XXIII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Стойкость резиновых смесей к агрессивным средам в зависимости от типа эластомерной основы

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Ильясов Т.М. 1

---

1МБОУ "Гимназия №14"

Сибгатуллина Р.Р. 1Зиманова Л.А. 1

---

1МБОУ "Гимназия №14"

Работа в формате PDF

681.7 KB

Автор работы награжден дипломом победителя I степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителяСвидетельство руководителя

Введение

Практически во всех областях промышленности в качестве запасных частей, конструкционных либо декоративных элементов используются импортные резиновые изделия. Поэтому, когда приходит время замены той или иной детали, которой нет на Российском рынке, приходится обращаться к иностранным компаниям и заказывать изделие у них. Это сопряжено с некоторыми трудностями:

- Поиск организаций и дальнейшие переговоры с ними – это, как правило, долгий и напряженный процесс.

- Цены на импортные изделия очень высокие.

- Высокие таможенные расходы.

- Длительное ожидание поставки заказа.

Если изделие, поставленное импортным производителем по каким-либо причинам не подходит для эксплуатации – это деньги, потраченные “на ветер”.

Подрабатывая летом на каникулах на одном из предприятий нашего города, я стал свидетелем необходимости изготовления манжеты на перекачивающем насосе взамен импортной. Насос предназначен для перекачивания кислот и щёлочей. Соответственно, резина должна быть стойкой к кислотам и щелочам. Но какая именно подойдёт? Так появилась тема моей исследовательской работы.

 Цель работы: Исследование воздействия агрессивных сред на резиновые смеси.

Объект исследования: Резиновая смесь.

Предмет исследования: Манжета.

Задачи работы:

1. Изучить литературу по теме.

2. Исследовать химические и физико-механические свойства резины с разным типом эластомеров. Провести сравнительный анализ полученных результатов.

3. Изготовить мембрану. Провести испытания на изделии.

Гипотеза: Стойкость к агрессивной среде зависит от типа эластомерной основы.

Практическая значимость исследования:  Замена манжеты зарубежного производства на российскую.

Актуальность исследования – импортозамещение.

Методы:

поисковый – подбор литературного материала по теме;

исследовательский – эмпирический сбор данных.

Глава 1

Эластомеры – это полимеры, способные к большим обратимым высокоэластическим деформациям в широком диапазоне температур (от -60 до + 200 0 С. Типичные представители эластомеров – каучуки и резины на их основе. Производство и переработка эластомерных материалов и в XXI веке остается одной из наиболее интенсивно развивающихся областей науки и промышленности, целью которой является получение материалов, готовых работать как в бытовых, так и в экстремальных условиях. Существует множество видов каучуков: натуральный каучук (НК), синтетический полиизопрен (СКИ), бутилкаучук, полихлоропрен, хлоркаучук (ХК), фторкаучук и т.д.

1. Получение, свойства и применение каучуков

1.1. Натуральный каучук

Знакомство европейцев с каучуком состоялось в 1540 году, когда испанские завоеватели высадились на берегах Южной Америки в поисках страны золота — Эльдорадо. Именно тогда они узнали о белом древесном соке - «као учу» - «слезах дерева». Им аборигены пропитывали свои одеяла, чтобы защититься от дождя. Этот сок, когда его держали над огнем, становился густым, как смола. Но «первооткрывателям» не суждено было вернуться и о каучуке забыли. Лишь спустя 200 лет начались его крупные поставки в Европу и первые серьезные исследования.

Природный материал получают путем коагуляции млечного сока (латекса), который содержится в растениях. Основным компонентом выступает углеводород полиизопрен (91-96%). Сырье чаще всего встречается в дереве бразильская Гевея, на него приходится около 95% мирового производства натурального каучука. Латекс также содержится в листьях, стеблях и корнях растений, произрастающих в южных регионах. Но эти источники не имеют промышленного значения ввиду малых объемов производства. 

