Терморадиационностойкая эластомерная композиция
Владельцы патента RU 2709596:
Акционерное общество "Научно-исследовательский институт резиновых покрытий и изделий" (АО "НИИРПИ") (RU)
Изобретение относится к области промышленного производства резин и резиноподобных материалов, а именно к производству эластомерных материалов, используемых для изготовления различных резинотехнических деталей (РТД), подвергающихся одновременному воздействию радиации и повышенных температур при различных режимах механических нагружений. Описана терморадиационностойкая эластомерная композиция, содержащая в качестве полимерной основы непредельный карбоцепной каучук, вулканизующую систему, антиоксидант, наполнитель - технический углерод, отличающаяся тем, что дополнительно содержит кремнеорганический пластификатор, антирадиационный наполнитель, из ряда непредельных карбоцепных каучуков выбран бутадиенметилстирольный, а в качестве вулканизующей системы используют сочетание серы, тиурама и оксида цинка, в качестве антирадов-антиоксидантов - производное анилина и фенил-2-нафтиламин в следующих соотношениях компонентов, масс. ч: синтетический бутадиенметилстирольный каучук 100,0, вулканизующая система 9,0, антирады-антиоксиданты 1,0-3,0, антирадиационный наполнитель 5,0-8,0, наполнитель - технический углерод 75,0, кремнеорганический пластификатор и парафин 8,0. Технический результат: улучшение эксплуатационных характеристик материала при работе в условиях воздействия повышенных температур и ионизирующего излучения. 1 табл.
Изобретение относится к области промышленного производства резин и резиноподобных материалов, а именно к производству эластомерных материалов, используемых для изготовления различных резинотехнических деталей (РТД), подвергающихся одновременному воздействию радиации и повышенных температур при различных режимах механических нагружений. Изобретение может быть использовано при изготовлении РТД для оборудования атомной энергетики, судостроения и в других отраслях.
Основным преимуществом резины как конструкционного материала является высокая эластичность. Некоторые резины обладают не только высокой эластичностью, но и терморадиационной стойкостью, что позволяет применять их при изготовлении РТД различного типа, в частности, для уплотнителей подвижных и неподвижных соединений различной конфигурации, комплектующих АЭС и другие объекты атомной техники (атомные подводные лодки, атомоходы и т.д.).
Известна рентгенозащитная и радиационно-стойкая резина, применяемая в медицине, на основе различных каучуков (этиленпропилендиеновый СКЭПТ-100, бутадиеннитрильный СКН-40 или СКН-40М, синтетический изопреновый СКИ-3 и натуральный) по патенту РФ №2054439 с высокой эластичностью, прочностью и динамической выносливостью при изгибе (до 12.000 циклов). Рентгенозащитные свойства достигаются применением в рецептуре оксидов редкоземельных металлов и хлорсульфированным полиэтиленом. Однако, эта резиновая смесь не предназначена для изготовления деталей, работающих одновременно и под воздействием повышенных температур.
В заявке на патент №94005540 упоминаются рентгенозащитные резины, содержащие полиизопреновый каучук, оксиды свинца и используемые для облицовки помещений с рентгеновской аппаратурой, изготовления защитных экранов и т.д. (ТУЗВ10455-72). Радиационная стойкость таких резин достигается за счет введения производных свинца, обладающего высокой токсичностью. Еще одним недостатком этих рецептур является повышение скорости накопления относительной остаточной деформации. Последнее не позволяет использовать такие рецептуры для изготовления работоспособных уплотнительных резино-технических изделий.
Наиболее близким по совокупности признаков и достигаемому техническому результату прототипом является резиновая смесь по патенту №2383566 на основе бутадиенметилстирольного каучука, содержащая вулканизующую группу - серу, дибензтиазолилдисульфид и дифенилгуанидин, и в качестве активатора вулканизации -оксид цинка при следующих соотношениях компонентов, масс.ч.:
| бутадиенметилстирольный каучук | 100,0 |
| оксид цинка | 5,0 |
| дибензтиазолилдисульфид | 1,5 |
| сера | 2,0 |
| дифенилгуанидин | 0,3 |
| наполнитель - технический углерод П324 | 50,0. |
Данная резиновая смесь обладает высоким уровень радиационной стойкости. Однако, после облучения дозой 100 Мрад эта резина сохраняет только 67% от исходной прочности и 70% от исходного относительного удлинения при разрыве.
Это обусловлено протеканием в резине основных радиационно-химических процессов:
- радиационного сшивания макроцепей - образования поперечных межмолекулярных связей;
- радиационной деструкции;
- радиационного окисления;
- газовыделения.
Задачей заявленного изобретения является разработка терморадиационностойкой эластомерной композиции для изготовления РТД, применяемых при одновременном воздействии повышенных температур и радиационного излучения в спецтехнике.
Техническим результатом, получаемым при практическом использовании РТД из заявляемой композиции, является улучшение их эксплуатационных характеристик при работе в условиях одновременного воздействия повышенных температур и ионизирующего излучения.
Таким образом, заявленная эластомерная композиция позволит изготавливать РТД, подвергающихся одновременному воздействию радиации и повышенных температур (до 60°С) при различных режимах механических нагружений.
