109920 (Резины, стойкие к старению), страница 4

Состав резиновой смеси: БК с непредельностью 1,6%(100), технический углерод N330(50), оксид цинка(5), стеариновая кислота.

В результате кратковременного нагревания при 180°С наблюдается значительная деструкция вулканизатов БК, за исключением смоляного вулканизата. После выдержки при 150°С в течение нескольких суток пространственная сетка серных вулканизатов БК разрушается, образец растворяется в циклогексане. Термическая деструкция серных вулканизатов БК на воздухе обусловлена одновременно распадом молекулярных цепей и поперечных связей; в смоляных и хиноидных вулканизатах происходит в основном разрыв макромолекул каучука. Степень деструкции резин из БК, кроме смоляных вулканизатов, снижается при повышении степени непредельности каучука. Термостойкость смоляных вулканизатов зависит от соотношения между содержанием смолы и непредельностью каучука. При повышении содержания смолы Δf_p возрастает, а Δε_p снижается. Термостойкость этих резин уменьшается при повышении непредельности БК.

Свойства смоляных вулканизатов особенно сильно ухудшаются в первый период термического старения. Например, до и после старения при 150°С в течение 72, 240, 840 и 1008 ч значения f₁₀₀ составляют 1,6, 2,8, 2,9, 3,6 и 4,0 МПа; f_p - 11,2, 8,2, 5,1, 4,4 и 4,6 МПа; ε_p-610, 320, 220, 160 и 140%. Изменение показателей в начале старения обусловлено интенсивной деструкцией при одновременном сшивании смоляных вулканизатов.

Скорость сшивания, протекающего за счет взаимодействия непрореагировавших функциональных групп смолы, можно понизить, применяя БК с минимальной степенью непредельности.

Термостойкость резин на основе ХБК зависит от состава вулканизирующей системы и в меньшей степени от других ингридиентов резиновой смеси. Серные вулканизаты ХБК недостаточно термостойки. Максимальное сопротивление термическомц старению обеспечивает вулканизация с помощью ЭТМ. Однако из-за токсичности этого соединения термосойкие резины из ХБК вулканизуют оксидом цинка, ТМТД и ДБТД .

Таблица 3. Влияние термического старения на свойства резин на основе ХБК на воздухе

Состав резиновой смеси: оксиды цинка и магния, антиоксидант, технический углерод, вазелиновое масло, стеариновое масло.

Технический углерод обеспечивает повышенную термостойкость резин из ХБК по сравнению с минеральными наполнителями, при этом предпочтителен печной технический углерод. Оптимальное содержание технического углерода составляет 45-50 масс. ч., повышение его содержания снижает термостойкость.

Сопротивление термическому старению вулканизатов ХБК возрастает при добавлении в резиновые смеси ММБФ, но наиболее эффективно применение ДФАА.

Максимальная температура длительной эксплуатации резин из ХБК на воздухе составляет 130-150 С, в отсутсвие воздуха - 160-170 С. Термостойкость резин из ББК ниже термостойкости лучших резин ХБК.

Резины но основе акрилатных каучуков (АК)

Резины на основе двойных или тройных сополимеров эфиров акриловой кислоты с акрилонитрилом или другими полярными виниловыми мономерами характеризуются повышенной термостойкостью по сравнению с резинами из БНК и значительно меньшей стоимостью по сравнению с вулканизатами ФК.

Максимальная температура длительной (1000 ч) эксплуатации наиболее термостойких резин из АК составляет 170˚С, допускается кратковременное (70 ч) повышение температуры до 200°С. Обычно в резинах из АК в процессе термического старения протекают реакции сшивания; значения f_ε и Н возрастают, f_p и ε_p снижаются. В начальный период старения происходит интенсивное сшивание, последующее изменение напряжения незначительно. Однако в некоторых резинах из АК происходит деструкция. После старения при 150°С в течение 70 ч различия между резинами на основе разных типов АК незначительны, при 200 °С наиболее термостойкой оказывается резина из этилакрилатного каучука типа хайкар 4041. После старения на воздухе при 150°С в течение 72 ч резин на основе каучуков БАК, ЭАК, БАКХ и ЭАКХ значения Δε_p составляют 62, 65, 50 и 66%, а резин на основе БАК, ЭАК и БАКХ в отсутствие воздуха - 62, 28 и 17% соответственно. При этом значение f_p не изменяется.

В большинстве случаев термостойкость резин на основе этилакрилатного каучука снижается при вулканизации стеаратами щелочных металлов и одновременном применении минеральных наполнителей. Однако термостойкость резин на основе каучука Elarim 153 выше при использовании минеральных наполнителей. Сопротивление термическому старению таких резин снижается при добавлении ПТДХ и избытке вулканизующих веществ.

Резины на основе фторкаучуков (ФК)

Фторкаучуки - наиболее термо- и химически стойкие эластомеры. Максимальная температура длительной эксплуатации резин на основе каучуков типа СКФ-26 и СКФ-32 на воздухе составляет 250 и 200 °С. По данным, резины из ФК при 232, 260, 288 и 315 °С работоспособны в течение 3000, 1000, 240 и 48 ч соответственно, что, по-видимому, относится к резинам на основе каучуков типа СКФ-26. Резины на основе каучуков типа СКФ-32 предназначены для эксплуатации в агрессивных средах и редко применяются для изготовления изделий, используемых при повышенной температуре на воздухе.