Промышленное применение натурального каучука в Европе началось в первой половине XIX в. Вначале изготовляли прорезиненные ткани с применением растворов каучука в органическом растворителе (сольвент-нафте, Ч.Макинтош, 1823 г.). Однако по прочности и долговечности такие изделия были малопригодны для практических целей, поскольку натуральный каучук сохранял свою эластичность лишь при комнатной температуре. После открытия Гудьером в 1839 г. процесса вулканизации, обеспечивающего перевод термопластичного липкого малопрочного каучука в высокоэластичную прочную резину, его применение для производства различных изделий во всех развитых странах резко возросло. В России резиновая промышленность возникла еще до открытия процесса вулканизации, а с восьмидесятых годов XIX столетия, когда началось строительство ряда крупных резиновых заводов: "Треугольник", "Каучук" и др. В начале XX в. вследствие быстрого развития техники резко возросла потребность в каучуке, области применения которого все больше расширялись. Это побудило исследователей заняться изысканием методов получения синтетического каучука. Огромное значение для решения этого вопроса имели работы М. Фарадея, Г. Вильямса, Г. Бушарда, посвященные установлению химической структуры натурального каучука. В настоящее время производство натурального каучука превышает 6 млн. т. в год. Практически весь латекс получают с плантаций бразильской гевеи, расположенных главным образом в тропической Юго-Восточной Азии.

Все виды каучука натурального происхождения могут пребывать в трех состояниях: стеклообразном, высокоэластичном и вязкотекучем. Чаще всего в быту и промышленности материал является высокоэластичным. 

Область применения каучука натурального происхождения ограничена ввиду дороговизны и небольших объемов производства в сравнении с синтетическим.

1.2. Синтетические каучуки

Синтетическим называется каучук, который перерабатывают в резину методом вулканизации. В качестве исходного сырья чаще всего используют продукты нефте- и газопереработки. Их разделяют на фракции (углеводороды) и в дальнейшем применяют для синтеза мономеров. В смеси добавляют пластификаторы, серу, наполнители, антистарители и прочие компоненты, чтобы получить изделия с нужными характеристиками. 

Основные типы синтетических каучуков:

• Изопреновый

Прочные и эластичные каучуки, которые практически не склонны к старению. Их недостатком является реакция с кислотно-щелочными средами. Изопрены подходят для изготовления кабельных оболочек, обуви, товаров медицинского назначения, автошин и транспортерных лент. 

• Бутадиеновый

 Данный класс каучуков делится на два вида:

Стереорегулярные. Обладают высокой прочностью на разрыв, износостойкостью и хорошей эластичностью. Материал широко применяют на заводах по изготовлению автошин и транспортерных лент;

Нестереорегулярные. Имеют низкую прочность на разрыв, а при замерзании эластичность снижается и не восстанавливается при нагреве. Из материала делают твердые бытовые изделия, к которымпредъявляются повышенные требования к химической стойкости. 

• Бутадиен-метилстирольный

Все бутадиен-стирольные каучуки эмульсионной полимеризации, а также статистические каучуки растворной полимеризации являются полностью аморфными полимерами. Благодаря большому содержанию стирола, конечный продукт обладает хорошей прочностью и стойкостью к разрыву, но в ущерб эластичности. Каучук растворим в алифатических и ароматических углеводородах, хлороформе, четырёххлористом углероде, сероуглероде. Применяется в шинной, резинотехнической, кабельной, обувной, пищевой (жевательные резинки) и других отраслях промышленности.

• Бутилкаучук (изобутилен-изопреновый сополимер)

Выделяется среди других представителей группы каучуковых превосходным растяжением и низкой газопроницаемостью. Плюс к этому, материал стойкий к атмосферным воздействиям и химии.

