References

resar

Природные ресурсы Арктики и Субарктики

Arctic and Subarctic Natural Resources

2618-97122686-9683

Академия наук Республики Саха (Якутия)

10.31242/2618-9712-2020-25-1-11

resar-195

Research Article

Металлургия и материаловедение. Материаловедение

Metallurgy and materials science. Materials science

Влияние размера частиц и концентрации фторсодержащего полимера на свойства морозостойких резин на основе пропиленоксидного каучука

Effect of particle size and concentration of fluorine-containing polymer on the properties of frost-resistant elastomer based on propylene oxide rubber

https://orcid.org/0000-0001-7699-7511

Петрова

Н. Н.

Petrova

N. N.

ПЕТРОВА Наталия Николаевна, доктор химических наук, доцент, профессор-заведующий химическим отделением, Институт естественных наук

677000, г. Якутск, ул. Белинского, 58

PETROVA Nataliya Nikolaevna, doctor of chemistry, associate professor, professor, head of the chemical department, Institute of Natural Sciences

58 Belinsky st., Yakutsk,677000

pnn2002@mail.ru

https://orcid.org/0000-0001-9562-7663

Портнягина

В. В.

Portnyagina

V. V.

ПОРТНЯГИНА Виктория Витальевна, кандидат технических наук, доцент кафедры «Горное дело»,Горный институт

677000, г. Якутск, ул. Белинского, 58

Researcher ID: А-7658-2014

PORTNYAGINA Viсtoria Vitalievna, candidate of technical sciences, associate professor, Mining Institute

58 Belinsky st., Yakutsk, 677000

vick_i@mail.ru

Северо-Восточный федеральный университет им. М.К. АммосоваРоссияNorth-Eastern Federal University named after M.K. AmmosovRussian Federation

2020

22092023

251101117

2023

Петрова Н.Н., Портнягина В.В.

Petrova N.N., Portnyagina V.V.

This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.

https://resar.elpub.ru/jour/article/view/195

Рассмотрены проблемы эксплуатации резин и изделий из них в холодном климате, изучены особенности поведения эластомерных материалов уплотнительного назначения при их работе в экстремальных климатических условиях и предложены основные пути создания новых морозостойких резин. На основании представленной схемы получены резины на основе смесей пропиленоксидного каучука (СКПО), обладающего уникальной морозостойкостью (Тс = –74 °С), и фторсодержащих полимеров. В соответствии со стандартными методиками, принятыми в технологии резин, исследованы полимерные композиции на основе СКПО и политетрафторэтилена (ПТФЭ) или ультрадисперсного политетрафторэтилена (УПТФЭ), которые отличаются способом получения и степенью дисперсности. Выбранные для модификации резин фторполимеры обладают низким коэффициентом трения, стойкостью в большинстве известных жидкостей, термостойкостью. Методами электронной микроскопии исследованы структура резин и особенности их фазовой морфологии в зависимости от природы использованного в составе композиций фторполимера. Выявлено влияние размеров частиц дисперсной фазы и содержания фторсодержащего компонента на фазовую морфологию и эксплуатационные свойств резин. Показано, что по мере увеличения содержания в смеси ПТФЭ (УПТФЭ) повышается износо-, маслостойкость резин, но снижается морозостойкость. Введение порошка УПТФЭ, обладающего меньшими размерами частиц, предпочтительнее для получения резин с высоким уровнем как низкотемпературных характеристик, так и износо- и маслостойкости. Разработаны морозостойкие резины со сбалансированным комплексом свойств, на их составы получены патенты, они рекомендованы к применению.

