Электронный научный журнал
Современные проблемы науки и образования
ISSN 2070-7428
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,737

ВЛИЯНИЕ МИКРОВОЛНОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ НА ПРОЧНОСТНЫЕ СВОЙСТВА ЭЛАСТОМЕРНЫХ КОМПОЗИЦИЙ НА ОСНОВЕ НЕПРЕДЕЛЬНЫХ КАУЧУКОВ

Каблов В.Ф. 1 Кейбал Н.А. 1 Провоторова Д.А. 1 Митченко А.Е. 1
1 Волжский политехнический институт (филиал) ФГБОУ Волгоградский государственный технический университет
В работе исследована возможность модификации непредельных каучуков с применением микроволнового излучения с целью улучшения прочностных свойств эластомерных композиций на их основе. Выявлено, что в процессе такой модификации происходит улучшение физико-механических свойств как ненаполненных, так и наполненных резин на основе этиленпропиленового и хлоропренового каучуков в среднем в 1,5-2,5 раза при сохранении показателя твердости. Установлено, что обработка хлоропренового каучука, предварительно модифицированного фосфорборазотсодержащим олигомером ФЭДА, в токах сверхвысокой частоты способствует ускорению взаимодействия данного модификатора с каучуком. При СВЧ-нагреве тепловыделение происходит непосредственно в объеме материала, поэтому такой нагрев является более эффективным. Проведены спектральные исследования исходных и модифицированных каучуков, подтверждающие изменение степени кристалличности полимера, а также усиление взаимодействия каучука с модификатором ФЭДА.
модификация
микроволновое излучение
эластомерные композиции
вулканизованные резины
физико-механические свойства
1. Захарченко П.И. Справочник резинщика / П.И. Захарченко, Ф.И. Яшунская, В.Ф. Евстратов. – М.: Химия, 1971. – 587 с.
2. Калганова С.Г. Электротехнология нетепловой модификации полимерных материалов в СВЧ электромагнитном поле: автореф. дис. докт. техн. наук. - Саратов, 2009. – 34 c.
3. Модификация хлорированного натурального каучука в токах сверхвысокой частоты как способ повышения адгезионных свойств / В.Ф. Каблов [и др.] // Проблемы шин и резинокордных композитов: [матер.] 24–го симпозиума (14–18 сентября 2013 г.) / Науч.–техн. центр "НИИШП". – М., 2013. – C. 141–142.
4. Модификация хлорcодержащих каучуков аминофосфорсодержащими добавками с целью улучшения адгезионных характеристик при склеивании резин [Электронный ресурс] / А.Е. Митченко [и др.] // VI Международная студенческая электронная научная конференция «Студенческий научный форум». 2014. URL: http://www.scienceforum.ru/2014/510/4835 (дата обращения 04.07.2014).
5. Модификация хлорсодержащих каучуков аминофосфорсодержащими добавками с целью улучшения адгезионных свойств / А.Е. Митченко [и др.] // Материалы XXIV Менделеевской конференции молодых учёных, посвящ. 180–летию со дня рожд. Д.И. Менделеева, г. Волгоград, 21–25 апр. 2014 г.: тез. победителей I тура / ВолгГТУ. – Волгоград, 2014. – C. 97.
6. Модификация хлорсодержащих каучуков аминофосфорсодержащими добавками с целью улучшения адгезионных характеристик при склеивании резин / А.Е. Митченко [и др.] // Современные наукоёмкие технологии. – 2014. – № 7 (ч. 2). – C. 107.
7. Попов А.Г., Завражин Д.О., Баронин Г.С. Влияние СВЧ-излучения на свойства модифицированного АБС-сополимера [электронный ресурс] // НОЦ ТамбГТУ – ИСМАН «Твердофазные технологии», II Международная научно-инновационная молодежная конференция «Современные твердофазные технологии: теория, практика и инновационный менеджмент», 27-29 октября 2010 г. С. 123-125. - URL: http://www.ruconf.ru/upload/iblock/a33/jedydzapuay%20scsaqtnnxfmp%20bkggdyquiu-2010%20xhxwimri.pdf (дата обращения: 04.07.2014).
8. Способ получения огнезащитного покрытия для стеклопластиков: пат. 2507231 Рос. Федерация. № 2013103857/05; заявл. 29.01.2013; опубл. 20.02.2014. 4 с.
9. Способ формования термопластов: пат. 2350464 Рос. Федерация. № 2007123083/12; заявл.19.06.2007; опубл. 27.03.2009. Бюл. № 9.
10. Фельдман Н.Я. Особенности проведения термических процессов в СВЧ-электромагнитном поле / Н.Я. Фельдман. - Современная электроника. - № 5, 2009. – с. 64 – 67.