Бутилкаучук применяют в производстве автомобильных камер, теплостойких деталей вулканизационного оборудования (например, варочных камер и диафрагм форматоров-вулканизаторов), многих РТИ (паропроводных рукавов, теплостойких конвейерных лент, прорезиненных тканей и др.).

• Этилен-пропиленовый (этилен-пропиленовый сополимер)

Как и предыдущий вариант, достойно выдерживает воздействие внешней среды, стойкий к низким температурам, не боится контакта с агрессивными средами. Из него часто делают изоляционные оболочки кабельной продукции, уплотнения и шланги для перекачки химических материалов. 

• Бутадиен-нитрильный (бутадиен-акрилонитрильный сополимер)

Основной областью применения каучуков СКН является производство различных маслобензостойких резиновых технологических изделий – рукавов, прокладок, сальников, бензотары, обкладок различных валков и т.д., применяемых в автомобильной, нефтяной, полиграфической и других отраслях промышленности.

Каучуки используются для изготовления теплостойких резиновых изделий, предназначенных для работы в воде, маслах, растворителях и некоторых других средах при температурах до 150˚С. Каучуки СКН находят так же применение в обкладочных кислото- и щелочестойких резинах, особенно если к ним одновременно предъявляются требования стойкости к неполярным углеводородам.

• Хлоропреновый (поли-2-хлорбутадиен)

По эластичности близки к натуральным каучукам, но превосходят их по прочности и износостойкости. Материал является нерастворимым, поэтому его добавляют в резину для повышения маслобензостойких свойств. Врагом хлоропрена считаются низкие температуры. При замерзании каучук становится хрупким. 

Полимеры хорошо зарекомендовали себя в производстве изделий, которые постоянно контактируют с химическими средами: уплотнительных элементов; рукавов высокого давления; лент конвейеров;приводных ремней; защитных оболочек кабельной продукции; перчаток. 

Хлоропреновые каучуки (полихлоропрены, наириты, неопрены, байпрены, бутахлоры, скайпрены), продукты гомо- и сополимеризации хлоропрена.

• Силоксановый

Силоксановые (кремнийорганические) каучуки обладают уникальными свойствами, в числе которых способность сохранять эластичность в наиболее широком температурном интервале и биологическая инертность, хорошие электроизоляционные свойства. Резины на основе силоксанов обладают коэффициентом теплопроводности, приблизительно вдвое меньшим, чем у углеводородных резин. Поэтому они используются для изготовления электроизоляции, например, в силовых кабелях. Теплоизоляционные свойства таких материалов достаточно высоки, при этом они обладают хорошей огнестойкостью и самозатуханием, в течение нескольких минут выдерживая действие температур до 500°С. Это качество позволяет применять их для изготовления проводов и кабелей, кратковременно работающих в условиях пожара.

Резины на основе кремнийорганических каучуков применяются также в авиастроении (уплотнители для дверей, иллюминаторов, грузовых люков, амортизаторы, трубопроводы горячего воздуха); бензомаслостойкие сорта - для уплотнения топливных баков, в качестве уплотнитнения деталей топливо- и маслопроводов, гидросистем. Благодаря биоинертности, тромборезистентности и хорошей тканесовместимости резины на основе кремнийорганических каучуков используют в медицине.

• Фторсилоксановый

Маслобензостойкие фторсилоксановые каучуки (ФСК) работоспособны в интервале температур от −60℃ до +200℃ в среде воздуха, вакуума, различных масел, топлив. Нашли широкое применение благодаря малой зависимости механических свойств от температуры и исключительным диэлектрическим свойствам.

• Фторкаучуки

Фторкаучуки (СКФ)— сополимеры на основе фторолефинов. Фторкаучуки нашли наиболее широкое применение в огромном количестве изделий, для которых требуются высокие эксплуатационные характеристики. Фторэластомеры обеспечивают надежность в течение длительного времени даже в агрессивных средах. Атом фтора, заменяющий атом водорода в алифатической углеродной цепи, обуславливает очень высокую термическую и химическую стабильность полимера. Такие необычные свойства фторполимера зависят от внутриатомного и межатомного взаимодействия, размера молекул и стерических факторов.

