resarПриродные ресурсы Арктики и СубарктикиArctic and Subarctic Natural Resources2618-97122686-9683Академия наук Республики Саха (Якутия)10.31242/2618-9712-2023-28-2-346-357resar-51Research ArticleМатериаловедение и химические технологииMaterials science and chemical technologiesВлияние состава и технологии изготовления композиций на структуру и свойства морозостойких резин на основе смесей полярных и неполярных каучуковComposition and technology effect on the structure and properties of frost-resistant elastomeric materials based on blends of polar and nonpolar rubbershttps://orcid.org/0000-0003-1969-8747МухинВ. В.MUKHINV. V.

МУХИН Василий Васильевич, кандидат технических наук, доцент

ResearcherID: E-3312-2019

 г. Якутск

MUKHIN, Vasilii Vasilevich, Cand Sci. (Eng.), Senior Lecturer

ResearcherID: E-3312-2019

Yakutsk

mvvnj@yandex.ruhttps://orcid.org/0000-0001-7699-7511ПетроваН. Н.PETROVAN. N.

ПЕТРОВА Наталия Николаевна, доктор химических наук, профессор

ResearcherID: E-7406-2014

 г. Якутск

PETROVA, Natalia Nikolaevna, Dr. Sci. (Chem.) Professor

ResearcherID: E-7406-2014

Yakutsk

https://orcid.org/0000-0001-5090-0793ЛазареваН. Н.LAZAREVAN. N.

ЛАЗАРЕВА Надежда Николаевна, кандидат технических наук, ведущий научный сотрудник

ResearcherID: E-5063-2014

 г. Якутск

LAZAREVA, Nadezhda Nikolaevna, Cand. Sci. (Eng.), Leading Researcher, Head of Laboratory

ResearcherID: E-5063-2014

Yakutsk

https://orcid.org/0000-0002-5901-6387ДаниловаС. Н.DANILOVAS. N.

ДАНИЛОВА Сахаяна Николаевна, младший научный сотрудник

ResearcherID: AAZ-5494-2021

 г. Якутск

DANILOVA, Sakhayana Nikolaevna, Junior Researcher

ResearcherID: AAZ-5494-2021

Yakutsk

https://orcid.org/0000-0002-2694-9615ШадриновН. В.SHADRINOVN. N.

ШАДРИНОВ Николай Викторович, кандидат технических наук, ведущий научный сотрудник

ResearcherID: А-6417-2014 

г. Якутск

SHADRINOV, Nikolay Viktorovich, Leading Researcher, Cand Sci. (Eng.)

ResearcherID: А-6417-2014

Yakutsk

Северо-Восточный федеральный университет имени М.К. АммосоваРоссияAmmosov North-Eastern Federal UniversityRussian FederationИнститут проблем нефти и газа СО РАНРоссияInstitute of Oil and Gas Problems, Siberian Branch of the Russian Academy of SciencesRussian Federation202302072023282346357Copyright © Мухин В.В., Петрова Н.Н., Лазарева Н.Н., Данилова С.Н., Шадринов Н.В., 20232023Мухин В.В., Петрова Н.Н., Лазарева Н.Н., Данилова С.Н., Шадринов Н.В.MUKHIN V.V., PETROVA N.N., LAZAREVA N.N., DANILOVA S.N., SHADRINOV N.N.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://resar.elpub.ru/jour/article/view/51

