Композиционный материал на основе синтетического цис-изопренового каучука и сверхвысокомолекулярного полиэтилена (свмпэ) для наружных обкладок конвейерных лент
Владельцы патента RU 2505562:
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт химии и химической технологии Сибирского отделения Российской академии наук (ИХХТ СО РАН) (RU)
Изобретение относится к полимерному композиционному материалу и может быть использовано для наружных обкладок резинотканевых конвейерных лент, а также для производства резиновых технических изделий. Композиционный материал для наружных обкладок резинотканевых конвейерных лент на основе стереорегулярного цис-1,4-полиизопрена с содержанием звеньев цис-1,4 не менее 96% -СКИ-3 включает сверхвысокомолекулярный полиэтилен, модифицированный карбосилом с последующей механоактивацией, в количестве 5 мас.ч. на 100 мас.ч. СКИ-3. Изобретение позволяет повысить износостойкость, улучшить морозостойкость композиционного материала при сохранении физико-механических характеристик, при этом - снизить стоимость композиционного материала. 2 табл., 1 пр.
Изобретение относится к полимерному материаловедению и может быть использовано для наружных обкладок резинотканевых конвейерных лент. Ленты конвейерные резинотканевые используют для транспортировки и перемещения грузов, осуществляя тяговую связь между барабанами транспортерной установки. В процессе эксплуатации они подвергаются значительному натяжению, деформациям изгиба, абразивному износу в режиме ударных нагрузок, действию механических сил, влаги, атмосферному воздействию. Особо жесткие требования предъявляются к обкладке транспортерных лент, применяемых в горнорудной, горнодобывающей, угольной промышленности, эксплуатируемых при температуре окружающего воздуха от -45 до +60°C для транспортировки сильно истирающих среднекусковых материалов.
Диапазон требуемых свойств - механическая прочность, высокая износостойкость, жесткость, эластичность, стойкость при высоких и низких температурах.
Известна полимерная композиция на основе темопластичного полиуретана, содержащая в качестве модификатора сополимер формальдегида с диоксоланом (СФД) и минеральное масло (А.с. СССР 897809, 1982).
Материал обладает высокой износостойкостью, ударной вязкостью, однако не удовлетворяет требованиям по стойкости к воздействию низких температур, т.к. содержит компоненты, деструктирующие с образованием низкомолекулярных продуктов, инициирующих термоокислительную деструкцию матрицы.
Известен инициированный антифрикционный материал на основе полиамида 6, содержащий термопластичные добавки (полиацетали - СФД, СТФ, полиолефины - ПЭНД, ПЭВД, ПП) и олигомерные парафины в сочетании модифицированным минеральным маслом (В.А. Гольдаде, В.А. Струк, С.С. Песецкий. Ингибиторы изнашивания металлополимерных систем. - М.: Химия. - 1993. - С.240). Такой материал эффективен для изготовления деталей, эксплуатируемых при воздействии абразивно активных сред.
Недостатком материала является низкая ударная вязкость при отрицательных температурах, что обусловлено значительным влагопоглощением полиамида и его высокая стоимость.
Известен износостойкий, кислото-щелочестойкий, маслобензостойкий композиционный материал на основе полиуретанов, из которого на предприятии ООО «Уралполимеркомплект» изготавливается широкий ассортимент изделий для горнодобывающей, нефтегазодобывающей и химической промышленности. Материал обладает достаточно высокой стойкостью к действию масел и бензина, имеет высокие упругопрочностные свойства и повышенную твердость. Однако, композиционный материал на основе полиуретанов имеет повышенное теплообразование при многократных деформациях, невысокую морзостойкость.
