Композиционные материалы с добавками дисперсных порошков различной структурной иерархии для резинотехнических уплотнений с улучшенными эксплуатационными свойствами

Повышение надежности и долговечности машин непосредственно связаны с
развитием фундаментальных и прикладных исследований в области трения,
смазок и износа, поскольку именно подвижные сопряжения являются наименее
надежными элементами техники и вызывают огромные материальные и
энергетические потери.
К одним из наиболее распространенных в технике подвижных сопряжений
относятся резинотехнические уплотнения (РТУ). Они являются важными
элементами машин. Часто именно рабочий ресурс РТУ в значительной степени
определяет надежность и долговечность машин в целом. При отказе уплотнений
во многих случаях не реализуется принцип работы машины или увеличивается
вероятность аварийных ситуаций, угрожающих безопасности людей.
Настоящая работа посвящена решению одной из важнейших проблем
современного практического материаловедения – созданию нового поколения
композиционных материалов для РТУ машин и механизмов, работающих в
условиях интенсивного абразивного износа при пониженных температурах.
Значимость этой работы сложно переоценить, т.к. она обусловлена следующим:
– во первых, существенная часть отказов и аварий машин и механизмов, в
особенности, работающих в условиях Севера и Сибири, вызывается качеством
резинотехнических уплотнений;
– во-вторых, существенным ростом горнодобывающей промышленности и
техники в этих регионах.
Уплотнения предназначены для обеспечения требуемой степени
герметичности. «Отказы», возникающие в результате эксплуатации уплотнений,
вызываются рядом факторов: наличием скрытых дефектов эластомерного
материала или разрушением уплотнителя при чрезмерных деформациях
(внезапные отказы), а также воздействием термических факторов, изменением
внутренней структуры и свойств резины в результате ее старения («внутренний
износ») и изменением размеров уплотнения («внешний износ») – (постепенные
отказы). Наиболее распространенной причиной потери работоспособности
уплотнений является внешний износ. Как показано в работе В.В. Буренина /1/,
предполагается, что именно «износные» отказы уплотнений определяют их
работоспособность.
В настоящее время для увеличения сроков службы уплотнений широко
используют различные способы поверхностных упрочнений, в том числе
модифицирующие добавки и композиционные полимерные покрытия.
В зависимости от условий эксплуатации, к резинам, применяемым для
производства РТУ, предъявляется комплекс определенных требований,
включающий в себя такие характеристики, как жесткость, эластичность,
стойкость при высоких и низких температурах, механическую прочность,
стойкость к действию различных веществ (смазочных материалов, топлива,
кислот, щелочей и многих других), электроизолирующие свойства, цвет,
нетоксичность и т.д. Это ставит весьма сложные задачи по созданию материалов с
нужным комплексом свойств.
Современные резинополимерные композиционные материалы (РПКМ)
позволяют решить задачу повышения эксплуатационного ресурса и надежности
машин, обеспечив при этом значительные материальные выгоды и экономический
эффект /2 – 4/.
Для улучшения антифрикционных свойств уплотнений применяют
различные методы: введение антифрикционных добавок, поверхностную
модификацию фторсодержащими, полимерными, композиционными или
фторлоновыми покрытиями, бромирование и др. /5/.
Выбор направления создания РПКМ обусловлен конкретными
требованиями: экономическими, конструктивными, технологическими,
эксплуатационными и др.
Создание РПКМ, сочетающих в себе как свойства отдельных полимеров,
так и совершенно новые, недостижимые при использовании одного полимера,
является перспективным направлением разработки новых эластомерных
материалов.
Актуальность темы исследования
В конструкции современных машин и механизмов имеется значительное
количество уплотнительных устройств, от работоспособности, надежности и
долговечности которых зависит в значительной степени надежность
функционирования всего механизма. Материалы РТУ, применяемые в
современном отечественном машиностроении, не обладают достаточной морозо –
и износостойкостью. Для техники Сибири и Севера, где основной объем работы
производится на открытом воздухе, низкая работоспособность уплотнений
становится причиной от 30 до 50 % отказов, что приводит и к простою техники, и
к затратам на ремонтно-восстановительные работы. Как показывает анализ
эффективности работы этой техники, ее производительность в зимний период
снижается в 1,5 раза, наработка до отказа падает в 2…3 раза, фактический срок
службы сокращается в 2…3,5 раза /6/. Исходя из вышеизложенного следует, что
новые исследования по разработке перспективных антифрикционных материалов
с улучшенным комплексом физико-механических свойств, которые смогут
обеспечить работоспособность и необходимый ресурс РТУ в экстремальных
условиях, является актуальной проблемой экономического развития северных
регионов страны.
