О СВЯЗИ ДЕФОРМАЦИОННЫХ ИЗМЕНЕНИЙ СТРУКТУРЫ СЕТОК НК СО СТРУКТУРНОСТЬЮ ТЕХУГЛЕРОДА

Никитин Ю.Н.¹, Скрипник А.А.², Вайц К.А.³

¹ Доктор технических наук, ² Аспирант, ³ Студент, Сибирский казачий институт технологий и управления (филиал) ФГБОУ ВО «МГУТУ имени К.Г. Разумовского (Первый казачий университет)», г. Омск

О СВЯЗИ ДЕФОРМАЦИОННЫХ ИЗМЕНЕНИЙ СТРУКТУРЫ СЕТОК НК СО СТРУКТУРНОСТЬЮ ТЕХУГЛЕРОДА

Аннотация

Исследовано влияние структурности и дисперсности техуглерода на аномалии условно-равновесного модуля при простом растяжении сеток НК.

Ключевые слова: техуглерод, структурность, эластомерные сетки

Nikitin Yu.N.¹, Skripnik, A.A.², Vayts K.A.³

¹ PhD in Engineering, ² Postgraduate student, ³ Student, Siberian Cossack Institute of Technology and Management (Branch) of Federal State Budgetary Educational Institution IN « Moscow State University of Technologies and Management named after K.G. Razumovskiy (First Cossack University)», Omsk

ABOUT COMMUNICATION OF DEFORMATION CHANGES OF STRUCTURE GRIDS NK STRUCTURAL CARBON BLACK

Abstract

The influence of structure and dispersion of carbon black abnormality conditional equilibrium modulus in simple tension grids NK are considered.

Keywords: carbon black, dispersion, structuralness, elastomeric nets

Усиление печным техуглеродом превратило шинные резины в уникальный конструкционный материал для развития мирового автопрома [1-3]. Адсорбционным связыванием сегментов каучука техуглерод формирует полифункциональные физические узлы в виде коллоидных частиц, которые при вулканизации превращаются в химические узлы сетки, способные изменять её структуру и упрочнять резину при деформационных воздействиях [4-6]. Важную роль в усилении играет полимерная природа и высокая адсорбционная и электронообменная активность техуглерода. Слабые взаимодействия способны при деформации резины концентрироваться по длине цепей или поверхности агрегатов техуглерода до уровня, превышающего прочность ковалентных связей, а ионные химические узлы – ослабляться при поляризации до уровня физических связей и первыми разрываться [7,8]. Статистическая теория эластичности не учитывает большой полидисперсности по длине активных цепей реальных сеток и слабых взаимодействий в них, поэтому теоретическая зависимость равновесного модуля от кратности простого растяжения ненаполненных сеток НК не согласуется с экспериментальной кривой, кроме начального участка. Отклонения от теории физики исправляют введением в расчётные формулы поправок на возможные изменения структуры [9,с.77, 10], при этом сетки с техуглеродом считаются не поддающимися изучению из-за сложности структуры [11].

Исследования резин по аномалиям условно-равновесного модуля при простом растяжении на современных разрывных машинах учитывают и слабые взаимодействия, что позволило выявить диаметрально противоположные изменения структуры наполненных и ненаполненных сеток [7,8] и предложить механизмы этих изменений [12]. В отличие от ненаполненных, резины с 50 масс.ч. техуглерода N330 на 100 масс.ч. НК по ASTM D3192 характеризовались ускоренным ростом напряжения при растяжении от нуля до кратности 2 и малой зависимостью от кратности дальнейшего растяжения, становясь близкими к идеальным. Поэтому для исследования влияния большого количества марок техуглерода, резко различающихся по структурности, на сетки НК методику дополнили расчётами условно-равновесного модуля по результатам измерений напряжений при небольших кратностях растяжения. Для всех растяжений до кратности 1 коэффициент пропорциональности между напряжением и модулем приняли равным единице, а при кратности 1,5 рассчитали по формуле Е_∞ = f_р/(λ-1/λ²) и получили: К=1,06. Так же считали коэффициенты для других кратностей растяжения до момента разрыва образцов.

