ЭЛАСТОМЕРНАЯ КОМПОЗИЦИЯ

Изобретение относится к химическому производству, а также к железнодорожному и автотранспорту, а именно к материалу (рабочему элементу), используемому для амортизаторов сцепного устройства вагонов, компенсирующих динамические (ударные) продольные нагрузки, действующие на сцепки грузовых железнодорожных вагонов и локомотива в процессе их эксплуатации, а также и для других резинотехнических изделий.

Работа вагонных амортизаторов (поглощающих аппаратов по железнодорожной терминологии) с резинометаллическими элементами основана на возникновении сил сопротивления упругой деформации при их сжатии и превращении кинетической энергии соударяемых вагонов в работу сил внутреннего трения резины или резиноподобного материала. Такие материалы должны обладать, в первую очередь, повышенной упругостью и минимальным временем релаксации.

В настоящее время в России в качестве рабочего элемента амортизаторов для пассажирских железнодорожных вагонов в основном используется резина 7-ИРП-1348 по ТУ 2500-376-00152106-94, производителями которой являются заводы РТИ Российской Федерации. За рубежом в качестве рабочего элемента амортизаторов вместо резины в последнее время стали применять материалы нового поколения -композиционные материалы: термопластичные резины и термопластичный эластомер, получаемые путем совмещения с пластиками специальных каучуков, получаемых на основе высокомолекулярного и кремнийорганического каучуков.

Эти материалы обладают рядом уникальных свойств: низкой зависимостью механических свойств от температуры, долговечностью при воздействии циклических механических нагрузок, экологической безопасностью и др. Однако отечественных аналогов подобной эластомерной композиции, которые можно использовать именно для амортизаторов, в настоящее время практически не существует, а известные предназначены для других целей.

Например, известна термопластичная эластомерная композиция по патенту РФ №2374278, включающая по меньшей мере один линейный кристаллический полиолефин с весьма высоким молекулярно-массовым распределением и по меньшей мере один термопластичный эластомер (который сам по себе может быть смесью) и имеющая высокую прочность расплава при изготовлении формовых эластомерных изделий. Эта композиция может использоваться в процессах, включающих стадию растяжения без подложки, пока композиция находится в расплаве, такую как вспенивание, выдувание пленки, вытягивание волокна, раздувное формование, экструзия профилированных изделий и горячее формование, и, в частности, экструзионное вспенивание. Она предназначена, в основном, для изготовления формовых эластомерных изделий, включая вспененные изделия, такие как пленки, волокна и профилированные изделия, используемые в автомобильной промышленности.

Также известна термопластичная эластомерная композиция по патенту РФ №2069217, относящаяся к резиновой промышленности, в частности к разработке термопластичных эластомерных композиций на основе тройного этилен-пропилендиенового каучука, и включающая, мас.%: полипропилен 12-39 (А); полиэтилен низкой плотности 1-8 (В); этилен-пропилендиеновый маслонаполненный каучук 60-80 (С), содержащий 25-150 мас.ч. масла (М) на 100 мас.ч. каучука; серу и ускорители вулканизации. Получение композиции осуществляют полной динамической вулканизацией смеси: (А)+(В)+(С), серой в сочетании с первичным ускорителем из класса тиазолов или сульфенамидов и вторичным из класса тиурамсульфидов, тиокарбаматов или алкилтиофосфатов. Эта композиция может быть использована для изготовления гибких деталей, используемых в автомобильной, кабельной, обувной промышленности и строительстве.

В качестве прототипа выбрана силоксановая композиция, поглощающая механическую энергию, по заявке на патент №94015012, содержащая силоксановый полимер, наполнитель и пластифицирующую добавку. При этом в качестве полимера в ней использован диметил-диэтилсилоксановый каучук с 25-35 мол.% диэтилсилоксановых звеньев, в качестве наполнителя - комбинация аэросила и асбеста, в качестве пластифицирующей добавки - олигодиэтилсилоксановая жидкость с вязкостью 1,5÷5,0 пуаз, и, кроме того, дополнительно содержит антиструктурирующую добавку метил-3,3,3-трифторпропил-силоксандиол, содержащий 3÷10 мол.% гидроксильных групп, или диметилметилфенилсилоксандиол, содержащий не менее 3 мол.% гидроксильных групп и от 4 до 20 мол.% метилфенилсилоксановых звеньев, при следующем соотношении компонентов, мас.ч.:

Однако эта композиция является достаточно дорогим материалом и к тому же со сложной технологией изготовления.

Задачей заявленного изобретения является разработка экономически недорогой эластомерной композиции, предназначенной в основном в качестве рабочего элемента амортизаторов и работоспособной в условиях российского климата при температурном интервале от -60 до +100°С.

Технический результат, достигаемый при реализации изобретения, состоит в повышении ресурсных характеристик рабочего элемента амортизаторов - материала из заявленной эластомерной композиции.

Указанный результат достигается рецептурным составом заявленной эластомерной композиции, включающим комбинацию полимеров, наполнители, пластифицирующие добавки и смесь наноструктурных модификаторов (НСМ). Полимерная комбинация состоит из смеси синтетических каучуков изопренового и стереорегулярного бутадиенового, в качестве наполнителя использована комбинация технических углеродов, а в качестве пластифицирующих добавок используются стабилизирующая система, состоящая из нафтама-2 и парафина.