До начала 70-х годов резины из СКФ-26 вулканизовали диаминами, что не позволяло в полной мере реализовать высокую термостойкость каучука. Такие вулканизаты на воздухе значительно менее термостойки, чем в вакууме.

Таблица 4. Влияние термического старения в течение 120 ч на механические свойства резин из СКФ-26

Резины на основе кремнийорганических каучуков (КК)

Согласно экспериментам, срок службы кремнийорганических резин при повышенной температуре до снижения значения ε_p в 2 раза составляет: при 120˚С- от 85000 до 170000 ч., при 150˚С- от 43000 до 85000ч, при 205⁰C-oт 17000 до 43000ч., при 260°С - от 2100 до 17000 ч, при 316°С - от 168 до 1400 ч при 370°С от 6 до 168 ч, при 420°С - от 10 мин до 2 ч, пои 480°С - от 2 до 10 мин. По-видимому, эти сроки службы максимальны для резин из промышленных каучуков.

При термическом старении на воздухе происходит сшивание резин на основе КК, при этом ε_p снижается в значительно большей степени, чем f_p . В начальный период старения степень сшивания резин на основе СКТВ-1 при 350°С несколько снижается, при 300 °С не изменяется, при 250 °С возрастает; при дальнейшем старении степень сшивания возрастает независимо от температуры.

Наличие влаги в воздухе или в массе образца приводит к интенсивной деструкции резины при термическом старении. Например, после выдержки при 315°С в течение 24 ч на воздухе с абсолютной влажностью 7 г/м³ прочностные показатели резины практически не изменились, а при влажности 180 г/м³ образец разрушился.

В процессе старения при 120 ˚С в условиях ограниченного доступа воздуха показатели свойств резин на основе КК ухудшаются значительно быстрее, чем на открытом воздухе. На воздухе происходит сшивание вулканизата, а в отсутствие воздуха  интенсивная деструкция. Эта деструкция в центре массивных образцов значительно больше, чем вблизи их поверхности. После старения цилиндрического образца диаметром 50 мм, зажатого между плоскими металлическими поверхностями, при 280 °С в течение 4ч условно-равновесный модуль, измеренный на участках, удаленных от открытой поверхности на расстояние 4, 11 и 27,5 мм, понижается от 2,13 до 0,83; 0,64 и 0,46 МПа соответственно. Прочность резины на центральном участке образца снижается в 4 раза, а при старении пластин из той же резины на воздухе (280 °С, 4 ч) прочность не изменяется.

Термостойкость в большей степени зависит от типа КК, чем от состава резиновой смеси. Максимальная температура длительной эксплуатации резин из СКТВ-1 и СКТФВ-803 составляет 250 °С, а для резин на основе СКТЭ и СКТФТ не превышает 200 °С. В зависимости от состава резиновой смеси и конкретных условий эксплуатации эта температура может изменяться примерно на 50 °С.

Термостойкость резин из КК можно существенно повысить с помощью термостабилизаторов, в качестве которых применяют оксиды железа, титана, церия и другие соединения перехода металлов в высшей форме валентности. Считают, что по снижению эффективности стабилизаторы на основе различных металлов можно расположить в ряд: Zr > Ti > Fe > Си > Со > Zn > Al. Наиболее широко термостабилизаторы применяют в резинах на основе каучуков типа СКТВ (ГЦС-50, лакар, М-29, ГМС, СЦТМ, М-75 и др.). Применение обычных антиоксидантов в резинах на основе КК неэффективно, а иногда вредно.

Оксид и гидроксид железа, оксиды никеля, цинка и берилия ингибируют термическую деструкцию резин из СКФТ-100. На воздухе эффективны оксиды железа и никеля. В резинах из ФКК рекомендуется применять оксид кадмия.

ТЕРМИЧЕСКОЕ СТАРЕНИЕ РЕЗИН ПРИ СЖАТИИ

Термическое старение при сжатии наиболее важно для резин, используемых в качестве уплотнительных материалов. В этом случае сопротивление старению оценивают по результатам измерения релаксации напряжения при сжатии и остаточной деформации при сжатии (ОДС). Термостойкость резин при сжатии характеризуют также показателями: τ (Т; 50%) и τ (Т; 80%)-продолжительность старения при температуре Т до достижения значения ОДС, равного 50 и 80% соответственно; Т (τ, 50%) и Т (τ, 80%)-температура старения в течение времени τ, при которой значение ОДС достигает 50 и 80% соответственно.

Значение ОДС резко возрастает, а контактное напряжение снижается в первый период старения, затем эти величины изменяются со значительно меньшей скоростью. Повышение температуры также приводит к существенному ускорению релаксации напряжения и увеличению ОДС. Поэтому небольшие отклонения температуры или продолжительности старения могут существенно изменить эти показали в начальный период старения. Минимальные погрешности получаются при выполнении измерений после длительного старения, т.е. на пологой части экспериментальной кривой.

Сопротивление резин термическому старению при сжатии в основном зависит от типа каучука, структуры и плотности пространственной сетки, условий испытаний. Степень влияния наполнителей, пластификаторов, антиоксидантов и других ингредиентов резиновой смеси менее выражена. Высокая термостойкость резин, оцениваемая по сохранению прочностных характеристик, не обязательно предопределяет такую же термостойкость при сжатии.