В настоящей работе предлагается два способа улучшения
эксплуатационных характеристик резинотехнических уплотнений:
– разработка РПКМ для изготовления РТУ с улучшенными
эксплуатационными характеристиками;
– создание защитного слоя на поверхности РТУ, обеспечивающего
увеличение ресурса.
Целью работы является:
– создание маслобензостойких резинополимерных композиционных
материалов с заданными свойствами для РТУ, работающих в среде масел при
низких температурах и в абразивной среде;
– создание защитного слоя на поверхности РТУ, работающих в режиме
сухого трения или водной среде.
Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие
Задачи:
1. Разработать маслобензостойкие РПКМ на основе бутадиен-нитрильного
каучука БНКС-18АН (БНКС) и механоактивированного
сверхвысокомолекулярного полиэтилена (СВМПЭ) с улучшенными
эксплуатационными свойствами.
2. Разработать технологию механоактивации смеси порошков СВМПЭ и
порошков как обычной дисперсности (1 – 40мкм), так и ультрадисперсных.
3. Снизить температуру хрупкости и уменьшить истираемость полученных
резинополимерных композиционных материалов, по сравнению с серийной
резиновой смесью «В-14».
4. Разработать защитный состав и способ его нанесения на поверхности
уплотнений.
5. Исследовать возможность и предложить технологию измельчения
частиц гидратированного силиката магния, используя метод механоактивации.
6. Определить физико-механические и эксплуатационные свойства
полученных композиционных материалов и РТУ.
Объекты исследования:
– РПКМ на основе бутадиен-нитрильного каучука и модифицированного
СВМПЭ;
– наполнители – дисперсные порошки различной структурной иерархии.
Научная новизна:
– впервые применен метод модифицирования СВМПЭ карбосилом или
карбидом кремния с последующей механоактивацией. Обоснованы режимы
механоактивации. Объяснены явления, происходящие в процессе
механоактивации и приводящие к увеличению эластических свойств и
морозостойкости композиционного материала. Показано, что эффективным
критерием механоактивации является интенсивность и ширина полос
деформационных СН2 колебаний СВМПЭ;
– установлено оптимальное время измельчения гидратированного силиката
магния (размерностью до 0,04 мкм) на активаторе «АГО-2С», которое составило 5
мин. в водной среде (15% воды), при центростремительном ускорении барабанов
1000 м/с-2.
Практическая значимость
– Созданы маслобензостойкие РПКМ с заданными свойствами на основе
бутадиен-нитрильного каучука и СВМПЭ, модифицированного порошками
различной дисперсности, с последующей механоактивацией для уплотнений,
работающих в среде масел при низких температурах и в абразивной среде;
– разработан состав защитного покрытия на РПКМ и способ его нанесения
на рабочие поверхности РТУ, работающих в режиме сухого трения или водной
среде (рабочий ресурс увеличен до 8 раз в водной среде).
Личный вклад автора
Автор принимал участие в постановке задач, отработке технологии
изготовления лабораторных образцов и изделий (РТУ), анализе полученных
результатов, подготовке отчетов и патентов. Лично им получены основные
экспериментальные результаты.
Достоверность полученных результатов
Достоверность полученных результатов подтверждается использованием
современных спектральных методов научных исследований, воспроизводимостью
экспериментальных данных, полученных различными методами, высокими
техническими и эксплуатационными характеристиками разработанных
материалов и изделий на их основе.
Автор выражает особую благодарность за помощь в проведении данной
работы кандидату технических наук, ведущему научному сотруднику ИХХТ СО
РАН Г.Е. Селютину, ведущему технологу лаборатории 7 ИХХТ СО РАН О.Е.
Поповой и доктору химических наук, профессору, ведущему научному
сотруднику ИХТТ и МХ СО РАН В.А. Полубоярову, совместные исследования с
которыми способствовали формированию изложенных в диссертации положений.