• Перфторкаучук

Экстремально высокая устойчивость к химическим воздействиям и теплостойкость перфторированного пластика обуславливается насыщенностью всех атомов углерода, не принимающих участия в построении цепи, атомами фтора, экранирование углеродной цепи отрицательным электрическим полем атомов фтора. В перфторкаучуках у атомов углерода основной цепи в качестве заместителей содержатся только атомы фтора, не считая связей с кислородом в перфторалкоксигруппах.

1.2.1 Каучуки общего назначения

• Хлоркаучук

Структура и свойства. Хлоркаучук представляет собой хлорированный натуральный или синтетический изопреновый каучук с содержанием хлора не менее 64,5 %. Различные типы ХК марки «Пергут» нашли широкое применение в качестве связующего для лаков и красок, используемых в строительстве, судостроении, полиграфии, антикоррозионной технике и т. д. Обширная область применения хлоркаучука — производство клеев, где он используется и самостоятельно,

1.2.2 Каучуки специального назначения

• Кремнийорганические — превосходят остальные разновидности по электроизоляционным параметрам и обладают стойкостью к низким температурам. На их основе делают имплантаты и трубки для переливания крови, в жидком виде — пастообразные составы для герметизации. Идеально подходят для изготовления РТИ в авиастроении;

• Фторсодержащие — благодаря термостойкости, получаются хорошие уплотнения, рассчитанные на эксплуатацию при температуре более +200°C;

• Уретановые — визитной карточкой этих материалов является превосходная атмосферостойкость, устойчивость растворителям, влагонепроницаемость. Каучуки часто используют заводы по изготовлению герметиков, искусственных тканей и уплотнений для агрессивных условий эксплуатации. 

2. Преимущества изделий из каучука

Все конструкции, в состав которых входит каучук, являются ремонтопригодными. Их легко восстановить с помощью клея, обладающим хорошей адгезией с полимером. Лучше всего подходят составы для холодной вулканизации. При застывании они приобретают такую же эластичность, как и изделие. 

Еще каучукам характерна низкая теплопроводность. Этим и обусловлено широкое применение материала в производстве защитных ручек на кухонной утвари и строительных инструментах. 

Благодаря высокой вибростойкости, резина отлично подходит для изготовления подушек под тяжелую спецтехнику и мебель. Материал не только выдерживает высокие нагрузки, но и предупреждает скольжение конструкций.

Глава 2

Практическая часть

Как правило, при эксплуатации изделий из эластомеров к ним предъявляются жесткие требования, наиболее важными из которых являются:

1. Износостойкость;

2. Стойкость при многократных деформациях;

4. Высокая эластичность;

5. Высокое удельное сопротивление;

6. Химическая стойкость.

Основная масса производимых в настоящее время каучуков используется в виде резин для изготовления разнообразных изделий в машиностроении, автомобилестроении, авиации, космонавтике, медицине, химической, нефтяной, газовой, угольной и других отраслях промышленности. Наибольшее количество каучуков потребляется для производства автомобильных шин, а также различных амортизирующих деталей и узлов, разнообразных резинотехнических изделий, пленочных изделий и т. д. Ассортимент вырабатываемых на сегодняшний день изделий из каучука и резины превышает шестьдесят тысяч наименований.

Я подобрал резиновые смеси из разных типов каучука для того, чтобы провести испытания.

Испытания проводились на образцах из резиновой смеси на основе силоксанового каучука (назовём образец №1), резиновая смесь на основе фторкаучука (образец №2), на основе нитрильного каучука (образец №3), на основе изопренового каучука (образец №4), на основе этилен-пропиленового каучука (образец №5).

Данные образцы погружались на 7 суток в 20% раствор серной кислоты, 20% раствор азотной кислоты и 20% раствор соляной кислоты (фото №1).