Резины для создания уплотнительных устройств, эксплуатирующихся в условиях Крайнего Севера, в том числе в Республике (Саха) Якутия, должны обладать стойкостью к рабочим средам, морозо-, износостойкостью и приемлемыми физико-механическими свойствами. Некоторые из перечисленных свойств являются взаимоисключающими и не всегда достижимы в материалах на основе индивидуального каучука. Для создания резин уплотнительного назначения с сочетанием необходимых свойств перспективным может являться использование смесей каучуков. В работе исследованы модельные рецептуры на основе смесей полярного бутадиен-нитрильного (БНКС-18), неполярных бутадиенового (СКД) и изопренового (СКИ-3) каучуков. Выбор удовлетворительно морозостойкого каучука БНКС-18 обусловлен стремлением обеспечения достаточной стойкости разрабатываемых материалов в углеводородных рабочих средах. В свою очередь, смесь из неполярных диеновых каучуков СКД и СКИ-3 выбрана для дальнейшего улучшения низкотемпературных свойств и придания дополнительной стойкости в полярных рабочих жидкостях. Добавление СКИ-3 также обеспечивало подавление кристаллизации бутадиенового каучука СКД. Установлено, что с повышением содержания БНКС-18 происходит улучшение физико-механических свойств, износостойкости, стойкости к неполярным углеводородным маслам, а также снижение низкотемпературных свойств и стойкости к полярным маслам. Дополнительно были проведены исследования структуры полученных материалов методом атомно-силовой микроскопии, доказавшие равномерность распределения частиц дисперсной фазы, размеры которой не превышают 1–5 мкм. Оптимальное соотношение бутадиен-нитрильного и диеновых каучуков 70:30 (масс. ч.) соответственно. Именно при таком соотношении получены эластомерные материалы, которые отвечают требованиям для создания из них уплотнительных устройств для работы в условиях холодного климата.

Elastomeric materials for sealing devices operated in the Far North, including the Republic of Sakha (Yakutia), must be resistant to working environments and have frost and wear resistance with acceptable physical and mechanical properties. Some of the listed properties are mutually exclusive and are not always achievable in materials based on individual rubber. Thus, one promising method for sealing elastomeric materials is the use of rubber mixtures. In this study, model blends based on nitrile-butadiene (BNKS-18), butadiene (SKD), and isoprene (SKI-3) rubbers were studied. Nitrile butadiene rubber was chosen as the component of the mixture responsible for resistance to working environments, and diene rubbers (SKD and SKI-3) were chosen as the components responsible for frost resistance. The addition of SKI-3 also suppressed the crystallization of SKD butadiene rubber. An increase in the BNKS-18 content enhanced the physical and mechanical properties and resistance to wear and non-polar oils. A decrease in lowtemperature properties and resistance to polar oils was also observed. Additionally, studies of the structure of the obtained materials by atomic force microscopy were carried out, which proved the uniformity of the distribution of particles of the dispersed phase, the size of which did not exceed 1-5 μm. The optimal ratio of butadiene-nitrile to diene rubbers was 70:30 phr. At this ratio, the obtained elastomeric materials meet the requirements of sealing materials for operation in cold climates.