The article considers problems of operation of elastomers and elastomeric products in cold climates. There are also studies the behavior of elastomeric sealing materials during their operation in extreme climatic conditions and suggestions of the ways of new frost-resistant elastomers development. Based on these ways, elastomeric composites based on mixtures of propylene oxide rubber (SKPO) and fluorine-containing polymers were obtained. SKPO has a unique frost resistance (TG = –74 °C). Following standard methods of rubber technology, polymer composites based on SKPO and polytetrafluoroethylene (PTFE) or ultrafine polytetrafluoroethylene (UPTFE), which differ in the preparation method and degree of dispersion, were studied. These fluoropolymers selected for rubber modification have a low coefficient of friction, resistance in most known liquids, and heat resistance. Using electron microscopy, we studied the structure of elastomeric composites and the features of their phase morphology, depending on the nature of the fluoropolymer used. We revealed the effect of particle size of the dispersed phase and the content of the fluorine-containing component on the phase morphology and properties of elastomeric composites. It was shown that as the content of PTFE (UPTFE) in the mixture increases, the wear and oil resistance of rubbers increases as well, but frost resistance decreases. The addition of UPTFE powder, which has smaller particle sizes, was preferable to obtain elastomeric composites with a high level of low-temperature characteristics and wear and oil resistance. As a result, we obtained frost-resistant elastomeric composites with a balanced set of properties. The developed compositions were patented and recommended for use.

эластомерные материалыпропиленоксидный каучукполитетрафторэтиленультрадисперсный политетрафторэтиленизносостойкостьмаслостойкостьморозостойкостьфазовая морфология

elastomeric materialspropylene oxide rubberpolytetrafluoroethyleneultrafine polytetrafluoroethylenewear resistanceoil resistancefrost resistancephase morphology

Работа выполнена при поддержке РФФИ (грант № 19-08-00615).

This work was supported by the Russian Foundation for Basic Research (Grant No. 19-08-00615).

References1

Черский И.Н., Попов С.Н., Гольдштрах И.З. Проектирование и расчет морозостойких подвижных уплотнений. Новосибирск: Наука. Сиб. отд-ние РАН, 1992. 123 с.

Cherskiy I.N., Popov S.N., Goldshtrah I.Z. Proektirovanie i raschet morozostoykih podvizhnyih uplotneniy. Novosibirsk: Nauka. Sib. otd-nie RAN, 1992. 123 p.

Mark E.J., Erman B., Eirich F.R. (Eds.) Science and technology of rubber. Elsevier Academic Press: 3rd ed. Burlington: Elsevier, 2005.

Большой справочник резинщика /под ред. С.В. Резниченко и Ю.Л. Морозова. Ч. 1, 2. М.: ООО «Издательский центр «Техинформ» Межд. академии информатизации», 2012.

Bolshoy spravochnik rezinschika / pod red. S.V. Reznichenko i Yu.L. Morozova / Ch. 1, 2. M.: OOO «Izdatelskiy tsentr «Tehinform» Mezhd. akademii informatizatsii», 2012.

Курлянд С.К., Бухина М.Д. Морозостойкость эластомеров. М.: Химия, 1989. 176 с.

Kurlyand S.K., Buhina M.D. Morozostoykost elastomerov. M.: Himiya, 1989. 176 p.

Петрова Н.Н., Попова А.Ф., Федотова Е.С. Исследование влияния низких температур и углеводородных сред на свойства резин на основе пропиленоксидного и бутадиен-нитрильного каучуков // Каучук и резина. 2002. № 3. С. 6–10.

Petrova N.N., Popova A.F., Fedotova E.S. Issledovanie vliyaniya nizkih temperatur i uglevodorodnyih sred na svoystva rezin na osnove propilenoksidnogo i butadien-nitrilnogo kauchukov // Kauchuk i rezina. 2002. No. 3. P. 6–10.

Мухин В.В., Петрова Н.Н. Климатическое старение резин на основе эпихлоргидринового каучука в нефти при низких температурах // Вестник СевероВосточного федерального университета им. М.К. Аммосова. 2017. № 6(62). С. 59–66. DOI: 10.25587/SVFU.2017.62.8448.

