ним в частности, относятся резины для заполнения кабелей. В ряде случаев в конструкцию кабелей вводят круглый или профилированный резиновый сердечник, размещаемый по оси кабеля. Обычно это делается для герметизации или для устойчивости конструкции многожильного кабеля при недостаточном качестве жил, обеспечивающих их равномерную скрутку. В целях равномерного заполнения подвивов добавляют холостые жилы в виде резиновых жгутиков диаметром, равным диаметру изолированных жил.

1.1.3 Особенности резин для кабелей УЭЦН

Основными особенностями режима эксплуатации этих кабелей является многофакторное воздействие на них в скважине (высокие температура и давление при воздействии агрессивных сред -- нефтепродукты и вода) и повышенная передаваемая электрическая мощность. изоляционный кабельный резина каучук

Важными показателями для изоляционных резин являются удельное объемное сопротивление и электрическая прочность.

1.2 Требования к оболочкам для кабелей УЭЦН

1.2.1 Физико-механические свойства кабельных резин

Так как внешняя защитная оболочка кабеля подвергается различным механическим воздействиям, то прочность при растяжении является важной характеристикой для защитных резин, которые служат материалом для оболочки.

Относительная остаточная деформация играет одинаково важную роль как для изоляционных, так и для шланговых резин, так как оно выражает эластические свойства, служащие основной, отличительной чертой резины.

Остаточное удлинение, показывающее степень деформации образца резины после его растяжения и разрыва, зависит от рецептурного состава резины и, установленного режима вулканизации (температура теплоносителя и продолжительность вулканизации). Этот показатель непосредственно выявляет, насколько правильно проведен процесс вулканизации резиновой оболочки. При недовулканизации значение остаточного удлинения повышается, а при перевулканизации снижается; и то и другое нежелательно. Поэтому показатель остаточного удлинения служит эффективным средством контроля технологии производства.

Ввиду того что каучуки и другие ингредиенты, входящие в рецептуру резин (иногда 12--15 компонентов), по своему происхождению, составу и технологии изготовления разнородны, свойства резиновых смесей колеблются. Причиной отклонений могут служить также и технологические нарушения при смешении резиновых смесей, но практически наиболее вероятной причиной служит состояние качества ингредиентов. Это приводит к некоторым колебаниям прочности при растяжении и относительного удлинения, сопротивления раздиру, электрических параметров и т. д.

1.2.2 Морозостойкость кабельных резин

Морозостойкостью (холодостойкостью) резины называется предел отрицательной температуры, при которой она в условиях данного вида деформации не разрушается.

Характерные эластические свойства резин объясняются гибкостью их молекулярных цепей при приложении растягивающих сил. Молекулы содержащихся в резине каучуков выпрямляются и ориентируются относительно друг друга. Упругие свойства резин создаются стремлением молекул под воздействием теплового движения возвращаться к их первоначальному положению, поэтому степень эластичности данной резины находится в прямой зависимости от интенсивности теплового движения, т. е. от температуры окружающей среды. Резина по мере снижения температуры постепенно переходит из эластического в твердое состояние и начинает разрушаться в местах, механически наиболее напряженных, с образованием характерных трещин.

При воздействии низких температур благодаря внутренним структурным изменениям увеличивается разрывная прочность резин и одновременно в связи с уменьшением эластических свойств снижается относительное удлинение.

Однако в ряде случаев по условиям эксплуатации требуется применение в резинах маслонефтестойких каучуков, к которым относится дивинилнитрильный каучук СКН. Но этот каучук из-за высокой регулярности полимерной цепи и ее гибкости, ввиду отсутствия боковых винильных групп данный каучук обладает хорошей морозостойкостью. В этом случае в целях повышения морозостойкости резины применяют пластификаторы типа дибутилфталата, диоктилсебацината, дибутилсебацината, которые обладают резко выраженной полярностью, хорошо совмещаются с полярными каучуками и снижают их температуру стеклования.

При транспортировке, монтаже и эксплуатации кабельных изделий наиболее часто встречающимися видами деформаций являются изгиб и удар.

На морозостойкость резин заметно влияет длительное старение при хранении и эксплуатации кабельных изделий. Сопутствующим фактором являются также климатические условия, в которых находятся кабельные изделия. С течением времени в той или иной степени снижается морозостойкость, прежде всего, внешней резиновой оболочки.

1.2.3 Маслостойкость и бензиностойкость кабельных резин

Стойкостью резины к воздействию агрессивной жидкости называется способность сохранять необходимые технические свойства и работоспособность при воздействии той или иной среды. Для некоторых кабелей и проводов, эксплуатируемых в агрессивных средах, существенное значение имеют маслостойкость и бензиностойкость. Для таких изделий применяют резины или пластмассы, обладающие маслостойкостью и бензиностойкостью

Резины, стойкие к агрессивным средам, можно получить рецептурным способом -- путем введения в смесь некоторых стойких к воздействию растворителей наполнителей, мягчителей и др., но этот способ недостаточно эффективен. Наилучшим способом получения маслостойких и бензиностойких резин является применение в резинах соответствующих СК, не подверженных набуханию в растворителях. Такими каучуками можно считать полихлоропреновые (наирит) и бутадиен-нитрильные (СКН) каучуки, хлорированный и хлорсульфированный полиэтилены.