фото №1 фото №2

Данные измерений представлены в таблице №1 (Приложение №1, фото №2) и на графиках (Приложение №2).

Я рассчитал изменение массы образца (∆М) в процентах по формуле:

∆М=М₂-М_{1 * 100}

М₁

где М₁ – масса образца до испытания, г

М₂ - масса образца в конце испытаний, г.

Наименьшее изменение массы в 20% растворе серной кислоты у образца №5 – 0,13% , в 20% растворе азотной кислоты у образца №5 – 0,74% , в 20% растворе соляной кислоты у образца №5 – 0,08%. Также, данный образец показал себя с лучшей стороны и по внешнему виду.

Поскольку практическая значимость моей работы состоит в том, чтобы заменить манжету зарубежного производства на российскую, а манжета установленная в насосе несёт определённые нагрузки, я решил провести физико-механические испытания данных образцов.

Для проведения физико-механических испытаний на разрывной машине, мне пришлось изготовить соответствующие образцы. Сначала я изготовил на прессе пластины, затем специальной формой вырубил образцы в форме лопатки (фото №3), после чего на разрывной машине произвёл испытание (фото №4), а на твердомере измерил твёрдость (фото №5).

фото №3 фото №4 фото №5

Данные испытаний представлены в таблице№2 (Приложение 3).

Из курса физики мы знаем, что прочность - это свойство материала сопротивляться разрушению под действием напряжений, возникающих под воздействием внешних сил. Относительное удлинение даёт представление о деформационных свойствах каучука и зависит от его прочности.

Для определения минимальных характеристик для манжеты я воспользовался ГОСТ 14896-84 «Манжеты уплотнительные резиновые для гидравлических устройств». Согласно данному ГОСТ ссловная прочность при растяжении должна быть не менее 8,8 мПа, Относительное удлинение при разрыве не менее 65 %, твёрдость 75-90 ед. Шор А.

Таким образом, из таблицы №2 следует, что наиболее подходящим является образец №5.

Вывод: Анализ химических и физико-механических испытаний подобранных мною образцов показал, что наиболее подходящим является образец №5, т.е. резиновая смесь на основе этилен-пропиленового каучука.

Заключение

При написании своей работы я исследовал воздействие агрессивных сред на резиновые смеси. Я опытным путём показал, что стойкость к агрессивной среде зависит от типа эластомерной основы. Поэтому, считаю, что выдвинутая мною гипотеза доказана, а цель достигнута.

По выявленным результатам из резиновой смеси на основе этилен-пропиленового каучука изготовлены две манжеты (Приложение 4). 20 августа 2024 года они установлены на действующий насос для перекачивания кислот и щёлочей и на данный момент проработали 170 часов. Результат положительный. При достижении наработки в 1000 часов данные манжеты будут запущены в серийное производство взамен импортных.

Список литературы

1. Аверко-Антонович Ю.О. и др. Технология резиновых изделий Л.: Химия, 1991. - 352 с.

2. И.И.Осовская, Е.В.Савина, В.Е.Левич. Эластомеры. С-П.: Темплан, 2016. – 127с.

3. Лимпер А. Производство резиновых смесей. С-П.: ЦОП Профессия,2013. - 264 с.

4. Ж.С.Шажок, Е.П.Усс, О.А.Кротова, А.В.Лешкевич. Основы рецептуростроения эластомерных композиций. Минск : БГТУ, 2023. – 106 с.

4. ГОСТ 14896-84 Манжеты уплотнительные резиновые для гидравлических устройств.

Приложение 1

Таблица №1 – Изменение массы образца в растворах кислот

Приложение 2

Графики изменения массы образцов

Приложение 3

Таблица №2 – Физико-механические свойства резиновых смесей

Приложение 4

Фото №4 – Изготовленная манжета из резиновой смеси

на основе этилен-пропиленового каучука