Muhin V.V., Petrova N.N. Klimaticheskoe starenie rezin na osnove epihlorgidrinovogo kauchuka v nefti pri nizkih temperaturah // Vestnik Severo-Vostochnogo federalnogo universiteta im. M.K. Ammosova. 2017. No. 6 (62). P. 59–66. DOI: 10.25587/SVFU.2017.62.8448

Говорова О.А., Вишницкий А.С., Чубарова Г.В., Морозов Ю.Л. Разработка атмосферостойких резин с улучшенными низкотемпературными и адгезионными свойствами // Каучук и резина. 1999.№ 2. С. 18–20.

Govorova O.A., Vishnitskiy A.S., Chubarova G.V., Morozov Yu.L. Razrabotka atmosferostoykih rezin s uluchshennyimi nizkotemperaturnyimi i adgezionnyimi svoystvami // Kauchuk i rezina. 1999. No. 2. P. 18–20.

Хвостик Г.М., Васильев В.А., Венцеславская К.К., Искаков Б.А., Кутузов П.И., Баженов Ю.П., Насыров И.Ш., Андреева В.Ю., Морозов Ю.Л., Говорова О.А. Топливостойкие эпихлоргидриновые и пропиленоксидные каучуки для химической и автомобильной промышленности // Тез. докл. перв. всеросс. конф. по каучуку и резине 26–28 февраля 2002 г. М., 2002. С. 135.

Hvostik G.M., Vasilev V.A., Ventseslavskaya K.K., Iskakov B.A., Kutuzov P.I., Bazhenov Yu.P., Nasyirov I. Sh., Andreeva V.Yu., Morozov Yu.L., Govorova O.A. Toplivostoykie epihlorgidrinovyie i propilenoksidnyie kauchuki dlya himicheskoy i avtomobilnoy promyishlennosti. // Tez. dokl. perv. vseross. konf. po kauchuku i rezine 26–28 fevralya 2002 g. M., 2002. P. 135.

Петрова Н.Н. Особенности создания резин уплотнительного назначения для эксплуатации в условиях холодного климата // Каучук и резина. 2005. № 6. С. 2–6.

Petrova N.N. Osobennosti sozdaniya rezin uplotnitelnogo naznacheniya dlya ekspluatatsii v usloviyah holodnogo klimata // Kauchuk i rezina. 2005. No. 6. P. 2–6.

Кулезнев В.Н. Смеси полимеров. М.: Химия, 1980. 302 с.

Kuleznev V.N. Smesi polimerov. M.: Himiya, 1980. 302 p.

Мирошников Ю.П. Закономерности смешения и формирования фазовой структуры в гетерогенных полимерных смесях: Автореф. дис... докт. хим. наук. М., 1996. 45 с.

Miroshnikov Yu.P. Zakonomernosti smesheniya i formirovaniya fazovoy strukturyi v geterogennyih polimernyih smesyah: Avtoref. dis... dokt. him. nauk. M., 1996. 45 p.

Мэнсон Дж., Сперлинг Л. Полимерные смеси и композиты / Перевод с англ. под ред. Годовского Ю.К. М.: Химия, 1979. 439 с.

Menson Dzh., Sperling L. Polimernyie smesi i kompozityi / Perevod s angl. pod red. Godovskogo Yu.K. M.: Himiya, 1979. 439 p.

Ohkubo Y., Shibahara M., Ishihara K., Nagatani A., Honda K., Endo K., Yamamura K. Effect of rubber compounding agent on adhesion strength between rubber and heat-assisted plasma-treated polytetrafluoroethylene (PTFE) // Journal of Adhesion. 2019. No. 95 (3). P. 242–257. DOI:10.1080/00218464.2018.1428095.

Dadbin S., Kashcooli Y., Frounchi M. Mechanical and surface properties of e-beam irradiated polytetrafluoroethylene-silicone rubber composites // Polymers and Polymer Composites. 2010. No. 18 (6). P. 329–336. DOI: 10.1177/096739111001800605.

