Министерство науки и высшего образования Российской Федерации Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ» Инженерная школа природных ресурсов Направление подготовки (специальность) Отделение химической инженерии 18.04.01 Химическая инженерия ОТЧЕТ По лабораторной работе №3 Озоностойкая резина по дисциплине: Материалы со специальными свойствами Выполнили студенты гр. 2ДМ21 (Номер группы) _________ (Подпись) Ремзов В.В. (Ф.И.О.) ____ _____________ 2023 г. (Дата сдачи отчета) Отчет принят: к.х.н., доцент (Ученая степень, ученое звание, должность) _________ (Подпись) Ротарь О.В. (Ф.И.О.) _____ _____________ 2023 г. (Дата проверки отчета) Томск 2023 Цель работы: разработать рецептуру для резины устойчивой к озону и описать свойства компонентов. 1 Теоретическая часть Озоностойкость – это способность материала выдерживать воздействие озона, не ломаясь и не повреждаясь. Озон — это высокореактивный газ в атмосфере Земли, который образуется в результате реакции ультрафиолетового (УФ) света с кислородом. Он обладает высокой реакционной способностью и со временем может привести к повреждению определенных материалов, особенно резины [1]. Озоностойкие материалы могут выдерживать длительное воздействие озона, не разрушаясь и не повреждаясь. Эти материалы часто играют жизненно важную роль в наружных применениях, где они могут подвергаться воздействию высоких уровней озона. Лучшие примеры включают герметизирующие зачистки, шланги, уплотнения и прокладки. Кроме того, эти материалы охотно используются в автомобильной, химической и аэрокосмической промышленности. Это помогает им противостоять угрозе воздействия озона и химической стойкости в различных областях применения. Некоторые виды резины устойчивы к озону. К ним относятся бутадиеновый каучук (BR), хлоропреновый каучук (CR) и этилен-пропилендиеновый мономерный каучук (EPDM). EPDM обладает отличной устойчивостью к озону и благодаря этой характеристике обычно используется в устойчивых к озону продуктах. Он выдерживает длительное воздействие озона, не разрушаясь и не становясь хрупким. На основании данных научных исследований в сфере эластомерных материалов, а также современных тенденций в области создания резин на основе полярных и неполярных каучуков с целью создания морозостойкой 2 озоностойкой резины выбраны следующие основные направления исследования [2]: ⎯ использование в качестве полимерной основы разрабатываемой резины материалов с низкими температурами стеклования; ⎯ обеспечение озоностойких свойств резины путем использования полимерной матрицы с низкой непредельностью и таких базовых каучуков, как этиленпропиленовые, этиленпропилендиеновые и пропиленоксидные; ⎯ для повышения эластичности сшитого эластомера при низких температурах выбран технический углерод пониженной активности; ⎯ для повышения теплостойкости и обеспечения необходимой плотности сшивки резины использовали перекисную, серную или комбинированную перекисно-серную вулканизующие системы. Каучук EPDM EPDM (СКЭПТ) — это сокращение от мономера этилен-пропилендиена. Резина EPDM устойчива к нагреву и ультрафиолетовый свет и могут противостоять разрушительному воздействию озона. Кроме того, резина EPDM устойчива к кислотам, химикатам, полярным веществам и пару. Температурный диапазон резины EPDM составляет от -40 оC до 121 оC для непрерывного нагрева. При периодическом температурном воздействии резина EPDM выдерживает максимальную температуру 135 оC. EPDM очень гибок и долговечен. Поэтому его используют для изготовления оконных и дверных уплотнителей в транспортных средствах. Кроме того, его используют для системы охлаждения шлангов и нескользящие покрытия. На рисунке 1 представлена структурная формула СКЭПТ. Рисунок 1 – Структурная формула СКЭПТ 3 В нашем случае используется