бутадиен-нитрильный каучукбутадиеновый каучукизопреновый каучуксмеси каучуковрезинаморозостойкостьизносостойкостьnitrile rubberbutadiene rubberisoprene rubberrubber mixtureelastomeric materialfrost resistancewear resistanceРабота выполнена при финансовой поддержке Министерства науки и высшего образования РФ (Госзадание № FSRG-2023-0026).This study was supported by the Ministry of Science and Higher Education of the Russian Federation (Grant Number №FSRG-2023-0026).ReferencesКондаков Л.А., Голубев А.И., Овандер В.Б. и др. Уплотнения и уплотнительная техника. М.: Машиностроение; 1986. 464 с.Kondakov L.A., Golubev A.I., Ovander V.B. et al. Sealings and sealing devices. Moscow: Mashinostroenie; 1986. 464 p. (In Russ.)Bukhina M.F., Kurlyand S.K. Low-Temperature Behaviour of Elastomers. Boca Ranton: CRC Press; 2007. 188 p. https://doi.org/10.1201/b12239Bukhina M.F., Kurlyand S.K. Low-Temperature Behaviour of Elastomers. Boca Ranton: CRC Press; 2007. 188 p. https://doi.org/10.1201/b12239Мухин В.В., Петрова Н.Н., Капитонов Е.А., Афанасьев А.В. Разработка стойких к авиационным синтетическим маслам резин на основе смесей нитрильных и диеновых каучуков. Вестник Северо-Восточного федерального университета им. М.К. Аммосова. 2016;6(56):41–50.Mukhin V.V., Petrova N.N., Kapitonov Ye.A., Afanasev A.V. Development of aircraft synthetic oil resistant rubbers based on mixture of nitrile and diene rubbers. Vestnik of North-Eastern Federal University. 2016;6(56): 41–50. (In Russ.)Akulichev A.G., Echtermeyer A.T., Persson B.N.J. Interfacial leakage of elastomer seals at low temperatures. International journal of pressure vessels and piping. 2018;160:14–23. https://doi.org/10.1016/j.ijpvp.2017.11.014Akulichev A.G., Echtermeyer A.T., Persson B.N.J. Interfacial leakage of elastomer seals at low temperatures. International journal of pressure vessels and piping. 2018;160:14–23. https://doi.org/10.1016/j.ijpvp.2017.11.014Kömmling A., Jaunich M., Pourmand P., Wolff D., Hedenqvist M. Analysis of O-ring seal failure under static conditions and determination of end-of-lifetime criterion. Polymers. 2019;11(8):1251. https://doi.org/10.3390/polym11081251Kömmling A., Jaunich M., Pourmand P., Wolff D., Hedenqvist M. Analysis of O-ring seal failure under static conditions and determination of end-of-lifetime criterion. Polymers. 2019;11(8):1251. https://doi.org/10.3390/polym11081251Jiang B., Jia X., Wang Z., Wang T., Guo F., Wang Y. Influence of thermal aging in oil on the friction and wear properties of nitrile butadiene rubber. Tribology Letters. 2019;67:1–10. https://doi.org/10.1007/s11249-019-1201-8Jiang B., Jia X., Wang Z., Wang T., Guo F., Wang Y. Influence of thermal aging in oil on the friction and wear properties of nitrile butadiene rubber. Tribology Letters. 2019;67:1–10. https://doi.org/10.1007/s11249-019-1201-8Чайкун А.М., Наумов И.С., Алифанов Е.В. Резиновые уплотнительные материалы (обзор). Труды ВИАМ. 2017;1(49):99–106. https://doi.org/10.18577/23076046-2017-0-1-12-12Chaykun A.M., Naumov I.S., Alifanov Ye.V. Rubber sealing materials (overview). Trudy VIAM. 2017; 1(49): 99–106. https://doi.org/10.18577/2307-6046-2017-0-1-12-12. (In Russ.)Kim D.Y., Kim G.H., Nam G.M., Kang D.G., Seo K.H. Oil resistance and low‐temperature characteristics of plasticized nitrile butadiene rubber compounds. Journal of Applied Polymer Science. 2019;136(32):47851. https://doi.org/10.1002/app.47851Kim D.Y., Kim G.H., Nam G.M., Kang D.G., Seo K.H. Oil resistance and low‐temperature characteristics of plasticized nitrile butadiene rubber compounds. Journal of Applied Polymer Science. 2019;136(32):47851. https://doi.org/10.1002/app.47851Fedorova A.F., Davydova M.L., Shadrinov N.V., Sokolova M.D., Pavlova V.V., Fedorov A.L. Investigation of the effect of plasticizer injection technology on the properties of epichlorohydrin rubbers. Journal of Elastomers & Plastics. 