Для интенсификации процессов модификации полимерных материалов широко используются электрофизические методы, такие как упругие колебания звукового и ультразвукового диапазонов частот, виброобработка, токи высокой частоты, лазерное, электронное и ультрафиолетовое излучения.

Необходимость в альтернативных технологиях модификации полимеров связана с многостадийностью традиционных процессов, высокими энерго- и трудовыми затратами, экологической напряженностью производства. Исследования по применению электрофизических методов обработки материалов и изделий показывают эффективность использования для этой цели энергии сверхвысокочастотных (СВЧ) электромагнитных колебаний. За прошедшие десятилетия выполнены разносторонние исследования термического воздействия СВЧ электромагнитного поля на диэлектрические материалы. В настоящее время также проводится немало исследований, посвященных разработкам материалов с комплексом тех или иных свойств, улучшенных за счёт применения микроволнового излучения.

Микроволновые технологии, в отличие от традиционных методов модификации, обладают рядом преимуществ: сокращени­ем длительности технологических процессов на два и более порядка, упрощением производственной установки, более низким энергопот­реблением, улучшением экологического состоя­ния и чистоты на производстве, возможностью получения изделий нового лучшего качества, объемный и безынерционный нагрев, возмож­ность формирования и поддержания требуемо­го распределения температурного поля в любой конечной области пространства и т.д. [2, 3, 10].

В этой связи были проведены экспериментальные исследования по воздействию микроволнового излучения на непредельные каучуки с целью повышения физико-механических показателей эластомерных композиций на их основе.

Экспериментальная часть

В работе проводилась обработка этиленпропиленового каучука марки СКЭПТ-50 токами СВЧ в течение 60 сек в микроволновой установке, генерирующей частоту микроволн 2,45 ГГц, после чего производилось его смешение с ингредиентами резиновой смеси в соответствии с рабочей рецептурой, применяемой при изготовлении конвейерных лент, а также прокладочных и уплотнительных материалов, эксплуатирующихся в экстремальных условиях в металлургической промышленности.

Полимерные композиции, содержащие хлоропреновый каучук марки Байпрен и модификатор ФЭДА, ненаполненные и наполненные техническим углеродом в количестве 0,5 масс. ч., обрабатывались токами СВЧ в течение 20 сек, после чего смешивались с остальными ингредиентами согласно стандартной рецептуре, применяемой в резиновой промышленности [1].

Модификатор ФЭДА, разработанный на кафедре ВПИ (филиал) ВолгГТУ, представляет собой продукт взаимодействия эпоксидной смолы, бората метилфосфита и анилина в соотношении 2,5:1:2,5. Ранее использовался в качестве огнетеплозащитного покрытия для стеклопластиков [8], а также с целью повышения адгезионных свойств клеевых составов на основе хлорированного натурального и хлоропренового каучуков [4-6].

Приготовление, смешение и вулканизация резиновых смесей осуществлялось в соответствии со стандартными методиками с использованием двухроторного микросмесителя периодического действия типа «Brabender» с регулируемым электрообогревом и скоростью вращения роторов, а также вулканизационного пресса Csepel PHG-2 212/4. Кинетика вулканизации приготовленных резиновых смесей оценивались с помощью реометра Monsanto 100S.