Известен композиционный масло-бензостойкий износо-морозостойкий материал на основе бутадиен- нитрильного каучука. (Пат. №2425850 Российской Федерации), содержащий в качестве наполнителей техуглерод П-324 и сверхвысокомолекулярный полиэтилен, модифицированный карбидом кремния, мягчитель диоктилфталат, серную вулканизующую группу, противостарители. Материал имеет высокую износостойкость, стойкость к действию низких температур, высокую маслобензостойкость, применяется для изготовления резиновых технических изделий, работающих в среде масел, бензина, в абразивных средах при пониженных температурах.
Однако, его прочностные и динамические характеристики недостаточны для работы в режиме многократных деформаций, необходимых при эксплуатации резинотканевых конвейерных лент.
Известен композиционный материал на основе синтетического изопренового каучука СКИ-3 - резиновая смесь ИРП 1370, содержащая техуглерод П-324, противостарители, воск 3В-1, ацетонанил, диафен ФП, серу в качестве вулканизующего агента, в качестве ускорителя - сульфенамид Ц. Этот материал обладает высокой эластичностью, морозостойкостью, однако, стойкость его к абразивному износу в режиме ударных нагрузок при транспортировки сильно истирающих среднекусковых материалов недостаточна. Этот материал принят за прототип.
Технической задачей изобретения является разработка дешевого резинополимерного материала с повышенной износостойкостью и физико-механическими характеристиками, не уступающими применяемым в настоящее время материалам для изготовления обкладок резинотканевых конвейерных лент.
Для решения поставленной задачи разработан резинополимерный композиционный материал на основе доступного синтетического г^г/с-изопренового каучука СКИ-3 отечественного производства, наполненного модифицированным и активированным СВМПЭ. За счет введения в композицию модифицированного и активированного СВМПЭ повышается каркасность наружных обкладок резинотканевых конвейерных лент, улучшается износостойкость в режиме ударных нагрузок, улучшается морозостойкость. При этом сохраняется стойкость к действию деформации изгиба, и механических нагрузок.
Поставленная задача решается тем, что композиционный материал изготавливали на основе стереорегулярного умс-1,4-полиизопрена с содержанием звеньев цис-1,4 не менее 96% (СКИ-3). В качестве наполнителя применяли активный технический углерод П-234. Пластификатор - масло-мягчитель для резиновой технической промышленности -нетоксол- высокоочищенное нефтяное масло, получаемое из дистиллята малосернистых нефтей селективной очистки. Вулканизующая группа содержит: неорганический ускоритель вулканизации - окись цинка, органический активатор вулканизации -стеариновую кислоту, основное вулканизующее вещество - серу, органический ускоритель вулканизации циклогексил-2-бензтиазолсульфенамид (Сульфенамид Ц). В качестве химических противостарителей (антиоксидантов) вводили -N-фенил-N1-изопропилпарафенилендиамин (диафен ФП) и полимеризованный 2,2 4х триметил-1,2-дигидрохинолин (ацетонанил И); в качестве физического противостарителя для защиты от озонного растрескивания применяли воск ЗВ-1 - сплав твердых углеводородов мелкокристаллической структуры.
Для улучшения износостойкости в режиме ударных нагрузок, улучшению эксплуатационных характеристик композиционного материала, использовали модифицированный сверхвысокомолекулярный полиэтилен (СВМПЭ). Благодаря своей уникальной структуре, гигантской молекулярной массе СВМПЭ имеет показатели стойкости к истиранию, морозостойкости и физико-механические характеристики значительно превышающие показатели полиэтиленов класса ПЭПД.
СВМПЭ модифицировали нанодисперсным модификатором - углеродосодержащим материалом - карбосилом с размером частиц не более 50 мкм, в количестве 7% от массы СВМПЭ. Этот природный материал, насыщенный углеродным веществом в некристаллизующимся состоянии, содержащий большое количество метаморфизованного органического вещества, обладает повышенной химической стойкостью, высоким сопротивлением истиранию и морозостойкостью. Частицы порошка карбосила обладают чрезвычайной твердостью; они армируют матрицу СВМПЭ, в результате чего значительно увеличивается износостойкость композиционного материала. Смешение СВМПЭ с карбосилом производилось в дезинтеграторе серии «Основа» ДИ 0,12.
