Влияние углеродных наноматериалов на усталостные свойства полимерных композиций

КРАТКИЕ СООБЩЕНИЯ / BRIEF COMMUNICATIONS Оригинальная статья / Original article УДК 541.6

DOI: 10.21285/2227-2925-2016-6-4-169-172

ВЛИЯНИЕ УГЛЕРОДНЫХ НАНОМАТЕРИАЛОВ НА УСТАЛОСТНЫЕ СВОЙСТВА ПОЛИМЕРНЫХ КОМПОЗИЦИЙ

© А.М. Шульга, Т.И. Игуменова, Е.С. Акатов

Воронежский государственный университет инженерных технологий

Цель настоящего исследования - продолжение ранее начатого авторами изучения физико-химической природы наблюдаемого эффекта повышения устойчивости к усталостному старению резиновых смесей при введении наномодификатора (смеси углеродных фуллеренов). В экспериментальной части смоделированы условия динамического старения резин при многократном растяжении при небольших степенях деформации рабочей зоны и проведен отбор проб по ходу эксперимента для испытаний на условную прочность и степень набухания в растворителе. Показано, что существует взаимосвязь между этими показателями в процессе усталостного старения полимерного материала, отражающая процессы разрыва и рекомбинации связей.

Ключевые слова: динамическое старение резин, условная прочность, степень набухания в растворителе, усталостное старение полимерного материала

Формат цитирования: Шульга А.М., Игуменова Т.И., Акатов Е.С. Влияние углеродных наноматериалов на усталостные свойства полимерных композиций // Известия вузов. Прикладная химия и биотехнология. 2016. Т. 6, N 4. С. 169-172. DOI: 10.21285/2227-2925-2016-6-4-169-172

INFLUENCE OF CARBON NANOMATERIALS

ON FATIGUE PROPERTIES OF POLYMERIC COMPOSITIONS

A.M. Shulga, T.I. Igumenova, E.S. Akatov

Voronezh State University Engineering Technology

The aim of this work was to continue the study of physicochemical nature of rubber compounds ageing. The effect of improving the rubber fatigue resistance is observed when nanomodifier (a mixture of carbon Fuller-enes) is introduced into compound. The experimental part of study simulates the condition of rubber dynamic aging with repeated stretching and small degrees of deformation. The sampling for conditional strength and solvent swelling degree estimation was carried out in the course of the experiment. The relationship between exploring characteristics was found to reproduce the processes of recombination and break of ties. Keywords: dynamic aging of rubber, conditional strength, degree of swelling in a solvent, the ageing of polymer material

For citation: Shulga A.M., Igumenova T.I., Akatov E.S. Influence of carbon nanomaterials on fatigue properties of polymeric compositions. Izvestiya Vuzov. Prikladnaya Khimiya i Biotekhnologiya [Proceedings of Universities. Applied Chemistry and Biotechnology]. 2016, vol. 6, no 3, pp. 169-172 DOI: 10.21285/2227-2925-2016-64-169-172

ВВЕДЕНИЕ

Возрастающий объем использования новых полимерных материалов с высокими эксплуатационными характеристиками требует постоянного совершенствования как технологии их производства, так и поиска новых функциональных компонентов, обладающих комплексным влиянием на свойства продукта [1]. Особый интерес представляет изучение механизмов

взаимодействия модификаторов на основе углеродных фуллеренов с эластомерами различной структуры. К сожалению, существующие нано- и микронаполнители на данный момент повышают только физико-механические характеристики материалов, при этом их технологические и эксплуатационные свойства не улучшаются. Именно по этой причине актуальными являются исследования в области повышения

качества каучуков и резин на их основе путем комплексной модификации. Вопрос о влиянии смеси фуллеренов на динамическую выносливость резин с различными наполнителями является приоритетным.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

В качестве объектов исследования были выбраны следующие материалы: углеродный наномодификатор (ФТУ) - смесь фуллеренов фракции С50-С92 процентного состава: С50-С58 - 14,69%; С60 - 63,12%; С62-С68 - 5,88%; С70 - 13,25%; С72-С92 - 3,06% на естественном носителе смеси фуллеренов - аморфном техническом углероде, образующемся при синтезе, масляное число которого составляет 190210 г/100 г, поверхность по БЭТ - 380 м2/г.