Композиция дополнительно содержит вулканизирующие агенты в виде серы и серосодержащих соединений и смесь наноструктурных модификаторов, при следующем соотношении компонентов, мас.ч.:

Основную массу заявленной композиции составляют каучук (смесь каучуков), наполнители, пластификаторы и вулканизующие агенты, которые в основном определяют технологические и эксплуатационные свойства любых подобных композиций.

В то же время в результате исследований эластомерных материалов, проведенных в последние годы ОАО «НИИРПИ» и другими организациями, было выяснено, что в случае введения в состав полимерных матриц смеси наноструктурных модификаторов существенно изменяются характеристики композитов [4, 5]. В этих целях была разработана номенклатура наноразмерных частиц, которые можно использовать при создании смеси НСМ [1-3]. Такая смесь НСМ может состоять, например, из углерода детонационного синтеза, биполярных фуллереносодержащих высокодисперсных минеральных наполнителей на основе углеродосодержащего биполярного наполнителя, который состоит из мельчайших частиц углерода и сложных силикатов и имеет слоистую структуру, а также поверхностно-активных веществ (ПАВ).

После этого экспериментально был установлен факт формирования в объеме композита, содержащего НСМ, пространственной сетки лабильных физических связей. Механизм формирования таких связей основан на наличии у наночастиц собственного нескомпенсированного заряда, обусловливающего ориентацию полярных или поляризованных молекул матрицы на границе раздела «наполнитель-полимер». В результате ориентационных процессов формируется упорядоченное состояние макромолекул по всему объему композита, обеспечивающее реализацию синергетического эффекта повышения прочности, упругости, адгезионных и других эксплуатационных характеристик полимерных композитов.

В таких композитах наноразмерные частицы локализуются, как правило, на поверхности или в приповерхностном слое пленок, волокон, дисперсных макрочастиц и обеспечивают сохранение прочности, упругости и эластических свойств материала даже при понижении температуры до -60°С. В результате увеличивается долговечность композиции при воздействии динамических механических нагрузок, улучшаются технологические свойства и долговечность изделий, получаемых из заявленной композиции.

При изготовлении заявленной композиции можно использовать для полимерной комбинации такие каучуки, например, как изопреновый каучук марок СКИ и СКДО, бутадиеновый каучук марки СКД-L, бутадиен-метилстирольный каучук марки СКМС-10РКП, бутадиен-нитрильный каучук марки БНК.

Для изготовления смеси НСМ используют углерод детонационного синтеза марки УДСО-с и углеродосодержащий биполярный наполнитель марки УБН и ПАВ. Кроме того, можно использовать природные наполнители типа слюд и цеолитов - алюмосиликатов с общей формулой Me_2nO·Al₂O₃·SiO₂·H₂O, где Me - щелочной или щелочноземельный металл, a n - степень его окисления.

В качестве агентов вулканизации используется система на основе серы и серосодержащих соединений, взятых в количестве, рассчитанном на полное сшивание каучуков полимерной комбинации.

Характеристики и марки используемых для заявленной композиции углеродных наноматериалов приведены в таблице (см. ниже).

Процесс изготовления заявленной «сырой» эластомерной композиции включает в себя последовательное и равномерное введение и перемешивание ингредиентов в определенных температурно-временных режимах, т.е. такие операции, как:

- роспуск базовых каучуков;

- совмещение каучуков и пластификация полимерной комбинации;

- изготовление смеси НСМ;

- введение в композицию смеси НСМ;

- введение противостарителей, пластификаторов и наполнителей;

- дополнительное перемешивание с целью гомогенизации композиции;

- охлаждение композиции до 35±5°C;

- введение вулканизующих агентов;

- перемешивание и съем композиции.

Дальнейшая технологическая переработка и изготовление конечных деталей (например, амортизаторов) из приготовленной композиции выполняется, как правило, на вальцах или в резиносмесителе.

Из заявленной эластомерной композиции методом формования под давлением на лабораторных вальцах получили стандартные образцы, которые использовали для проведения физико-механических и структурных исследований. На основе проведенных исследований можно утверждать, что заявленная композиция при использовании в качестве материала рабочего элемента вагонных амортизаторов позволит:

- расширить температурный диапазон эксплуатации резинометаллических блоков амортизаторов пассажирских и грузовых вагонов в пределах от -60 до +100°C;

- повысить ресурс резинометаллических блоков в 3-4 раза;

- повысить эффективность защиты вагонов и перевозимых в них грузов от действия продольных нагрузок в диапазоне от 1,5 до 3,0 МН, возникающих при поездной и маневровой работе;

- снизить вероятность отказа оборудования и аварий на железных дорогах.

Упомянутые источники

1. Фуллерены и фуллереноподобные структуры. Сб. науч. тр. / Под ред. В.А.Пилипенко, А.Н.Поклонного. Мн.: БГУ (2000).

2. Помогайло А.Д. и др. Наночастицы металлов в полимерах. М.: Химия (2000).

3. Чвалун С.Н. Полимерные нанокомпозиты // Природа (2001), №1, 1-12.

4. Лиопо В.А. и др. Рентгенодифрактометрические исследования полимерных материалов, … // Вестник ГрГУ (1999), сер. 2, №2, 47-52.

5. Булдык Е.П. и др. Свойства полимерных систем, наполненных кластерами синтетического углерода // Материалы, технологии, инструменты. 3 (1998), №3, 41-44.