СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ РЕЗИНЫ ИЗ ЭЛАСТОМЕРНОЙ КОМПОЗИЦИИ НА ОСНОВЕ СИНТЕТИЧЕСКОГО КАУЧУКА
METHOD OF PRODUCING RUBBER FROM ELASTOMER COMPOSITION BASED ON SYNTHETIC RUBBER

Изобретение относится к области производства резиновых изделий, а именно к способу изготовления резины из эластомерной композиции на основе синтетического каучука с использованием порошкообразного наполнителя, и может быть использовано в конструкциях ракетно-космической, авиационной, военной и другой технике, работающих в условиях повышенных нагрузок и температур.
В технике известны различные способы изготовления композиций для получения резины с использованием микросфер. Известны способы приготовления эластомерных композиций, используемых для изготовления протекторов шин, получаемых добавлением к резиновой смеси из каучука, серы, ускорителя вулканизации и других составляющих термопластичных микросфер с максимальной температурой расширения 180-200°С, оболочка которых состоит из сополимера полиакрилонитрила и метакрилонитрила, заполненных изобутаном или изопентаном (пат. Япония 3392747, кл. C08L 21/00, опубл. 31.03.2003, пат. Япония 3376271, кл. C08L 21/00, опубл. 10.02.2003, пат. Япония 3356672, кл. C08L 21/00, опубл. 16.12.2002, пат. Япония 3352627, кл. C08L 21/00, опубл. 03.12.2002).
Известен также способ получения сжимаемого слоя - часть сжимаемых печатных полотен, который формируется посредством введения в эластомерную матрицу (каучук или резиновая смесь) термопластичных микросфер, оболочка которых состоит из сополимера акрилонитрила, метакрилонитрила и метилметакрилата с максимальной температурой расширения 180-200°С и заполненных пентаном. Эластомер, перемешанный с термопластичными микросферами, наносится на тканевую основу для получения сжимаемого слоя определенной толщины (0,1-0,8 мм) и отверждается при температуре 80-150°С в течение 1-6 часов (патент России №2106964, МПК В29С 35/02, опубл. 20.03.1998).
Однако композиции, полученные этими известными способами, имеют ограничение применения по температуре - не выше 200°С, т.к. термопластичные микросферы будут плавиться. В некоторых случаях возникает необходимость сушки этих микросфер во избежание вспучивания эластомерной композиции в процессе любого последующего нагревания полимера, что усложняет способ изготовления с использованием термопластичных микросфер.
Известен способ получения листового формовочного полуфабриката, применяемого для формирования композитных изделий на основе термореактивных связующих и полых стеклянных микросфер. Чтобы получить материал с высокими упруго-прочностными характеристиками стеклянных микросфер в нем должно содержаться не менее 60-70 об.%. Данный способ включает приготовление компаунда из термореактивного связующего и полых стеклянных микросфер, его сушку и дробление на мелкие гранулы, подаваемые в бункер валкового устройства для расплавления, с последующей раскаткой в лист требуемой толщины (0,5-10 мм) (патент России №2223178, В32В 5/16, опубл. 10.02.2004).
Недостатком способа является то, что у стеклянных микросфер не высокая прочность. Из опыта работы со стеклянными микросферами авторами заявляемого технического решения выяснено, что очень большая часть стеклянных микросфер разрушается при одновременном воздействии на них повышенных нагрузок и температур.
Известен способ изготовления резинотехнических изделий из эластомерных композиций на основе бутадиен-нитрильного каучука, включающий пластикацию каучука на вальцах, введение активатора вулканизации, противостарителя, порошкового наполнителя, пластификатора, вулканизующего агента, разогрев резиновой смеси на вальцах, с последующей вулканизацией эластомерной композиции методом прямого прессования при температуре 180°C в течение 10 минут давлением на пресс-форму не менее 5 МПа. Предложенным способом получены резинотехнические изделия с заданными эксплуатационными характеристиками: условной прочности при растяжении на уровне 12,7-13,5 МПа, относительным удлинением 128-163% (патент РФ №2472619, опубл. 20.01.2013, БИ №2, B29C 35/00). Вышеуказанный источник является наиболее близким к заявляемому техническому решению и поэтому выбран в качестве прототипа. В предложенном способе получают резинотехнические изделия с высокой условной прочностью при растяжении, но недостаточно высоким относительным удлинением при разрыве.