Экспериментально установлено, что введение модифицированного СВМПЭ в резины не обеспечивает необходимый уровень упругопрочностных и динамических характеристик полученных композиционных материалов. Поэтому дополнительно проводили механоактивацию СВМПЭ, модифицированного карбосилом.
Модифицированный СВМПЭ активировали в механоактиваторе АГО-2С. В процессе механоактивации молекулярное устройство СВМПЭ изменяется без разрыва внутримолекулярных связей. Благодаря высокой пластичности СВМПЭ величина удельных энергий при механической активации недостаточна для разрыва С-С связей, но достаточна для изменения укладки углеводородных цепей.
Механоактивация СВМПЭ обеспечивает более эффективное межмолекулярное взаимодействие и, как следствие, повышение прочностных характеристик изделий, улучшение морозостойкости, сопротивления удару материала.
Состав материала согласно изобретению приведен в таблице 1.
| Таблица 1 | ||
| Состав композиционного износостойкого материала на основе цис-изопренового каучука для наружных обкладок конвейерных лент | ||
| Наименование ингредиентов | Массовые части | % содержание |
| СКИ-3 (стереорегулярный цис-1,4-полиизопрен) | 100,0 | 52,00 |
| СВМПЭ (модифицированный сверхвысокомолекулярный полиэтилен) | 10,0 | 5,20 |
| Сера | 2,0 | 1,04 |
| Сульфенамид Ц (циклогексил-2-бензтиазолсульфенамид) | 0,8 | 0.42 |
| Белила цинковые | 5,0 | 2,60 |
| Техуглерод П-324 | 60,0 | 31,20 |
| Стеарин | 1,0 | 0,52 |
| Нетоксол (высокоочищенное нефтяное масло) | 10,0 | 5,20 |
| Воск ЗВ-2 | 1,5 | 0,78 |
| Анетонанил И (2,2 4х триметил-1,2-дигидрохинолинО | 1,0 | 0,52 |
| Диофен ФПО(-N-фенил-N1-изопропилпарафенилендиамин) | 1,00 | 0,52 |
| Итого | 182,3 | 100,00 |
Пример получения заявленного материала.
Подготавливали навески ингредиентов композиционного материала по массе, согласно рецепту.
Навеску карбосила 7% от массы СВМПЭ, совместно с навеской СВМПЭ, загружали в приемный бункер дезинтегратор серии «Основа» ДИ 0,12 и перемешивали при 4220 оборотов ротора в минуту 6-8 мин. Такой способ смешения обеспечивает максимально равномерное распределение карбосила в СВМПЭ. Полученный гомогенный состав навешивали согласно рецепту и активировали в механоактиваторе АГО-2С в течение 10 мин. при частоте вращения барабанов в переносном движении 1820 об./мин. Механоактиватор АГО-2С позволяет при ускорениях шаров до 60 g развивать удельную мощность до 100 Вт/г, при этом, благодаря водяному охлаждению, температура в барабанах регулируется. Вследствие низкой термической стабильности СВМПЭ, процесс реализован при температуре не выше 140°С.
Подготавливали навески каучука, модифицированного СВМПЭ и других ингредиентов композиционного материала по весу, согласно рецепту. Смешение композиционного материала производили на вальцах ПД 320 160/160 при температуре поверхности валков 45±5°С. Последовательность ввода ингредиентов: вальцевали каучук при зазоре между валками 1±0,5 мм, вводили модифицированный СВМПЭ, затем регулировали величину зазора вальцев так, чтобы между валками находился хорошо обрабатываемый запас смеси. Вводили стеариновую кислоту, воск ЗВ-1, сульфенамид Ц, цинковые белила, антиоксиданты, технический углерод П-324 совместно с нетоксолом, серу. Общее время смешения 35-40 мин. Вулканизацию лабораторных образцов проводили на вулканизационном прессе 800×800 при температуре 165°С в течение 10 мин. при давлении на площадь ячейки не менее 40 МПа.
