Морозостойкие материалы для Республики Саха (Якутия)

МОРОЗОСТОЙКИЕ МАТЕРМАШ

пт ршттммт ©АЖА

А. А. Охлопкова, Н. Н. Петрова, М. Д. Соколова

В настоящее время полимеры так широко используются в хозяйственной деятельности человека, что о качестве жизни в той или иной стране судят по уровню применения этих материалов. В начале 90-х годов прошлого века мировое производство полимеров достигло 102 млн м3/год, что в денежном выражении составило 300 млрд долларов. [1]. Более того, между 1980 и 1990 гг. производство полимеров возросло на 52%, а стали снизилось на 21%. Однако даже сегодня годовое душевое потребление полимеров в разных странах колеблется от менее чем 200 г (Пакистан) до 200 кг (Бельгия). В текущем десятилетии прирост потребления полимеров на душу населения в развитых странах будет опережать прирост потребления других материалов. Отсюда - повышенный интерес исследователей практически ко всем разделам науки о полимерах, диапазон проблем которой чрезвычайно широк. Решить их невозможно без привлечения и использования многих специальных знаний.

К числу наиболее интенсивно разрабатываемых теоретических проблем полимерного материаловедения относятся:

- изучение «поведения» полимеров в экстремальных условиях (высокое давление, космос, ионизированное излучение, низкие температуры и др.);

- старение и стабилизация полимеров;

- создание "интеллектуальных" материалов, способных адаптироваться и самоорганизовываться в процессе эксплуатации.

К таким "умным" материалам (smart-materials) относятся полимеры с градиентными свойствами. Создание градиентных разномо-дульных материалов, модуль упругости которых плавно меняется в заданном направлении в пределах одного образца, открывает новые пути для их технического использования. Сегодня уже получены сетчатые полимерные материалы на основе олигомерного полиэфирного каучука и ароматического диизоцианата, модуль упругости которых меняется от 4,5 МПа до 2 ГПа [1], то есть осуществляется плавный переход от резины к пластмассам в пределах одного изделия.

Климатические условия северных регионов, в том числе Республики Саха (Якутия), характеризующиеся продолжительным зимним периодом с экстремально низкими температурами, а также температурными перепадами с большой амплитудой, оказывают существенное влияние на эффективность эксплуатации и надежность технических средств, в которых используются полимерные детали. В зимний период происходит повышение потока отказов практически всех систем машин и механизмов (электрооборудования, гидроприводов, несущих конструкций и т. д.). Наиболее уязвимыми при низких температурах являются узлы трения, в которых используются уплотнения и подшипники. Только по причине разгерметизации уплотнений в зимнее время наблюдается до 30% всех отказов и неплановых простоев техники. Затраты на проведение ремонтно-восстановительных работ, потери от недополучения про-

Айталина Алексеевна Охлопкова,

доктор технических наук,профес-сор кафедры ВМС и ОХБГФ ЯГУ

им. М. К. Аммосова, главный научный сотрудник лаборатории полимерэластомерных материалов ИНМ СО РАН.

Наталья Николаевна Петрова,

кандидат химических наук, доцент кафедры аналитической и физичес-кои химии БГФ ЯГУ им. М. К. Аммосова, зав. лабораторией полимерэластомерных материалов ИНМ СОРАН.

МаринаДмитриевна Соколова,

кандидат технических наук, доцент кафедры ВМС и ОХБГФ ЯГУ им. М. К. Аммосова, старший научный сотрудник лаборатории полимерэластомерных материалов ИНМ СО РАН.

дукции, необходимость содержания резервной техники и агрегатов, а также большого количества запасных частей - все это приводит к огромным убыткам [2].

Анализ причин низкой надежности и недолговечности деталей узлов трения показывает необходимость первоочередного решения двух проблем:

- повышения эксплуатационныххарактерис-тик применяемых материалов;

- рационального конструктивного оформления как изделий из них, так и узлов, в которых они используются.

Следует отметить, что перечень материалов, из которых изготавливаются уплотнительные детали, в современном машиностроении достаточно обширен. Это эластомеры на основе различных натуральных и синтетических каучуков, термопластичные полимеры, а также армированные композиты с термореактивными связующими.

Наиболее эффективным и технологически приемлемым методом улучшения морозо-, износо- и агрес-сивостойких свойств разрабатываемых материалов является направленная модификация структуры полимерного связующего. Этой проблемой в течение ряда лет занимаются сотрудники Института неметаллических материалов (ИНМ) СО РАН и кафедры высокомолекулярных соединений и органической химии Якутского государственного университета им. М. К. Аммосова. В 1998 г. был создан филиал этой кафедры при ИНМ СО РАН, что дало возможность студентам химического отделения ЯГУ осваивать азы полимерной науки, проходить производственную практику, выполнять курсовые и дипломные работы под руководством ведущих ученых института. Заканчивая вуз, молодые люди приобретают высокую квалификацию по специальности «химическая технология». Так, две выпускницы химического отделения ЯГУ А. Ф. Федорова (рис. 1) и П. Н. Петрова прошли аспирантскую подготовку и защитили диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук. Многие студенты (Т. С. Ючюгяева, О. В. Аргунова, Д. Д. Филиппов, М. Н. Копцова, В. В. Иванова, М. Л. Ларионова, П. Г. Иванова) имеют патенты РФ на изобретение

рецептур новых морозостойких материалов, дипломы научных конференций различного уровня (в том числе зарубежных), гранты Академии наук РС(Я).