2021;53(7):757–768. https://doi.org/10.1177/0095244320967029Fedorova A.F., Davydova M.L., Shadrinov N.V., Sokolova M.D., Pavlova V.V., Fedorov A.L. Investigation of the effect of plasticizer injection technology on the properties of epichlorohydrin rubbers. Journal of Elastomers & Plastics. 2021;53(7):757–768. https://doi.org/10.1177/0095244320967029Петрова 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):6–10.Petrova N.N., Popova A.F., Fedotova Ye.S. Study of the effect of low temperatures and hydrocarbon media on the properties of rubbers based on propylene oxide and butadiene-nitrile rubbers. Kauchuk i rezina. 2002;(3):6–10 (In Russ.)Lou W., Zhang W., Wang H., Jin T., Liu X.. Influence of hydraulic oil on degradation behavior of nitrile rubber O-rings at elevated temperature. Engineering Failure Analysis. 2018;92:1–11. https://doi.org/10.1016/j.engfailanal.2018.05.006Lou W., Zhang W., Wang H., Jin T., Liu X.. Influence of hydraulic oil on degradation behavior of nitrile rubber O-rings at elevated temperature. Engineering Failure Analysis. 2018;92:1–11. https://doi.org/10.1016/j.engfailanal.2018.05.006Klingender R.C. Handbook of specialty elastomers. Boca Ranton: CRC Press; 2008. 576 p.Klingender R.C. Handbook of specialty elastomers. Boca Ranton: CRC Press; 2008. 576 p.Портнягина В.В., Петрова Н.Н., Заровняев Б.Н. Исследование работоспособности уплотнительных резин горнодобывающей техники в экстремальных климатических условиях Севера. Горный информационноаналитический бюллетень (научно-технический журнал). 2014;9:371–380.Portnyagina V.V., Petrova N.N., Zarovnyaev B.N. Study of operability of sealing rubbers of mining equipment in extreme climatic conditions of North. Mining informational and analytical bulletin (scientific and technical journal). 2014;9:371–380. (In Russ.)Mukhin V.V., Petrova N.N., Portnyagina VV., Fedorov A. L., Baisheva A.V. Investigation of the plasticizer content effects on the operability of the epichlorohydrin rubber based elastomeric material during full-scale test under cold climate conditions and hydrocarbon medium influence. Materials Science Forum. 2018;945:417–421. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/MSF.945.417Mukhin V.V., Petrova N.N., Portnyagina VV., Fedorov A. L., Baisheva A.V. Investigation of the plasticizer content effects on the operability of the epichlorohydrin rubber based elastomeric material during full-scale test under cold climate conditions and hydrocarbon medium influence. Materials Science Forum. 2018;945:417–421. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/MSF.945.417Haldeeva A.R., Davydova M.L., Sokolova M.D. Development of frost-resistant rubber based on epichlorohydrin rubber of Hydrin T6000 brand. Materials Science Forum. 2019;945:356–361. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/MSF.945.356Haldeeva A.R., Davydova M.L., Sokolova M.D. Development of frost-resistant rubber based on epichlorohydrin rubber of Hydrin T6000 brand. Materials Science Forum. 2019;945:356–361. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/MSF.945.356Резниченко С.В., Морозов Ю.Л. Большой справочник резинщика. Часть 1. Каучуки и ингредиенты. М.: ООО «Издательский центр «Техинформ» МАИ»; 2012. 744 с.Reznichenko S.V., Morozov Yu.L. Handbook of Rubber Technologist. Volume 1. Rubbers and ingredients. Moscow: OOO “Izdatelskiy tsentr “Tekhinform” MAI”; 2012. (In Russ.)Елисеев О.А., Чайкун А.М., Бузник В.М., Соколова М.Д., Попов С.Н. Основные принципы построения рецептур морозостойких резин для изделий, эксплуатируемых в условиях арктического климата. Перспективные материалы. 2015;11:5–18.Yeliseev O.A., Chaykun A.M., Buznik V.M., Sokolova M.D., Popov S.N. The basic principles of creation of formula cold-resistant rubbers stock for the products maintained in the conditions of the Arctic climate. Perspektivnye materialy [Advanced materials]. 