Свойства резины, модифицированной полыми корундовыми микросферами оксида алюминия

Размещено на http://www.allbest.ru/

Свойства резины, модифицированной полыми корундовыми микросферами оксида алюминия

Е.П. Целых, С.Я. Ходакова, В.И. Суриков

Аннотация

УДК 678.074: 678.01

Свойства резины, модифицированной полыми корундовыми микросферами оксида алюминия

Е.П. Целых, С.Я. Ходакова, В.И. Суриков ¹

Федеральное государственное унитарное предприятие "Федеральный научно-производственный центр "Прогресс", г. Омск, Россия,

¹Омский государственный технический университет, г. Омск, Россия.

Объемное модифицирование существующих каучуков и резин является современным направлением получения эластомерных композиций с требуемыми свойствами. Проведено модифицирование полыми корундовыми микросферами Al₂O₃ с размером частиц 100-180 мкм резины на основе комбинации полихлоропренового и бутадиен-нитрильного каучуков с целью снижения коэффициента трения и интенсивности износа. В работе исследовано изменение физико-механических и антифрикционных свойств модифицированных резин. Получено значительное снижение истираемости резины при сохранении удовлетворительных физико-механических свойств.

Ключевые слова: объемное модифицирование, антифрикционные материалы, истираемость, коэффициент трения, износ.

Содержание статьи

Современное машиностроение широко использует различные эластомерные композиции, в основном это резины, работающие в широком интервале скоростей скольжения, температур и давлений. Для использования резин в антифрикционных целях наиболее важна их высокая износостойкость, характеризуемая низкими истираемостью и коэффициентом трения [1].

Объемное модифицирование существующих эластомерных композиций является современным направлением получения резин с требуемыми свойствами. С целью снижения коэффициента трения и интенсивности износа в полимерную основу вводят различного рода антифрикционные материалы, модификаторы-наполнители. Анализ литературных данных по исследованию триботехнических свойств полимерных композиций, объемно модифицированных антифрикционными материалами, показал, что введение их приводит к значительному повышению износостойкости [2-4]. Так, например в опубликованной работе [5] представлены результаты испытаний композита с политетрафторэтиленом (ПТФЭ) и модифицированными оксидами металлов с различным содержанием простых (Al₂O₃, Cr₂O₃, ZrO₂) и сложных (шпинелей CoAl₂O₄ и MgAl₂O₄, и кордиерита 2MgO·2Al₂O₃·5SiO₂) оксидных нанопорошков [6]. Показаны результаты исследования механических и трибологических свойств композиционных материалов на основе ПТФЭ и указанных материалов, сделан вывод о том, что относительное удлинение и прочность их практически остались на одном уровне по сравнению с исходным материалом, но получено значительное снижение (в 15-100 раз) скорости изнашивания композита.

В качестве объектов данного исследования были выбраны эластомерная композиция на основе комбинации хлоропренового и бутадиен-нитрильного каучуков - 70 и 30 мас. ч. соответственно, применяемая для изготовления резинотехнических изделий.

В качестве модификатора-наполнителя были использованы полые корундовые микросферы Hollow Corundum Microspheres размером частиц НСМ-L - 100-180 мкм в составе указанных композиций с массовым содержанием 3, 5, 10, 15 мас. ч. на 100 мас. ч. каучука для повышения износоустойчивости, а именно снижения истираемости и коэффициента трения по абразивной и металлической поверхностях, а также изучение влияния на физико-механические свойства модифицированных резин.

Принципиальные составы базовых и опытных резиновых смесей представлены в табл. 1. Микросферы вводили в каучуковую матрицу. При изготовлении резиновых смесей трудностей технологического характера не наблюдалось. Вулканизацию образцов осуществляли в прессе вулканизационном гидравлическом в оптимальных режимах.

Таблица 1. Принципиальный состав базовой и опытных резиновых смесей

Для проведения испытаний резины на сопротивление истиранию и определения коэффициента трения использовали прибор типа МИ-2 с абразивной поверхностью (ГОСТ 426-77) с числом оборотов вращения 200; с металлической поверхностью (сталь Ст 25) и числом оборотов вращения 3000. На образцы действовала нормальная сила 2,6 кгс. Результаты по истираемости и коэффициенту трения базовых и опытных эластомерных композиций представлены в табл. 2 и на диаграммах рис. 1 и рис. 2.