Исследования по разработке и совершенствованию полимерных антифрикционных материалов развиваются в ИНМ СО РАН и на кафедре высокомолекулярных соединений и органической химии ЯГУ по следующим основным направлениям:

- оптимизация химического состава полимерных композиций;

- улучшение механических показателей материалов (коэффициент трения, износостойкость, прочность ит. д.);

- изучение механизмов изнашивания полимерных материалов и поиск методов их регулирования;

- разработка новых технологий переработки полимерных композиций;

- поиск областей оптимального использования антифрикционных полимерных материалов;

- внедрение разработок в различные отрасли промышленности РС(Я) (горнодобывающая, транспортная, нефтегазовая).

В настоящее время разработанные нашими учеными материалы успешно используются в узлах трения различных машин, в том числе - техники зарубежного производства:карьерных автосамосвалах "М-200" и "НД-1200", экскаваторах "Марион" и бульдозерах "Комацу", эксплуатируемых на предприятиях АК "Золото Якутии", "Алмазы России-Саха", "Якуту-голь", в нефтегазодобывающих организациях НАК "Саханефтегаз" и др.

Рецептуры уплотнительных материалов на основе полимеров и эластомеров защищены 50-ю патентами РФ. Разработки по уплотнительным материалам отмечены бронзовой медалью III Московского международного салона инвестиций и инноваций (февраль 2003 г.), дипломом Всероссийского научно-промышленного форума «Россия Единая» в рамках Нижегородской ярмарки (сентябрь 2002 г.), дипломами и сертификатами республиканских выставок.

Разработанные нами уплотнительные материалы не только не уступают мировым стандартам,

Рис. 1. Кандидат технических наук, выпускница химического отделения БГФ ЯГУ(первый выпуск) Айталина Федорова за установкой по исследованию свойств эластомерных материалов.

но по ряду позиций (оригинальности технологий модифицирования, уровню эксплуатационных характеристик) опережают зарубежные аналоги. Для сравнения технических характеристик уплотнений из этих материалов с зарубежными аналогами мы подвергли испытаниям уплотнения, предоставленные зарубежными фирмами "Честертон" (Англия), "Шэмбен" (Дания) и "Бронзтефлон" (Германия). Уплотнения, изготовленные из материалов, разработанных в ИНМ СО РАН, обеспечили практически полную герметичность соединений, чего не достигли их зарубежные аналоги.

В результате механической и структурной модификации политетрафторэтилена (тефлона) малыми количествами высокодисперсных наполнителей найдена оптимальная рецептура материалов; разработана технология на основе механоактивации ингредиентов для создания композитов с улучшенным комплексом свойств; получены триботехнические материалы (рис. 2) с повышенными износостойкостью, эластичностью, прочностными параметрами, что обеспечило повышение ресурса работоспособности изделий из них в узлах трения машин и механизмов. Высокая химическая инертность тефлона и применяемых для его модификации низкомолекулярных добавок позволяет использовать полученные композиты практически в любых агрессивных средах [3-5]. Была также разработана безотходная ресурсосберегающая технология получения изделий на основе фторопластовых композиционных материалов с точно заданными геометрической формой и размерами, что не требует операций доводки изделия.

Антифрикционные материалы и конструкции узлов трения, разработанные нами, предназначены для работы в экстремальных условиях: температура -от минус 60 до плюс 250 °С, давление-до 70 МПа.

Резина является лучшим и во многих случаях

Рис. 2. Уплотнения и подшипники скольжения для экстремальныхусловий эксплуатации.

Рис. 3. Морозостойкие уплотнения для техники Севера - продукция опытно-промышленного участка Института неметаллических материалов СО РАН, г. Якутск.

единственно приемлемым уплотнителем. В настоящее время из нее изготавливается 90% всех уплотнительных деталей. Разработанные сотрудниками ИНМ СО РАН и ЯГУ эластомерные композиции обладают улучшенными эксплуатационными свойствами и повышенной долговечностью при работе в крайне жестких арктических условиях.

Совмещение бутадиен-нитрильного каучука (БНК) с другими полимерами, обладающими более высокой стойкостью к низким температурам, позволяет создать материал с повышенной морозостойкостью, сохраняющий при этом необходимую эластичность и износостойкость.

Интересные результаты получены при модификации серийной резиновой смеси различными структурноактивными добавками - природными цеолитами (месторождение Хонгуру, Сунтарский улус), ультрадисперсными наполнителями. При введении небольших количеств добавок значительно повышается эластичность и морозостойкость композиций (особенно в критической области эксплуатации, то есть при температурах ниже -45°С) [7].

Для работающей в экстремальных условиях техники на базе ИНМ СО РАН организовано производство уплотнительных деталей (рис. 3), которые пользуются огромным спросом у транспортных и горнодобывающих предприятий Республики Саха (Якутия). В настоящее время институт выпускает в год до 500 тысяч изделий 300 наименований.