2015;11:5– (In Russ.)Кулезнев В.Н. Смеси и сплавы полимеров. СПб.: Научные основы и технологии; 2013. 216 с.Kuleznev V.N. Polymer blends and alloys. Saint-Petersburg: Scientific foundations and technologies; 2013. (In Russ.)Ушмарин Н.Ф., Егоров Е.Н., Кольцов Н.И. Морозостойкая резина на основе комбинации бутадиеннитрильного и гидриновых каучуков. Известия высших учебных заведений. Серия: Химия и химическая технология. 2017;60(8):60–64. https://doi.org/10.6060/tcct.2017608.5474Ushmarin N.F., Yegorov Ye.N., Koltsov N.I. Frostresistant rubber based on a combination of nitrile butadiene and hydrine rubbers. Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedeniy. Seriya: Khimiya i khimicheskaya tekhnologiya. 2017;60(8):60–64. https://doi.org/10.6060/tcct.2017608.5474. (In Russ.)Гресь И.М., Демидов Д.В., Востриков Д.С., Гусев Д.О., Коваленко В.В., Устинова С.В. Исследование низкотемпературных свойств и стойкости к действию авиационного керосина эластомеров на основе пропиленоксидного и эпихлоргидринового каучуков. Известия Волгоградского государственного технического университета. 2017;11(206):113–117.Gres I.M., Demidov D.V., Vostrikov D.S., Gusev D.O., Kovalenko V.V., Ustinova S.V. Study of low-temperature properties and resistance to aviation kerosene of elastomers based on propylene oxide and epichlorohydrin rubbers. Izvestiya Volgogradskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta. 2017;11(206):113–117. (In Russ.)Дьяконов А.А., Тапыев С.А., Охлопкова А.А., Слепцова С.А., Петрова Н.Н., Винокуров П.В., Кычкин А.К., Стручков Н.Ф. Исследование свойств эластомеров на основе комбинации изопренового и бутадиен-нитрильного каучуков. Южно-Сибирский научный вестник. 2021;3(37):93–97. https://doi.org/10.25699/SSSB.2021.37.3.003Dyakonov A.A., Tapyev S.A., Okhlopkova A.A., Sleptsova S.A., Petrova N.N., Vinokurov P.V., Kychkin A.K., Struchkov N.F. Research of elastomers properties based on combination of isoprene and nitrile butadiene rubbers. South-Siberian Scientific Bulletin. 2021;3(37):93–97. https://doi.org/10.25699/SSSB.2021.37.3.003. (In Russ.)Saputra A.H. et al. Degradation of blending vulcanized natural rubber and nitril rubber (NR/NBR) by dimethyl ether through variation of elastomer ratio. Materials Science and Engineering. 2018;45(1):012035. https://doi.org/10.1088/1757-899X/345/1/012035Saputra A.H. et al. Degradation of blending vulcanized natural rubber and nitril rubber (NR/NBR) by dimethyl ether through variation of elastomer ratio. Materials Science and Engineering. 2018;45(1):012035. https://doi.org/10.1088/1757-899X/345/1/012035Мирошников Ю.П. Закономерности смешения и формирования фазовой структуры в гетерогенных полимерных системах: Автореф. дис. … докт. хим. наук. М.;1996. 45 с.Miroshnikov Yu.P. Regularities of mixing and formation of phase structure in heterogeneous polymer systems: Abstr. … Diss. Doct. Sci. Moscow. 1996. 45 p. (In. Russ.)Жансакова К.С., Русских Г.С., Еремин Е.Н. Влияние ускорителя вулканизации на свойства пористых резин. Журнал Сибирского федерального университета. Серия: Техника и технологии. 2021;14(2):215– 221. https://doi.org/10.17516/1999-494X-0302Zhansakova K.S., Russkikh G.S., Yeremin Ye.N. Influence of the vulcanization accelerator on the properties of porous rubbers. Journal of Siberian Federal University. Engineering & Technologies. 2021;14(2):215–221. https://doi.org/10.17516/1999-494X-0302. (In Russ.)Garcia R., Proksch R. Nanomechanical Mapping of Soft Matter by Bimodal Force Microscopy. European Polymer Journal. 2013;49:1897–1906. https://doi.org/10.1016/j.eurpolymj.2013.03.037Garcia R., Proksch R. Nanomechanical Mapping of Soft Matter by Bimodal Force Microscopy. European Polymer Journal. 2013;49:1897–1906. https://doi.org/10.1016/j.eurpolymj.2013.03.037

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