Указанный результат достигается за счет рецептурного состава заявленной эластомерной композиции, содержащей в качестве полимерной основы непредельный карбоцепной каучук (в частности, синтетический бутадиенметилстирольный каучук), в качестве наполнителя - технический углерод, а также серную вулканизующую систему и антирады-антиоксиданты. Кроме того, она содержит антирадиационный наполнитель в следующих соотношениях компонентов, масс.ч:
| синтетический бутадиенметилстирольный каучук | 100,0 |
| вулканизующая система | 9,8 |
| антирады-антиоксиданты | 1,0-3,0 |
| антирадиационный наполнитель | 8,0-11,0 |
| наполнитель (технический углерод) | 75,0 |
| пластификатор | 8,0. |
Основную массу заявленной композиции составляют синтетический бутадиенметилстирольный каучук, содержащий в своем составе ароматические группы, что создает внутреннюю защиту за счет процессов внутримолекулярного переноса энергии возбуждения и рассеивания ее фенильными кольцами, и наполнитель, которые в основном определяют технологические и эксплуатационные свойства эластомерных композиций. Вся совокупность компонентов и соотношение их массовых частей, установленное в основном экспериментальным путем, позволяет получить не только хорошие физико-химические характеристики и терморадиационную стойкость эластомерной композиции, но и обеспечить качество изготовляемых из них РТД.
Эксперименты проводились с учетом того, что большинство компонентов заявленной эластомерной композиции многофункциональны. Поэтому для получения вулканизатов из синтетического бутадиенметилстирольного каучука с высокой радиационной стойкостью при повышенных температурах в качестве вулканизующей системы была выбрана сера с тиурамом и оксидом цинка в качестве ускорителя и активатора вулканизации, соответственно. Увеличение общей серы в резинах на основе синтетического бутадиенметилстирольного каучука приводит к снижению скорости радиационного сшивания и деструкции, тем самым резко повышая радиационную стойкость резин в свободном и сжатом состоянии.
Антиоксиданты, применяемые в эластомерной композиции, эффективно защищают не только от теплового старения, но и повышают радиационную стойкость эластомерной композиции.
Применение в качестве наполнителя в эластомерной композиции технического углерода позволяет замедлить ухудшение физико-механических характеристик эластомерной композиции в процессе терморадиационного старения.
Введение в эластомерную композицию парафина и кремнеорганической жидкости в качестве пластификаторов практически не влияют на скорость структурирования эластомерной композиции, но значительно улучшает ее технологические свойства.
Использование антирадиационного наполнителя взамен применяющихся высокотоксичных оксидов свинца позволяет обеспечить высокую радиационную стойкость.
Возможность достижения положительного эффекта при осуществлении изобретения иллюстрируют примеры 1-2 в таблице 1.
Пример 1. Для изготовления резиновой смеси используют стандартную вулканизационную систему, состоящую из серы, оксида цинка и тетраметилтиурамдисульфида. В качестве наполнителя используется техуглерод по ГОСТ 7885-76 и антирадиационный наполнитель в количестве 5,0 м.ч., в качестве противостарителя - аминсодержащий антиоксидант. Резиновая смесь изготавливалась на вальцах Пд 630 315/315 по стандартной технологии и вулканизовалась при температуре 151°С в течение 15 минут.'
В примере 2 в рецептуре резиновой смеси увеличили содержания антирада-антиокислителя до 3,0 м.ч. и антирадиционного наполнителя до 8,0 м.ч. Резиновая смесь изготавливалась на вальцах Пд 630 315/315 по стандартной технологии и вулканизовалалсь при температуре 151°С в течение 30 минут.'
Коэффициенты старения по показателям «условная прочность при растяжении» и «относительное удлинение после разрыва» резин по примерам 1, 2 после одновременного воздействия повышенной температуры 60°С и радиационного излучения 100 Мрад составляют 1,00-1,09 и 0,61, соответственно. При этом коэффициенты старения резины-прототипа, испытанной в тех же условиях, значительно меньше и составляют только 0,26 и 0,15.
Кроме того, введение антирадов-антиоксидантов значительно улучшает теплостойкость резин из заявленной эластомерной композиции. Значения показателя «относительная остаточная деформация после сжатия» резин по примерам 1, 2 после одновременного воздействия повышенной температуры 60°С и радиационного излучения 100 Мрад составляют 68-82%, в то время как значение показателя ООД резины-прототипа составляет 82-87%.
Как видно из приведенных данных, резины из заявленной эластомерной композиции отличаются значительно более высоким уровнем теплорадиационностойкости и физико-механических характеристик, по сравнению с резиной-прототипом.
Из представленных данных следует, что положительный эффект - сохранение физико-механических показателей резин после одновременного воздействия повышенной температуры и радиационного излучения - достигается за счет совместного использования антирадиационных антиоксидантов и наполнителей.
Терморадиационностойкая эластомерная композиция, содержащая в качестве полимерной основы непредельный карбоцепной каучук, вулканизующую систему, антиоксидант, наполнитель - технический углерод, отличающаяся тем, что дополнительно содержит кремнеорганический пластификатор, антирадиационный наполнитель, из ряда непредельных карбоцепных каучуков выбран бутадиенметилстирольный, а в качестве вулканизующей системы используют сочетание серы, тиурама и оксида цинка, в качестве антирадов-антиоксидантов - производное анилина и фенил-2-нафтиламин в следующих соотношениях компонентов, мас. ч.:
| синтетический бутадиенметилстирольный каучук | 100,0 |
| вулканизующая система | 9,0 |
| антирады-антиоксиданты | 1,0-3,0 |
| антирадиационный наполнитель | 5,0-8,0 |
| наполнитель - технический углерод | 75,0 |
| кремнеорганический пластификатор и | |
| парафин | 8,0 |
