Эластомерная композиция для изготовления резиновых уплотнителей

Изобретение относится к резиновой промышленности, может быть использовано для получения эластомерных композиций для производства резиновых уплотнителей для герметизации конструкций, работающих в условиях периодической или постоянной влажности.

Известна композиция для изготовления водоразбухающихся резин, которая включает в себя в качестве водопоглощающего компонента олигомерные смолы или полимеры: поливиниловый спирт, полиэтиленгликоль и другие водорастворимые полимеры (патент США 4532298, МПК C08L 11/00).

Недостатком данной композиции является высокая токсичность смол [Николаев А.Ф., Крыжановский В.К. и др. Технология полимерных материалов. - СПб.: Профессия, 2008. - 544 с.] и вымываемость водорастворимых полимеров.

Большой проблемой является замена и утилизация изношенных уплотнителей (резиновых прокладок), которые до сих пор выбрасывают или сжигают, что приводит к загрязнению окружающей среды.

Наиболее близкой к изобретению является композиция для изготовления водорастворяющихся эластомерных композиций, состоящая в основном из однородной смеси из эластомера и поглощающего воду сшитого продукта карбоксиметилцеллюлозы (патент США 4590227, МПК A61L 15/60).

Недостатком данной композиции является использование в качестве водонабухающегося компонента натриевой соли карбоксиметилцеллюлозы (в дальнейшем Na-КМЦ), которая вымывается в условиях высокой влажности и, как следствие, приводит к потере качества уплотнителей и их недолговечности. Возникают также проблемы с экологией: загрязнение промышленных стоков. Все это приводит к тому, что с экономической точки зрения использование в эластомерной композиции водорастворимого продукта, каким является Na-КМЦ, является нерентабельным.

Целью изобретения является улучшение качества, удешевление композиции, улучшение экологической ситуации и использование отходов производства целлюлозы.

Поставленная цель достигается тем, что эластомерная композиция для изготовления резиновых уплотнителей, согласно изобретению в качестве водорасширяющейся добавки содержит модифицированную целлюлозу-целлюлозу, обработанную водным раствором гидроксида натрия при следующем соотношении компонентов, мас. %:

этиленпропиленовый каучук - 30-70

модифицированная целлюлоза - 70-30.

Технический результат состоит в отсутствии вымываемости водорасширяющегося компонента - модифицированной целлюлозы, в высокой прочности, набухаемости полученной эластомерной композиции и в улучшении экологии.

Модифицированную (щелочную) целлюлозу получают следующим образом: берут 100 г целлюлозы, помещают в батарейный стакан, заливают 4-мя литрами 17,5% водным раствором гидроксида натрия, выдерживают 1 ч при постоянном перемешивании, извлекают, отжимают на воронке Бюхнера, отмывают от щелочи дистиллированной водой до нейтральной реакции по метилоранжу, сушат на воздухе [Азаров В.И., Буров А.В., Оболенская А.В. Химия древесины и синтетических полимеров. - СПб.: СПбЛТА, 1999, 628 с.].

Композицию готовят смешением полученной целлюлозы с эластомером на вальцах: берут навеску целлюлозы и каучука в соотношениях 20 и 80; 30 и 70; 40 и 60; 50 и 50; 60 и 40; 70 и 30; 80 и 20 соответственно.

В начальной стадии смешения каучуки обладают высокой эластичностью, и втягивание их в зазор затруднено. Загрузку каучуков производят малыми порциями при зазоре между валками (до 3 мм). Через 3-5 мин постепенно малыми порциями в каучук добавляют целлюлозу в виде комочков. Для получения образца однородного качества при смешении на вальцах применяют следующий прием: непрерывную обработку при малом зазоре в течение 3-5 мин, затем при зазоре 5-10 мм в течение 10-15 мин. Общая продолжительность вальцевания не превышает 17-20 мин при температуре 90°C, так как при этой температуре макромолекулы приобретают необходимую подвижность и ориентацию.

Из полученной после вальцевания пластины готовят образцы для анализов на вымываемость, набухание в воде, водопоглощение паров воды при относительной влажности, то есть при относительном давлении паров воды (Р/Р₀): 0,35; 0,65; 0,84; 0,975) [Справочник физико-химических величин. – СПб.: Иван Федоров, 2003], на прочность при разрыве, относительное удлинение, твердость.

Пример 1

Композицию состава, мас. ч.:

Модифицированная (щелочная) целлюлоза - 40

Каучук этиленпропиленовый - 60

готовят на вальцах. Время вальцевания - 20 мин, Τ=90°C. Из полученной после вальцевания пластины вырезают образцы для измерения вымываемости в воде, набухания в воде, водопоглощения паров воды при различной влажности и механических характеристик: твердости, прочности, относительного удлинения. По описанной технологии готовят образцы при других соотношениях компонентов: 20 и 80; 30 и 70; 40 и 60; 50 и 50; 60 и 40; 70 и 30; 80 и 20 (сводная табл. 5).