За проведенные спектральные исследования и помощь в интерпретации
результатов автор выражает благодарность кандидату химических наук, старшему
научному сотруднику ИХХТ СО РАН Н.И. Павленко и младшему научному
сотруднику ИХХТ СО РАН И.В. Корольковой.
Положения, выносимые на защиту:
1. Выбор исходных компонентов и разработка состава маслобензостойких
резинополимерных композиционных материалов для изготовления РТУ с
улучшенными эксплуатационными свойствами.
2. Выбор исходных компонентов, разработка состава и способ его
нанесения на поверхности РТУ с целью улучшения эксплуатационных
характеристик.
3. Результаты влияния механоактивации при введении дисперсных
порошков различной структурной иерархии в СВМПЭ на структуру и свойства
полученных РПКМ.
4. Физико-механические и эксплуатационные характеристики полученных
РПКМ и РТУ, разработанных на основе бутадиен-нитрильного каучука БНКС-
18АН и СВМПЭ, модифицированного порошками различной дисперсности.
5. Результаты промышленных испытаний изделий на основе разработанных
материалов.
Использование полученных результатов
1. Получено 9 патентов на разработанные РПКМ.
2. Технология поверхностного модифицирования внедрена на ОАО «ГМК
«Норильский никель» с экономическим эффектом около одного миллиона рублей
в год (ресурс увеличен до 8 раз – в водной среде).
Основные результаты работы докладывались и обсуждались на:
– совместных семинарах кафедры «Высокоэнергетические процессы
обработки материалов» СФУ (ранее КГТУ) и проблемной научно-
исследовательской лаборатории ультрадисперсных материалов СФУ;
– семинарах ИХХТ СО РАН;
– Втором Евразийском Симпозиуме «Полимерные композиционные
материалы и изделия для эксплуатации в условиях холодного климата (Якутск,
2004, 16-20 август);
– 47-й научно-технической конференции студентов, сотрудников и
преподавателей КГТУ «Увеличение рабочего ресурса уплотнений за счет
применения ультрадисперсных порошковых наполнителей на основе полимеров»
(47-я научно-техническая конференция студентов, сотрудников и преподавателей
КГТУ: Секция «Новые материалы и технологии». – Красноярск, 2005);
– Всероссийских НТК с международным участием «Ультрадисперсные
порошки, наноструктуры, материалы: получение, свойства, применение (IV
Ставеровские чтения. 2006г. и V Ставеровские чтения. 2009 г.) – Красноярск;
– Первой международной конференции «Наноструктурные материалы –
2008: Беларусь – Россия – Украина (Нано-2008). Минск, 22-25 апреля 2008 г.
Работа выполнена при финансовой поддержке:
– Государственного контракта с Федеральным агентством по науке и
инновациям (Роснаука) № 02.513.11.3218 от 16 мая 2007 г. «Разработка научно-
технологических основ получения новых нанокомпозиционных полимерных
материалов конструкционного назначения на основе сверхвысокомолекулярного
полиэтилена (СВМПЭ), модифицированного ультра- и нанодисперсными
порошками», шифр 2007-3-1.3-26-03-021;
– Государственного контракта с Федеральным агентством по
промышленности (Роспром) № ПБ/07/429/НТБ/к от 18.07.2007 г. «Технологии
производства нового поколения полимерных композиционных материалов,
включая материалы на основе сверхвысокомолекулярного полиэтилена,
полиакрилонитрила, для экстремальных условий эксплуатации», шифр –
«Экстрим»;
– Красноярского краевого фонда поддержки научной и научно-технической
деятельности (проект от 10.03.2010 г. «Разработка технологии получения
резинополимерных конструкционных армированных материалов для работы в
условиях высоких нагрузок».
Публикации. По теме диссертации опубликовано 25 работ, в том числе 3
статьи из перечня, рекомендованного ВАК, 3 статьи в сборнике трудов, 10 тезисов
докладов на конференциях, 9 патентов.
Структура и объем диссертации Диссертация состоит из введения, четырех
глав, заключения, списка использованной литературы и приложений. Работа
изложена на 120 страницах машинописного текста (в т.ч. приложения), содержит
19 рисунков, 21 таблица. Список литературы состоит из 121 наименований.