каучук марки СКЭПТ-60 – тройной ненасыщенный, комплексом он ценных имеет высокую свойств воздухопроницаемость, (тепло-, свето - и обладает озоностойкостью), позволяющих использовать их в производстве резин как общего, так и специального назначения, помимо этого имеет стойкость к действию сильных окислителей. Молотая сера сорт 9990 Это тонкодисперсный порошок полученный из природной или газовой комовой технической серы. Представляет собой вещество зеленоватого, желтого, серо-желтого цвета высокой степени очистки и дисперсности. Может растворяться в спирте, сероуглероде; в бензине и эфире только после нагрева. Выделяют два способа вулканизации: холодный и горячий. При холодном методе заготовки размещаются в парах органического растворителя, который позволяет раствориться каучуку, но не реагирует с серой. Обычно применяются растворители, в основе которых лежат сероуглерод, бензин и подобные вещества. Воздействие молотой серы не дает каучуку менять свое агрегатное состояние, что позволяет заготовкам пропитаться раствором, в котором они находятся. Подсчитано, что для полной вулканизации требуется не больше нескольких минут — время зависит от толщины и материалов изделия, — иначе может произойти перевулканизация и изделие станет твердым и хрупким. При этом требуется строгий контроль за всем процессом, так как наружные слои могут вулканизироваться сильнее, чем внутренние. Для завершения процесса изделия требуется обработать щелочным раствором либо же просто водой. По количеству добавленной серы различают мягкие резины, средние и твёрдые. При добавлении максимального количества серы образуется очень прочный и твёрдый эбонит, который не обладает эластичностью. На содержание S в вулканизирующем агенте указывает обозначение сорта. ГОСТ 127.4-93 регламентирует выпуск серы сортов 9990, 9950 и 9995. 4 Процесс горячей вулканизации также имеет несколько отличительных особенностей. Твердость производящегося материала напрямую зависит количества серы в заготовках. Меркаптобензотиазол 2-меркаптобензотиазол представляет собой сероорганическое соединение. Белое твердое вещество, используется при вулканизации каучука серой. Структурная формула представлена на рисунке 2. Рисунок 2 – Структурная формула 2-меркаптобензотиазола Растворим в бензоле, спирте, хлороформе, сероуглероде. Плохо растворим в бензине; нерастворим в воде. Вызывает раздражение слизистых оболочек. Менее токсичен, чем тиурам Д. Устойчив при хранении. Хорошо диспергируется в каучуке. Растворимость в каучуке около 0,25 вес. ч. Ускоритель средней активности, обеспечивает широкое плато вулканизации. Дает вулканизаты с низким модулем и хорошим сопротивлением старению. При обработке серосодержащих смесей может вызвать подвулканизацию. Смеси с сажей ДГ-100 обладают хорошей износостойкостью. В смесях на основе натурального каучука с большим содержанием сажи типа ТМ вызывает подвулканизацию. В сочетании с гуанидинами образует быстро вулканизующиеся смеси и вулканизаты с высокими модулями. Активируется окисью цинка и стеариновой кислотой, а также окисью магния, карбонатом магния, тиурамами, дитиокарбаматами и органическими основаниями [3]. Активаторы вулканизации В резиновую смесь вводят цинковые белила и стеарин технический, которые является вторичным активатором ускорителей вулканизации и диспергатором. Компонентов [5]. Окись цинка способствует увеличению 5 концентрации поперечных химических связей и уменьшению степени сульфидности. Получаемые вулканизаты характеризуются более высокими физико-механическими показателями прочности, сопротивлением раздиру и динамической выносливостью. Скорость же присоединения серы возрастает незначительно. Технический углерод марки К-354 В резиновой смеси используется технический углерод, марки ДГ-100 который является