Степень вымываемости в воде определяют следующим образом: кусок резины 2×3 см (10 г) взвешивают на аналитических весах и помещают в стакан, наливают дистиллированную воду (модуль 1:40), выдерживают заданное время. По истечении заданного времени пластину извлекают, фильтрат помещают в фарфоровую чашку, предварительно взвешенную на аналитических весах, выпаривают при 100°C, по окончании чашку взвешивают и по разности, отнесенной к 1 г исследуемого образца, определяют вымываемость резиновой пластины (табл. 1).

Вымываемость при других соотношениях компонентов и с Na-КМЦ в сводной табл. 5.

Для определения набухания образец размером 1×1,5 см² (5 г) взвешивают на аналитических весах, помещают в стакан, заливают дистиллированной водой (модуль 1:40), выдерживают заданное время. По истечении заданного времени пластину извлекают, держат в наклонном состоянии для стекания жидкости, оставшуюся каплю снимают бумажным фильтром; набухшую пластину взвешивают и определяют степень набухания по формуле [Каталевская И.В., Трибунский В.В. // Химия древесины, 1987, №4, с. 17-21]:

,

где m₁ - масса набухшего образца, г,

m₂ - масса исходной навески, г.

Результаты анализов в табл. 2.

Степень набухания образцов при других соотношениях компонентов представлены в сводной табл. 5.

Водопоглощение паров воды определяли статическим методом [Осовская И.И., Полторацкий Г.М. ЖПХ, Журн. прикл. хим., 2005, т. 78, вып. 7, с. 1203-1207].

Навески исследуемых образцов помещают в сетчатые карманы и закрепляют в держатели на фарфоровой подставке, подставку вместе с образцами помещают в герметично закрытые емкости с насыщенными растворами солей для создания в емкости определенной относительной влажности (Р/Р₀) [Справочник физико-химических величин. – СПб.: Иван Федоров, 2003].

Образцы по мере насыщения парами воды систематически взвешивают до достижения равновесного влагосодержания при данной температуре, извлекают из емкости, помещают в предварительно взвешенные бюксы, взвешивают на аналитических весах и сушат при температуре 70°C до абсолютно-сухого состояния, взвешивают и вычисляют влагосодержание образцов по формуле

,

где А - влагосодержание образца,

m_вл - масса навески при данной относительной влажности (Р/Р₀),

m_{абс.сух} - масса абсолютно-сухой навески.

Полученные результаты представлены в табл. 3.

Испытания физико-механических свойств резины проводят согласно ГОСТ 270-75 и ГОСТ 263-75. Измеряют условную прочность при растяжении (σ, МПа), относительное удлинение при разрыве (ε, %), твердость по Шору (А, усл. ед.) (табл. 4).

Физико-механические характеристики образцов при других соотношениях компонентов представлены в сводной табл. 5.

В сводной табл. 5 представлены свойства полученных образцов с различными водонабухающими компонентами при различном соотношении целлюлозы и каучука.

Как видно из сводной табл. 5 вымываемость предлагаемой композиции практически отсутствует, а показатели набухания в воде, водопоглощение паров воды, механические характеристики: условная прочность, относительное удлинение, твердость по Шору находятся на уровне показателей известной композиции с применением в качестве водорастворяющегося компонента - Na-КМЦ (примеры 1-5).

Испытание композиции, в состав которой входят каучук и необработанная щелочью целлюлоза, показывает резкое снижение набухаемости (пример 1).

При увеличении содержания щелочной целлюлозы вымываемость несколько повышается при относительно небольших изменениях других измеряемых параметров (пример 3, 4).

При снижении содержания щелочной целлюлозы несколько снижается набухание щелочной целлюлозы (пример 5).

При увеличении содержания щелочной целлюлозы за пределами заявленного резко падает механическая прочность (пример 5).

При снижении содержания щелочной целлюлозы за пределами заявленного резко снижается набухание в воде (пример 6).

Указанный технический результат (примеры 1-5) достигается тем, что в состав эластомерной композиции, предназначенной для изготовления уплотнителей различных конструкций, работающих в режиме повышенной влажности, в качестве водорасширяющейся добавки вводят модифицированную целлюлозу - полученную обработкой отходов целлюлозы в течение 60 мин водным раствором гидроксида натрия при соотношении компонентов: щелочная целлюлоза:этиленпропиленовый каучук от 30:70 до 70:30 соответственно. За пределами заявленного (примеры 5, 6) резко падает механическая прочность - образец рассыпается в руках - пример 5 или имеет низкую набухаемость - в 2-3 раза меньше, чем в известном или предлагаемом способе. Изобретение решает задачу создания эластомерной композиции для изготовления резиновых уплотнителей (прокладок), обладающих хорошими физико-химическими и физико-механическими свойствами при их минимальной вымываемости, высокой набухаемости в воде и как следствие продолжительной эксплуатации. Использование щелочной целлюлозы в эластомерной композиции в качестве водорасширяющегося компонента приводит к существенному удешевлению уплотнителей и улучшению экологической ситуации.