Sohail Khan M., Franke R., Lehmann D., Heinrich G. Physical and tribological properties of PTFE micropowder-filled EPDM rubber //Tribology International. 2009. No. 42 (6). P. 890–896. DOI:10.1016/j.triboint.2008.12.014.

Franke R., Lehmann D., Kunze K. Tribological behaviour of new chemically bonded PTFE polyamide compounds // Wear, 2007. No. 262 (3-4). P. 242–252. DOI:10.1016/j.wear.2006.05.001.

Полоник В.Д., Прокопчук Н.Р., Шашок Ж.С. Технические свойства эластомерных композиций на основе бутадиен-нитрильного каучука, модифицированных политетрафторэтиленом // Труды БГТУ. Химия, технология органических веществ, биотехнология. 2012. № 4. С. 102–105.

Polonik V.D., Prokopchuk N.R., Shashok Zh.S. Tehnicheskie svoystva elastomernyih kompozitsiy na osnove butadien-nitrilnogo kauchuka, modifitsirovannyih politetraftoretilenom // Trudyi BGTU. Himiya, tehnologiya organicheskih veschestv, biotehnologiya, 2012. No. 4. P. 102–105.

Petrova N.N., Portnyagina V.V. Rubber compounds based on blends of propylene oxide rubber and polytetrafluoroethylene // International Polymer Science and Technology, 2008. V. 35/ No. 4. P. 47–50.

Petrova N.N., Portnyagina V.V. Rubber compounds based on blends of propylene oxide rubber and ultrafine polytetrafluoroethylene // International Polymer Science and Technology. 2018. V. 42. I. 8. P. T 29-T 32. DOI:10.1177/0307174X1504200806.

PortnyaginaV.V., Petrova N.N., MukhinV.V., Ee Le Shim, Jin-Ho Cho. Preparation and Improved Physical Characteristics of Propylene Oxide Rubber Composites // Molecules. 2018. No. 23 (9). P. 2150. DOI: 10.3390/molecules23092150.

Khan M.S., Heinrich G. PTFE-Based Rubber Composites for Tribological Applications // Heinrich G. (Ed.) Advanced Rubber Composites. Advances in Polymer Science. Vol. 239. Berlin; Heidelberg: Springer, 2010. P. 249–310. DOI: 10.1007/12_2010_98.

Hopmann C., Dering J.P., Cöllen G. Property modification of EPDM rubber compounds using PTFE micro powder // Gummi Fasern Kunststoffe. No. 10. 2012. P.648–652. DOI:10.1177/0307174X1304000301.

Zhao G., Shi L., Fu J., Feng X., Ding P., Zhuo J. Preparation and properties of polytetrafluorethylene filled ethylene–propylene–diene monomer composites // J. Appl. Polym. Sci. 2012. No. 123. P. 3734–3740. DOI:10.1002/app.34406.

Park E. Processibility and mechanical properties of micronized polytetrafluoroethylene reinforced silicone rubber composites // J. Appl. Polym. Sci. 2008. No. 107. Р. 372–381. DOI: 10.1002/app.27065.

Полоник В.Д., Прокопчук Н.Р., Шашок Ж.С. Свойства эластомерных композиций с фторсодержащей добавкой // Труды БГТУ. Химия и технология органических веществ, материалов и изделий. 2013. № 4. С. 141–144.

Polonik V.D., Prokopchuk N.R., Shashok ZH.S. Svoystva elastomernykh kompozitsiy s ftorsoderzhashchey dobavkoy // Trudy BGTU. Khimiya i tekhnologiya organicheskikh veshchestv, materialov i izdeliy, 2013. No. 4. P. 141–144.

Cao C., Liu L., Li Q., Chen P., Qian Q., Chen Q. Recycling and application of wasted polytetrafluoroethylene via high-energy ball milling technology for nitrile rubber composites preparation // Polym Eng Sci. No. 56. 2016. Р. 643–649. DOI:10.1002/pen.24290.