1.3 Бутадиен-нитрильный каучук

Бутадиен-акрилонитрильный каучук сополимер бутадиена с акрилонитрилом с общей формулой:

1.3.1 Синтез полимера ЭВА. Структура, виды и свойства каучуков ЭВА

Этиленвинилацетатный каучук (ЭВА) является сополимером этилена и винилацетата. ЭВА получают полимеризацией в растворе при относительно низких давлении и температуре, что позволяет создать сополимер с требуемым содержанием винилацетата (ВА). Отмечают, что эластомерами являются только сополимеры, содержащие ВА в диапазоне от 40 до 80%. Содержание ВА равное 40% придает каучуку лучшую морозостойкость, но ухудшается маслостойкость по сравнению с содержанием 80% ВА в ЭВА. Ниже и выше этого предела образуются термопласты.

Относится к группе каучуков специального назначения, на основе которого изготавливают материалы, обладающие высокой тепло-, масло-, атмосферо- и озоностойкостью, а также хорошими электроизоляционными и высокими физико-механическими характеристиками, в том числе повышенным сопротивлением раздиру. Ценный комплекс свойств ЭВА и хорошая совместимость с другими полимерами позволяет применять его не только в виде основного полимерного компонента, а также в комбинации с другими каучуками для повышения технологических и эксплуатационных характеристик резин.

Внедрение ВА в ПЭ-цепочку нарушает кристаллическую структуру, снижающуюся с повышением содержания ВА. Что показывает сополимер с содержанием 40% ВА имеет практически полностью аморфную структуру. Химическая формула ЭВА:

Резины на основе ЭВА имеют прочность при растяжении до 25 МПа, относительной удлинение 300--600%, твердость по Шору 60--80, высокие атмосферо-, озоно-, и светостойкость, но при этом невысокую морозостойкость и низкое сопротивление раздиру. Эти резины работоспособны в горячей воде и паре (до 130°С), кислотах и щелочах (до 50°С). По стойкости в масле и растворителях уступает резинам на основе ХП и БНК. Кроме того, резины из ЭВА имеют высокие диэлектрические характеристики (pv~ 1013 Ом * см, Епр~ 30-35 кВ/мм). Отмечают, что с увеличением содержания ВА механические показатели изменяются незначительно. Главным образом происходит повышение маслостойкости, снижение морозостойкости, электрические характеристики падают.

При введение ЭВА в смеси обеспечивается повышение адгезии резиновой смеси к поверхности обрабатывающих валков, улучшение поверхности шприцуемых образцов, одновременно повышая стойкость резин к воздействию воды, растворителей и высокой температуре. Известно, что с увеличением содержания полярных групп в ЭВА ухудшаются его электроизоляционные характеристики .

Основным достоинством резин на основе ЭВА является их высокая теплостойкость. При оптимальном составе резиновой смеси они длительно работоспособны при 120°С; до 1 года -- при 140--150 °С; несколько недель -- при 180--200 °С. По теплостойкости резина на основе ЭВА уступают только кремнийорганическим резинам и резинам на основе фторкаучука.

1.3.2 Вулканизация резиновых смесей на основе ЭВА

Вулканизация резиновых смесей на основе ЭВА проводится как правило с помощью пероксидов. Наряду с пероксидом в смесь вводят ненасыщенные соединения с большим числом двойных связей (соагенты пероксидной вулканизации), например, триаллилцианурат, которые образуют дополнительные поперечные связи. Поскольку ненаполненные смеси на основе ЭВА имеют низкие физико-механические показатели, обязательно применяют усиливающие наполнители. Для шланговых резин рекомендуется использовать печной технический углерод, а для изоляционных могут применяться диоксид кремния, мел, каолин, силикаты кальция и алюминия. Наилучшим светлым наполнитель - микротальк, дающий оптимальный комплекс электроизоляционных и физико-механических показателей.

1.3.3 Применение

На основе ЭВА при правильном подборе рецептуры можно получить безгалогенные резины с высокой стойкостью к распространению горения и пониженным дымо-, газовыделением. За рубежом изоляционные и шланговые резины на основе ЭВА используются при изготовлении нагревательных и выводных проводов, а также проводов для электропечей и стиральных машин. Кроме того, резиновые смеси из ЭВА могут применяться в качестве гибких полупроводящих экранов для кабелей с изоляцией из сшитого ПЭ на напряжение 12/20 кВ.

2. Объекты и методы

Методы определения воздействия агрессивных сред (маслостойкость, бензиностойкость и др.) различны. Наиболее широко распространены методы испытания по ГОСТ 9.030-74, В последнее время в кабельной промышленности внедрен другой, новый метод определения стойкости резиновой или пластмассовой изоляции и оболочки к воздействию масел и бензина по ГОСТ 25018-81. По этому методу физико-механические показатели резин типов РШН-1 и РШН-2 после 24 ч пребывания в масле марок И-40А и И-50А по ГОСТ 20799-75 при температуре (100±1°)С не должны снижаться (прочность при растяжении более чем на 20%, относительное удлинение более чем на 25%).

Для оценки электрических показателей использовали кабельный измеритель сопротивления изоляции материалов -- КИСИ и установку для определения электрической прочности. Испытания проводились по ГОСТ 6433.2, 6433.3.

Размещено на Allbest.ru