Исследование влияния различных агрессивных сред на физические и химические свойства резины

Размещено на http://www.allbest.ru/

Исследование влияния различных агрессивных сред на физические и химические свойства резины

Ганин Е.В., к.т.н., доцент, Мартынов Н.Н., Антимонов С.В., к.т.н., доцент, Мартынова Д.В., к.т.н.

ФГБОУ ВО Оренбургский государственный университет

Эластомеры (натуральные или синтетические каучуки) - природные или синтетические высокомолекулярные вещества, отличающиеся от других высокомолекулярных соединений своей эластичностью.

Молекулы эластомеров представляют собой скрученные в клубки цепи углеродных атомов. При растяжении цепи вытягиваются, а при снятии внешней нагрузки - скручиваются. Этим объясняется эластичность каучуков.

Практический интерес представляют собой эластомеры пространственного строения, которое они приобретают в процессе вулканизации под влиянием специальных веществ - агентов вулканизации (серы, органических пероксидов, оксидов металлов). К таким эластомерам относится резина - это вулканизованный каучук с наполнителем [3].

Обязательным ингредиентом резиновых смесей, за исключением специальных случаев, являются наполнители, в основном технического углерода.

Очень часто от вида наполнителя зависит химическая стойкость резин. Введение наполнителя в 1,5-2 раза увеличивает густоту пространственной сетки, что снижает степень набухания резины. Например, введение 30 масс. ч. технического углерода в каучук СКС на 37-40% уменьшает его набухание в бензоле и хлороформе.

Введение наполнителя улучшает химическую стойкость резины в том случае, если он не взаимодействует со средой и смачивается ею хуже, чем каучук.

Гидрофильные хорошо смачивающиеся наполнители типа белой сажи снижают химическую стойкость резин по отношению к полярным средам, способствуя их разрушению в тех средах, с которыми каучук вступает в химическое взаимодействие, Поэтому для эксплуатации резин в условиях контакта с минеральными кислотами рекомендуется их наполнение техническим углеродом [2].

Для того чтобы полимер проявлял высокоэластические свойства, он должен, как правило, удовлетворять трем условиям [1]:

- состоять из длинных цепных молекул со связями, вокруг которых возможно достаточно свободное вращение сегментов;

- иметь достаточно слабые силы межмолекулярного взаимодействия (как в жидкости);

- иметь небольшое число поперечных сшивок между макромолекулами.

Основные механические свойства эластомеров:

1. Высокоэластичность - физическое состояние высокомолекулярных соединений, характеризуемое высокой подвижностью сегментов макромолекул, стремящихся принять разнообразные конформации.

2. Прочность при растяжении (сопротивление разрыву) соответствует значению напряжения, вызывающего разрушение материала при растяжении с заданной скоростью при постоянной температуре испытания.

Практически важными параметрами являются проницаемость эластомеров по отношению к органическим средам и степень набухания в них. Скорость сорбции органических сред эластомерами (набухание) в начальной стадии достигает максимума, затем становится постоянной или несколько снижается, если одновременно протекают релаксационные процессы. Исключение составляет полиизобутилен, степень сорбции которого в бензине, гептане и бензоле после максимума с течением времени понижается до нуля [4]. В таблице 1 представлены величины набухания и изменения механических свойств резин на основе различных каучуков в органических соединениях разных классов, характеризуемые коэффициентами стойкости.

Процессы набухания эластомеров в растворителях зависят, в первую очередь, от соответствия их параметров растворимости, и, связанной с ней, плотностью энергии когезии.

Таблица 1 - Степень набухания и коэффициенты стойкости резин на основе различных каучуков в углеводородах и нефтепродуктах

эластомер каучук резина химический

Процесс набухания может вызывать необратимые изменения механических свойств эластомеров за счет ослабления межмолекулярных связей. По мнению Ю. С. Зуева между степенью набухания и прочностью резин существует следующая зависимость. При малой степени набухания преобладает положительное влияние гибкости цепей, способствующее ориентации, и прочность повышается. Если же эффект повышения гибкости цепей - незначителен, то превалирует понижение прочности. В какой-то мере подобная зависимость подтверждается данными таблицы 1.

Долговечность ненапряженных резин уменьшается тем значительнее, чем больше они набухают. При набухании резин в водных средах в напряженном состоянии (НК, ХП), оказалось, что, наоборот, долговечность их при набухании возрастает. Это явление объясняется облегчением накопления остаточной деформации при увеличении степени набухания, что приводит к уменьшению действующего напряжения (в режиме постоянной деформации), и, следовательно, к повышению долговечности.