Задачей настоящего изобретения является получение резины из эластомерной композиции на основе синтетического каучука с высоким относительным удлинением при разрыве.
Технический результат, достигаемый при использовании настоящего изобретения, заключается в следующем:
- относительное удлинение при разрыве полученной резины составляет 304-381%;
- прочность на разрыв при растяжении полученной резины составляет 5,26-6,06 МПа;
- снижается плотность резины на 7-10%, что является существенным при использовании материала в крупногабаритных конструкциях, значительно снижая их вес.
Для решения указанной задачи и достижения технического результата заявляется способ изготовления резины из эластомерной композиции на основе синтетического каучука, включающий введение порошкообразного наполнителя в листовую заготовку из исходной эластомерной композиции с последующим вальцеванием и вулканизацией, в котором, согласно изобретению, используют эластомерную композицию на основе этиленпропиленового каучука, при этом в качестве наполнителя используют прочные зольные микросферы, выдерживающие нагрузку 20-40 МПа, с дисперсностью 60-200 мкм, а вулканизацию осуществляют при температуре 150-160°С и давлении 1,0-1,5 МПа.
При этом зольные микросферы вводят в количестве 15-20% от общего объема эластомерной композиции.
Исходная эластомерная композиция может быть отформована в виде листовой заготовки толщиной 1,5-1,8 мм, а наполнитель в листовую заготовку эластомерной композиции вводят вальцеванием, при этом микросферы можно вводить, располагая их между 3-5 слоями листовых заготовок эластомерной композиции.
В рамках настоящей работы были проведены исследования по выбору порошкового наполнителя. Действие наполнителей определяется множеством факторов - формой и размером частиц, особенностями взаимодействия с полимером, особенностями взаимодействия между частицами наполнителя в среде полимера, количеством наполнителя и другими. В качестве наполнителя были выбраны полые микросферы представляющие собой мелкодисперсный порошок, состоящий из частиц сферической формы диаметром от нескольких десятков до нескольких сотен микрон. Поэтому полые микросферы удобны для равномерного введения их в эластомерную композицию. Среди полых микросфер наиболее распространены и доступны зольные и стеклянные микросферы. Экспериментальным путем установлено, что при одновременном воздействии температуры выше 150°С и нагрузки во время вулканизации стеклянные микросферы (марка МС-А9 гр. Б2) разрушались.
Определяющими факторами применения в качестве наполнителя зольных микросфер являются относительно низкая стоимость, высокая прочность, низкая плотность, стойкость в агрессивных средах и при повышенных температурах.
Поскольку эластомерную композицию с введенными микросферами необходимо раскатывать в вальцах и вулканизировать, были выбраны зольные микросферы с улучшенными прочностными характеристиками, выдерживающие нагрузку не менее 20 МПа. В общей массе зольных микросфер присутствуют различные фракции по прочностным характеристикам. Зольные микросферы с улучшенными прочностными характеристиками, по сравнению с обычными, не разрушаются в процессе изготовления резины при переработке эластомерной композиции давлением с одновременным использованием температуры нагрева эластомерной композиции.
Кроме того, диаметр вводимых микросфер не должен был превышать 200 мкм, т.к. толщина готовой резины составляет не более 2,0 мм. Диаметр закупаемых зольных микросфер может колебаться от 20 до 500 мкм. Поэтому проводился просев микросфер с отбором частиц диаметром не более 200 мкм.
Режим вулканизации выбран исходя из состава эластомерной композиции и характеристик, предъявляемых к получаемой из эластомерной композиции резине.
Введение порошкового наполнителя (полых микросфер) в эластомерную композицию повышает механические свойства изготавливаемой резины, в частности увеличение прочности резины при разрыве и относительное удлинение при разрыве. При растяжении любого материала разрушение происходит вследствие образования трещин в материале, их роста, соединения с другими трещинами и разрушения материала по этим трещинам. При наличии микросфер в резине образовавшаяся трещина доходит до поверхности микросферы и огибает ее. Тем самым площадь трещины при встрече с каждой микросферой увеличивается. Для продолжения роста трещины требуется, соответственно, большее усилие, что приводит к общему росту усилия материала на разрыв.