Испытывалась полимерная композиция для шинных резин на основе синтетических каучуков различной структуры, а именно: товарного полибутадиена (СКД следующего состава: содержание цис-1,4 звеньев - 93%; содержание транс-1,4 звеньев - 5%; 1,2 звеньев - 2%; натурального каучука (НК) RSS (ГОСТ ИСО 1795-96) с содержанием 1,4 цис-звеньев - 98%; синтетического бутадиен-стирольного каучука (ГОСТ 15628-79) с содержанием транс-1,4 звеньев - 71,8%; цис-1,4 - 10,3%; 1,2-звеньев - 15,8%.

Сравнительные испытания с контрольным образцом без наномодификатора проводили на свулканизованных в оптимуме резиновых смесях. Серии по 30 образцов подвергали постоянным динамическим нагрузкам при циклическом растяжении рабочей зоны 50%. Общее количество циклов нагружения до разрушения для контрольного образца резины составило 54 000 циклов, а для резины с ФТУ - 64 000, одновременно проводили температурные измерения поверхности образцов, результаты которых

изложены в [2]. Отбор проб для испытаний на показатели прочности и степени набухания отбирались после 0, 7 000, 15 000, 30 000, 54 000 и 64 000 циклах нагружения. Прочностные испытания проводились согласно ГОСТ 29088-91. Набухание образцов проводили в растворе толуола, время выдержки образцов - 120 ч при н.у. Масса образцов замерялась до набухания, через 120 ч и после полного высыхания образцов резины, на основании полученных данных рассчитана плотность набухшего слоя по работам А.А. Соколовского [5].

ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

По полученным данным после испытаний образцов были построены сравнительные зависимости условной прочности при растяжении от количества циклов нагружения (рис.1) и степени набухания образцов в толуоле также от количества циклов нагружения (рис. 2) для контрольных и модифицированных резин. Подтверждены данные, изложенные авторами [3], при этом следует отметить, что степень набухания, которая выражается количеством поглощенного резиной растворителя, отнесенным к единице массы или объема полимера, косвенно отражает изменение структуры (свободного объема) вулканизованного образца в процессе динамических испытаний.

Классическая модель набухания в толуоле высоконаполненных резин свидетельствует о вымывании сажи и других наполнителей согласно рецептуре, что видно по кривой 1 на рис. 1. Характер кривой 2 на рис. 1 свидетельствует об уменьшении потерь в весе модифицированных смесью фуллеренов образцов, соответственно степень вымытых компонентов меньше на 50-90%.

На основании вышеизложенного можно

14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4

20000

40000

60000

80000

количество циклов многократного растяжения при 50% деформации, тыс.

1

2

0

Рис. 1. Плотность набухшего слоя: 1 - контрольный образец без ФТУ; 2 - образец с содержанием ФТУ в оптимуме

Рис. 2. Зависимость показателя прочности от деформации: 1 - контрольный образец без ФТУ; 2 - образец с содержанием ФТУ в оптимуме

сделать вывод, что смесь фуллеренов способствует образованию помимо вулканизационной серной сетки дополнительной редкосетчатой структуры в резине, обусловленной химической реакцией полимера с фуллеренами по двойной связи.

Показано, что на начальном этапе динамического утомления резин (см. рис. 2) зависимость физико-механических показателей от количества циклов деформации для модифицированного образца проходит через максимум, в отличие от контрольного, прочность которого непрерывно снижается.

В дальнейшем при развитии усталостных процессов в контрольном образце увеличивается скорость падения прочности, сопровож-

1. Чичварин А.В., Игуменова Т.И. Явление стабилизации теплового старения связующих на основе товарного полибутадиена смесью фуллеренов группы С50-С92 // Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова. 2011. N 4. С. 142-144.

2. Игуменова Т.И., Шульга А.М. Исследование теплообразования при динамическом нагру-жении резин // Вестник Воронежского государственного университета инженерных технологий. 2016. N 1. 156-158.

3. Игуменова Т.И., Гудков М.А., Попов Г.В. Особенности усталостной устойчивости резин на основе комбинации минеральных наполнителей и

дающаяся непрерывным снижением набухания, тогда как в модифицированном углеродными фуллеренами образце оба процесса выходят на «плато» и сохраняют практически постоянную скорость до разрушения.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Таким образом, в результате проведенных исследований показано, что смесь углеродных фуллеренов может быть использована в шинных резинах как стабилизатор динамической выносливости резин, предотвращающий разрушение вулканизатов из-за образования дополнительной редкосетчатой структуры, которая замедляет усталостное старение.

КИЙ СПИСОК

фуллеренсодержащего технического углерода // Промышленное производство и использование эластомеров. 2012. N 1. С. 25-27.