Бурный рост нефтегазового комплекса РС(Я) предопределил активное развитие прикладного направления научных работ, а именно: проведение крупномасштабных исследований климатической устойчивости эластомеров в условиях Республики Саха, изучение действия нефтяных сред на основные свойства резин и создание новых материалов с повышенным уровнем эксплуатационных качеств. В ИНМ СО

РАН разработана система комплексной оценки влияния нефтяных сред и температур окружающей среды, характерных для Центральной Якутии, на эксплуатационные свойства резин, предназначен-ныхдля применения в северныхусловиях. Исследовано изменение свойств серийно выпускаемых промышленностью резин при воздействии нефтяной среды на Талаканском месторождении в натурных условиях при экспозиции в течение двух лет.

Впервые было изучено комплексное влияние нефти и низких температур на свойства резины на основе нового пропиленоксидного каучука (СКПО), промышленный выпуск которого недавно освоен на Стерлитамакском заводе синтетического каучука. Проведена модификация данной резины активированными природными цеолитами якутских месторождений и показана перспективность применения СКПО для производства уплотнитель-ных деталей, предназначенных для работы в условиях Республики Саха (Якутия), ввиду его уникальной морозостойкости (до-74°С) [8].

Как удачный пример сотрудничества научных организаций и производственных структур Республики Саха (Якутия) нужно отметить строительство и эксплуатацию нефтепровода «Тала-кан - Витим», решающего важные топливно-энергетические проблемы, а также имеющего огромное экономическое значение. Герметичность сборной конструкции трубопровода обеспечивается резиновыми уплотнительными манжетами. На основании опыта эксплуатации уплотнений аналогичных систем при низких температурах нашими учеными было предложено для изготовления уплотнительных колец использовать резину марки В-14 на основе бутадиен-нитрильного каучука СКН-18. Производство таких уплотнений было организовано на опытно-промышленном участке ИНМ СО РАН. По результатам экспериментальных исследований и данным по прогнозированию процесса старения с учетом натурной экспозиции резин, установлен гарантийный срок эксплуатации колец из резины марки В-14 в конструкции нефтепровода [9]. В течение уже семи лет (с начала эксплуатации нефтепровода) ведется мониторинг состояния уплотнительных колец.

Самое активное участие в перечисленных выше работах принимают студенты химического

отделения биолого-географического факультета ЯГУ. Таким образом, сотрудничество двух научных учреждений республики - образовательного и научно-исследовательского - приносит ощутимые плоды в проводимых совместно научных исследованиях и разработке проектов, а также, что очень важно, привлекает в науку молодых специалистов, которые со студенческой скамьи начинают решать конкретные прикладные задачи для различных отраслей промышленности РС(Я).

Список литературы

1. Плескачевский Ю. М. Современные проблемы развития науки о полимерных материалах//Проблемы современного материаловедения. -Киев, 1998.-82 с.

2. Кузьмин В. Р., Ишков А. М. Прогнозирование хладостойкости конструкций и работоспособности техники на Севере. - М.: Машиностроение, 1996. - 304 с.

3. Охлопкова А. А., Виноградов А. В., ПинчукЛ. С. Пластики, наполненные ультрадисперсными наполнителями. - Гэмель: ИММС НАНБ, 1999. -164 с.

4. Охлопкова А. А., Адрианова О. А., Попов С. Н. Модификация полимеров ультрадисперсными соединениями. -Якутск: Изд-воЯФ СО РАН, 2003. - 224 с.

5. Петрова П. Н., Охлопкова А. А., Краснов А. П., Афоничева О. В. Влияние низких температур на три-ботехнические характеристики наполненного ПТФЭ// Труды I Евразийского симпозиума. - Ч. III. -Якутск, 2002. -С. 93-102.

6. Соколова М. Д., Ларионова М. Л. Модификация резин на основе парафинатного бутадиен-нитрильного каучука композициями сверхвысокомолекулярного полиэтилена // Труды I Евразийского симпозиума.-Ч. III. -Якутск, 2002,- С. 153-160.

7. Слепцова М. И., Адрианова О. А., Петрова Н. Н. Модификация резин природными цеолитами//Материалы Международной конференции по каучуку и резине «Rubber». -М., 1994. -Т. 2.-С. 248-253.

8. Петрова Н. Н., Федорова А. Ф., Иванова В. В. Резины на основе пропиленоксидного каучука для эксплуатации в климатических условиях Республики Саха (Якутия) // Труды I Евразийского симпозиума. - Ч. III. -Якутск, 2002.-С. 103-111.

9. Петрова Н. Н., Попов С. Н., Соколова М. Д., Попова А. Ф. Опыт эксплуатации трубопровода ПМТП-150 военного назначения в условиях холодного климата // Современные технологии при создании продукции военного и гражданского назначения. Сб. докл. - Омск: Изд-во ОмГТУ, 2001. -Ч.1.- С. 150-153.

Архив мудрых мыслей

Тому, кто не постиг науки добра, всякая другая наука приносит только вред.

Монтень