Все физико-механические испытания проводили не ранее чем через 16 часов после вулканизации резиновых смесей. Предел прочности при растяжении, относительное и остаточное удлинение образцов определяли в соответствии с ГОСТ 270-75. Количество образцов не менее пяти. Твердость по Шору определяли в соответствии с ГОСТ 263-75*, эластичность по отскоку - согласно ГОСТ 27110-86.

Спектральные исследования исходных и модифицированных микроволновым излучением полимерных композиций проводились на ИК-Фурье спектрометре марки EQUINOX 55 (BRUKER, Germany) с элементом KRS-5.

Обсуждение результатов

Использование СВЧ-нагрева позволяет увеличить пограничную поверхность между полимерной матрицей и распределенным модификатором, а также взаимодействие на этой поверхности, что существенно влияет на прочностные характеристики полученного композита [9]. Следует отметить, что на темп нагрева составляющих частей полимерного композита существенно влияет полярность полимера [7]. Результаты исследований по модификации токами СВЧ полимерных композиций на основе этиленпропиленового каучука, приведены в таблице 1.

Таблица 1

Влияние обработки этиленпропиленового каучука СКЭПТ-50 микроволновым излучением на физико-механические показатели вулканизованных резин на его основе

Физико-механические показатели

Шифр резиновой смеси*

1

2

Условная прочность при растяжении (fp), МПа

11,6

13,5

Относительное удлинение при разрыве (eотн), %

570

554

Относительное остаточное удлинение после разрыва (eост), %

24,8

18,4

Твердость Шор А, усл. ед.

57

58

Эластичность по отскоку, %

43

41

*Режим вулканизации 165 ºС, 40 мин

1 – исходная резиновая смесь;

2 – резиновая смесь, содержащая каучук, обработанный в токах СВЧ вместе с модификатором ФЭДА и техническим углеродом.

В ходе проведенных экспериментов было установлено, что обработка СКЭПТ-50 в токах СВЧ способствует повышению прочностных показателей наполненных резин на его основе на 20 % относительно исходных значений. При этом уменьшается остаточное удлинение образцов и сохраняется их твердость.

Рис. 1. ИК-Фурье спектры МНПВО образцов каучука СКЭПТ-50: а – исходный; б – обработанный в токах СВЧ

На рис. 1 приведены результаты ИК-Фурье спектральных исследований исходного и модифицированного каучуков, которые показывают изменение интенсивности полос поглощения в области 1600-1800 см-1, соответствующей валентным и деформационным колебаниям С=С связей, а также 400-600 см-1, которая соответствует деформационным колебаниям =СН2 групп.

Уменьшение интенсивностей указанных полос поглощения, по-видимому, связано с конформационными изменениями в структуре макромолекул каучука.

В работе также была изучена возможность применения микроволнового излучения для ускорения взаимодействия фосфорборазотсодержащего олигомера ФЭДА с хлоропреновым каучуком.

Установлено, что обработка хлоропренового каучука вместе с указанным модификатором в токах СВЧ приводит к значительному улучшению физико-механических свойств как наполненных, так и ненаполненных резин на его основе. Прочность образцов при разрыве повышается в среднем в 1,5 - 2,5 раза, твердость сохраняется на уровне исходных значений (таблица 2).

Таблица 2

Влияние микроволнового излучения на физико-механические показатели резин на основе хлоропренового каучука Байпрен, исходного и модифицированного ФЭДА


Физико-механические показатели

Шифр резиновых смесей*

1

2

3

4

5

6

7

8

ненаполненные

наполненные

Условная прочность при растяжении (fp), МПа

10,3

20,3

14,4

17,2

7,7

19,1

13,0

17,8

Относительное удлинение при разрыве (eотн), %

600

862

867

872

428

834

750

882

Относительное остаточное удлинение после разрыва (eост), %

16,0

10,4

9,3

9,6

7,2

10,4

12,0

8,8

Твердость Шор А, усл. ед.