основным усиливающим наполнителем резиновых смесей; при введении его в смеси увеличивается прочность резин, сопротивление истиранию и раздиру [6]. Способ получения данной марки тех. углерода – печной. Технический углерод выделяют из отходящего газа сгорающего топлива и гранулируют. Спецификация представлена в таблице 1. Таблица 1 – Спецификация ТУ К-354 Наименование показателей Методы испытаний Нормы Удельная внешняя поверхность, м2/г ГОСТ 25699.2 - Йодное число, г/кг ГОСТ 25699.3 - Удельная адсорбционная поверхность, ГОСТ 25699.4 не более 150 м2/г Абсорбция дибутил-фталата, см3/100 г ГОСТ 25699.5 - pH водной суспензии ГОСТ 25699.6 3 3,7 – 4,5 Массовая доля потерь при 105 0С, %, не ГОСТ 25699.7 1,5 более Зольность, %, не более ГОСТ 25699.8 Массовая доля пыли в гранулированном ГОСТ 7885 0,05 - углероде, %, не более Насыпная плотность гранулированного ГОСТ 25699.14 - углерода, кг/м3, не менее Светопропускание толуольного ГОСТ 25699.15 - экстракта, %, не менее 6 МГФ-9 Олигоэфиракрилат МГФ-9 представляет собой продукт, который получают методом конденсационной цепной реакции полимеризации, в которой передача цепи осуществляется теломером из метакриловой кислоты триэтиленгликоля и фталиевого ангидрида периодическим способом с последующей непрерывной промывкой полученного сырца. Далее следует полунепрерывная отгонка растворителя. МГФ-9 представляет собой прозрачную жидкость от светло-зеленого до темно-зеленого или темно-коричневого цвета без механических примесей. Олигоэфиракрилат МГФ-9 применяется в качестве связующего в производстве армированных пластиков, защитных покрытий, электроизоляционных компаундов, лаков, специальных клеев и других композиций. Технические характеристики приведены в таблице 2. Таблица 2 – Технические характеристики МГФ-9 Наименование показателя Вязкость при температуре (20±1) °С, Па*с Массовая доля основного вещества, %, не менее Массовая доля толуола, %, не более Массовая доля гидрохинона, % Массовая доля воды, %, не более Кислотное число, мг КОН/г, не более (в момент изготовления) Высший сорт Норма Первый сорт 0,10-0,22 0,10-0,25 98 97,5 2 2,5 0,030-0,070 0,030-0,075 0,1 не нормируется 1 3 7 2 Экспериментальная часть В таблице 3 представлен рецепт резиновой смеси. Таблица 3 – Рецептура для резиновой смеси Наименование М.ч. ингредиентов ингредиентов резиновой смеси 100 м. ч каучука СКЭПТ-60 100,00 Полимерная основа Стеариновая кислота 1,50 Активатор Оксид цинка 5,00 Активатор Меркаптобензтиазол 0,80 Вулканизирующее вещество Сера 1,50 Вулканизирующее вещество Технический углерод 45,00 Назначение ингредиентов на Наполнитель марки К-354 МГФ-9 3,00 Всего 156,80 Связующее Вывод: разработана рецептура для резиновой смеси устойчивой к озону и описаны свойства её компонентов 8 Список литературы 1. Озоностойкая резина: полное руководство // Hongju URL: (дата https://ru.hongjusilicone.com/ozone-resistant-rubber/ обращения: 10.12.2023). 2. рецептуры Чайкун А. М., Юмашев О. Б., Сергеев А. В. Особенности разработки морозостойкой озоностойкой резины на основе этиленпропиленового каучука //Труды ВИАМ. – 2022. – №. 9 (115). – С. 58-67. 3. ускорителя Борисова О. И. и др. Исследование диспрактола К-16 в качестве вулканизации обувных резин // Вестник Казанского технологического университета. – 2015. – Т. 18. – №. 2. – С. 138-140. 4. Мамед Г. Д. С., Мустафаева Р. Э. Получение и исследование озоностойких резин на основе смеси эластомеров // Каучук и резина. – 2019. – Т. 78. – №. 2. – С. 114-115. 5. Рецепты резиновых смесей и их обоснование // Studfile URL: https://studfile.net/preview/2523754/ (дата обращения: 12.12.2023). 6. Раздьяконова Г. И. и др. К вопросу о замене канального технического углерода К 354 в рецептурах резин для РТИ //Каучук и резина. – 2013. – №. 3. – С. 52-55. 9