4. Корнев Ю.В., Юмашев О.Б., Жогин В.А., Гамлицкий Ю.А., Швачич М.В., Буканов А.М. Влияние модификации технического углерода на свойства резин // Каучук и резина. 2008. N 1. С. 14-18.

5. Соколовский А.А. Исследование сорбции бутадиен-нитрильного каучука СКН-26 на наполнителях вулканизатах путем анализа данных о набухании в различных растворителях // Сб. тр. XXVI симпозиума «Проблемы шин, РТИ и эла-стомерных композитов». 2015. С. 387-392.

REFERENCES

1. Chichvarin A.V., Igumenova T.I. Thermal stabilization of ageing phenomenon binders based on commodity polybutadiene with a mixture of Fullerene group A50-C92. Vestnik Belgorodskogo gosudar-stvennogo tekhnicheskogo universiteta imeni V.G. Shukhova [The Bulletin of V.G. Shukhov Belgorod State Technical University]. 2011, no. 4, pp. 142-144.

2. Igumenova T.I., Shulga A.M. Study on heat under dynamic loading of rubber. Vestnik Voronezh-skogo gosudarstvennogo universiteta inzhenernykh tekhnologii [Proceedings of the Voronezh State University of Engineering Technologies]. 2016, no. 1, pp. 156-158.

3. Igumenova T.I., Gudkov M.A., Popov G.V. Especially fatigue sustainability of rubbers based on a combination of mineral fillers and fullerene contained

Критерии авторства

industrial carbon. Promyshlennoe proizvodstvo i ispol'zovanie elastomerov [Production and use of elastomers]. 2012, no.1, pp. 25-27.

4. Kornev Yu.V., Yumashev O.B., Zhogin V.A., Gamlitskii Y.A., Shvachich M.V., Bukanov A.M. Influence of modification of carbon black on properties of rubber. Kauchuk i rezina [Rubber and tires]. 2008, no. 1, pp. 14-18.

5. Sokolovskii A.A. Study on the sorption of bu-tadiene-nitrile rubber SKN-26 on fillers vulkanizate by analysis of swelling in various solvents. Trudy XXVI mezhdunarodnogo simpoziuma «Problemy shin, RTI i elastomernykh kompozitov» [Proc. XXVI Int. Symp. «Problems of tires, rubber and elastomer composites»]. Moscow, NPKTS VESTKOM Publ., 2015, pp. 387-392.

Contribution

Шульга А.М., Игуменова Т.И., Акатов Е.С. выпол- Shulga A.M., Igumenova T.I., Akatov E.S. carried

нили экспериментальную работу, на основании out the experimental work, on the basis of the re-

полученных результатов провели обобщение и suits summarized the material and wrote the manu-

написали рукопись. Шульга А.М., Игуменова Т.И., script. Shulga A.M., Igumenova T.I., Akatov E.S.

Акатов Е.С. имеют на статью авторские права и have equal author's rights and bear equal responsi-

несут равную ответственность за плагиат. bility for plagiarism.

Конфликт интересов

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

СВЕДЕНИЯ ОБ АВТОРАХ Принадлежность к организации

Анна М. Шульга

Воронежский государственный университет инженерных технологий

394036, Россия, г. Воронеж, пр. Революции, д. 19

Аспирант

alex-mare@mail.ru

Татьяна И. Игуменова

Воронежский государственный университет инженерных технологий

394036, Россия, г. Воронеж, пр. Революции, д. 19

К.т.н., доцент

igymti8@rambler.ru

Евгений С. Акатов

Воронежский государственный университет инженерных технологий

394036, Россия, г. Воронеж, пр. Революции, д. 19

К.т.н., доцент

zhenek-asp@mail.ru

Поступила 18.07.16

Conflict of interest

The authors declare no conflict of interests regarding the publication of this article.

AUTHORS' INDEX Affiliations

Anna M. Shulga

Voronezh State University of Engineering Technoiogies

19, Revolyutsii Ave., Voronezh, 394036, Russia

Posrgraduate student

alex-mare@mail.ru

Tatiana I. Igumenova

Voronezh State University of Engineering Technoiogies

19, Revolyutsii Ave., Voronezh, 394036, Russia PhD of Engineering, Associated professor igymti8@rambler.ru

Yevgeny S. Akatov

Voronezh State University of Engineering Technoiogies

19, Revolyutsii Ave., Voronezh, 394036, Russia PhD of Engineering, Associated professor zhenek-asp@mail.ru

Received 18.07.16