Вместе с этим введение полого наполнителя (зольных микросфер) снижает плотность резины. При этом немаловажное значение имеет количество вводимых микросфер в эластомерную композицию. При введении микросфер более 20 об.% начнут снижаться механические свойства и эластичность резины.
Способ осуществляют следующим образом. В эластомерную композицию на основе этилен-пропиленового каучука вводят прочные зольные микросферы дисперсностью 60-200 мкм, выдерживающие нагрузку 20-40 МПа. Полученную эластомерную композицию вальцуют в листовую заготовку и проводят вулканизацию при температуре 150-160°С и давлении 1,0-1,5 МПа.
Зольные микросферы вводят в количестве 15-20% от общего объема эластомерной композиции.
Приведенные ниже примеры не ограничивают изобретение и приводятся только в целях иллюстрации.
Для получения резины по данному способу исходную эластомерную композицию на основе этилен-пропиленового каучука раскатывают методом вальцевания или каландрования в лист толщиной 1,5-1,8 мм. Рецептура исходной эластомерной композиции, наполняемой прочными зольными микросферами, мас.%:
Этилен-пропиленовый каучук СКЭПТ-40
64
Аэросил
3,25
Сополимер акрилонитрила с метилакрилатом
19,3
Технологические и вулканизирующие добавки
13,45
Микросферы вводили между листовыми заготовками эластомерной композиции, равномерно распределяя их по поверхности листовой заготовки, затем пропускали заготовки в зазор между вращающимися навстречу друг другу цилиндрическими валками, постепенно уменьшая зазор между ними, чтобы получить лист толщиной 2-2,5 мм. С целью изучения влияния дисперсности микросфер на свойства получаемой резины был проведен просев зольных микросфер, вводимых в состав эластомерной композиции, с выделением трех фракций с диаметрами: 60-90 мкм, 112-160 мкм, 160-200 мкм. Для исследования влияния прочности зольных микросфер на свойства резины были взяты прочные микросферы, выдерживающие нагрузку в 20 МПа и 40 МПа. В рамках проводимых исследований микросферы вводились в состав эластомерной композиции в количестве 16 об.%, 18 об.% и 20 об.% от общего объема эластомерной композиции.
Для изготовления резины сформованный лист эластомерной композиции на основе этилен-пропиленового каучука, наполненной прочными зольными микросферами, вулканизируют при температуре 150-160°С и давлении 1,0-1,5 МПа. Вулканизация проводится в одну стадию с подъемом температуры до 150-160°С в течение 60 минут и выдержкой при этой температуре в течение 80-90 мин.
Технические характеристики резины, изготовленной заявляемым способом:
Плотность, г/см<sup>3</sup>
0,91-0,93
Прочность на разрыв, МПа
5,26-6,06
Относительное удлинение при разрыве, %
304-381
Резина, изготовленная из эластомерной композиции, наполненной прочными зольными микросферами, была подвергнута испытаниям на прочность при растяжении с определением прочности на разрыв и относительного удлинения при разрыве. Результаты испытаний приведены в таблице 1. Испытания проводились в соответствии с ГОСТ 270-75 «Резина. Метод определения упругопрочностных свойств при растяжении». Результаты испытаний показали, что предложенный способ обеспечивает получение резины с заданными эксплуатационными характеристиками. Кроме того, предложенный способ позволяет снизить плотность резины на 7-10%, что в настоящее время является немаловажным фактором при использовании композиционных материалов в крупногабаритных конструкциях.
Экспериментальные и практические исследования показали эффективность применения предложенного способа изготовления резины из эластомерной композиции на основе синтетического каучука. Было установлено, что совокупность всех существенных признаков предложенного технического решения дает возможность изготовить резину с относительным удлинением при разрыве 304-381%, прочностью на разрыв при растяжении 5,26-6,06 МПа и снизить плотность резины на 7-10%. Экспериментальные исследования показали, что введение микросфер различной дисперсности существенно не влияет на изменение свойств резины. Поэтому для введения в резину можно использовать микросферы дисперсностью 60-200 мкм.