Таблица 2. Триботехнические свойства и физико-механические показатели резин

Из анализа полученных данных по истираемости и коэффициенту трения резин выявлено, что у опытных резин на основе комбинации хлоропренового и бутадиен-нитрильного каучуков, содержащих микросферы, имеет место снижение истираемости на 23-37 % по абразивной поверхности (с 107 до 66,5 м³/ТДж) без изменения коэффициента трения, снижение истираемости на 47-68 % по металлическому диску (с 0,54 до 0,17 см³/кВ·ч). Оптимальное количество микросфер в составе резины составляет 5-10 мас. ч. на 100 мас. ч. каучука.

Рис. 1. Истираемость резин по абразиву

Рис. 2. Истираемость резин по металлическому диску

Необходимо отметить, что введение микросфер практически не оказало существенного влияния на коэффициент трения как по абразивной, так и по металлической поверхности.

По результатам определения физико-механических показателей (табл. 2) можно считать, что для опытных резин, содержащих в своем составе полые корундовые микросферы, значения показателей находятся практически на одном уровне с базовой резиной за исключением незначительного снижения условной прочности при растяжении с 10,27 (значение исходной резины) до 9,16-8,78 МПа опытных резин (образцы № 2-5). резина механическое антифрикционное алюминий

Поверхность полых корундовых микросфер неровная (рис. 3), что делает ее активной в поверхностно-адсорбционных процессах при механическом заклинивании и сцеплении с молекулярной основой эластомерной композиции. За счет структурной шероховатой поверхности микросферы удерживаются в резиновом массиве. Можно предположить, что прочность связи микросферы с резиновой матрицей недостаточная в связи с отсутствием на поверхности микросферы функциональных групп или свободных связей, способных участвовать в образовании сетчатой трехмерной структуры и образовывать химические связи с макромолекулами каучука.

Рис. 3. Внешний вид полой корундовой микросферы

А

Б

Рис. 4. Микрофотографии поверхности резины: А - базовая; Б - опытная резина с добавлением полых корундовых микросфер НСМ-L (100-180 мкм) в количестве 5 мас. ч

Капсулы микросфер в резиновом массиве выступают в роли "шипов" (рис. 4) антифрикционных составляющих резины, которые обеспечивают контакт с абразивным материалом и обеспечивают меньшее истирание эластомерной матрицы. Полые корундовые микросферы являются сверхпрочным материалом, поэтому введение их в состав эластомерной композиции способствует более длительному сопротивлению к истиранию, что приводит к меньшей потере массы резины.

Выводы

1. Проведено объемное модифицирование резины на основе комбинации хлоропренового и бутадиен-нитрильного каучуков посредством введения в ее состав микросфер с размером частиц 100-180 мкм.

2. Отмечено значительное снижение истираемости резин на 23-37 % по абразивной поверхности и на 75-85 % по металлическому диску по сравнению с базовой резиной в зависимости от массового содержания микросфер в ее составе. Отмечено что, при этом введение микросфер в маслостойкий композит на коэффициент трения практически не оказало существенного влияния.

3. Выявлено, что оптимальное содержание в резине полых корундовых микросфер составляет от 5 до 10 мас. ч. на 100 мас. ч. каучука.

4. Отмечено незначительное изменение условной прочности при растяжении эластомерных композиций с введением в рецептуру полых корундовых микросфер.

Библиографический список

1. Материалы для судостроения и морской техники: Справ.: В 2 т. Т. 2 / И.С. Аксаков, А.В. Анисимов, В.С. Антипов и др.; под ред. И.В. Горынина. - СПб.: НПО "Профессионал", 2009, 2010. - 664 с.

2. Кестельман В.Н. Физические методы модификации полимерных материалов. М.: Химия, 1980,224 с.

3. Керча Ю.Ю. Структурно-химическая модификация эластомеров. Киев: Наукова Думка, 1989, 232 с.

4. Химическая модификация резин. М., ЦНИИТЭНефтехим, 1985, 160 с.

5. Лякишев Н.П., Алымов М.И. Наноматериалы конструкционного назначения/ /Российские Нанотехнологии, 2006, т. 1, №1-2, с. 71-81

6. Бузник В.М., Фомин В.М., Алхимов А.П. и др. // Металлополимерные нанокомпозиты (получение, свойства, применение). Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2005.

Размещено на Allbest.ru