Испытания проводили следующим образом:
- условная прочность при растяжении, относительное удлинение при разрыве определяли по ГОСТ 11262. Испытания проводили на машине итальянского производства TKFD/5;
- изменение нормы относительного удлинения при разрыве после старения в воздухе при температуре 100°С в течение 24 час определяли по ГОСТ9.024;
- коэффициент морозостойкости при растяжении при минус 50°С определяли по ГОСТ 408;
- потери объема при истирании по ГОСТ 23509;
- твердость определяли по ГОСТ 263.
Свойства композиционного материала приведены в таблице 2.
| Таблица 2. | ||
| Характеристика износостойкого материала на основе цис-изопренового каучука для наружных обкладок конвейерных лент по прототипу | ||
| Наименование показателей | Прототип, фактическое значение | Характеристика полученного материала |
| Условная прочность при растяжении, МПа | 20,0 | 23,0 |
| Относительное удлинение при разрыве, % | 485 | 490 |
| Потери объема при истирании, мм | 132 | 69 |
| Изменение нормы относительного удлинения при разрыве после старения в воздухе при температуре 100°С в течение 24 час. | -25 | -24 |
| Коэффициент морозостойкости при растяжении при минус 50°С | 0,30 | 0,41 |
| Твердость, усл.ед. | 60 | 61 |
Как следует из приведенных данных, заявляемый материал для наружных обкладок резинотканевых конвейерных лент значительно превосходит прототип по показателю истираемости и морозостойкости, при этом показатели относительного удлинения, прочности при разрыве, изменение нормы относительного удлинения при разрыве после старения в воздухе при температуре 100°С в течение 24 часов, и твердость находятся на уровне прототипа. Именно эти показатели определяют эксплуатационные свойства материала для наружных обкладок резинотканевых конвейерных лент. Предложенный композиционный материал может также использоваться для производства резиновых технических изделий, требующих высокой эластичности, стойкости к истиранию морозостойкости и хороших динамических свойств.
Композиционный материал для наружных обкладок резинотканевых конвейерных лент, включающий стереорегулярный цис-1,4-полиизопрен с содержанием звеньев цис-1,4 не менее 96% - СКИ-3, сверхвысокомолекулярный полиэтилен - СВМПЭ, модифицированный карбосилом с последующей механоактивацией, серу, сульфенамид Ц-циклогексил-2-бензтиазолсульфенамид, белила цинковые, технический углерод П-324, стеарин, нетоксол - высокоочищенное нефтяное масло, воск ЗВ-1, ацетонанил Н-2,2,4' триметил-1,2-дигидрохинолин, диафен ФП-N-фенил-N1-изопропилпарафенилендиамин, при следующем соотношении компонентов, мас.ч./мас.%:
| СКИ-3 - стереорегулярный цис- | |
| 1,4-полиизопрен | 100,0/52,00 |
| СВМПЭ-модифицированный | |
| сверхвысокомолекулярный | |
| полиэтилен | 10,0/5,20 |
| сера | 2,0/1,04 |
| сульфенамид Ц-циклогексил- | |
| 2-бензтиазолсульфенамид | 0,8/0,42 |
| белила цинковые | 5,0/2,60 |
| технический углерод П-324 | 60,0/31,20 |
| стеарин | 1,0/0,52 |
| нетоксол - высокоочищенное нефтяное масло | 10,0-5,20 |
| воск ЗВ-1 | 1,5/0,78 |
| ацетонанил Н-2,2,4' триметил-1,2-дигидрохинолин | 1,0/0,52 |
| диафен ФП-N-фенил-N1-изопропилпарафенилендиамин | 1,0/0,52 |