Из данных рис.1 следует, что максимальное значение условно-равновесного модуля резин существенно увеличивается с ростом структурности техуглерода и соответственно количества межагрегатных пустот для связывания сегментов каучука, оцениваемых показателем абсорбции ДБФ или масла. Со снижением структурности и дисперсности техуглерода увеличивается кратность растяжения, при которой достигается максимальный модуль. Поэтому представляло интерес построить зависимость максимального значения условно-равновесного модуля и кратности растяжения образцов в точке его достижения от показателя абсорбции ДБФ исследованных марок техуглерода.

Рис.1. Зависимость условно-равновесного модуля от кратности растяжения вулканизатов НК, наполненных техуглеродом: 1-N326; 2- N330; 3- N339; 4- N347; 5- N375; 6- N550; 7- N660; 8- N772.

Из данных рис.2 следует, что кратность растяжения до максимального значения условно-равновесного модуля наполненной сетки изменяется от показателя структурности печного техуглерода по линейной зависимости, не зависящей от его дисперсности. Чем выше структурность техуглерода и количество связанных им сегментов каучука, препятствующих деформации резины, тем меньше деформируемость сетки резины. Максимальное значение условно-равновесного модуля изменяется от структурности техуглерода также по линейным зависимостям, но противоположной направленности и по разным для активных и полуактивных марок техуглерода, что свидетельствует о влиянии на неё и дисперсности наполнителя. Очевидно, с повышением структурности техуглерода в результате концентрирования адсорбционного взаимодействия по площади больших агрегатов растёт в химических узлах количество адсорбционных связей, не уступающих по прочности серным ковалентным связям и увеличивающих модуль сетки. Снижение структурности техуглерода и количества адсорбционных прочных связей в новой сетке приводит к уменьшению и условно-равновесного модуля. Со снижением дисперсности техуглерода при той же его массе уменьшаются площадь поверхности и количество агрегатов, что опускает указанную зависимость на меньший уровень модулей.

Рис.2. Зависимость максимального значения условно-равновесного модуля и кратности его достижения при растяжении наполненных сеток резин от показателя абсорбции ДБФ исследованных марок техуглерода

Интересно отметить также (рис.1), что условно-равновесный модуль резин с высокоструктурным техуглеродом несколько снижается после достижения максимума - на стадии деформационных разрушений узлов сетки и растаскивания агрегатов ориентирующимися активными цепями [12]. Это подтверждает предположение о возможных разрывах коротких перенапряжённых активных цепей, прочность которых превышена прочностью удерживания их связанных сегментов агрегатами. Монотонный рост модулей резин с низкоструктурным техуглеродом практически до кратности растяжения на момент их разрыва является следствием скольжения связанных сегментов по поверхности агрегатов как внутри химических узлов, так и после их разрушения. В этом случае возникающие при ориентации цепей перенапряжения рассасываются путём удлинения их за счёт передвижки связанных сегментов по поверхности агрегатов. Таким образом, с увеличением размера агрегатов техуглерода изменяется механизм диссипации перенапряжений при растяжении наполненных сеток НК.

Установленные зависимости структуры сеток от структуры печного техуглерода взаимосвязаны со свойствами вулканизатов (табл.1). С повышением структурности техуглерода заметно растут напряжения при заданных удлинениях, несколько менее - прочность при растяжении резин и снижается их относительное удлинение при разрыве. Замена до 50% N326 высокоструктурным техуглеродом N347 повышает прочность резин до уровня, превышающего прочность резины с одним N347, что связано с положительным влиянием на этот показатель полидисперсности по размерам агрегатов и соответственно расширения набора адсорбционных связей по прочности. Со снижением структурности техуглерода полуактивных марок повышаются прочность и деформируемость резин.

Таким образом, по аномалиям условно-равновесного модуля при простом растяжении резин установлена связь их свойств с параметрами структуры их сеток и основными показателями структуры печного техуглерода.

Т а б л и ц а 1. – Влияние структуры техуглерода на свойства вулканизатов и структуру их сеток.