Пол Д. Межфазные добавки, способствующие совместимости в смесях полимеров // Полимерные смеси; под ред. Пола Д. и Ньюмена С., пер. с англ. М.: Мир, 1981. Т. 2. С. 39–70.

Pol D. Mezhfaznye dobavki, sposobstvuyushchie sovmestimosti v smesyah polimerov // Polimernye smesi; pod red. Pola D. i N’yumena S., per. s angl. M.: Mir, 1981. V. 2. P. 39–70.

Peng H. Synthesis and Application of FluorineContaining Polymers with Low Surface Energy // Polymer Reviews. No. 59 (4). 2019. Р. 739–757. DOI: 10.1080/15583724.2019.1636390.

Peng H. Synthesis and Application of FluorineContaining Polymers with Low Surface Energy //Polymer Reviews. No. 59 (4). 2019. P. 739–757. DOI: 10.1080/15583724.2019.1636390.

Khan M.S., Franke R., Lehmann D., Heinrich G. Physical and tribological properties of PTFE micropowder-filled EPDM rubber // Tribology International. No. 42 (6). 2009. Р. 890–896. DOI: 10.1016/j.triboint.2008.12.014.

Khan M.S., Franke R., Lehmann D., Heinrich G. Physical and tribological properties of PTFE micropowder-filled EPDM rubber // Tribology International. No. 42 (6). 2009. P. 890–896. DOI: 10.1016/j.triboint.2008.12.014.

Dobkowski Z., Zielecka M. Thermal analysis of the poly(siloxane)-poly(tetrafluoroethylene) coating system // Journal of Thermal Analysis and Calorimetry. No. 68 (1). 2002. Р. 147–158.

Dobkowski Z., Zielecka M. Thermal analysis of the poly(siloxane)-poly(tetrafluoroethylene) coating system // Journal of Thermal Analysis and Calorimetry. No. 68 (1). 2002. P. 147–158.

Охлопкова А.А., Адрианова О.А., Попов С.Н. Модификация полимеров ультрадисперсными полимерами. Якутск: ЯФ Изд-ва СО РАН. 2003. 224 с.

Ohlopkova A.A., Adrianova O.A., Popov S.N. Modifikaciya polimerov ul’tradispersnymi polimerami. YAkutsk: YAF Izd-va SO RAN, 2003. 224 p.

Park E. Processibility and mechanical properties of micronized polytetrafluoroethylene reinforced silicone rubber composites // J. Appl. Polym. Sci. No. 107. 2008. Р. 372–381. DOI:10.1002/app.27065.

Кирюхин Д.П., Ким И.П., Бузник В.М. Радиационно-химические методы создания защитных покрытий и композитных материалов с использованием фтормономеров. Химия высоких энергий // Радиационная химия. 2008/ Т. 42, No. 5. С. 393–400.

Kiryuhin D.P., Kim I.P., Buznik V.M. Radiacionno-himicheskie metody sozdaniya zashchitnyh pokrytij i kompozitnyh materialov s ispol’zovaniem ftormonomerov. Himiya vysokih energij // Radiacionnaya himiya. 2008. V. 42, No. 5. P. 393–400.

Бузник В.М., Фомин В.М., Алхимов А.П. Металлополимерные нанокомпозиты. Новосибирск: Издательство СО РАН, 2005. 260 с.

Buznik V.M., Fomin V.M., Alhimov A.P. Metallopolimernye nanokompozity. Novosibirsk: Izdatel’stvo SO RAN, 2005. 260 p.

Ломовский О.И., Политов А.А., Дудина Д.В., Корчагин М.А., Бузник В.М. Механохимические методы получения композитных материалов металлокерамика – политетрафторэтилен // Химия в интересах устойчивого развития. 2004. № 12. С. 619–626.