Многообразие агрессивных сред, для которых требуется разработка резин, велико. Наибольшее распространение нашли следующие группы сред: сильные окислители (азотная, хромовая кислоты и др.); минеральные и органические кислоты (фосфорная, уксусная и др.); основания; органические соединения (нефтепродукты и др.); галогенсодержащие соединения.

Агрессивные среды могут либо вызывать химическое перерождение материала, его разрушение, растрескивание, увеличение жесткости и другие изменения, либо оказывать физическое действие, приводящее к набуханию. Отношение каучуков к химически агрессивным средам удобно рассмотреть в рамках принятой классификации высокополимеров [5]:

1) Карбоцепные, ненасыщенные (натуральный, бутадиен-стирольный, хлоропреновый каучуки).

2) Карбоцепные, насыщенные или с малой ненасыщенностью (полиизобутилен, бутилкаучук, фторкаучуки, сульфохлорированный полиэтилен, СКЭП).

3) Гетероцепные (силоксановый, уретановый каучуки).

Первая группа при соответствующих условиях способна ко всем реакциям, характерным для простых ненасыщенных соединений (последние, как известно, легко окисляются, галоидируются, присоединяют галогеноводородные кислоты, серную и уксусную кислоту).

Вторая группа является малореакционноспособной, а каучуки третьей группы сравнительно легко распадаются под действием кислот, щелочей и даже горячей воды (полиизоцианаты). Воздействие химически агрессивных сред на резины имеет ряд особенностей, увеличивающих возможности использования резины в качестве коррозионностойкого материала [2].

Таблица 2 - Химическая стойкость резин (П. - плохая, Уд. - удовлетворительная, Х. - хорошая)

Например, при воздействии серной и соляной кислот на резины из НК, помимо обычных реакций присоединения по двойным связям, идет процесс циклизации, приводящий к уплотнению поверхности резины и резкому замедлению диффузии в нее кислоты. Гидрохлорирование НК также приводит к образованию на поверхности резины плотной пленки (в отличие от действия соляной кислоты на резины из бутилкаучука).

До настоящего времени практическое применение в качестве антикоррозионных материалов нашли резины из каучуков первых двух групп. Так, например, к сильным окислителям устойчивы фторкаучуки типа определенных типов, в меньшей степени сульфохлорированный полиэтилен и бутилкаучук.

Согласно таблице 2 наиболее стойкий каучук в представленных агрессивных средах является полиизобутилен, а наиболее нестойкий - уретановый каучук.

Исходя из данных этой таблицы, можно сказать, что наиболее приемлемой кислотой для разложения каучуков является азотная (25%) и концентрированная азотная кислота. Они не только разложили представленные образцы, но и сделали это при минимальной температуре 20 - 240C.

Резина мало изменяется от действия разбавленных щелочей и разбавленной соляной кислоты, но концентрированная серная и особенно азотная кислоты легко ее разрушают. В органических растворителях (например, галоидуглеводородах) резина набухает и растворяется. От паров хлора или брома она делается жесткой и хрупкой.

Список литературы

1. Антимонов, С.В. Технология переработки резинотехнических изделий (на примере отработанных автомобильных шин) / С.В. Антимонов, Е.В. Ганин, С.Ю. Соловых // В сборнике: Промышленность: новые экономические реалии и перспективы развития сборник статей I Всероссийской научно-практической конференции (с международным участием): в 2-х частях. - 2017. - С. 203-206.

2. Ганин, Е.В. Технология дробления изношенных шин при низких температурах / Е.В. Ганин, С.В. Антимонов, С.Ю. Соловых, А.Ю. Кузьмин // В сборнике: Университетский комплекс как региональный центр образования, науки и культуры: материалы Всероссийской научно-методической конференции. - 2018. - С. 1964-1966.

3 Ганин, Е.В. Переработка изношенных автомобильных покрышек с использованием криогенных технологий / Е.В. Ганин, Ю.С. Иванова // В сборнике: Университетский комплекс как региональный центр образования, науки и культуры: материалы Всероссийской научно-методической конференции. - 2016. - С. 1091-1094.

4.Пальгунов, П.П., Утилизация промышленных отходов / П.П. Пальгунов, М.В.Сумароков // М.: Стройиздат, 1990. - 352 с.

5. Шаховец, С.Е. Мировая практика переработки и использования изношенных шин (обзор)/ С.Е. Шаховец, О.Ю. Шмарев, О.О. Николаев, В.В. Богданов //Известия Санкт-Петербургского государственного технологического института (технического университета). - 2010. - №7. - С.70-76.

Размещено на Allbest.ru