47

48

42

41

44

41

40

39

Эластичность по отскоку, %

52

38

51

54

54

46

52

51

*Режим вулканизации 145 ºС, 20 мин

Рецептуры 3, 4, 7, 8 содержат ФЭДА к количестве 3 масс.ч.;

Рецептуры 2 и 6 содержат каучук, обработанный в токах СВЧ в смеси с тех. углеродом в течение 20 сек;

Рецептуры 4 и 8 содержат каучук, обработанный в токах СВЧ в смеси с ФЭДА и тех. углеродом в течение 20 сек.

Проведенные спектральные исследования исходных и модифицированных хлоропреновых каучуков (рис. 2 а-г) показывают, что после модификации ненаполненных полимерных композиций в токах СВЧ (рис. 2 а, б) наблюдается появление новых пиков в области 1400-1450 см-1 и 1100–1250 см-1, что может объясняться изменением содержания изотактической и аморфной фаз в полимере, и, следовательно, степени его кристалличности.

Рис. 2. ИК-Фурье спектры МНПВО образцов хлоропренового каучука: а – исходный; б – обработанный СВЧ; в - модифицированный ФЭДА; г - модифицированный ФЭДА и обработанный СВЧ

В процессе обработки микроволновым излучением происходит достаточно сильный нагрев образца, в связи с чем, полосы поглощения, интенсивность которых после модификации уменьшается до минимума, можно рассматривать как полосы кристалличности, а полосы поглощения с большей интенсивностью - отнести к аморфной фазе полимера.

При введении в состав каучука ФЭДА (рис. 2 в) наблюдается появление пиков в области 1200 - 1300 см-1, отвечающей за колебания группы –Р=О. Наличие пиков в области 1000-1050 см-1 идентифицируются как полосы поглощения -Р-О- связи. Пик с частотой 1737 см-1 указывает на присутствие транс-изомеров макромолекул полимера, а снижение интенсивности колебаний в области 650-700 см-1, свидетельствует о взаимодействии атомов Сl в каучуке c аминогруппой –NH– модификатора.

После обработки полимерной композиции, содержащей ФЭДА, микроволновым излучением (рис. 2 г), наблюдается появление пика с частотой 2404 см-1, характерного для вторичных аминов, что подтверждает усиление взаимодействия каучука с модификатором ФЭДА.

Заключение

Таким образом, обработка полимерных материалов микроволновым излучением является эффективным методом модификации, поскольку позволяет значительно улучшить комплекс свойств готовых резинотехнических изделий, что в дальнейшем способствовало бы расширению их ассортимента.

Работа выполнена при поддержке проекта "Разработка модификаторов и функциональных наполнителей для огне-, теплозащитных полимерных материалов", выполняемого вузом в рамках государственного задания Минобрнауки России.

Рецензенты:

Новопольцева О.М., д.т.н., профессор кафедры «Химическая технология полимеров и промышленная экология» Волжского политехнического института (филиал) ФГБОУ «Волгоградский государственный технический университет», г. Волгоград;

Шиповский И.Я., д.т.н., профессор кафедры «Химическая технология полимеров и промышленная экология» ВПИ (филиал) ВолгГТУ, г. Волгоград.


Библиографическая ссылка

Каблов В.Ф., Кейбал Н.А., Провоторова Д.А., Митченко А.Е. ВЛИЯНИЕ МИКРОВОЛНОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ НА ПРОЧНОСТНЫЕ СВОЙСТВА ЭЛАСТОМЕРНЫХ КОМПОЗИЦИЙ НА ОСНОВЕ НЕПРЕДЕЛЬНЫХ КАУЧУКОВ // Современные проблемы науки и образования. – 2014. – № 5.;
URL: http://science-education.ru/ru/article/view?id=14866 (дата обращения: 24.08.2019).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.252