Lomovskij O.I., Politov A.A., Dudina D.V., Korchagin M.A., Buznik V.M. Mekhanohimicheskie metody polucheniya kompozitnyh materialov metallkeramika – politetraftoretilen // Himiya v interesah ustojchivogo razvitiya. 2004. No. 12. P. 619–626.

Бузник В.М. Новые наноразмерные и микроразмерные объекты на основе политетрафторэтилена // Российские нанотехнологии. 2009. Т. 4, № 11–12. С. 35–41.

Buznik V.M. Novye nanorazmernye i mikrorazmernye ob”ekty na osnove politetraftoretilena // Rossijskie nanotekhnologii. 2009. V. 4, No. 11-12. P. 35–41.

Игнатьева Л.Н., Цветников А.К., Горбенко О.Н., Кайдалова Т.А., Бузник В.М. Спектроскопическое исследование продуктов сублимации ультрадисперсного политетрафторэтилена // Журнал структурной химии. 2004. Т. 45, № 5. С. 830–836.

Ignat’eva L.N., Cvetnikov A.K., Gorbenko O.N., Kajdalova T.A., Buznik V.M. Spektroskopicheskoe issledovanie produktov sublimacii ul’tradispersnogo politetraftoretilena // ZHurnal strukturnoj himii. 2004. V. 45. No. 5. P. 830–836.

Бузник В.М., Курявый В.Г. Морфология и строение микронных и наноразмерных порошков политетрафторэтилена, полученных газофазным методом // Рос. хим. ж. (Ж. Рос. хим. об-ва им. Д.И. Менделеева). 2008. Т. III, № 3. С. 131.

Buznik V.M., Kuryavyj V.G. Morfologiya i stroenie mikronnyh i nanorazmernyh poroshkov politetraftoretilena, poluchennyh gazofaznym metodom // Ros. him. zh. (ZH. Ros. him. ob-va im. D.I. Mendeleeva). 2008. V. III. No. 3. P. 131.

Morozov A.V., Petrova N.N. Method of evaluating the coefficient of friction of frost-resistant sealing rubbers // J. Frict. Wear. 2016. No. 37. Р. 124–128. DOI: 10.3103/S1068366616020124.

Острер С.Г. Фторполимеры в химической промышленности. П., 2019. 400 с.

Ostrer S.G. Ftorpolimery v himicheskoj promyshlennosti. P., 2019. 400 p.

Челищев Н.Ф., Беренштейн Б.Г., Володин В.Ф. Цеолиты – новый тип минерального сырья. М.: Недра, 1987. 176 с.

Chelishchev N.F., Berenshtejn B.G., Volodin V.F. Ceolity – novyj tip mineral’nogo syr’ya. M.: Nedra, 1987. 176 p.

Портнягина В.В. Разработка уплотнительных резин на основе морозостойких каучуков и ультрадисперсных наполнителей для техники севера: Автореф. дис. ... канд. техн. наук. М., 2010, 24 с.

Portnyagina V.V. Razrabotka uplotnitel’nyh rezin na osnove morozostojkih kauchukov i ul’tradispersnyh napolnitelej dlya tekhniki severa: Avtoref. dis... kand. tekhn. nauk. M., 2010, 24 p.

Патент РФ № 2294341, опубл. 27.02.2007.

Patent RF No. 2294341, opubl. 27.02.2007.

Морозов А.В., Муравьева Т.И., Петрова Н.Н., Портнягина В.В., Аммосова В.Н., Загорский Д.Л. Исследование триботехнических и адгезионных свойств морозостойких резин // Каучук и резина. 2015. № 6. С. 24–28.

Morozov A.V., Murav’eva T.I., Petrova N.N., Portnyagina V.V., Ammosova V.N., Zagorskij D.L. Issledovanie tribotekhnicheskih i adgezionnyh svojstv morozostojkih rezin // Kauchuk i rezina. 2015 .No. 6. P. 24–28.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.