 

Литература

1. Агаянц И.М. Пять столетий каучука и резины. - М.: «Модерн-А», 2002. - 432с.
2. Орлов В.Ю., Комаров А.М., Ляпина Л.А. Производство и использование технического углерода для резин. – Ярославль: Изд. Александр Рутман, 2002. – 512с.
3. Никитин Ю.Н., Скрипник А.А., Процкая Л.А. К семидесятилетию усиления шинных резин печным техуглеродом. // Research Journal International Studies. 2015, №2 (33), Ч.1. - С.54-58.
4. Никитин Ю.Н. Основы усиления резины печным техуглеродом. // Проблемы шин и резинокордных композитов: Материалы XXIII симпозиума. - М., 2012, том 2. - С. 64 – 80.
5. Никитин Ю.Н. Сто лет усиления шинных резин техуглеродом. // Материалы IX Межд. науч.-практич. конф. «Образование и наука без границ - 2013». – Przemysl, 2013, V.41. S. 7-17.
6. Никитин Ю.Н., Скрипник А.А., Процкая Л.А., О развитии научных основ усиления шинных резин. // Research Journal International Studies. 2014, №12 (31), Ч.1. - С.71-76.
7. Никитин Ю.Н., Скрипник А.А., Процкая Л.А. Об аномалиях равновесного модуля при растяжении сеток натурального каучука. // Проблемы шин, РТИ и эластомерных композитов: Матер. XXVI симпозиума. - М., 2015 - С.313-325.
8. Никитин Ю.Н., Скрипник А.А., Процкая Л.А., Иваненко Т.Н. О структуре эластомерных сеток натурального каучука. // Research Journal International Studies. 2015, №7 (38), Ч.2. - С.54-58.
9. Гуль В.Е., Кулезнёв В.Н. Структура и механические свойства полимеров. М.: Высшая школа, 1966. - 314с.
10. Кулезнёв В.Н., Шершнёв В.А. Химия и физика полимеров. М.: Колос С, 2007. - 367с.
11. Лабораторный практикум по технологии резины. Учеб. пособие для вузов. Под ред. Н.Д. Захарова. М.: Химия, 1988. - 256с.
12. Никитин Ю.Н. Деформационные изменения структуры эластомерных сеток. // Research Journal International Studies, 2015, №11 (42), Ч. 3 - С.58-62.

References

1. Agajanc I.M. Pjat' stoletij kauchuka i reziny. - M.: «Modern-A», 2002. - 432s.
2. Orlov V.Ju., Komarov A.M., Ljapina L.A. Proizvodstvo i ispol'zovanie tehnicheskogo ugleroda dlja rezin. – Jaroslavl': Izd. Aleksandr Rutman, 2002. – 512s.
3. Nikitin Ju.N., Skripnik A.A., Prockaja L.A. K semidesjatiletiju usilenija shinnyh rezin pechnym tehuglerodom. // Research Journal International Studies. 2015, №2 (33), Ch.1. - S.54-58.
4. Nikitin Ju.N. Osnovy usilenija reziny pechnym tehuglerodom. // Problemy shin i rezinokordnyh kompozitov: Materialy XXIII simpoziuma. - M., 2012, tom 2. - S. 64 – 80.
5. Nikitin Ju.N. Sto let usilenija shinnyh rezin tehuglerodom. // Materialy IX Mezhd. nauch.-praktich. konf. «Obrazovanie i nauka bez granic - 2013». – Przemysl, 2013, V.41. S. 7-17.
6. Nikitin Ju.N., Skripnik A.A., Prockaja L.A., O razvitii nauchnyh osnov usilenija shinnyh rezin. // Research Journal International Studies. 2014, №12 (31), Ch.1. - S.71-76.
7. Nikitin Ju.N., Skripnik A.A., Prockaja L.A. Ob anomalijah ravnovesnogo modulja pri rastjazhenii setok natural'nogo kauchuka. // Problemy shin, RTI i jelastomernyh kompozitov: Mater. XXVI simpoziuma. - M., 2015 - S.313-325.
8. Nikitin Ju.N., Skripnik A.A., Prockaja L.A., Ivanenko T.N. O strukture jelastomernyh setok natural'nogo kauchuka. // Research Journal International Studies. 2015, №7 (38), Ch.2. - S.54-58.
9. Gul' V.E., Kuleznjov V.N. Struktura i mehanicheskie svojstva polimerov. M.: Vysshaja shkola, 1966. - 314s.
10. Kuleznjov V.N., Shershnjov V.A. Himija i fizika polimerov. M.: Kolos S, 2007. - 367s.
11. Laboratornyj praktikum po tehnologii reziny. Ucheb. posobie dlja vuzov. Pod red. D. Zaharova. M.: Himija, 1988. - 256s.
12. Nikitin Ju.N. Deformacionnye izmenenija struktury jelastomernyh setok. // Research Journal International Studies, 2015, №11 (42), Ch. 3 - S.58-62.