THE INTERRELATION OF THE ELECTRICAL CHARACTERISTICS OF VARIOUS TYPES OF RUBBERS WITH THEIR ABILITY TO BE HEATED UNDER THE INFLUENCE OF HIGH – FREQUENCY FIELD

Штырбул С. В.¹, Бокша М. Ю.²

¹ORCID: 0000-0001-5880-1976, Аспирант, ²ORCID: 0000-0001-7120-3997, Кандидат технических наук, начальник сектора ООО «Научно-исследовательский институт эластомерных материалов и изделий»

ВЗАИМОСВЯЗЬ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК РАЗЛИЧНЫХ ТИПОВ КАУЧУКОВ С ИХ СПОСОБНОСТЬЮ РАЗОГРЕВАТЬСЯ ПОД ВЛИЯНИЕМ ПОЛЯ СВЕРХВЫСОКОЙ ЧАСТОТЫ

Аннотация

Одним из самых перспективных способов непрерывной вулканизации, является метод вулканизации в поле токов сверх высокой частоты (СВЧ). Его применение позволяет увеличить производительность, качество получаемых изделий, улучшить условия труда и снизить затраты энергоресурсов. Эффект нагрева резиновых смесей есть результат рассеивания энергии по всему внутреннему объему материала. Рост температуры зависит от микроволновых абсорбционных характеристик ингредиентов, в том числе и основного компонента резиновой смеси – каучука. Поэтому, данная статья посвящена исследованию взаимосвязи способности каучуков к нагреву в поле токов СВЧ и их электрических характеристик. Установлено влияние способа получения каучука на способность к диэлектрическому нагреву. Результаты работы могут быть применены на практике, для составления рецептур резиновых смесей с целью их последующей вулканизации в поле токов СВЧ.

Ключевые слова: каучук, СКЭПТ, БНК, БСК, вулканизация в поле токов СВЧ, электрические характеристики.

Shtyrbul S. V.¹, Boksha M. Y.²

¹ORCID: 0000-0001-5880-1976, Postgraduate student, ²ORCID: 0000-0001-7120-3997, PhD in Engineering, head of sector LLC «Scientific-Research Institute of elastomer materials and products»

THE INTERRELATION OF THE ELECTRICAL CHARACTERISTICS OF VARIOUS TYPES OF RUBBERS WITH THEIR ABILITY TO BE HEATED UNDER THE INFLUENCE OF HIGH – FREQUENCY FIELD

Abstract

One of the most promising methods of continuous vulcanization is the high – frequency vulcanization (microwave curing). Its use allows to increase the productivity, the quality of the products, improve working conditions and reduce the energy consumption. The heating effect is a result of energy dissipation which takes place uniformly throughout the entire volume of the material. The temperature rise in rubber materials by microwave heating depends on their microwave absorption characteristics including the characteristics of rubber which is a main component of a rubber composition. Therefore, this article is dedicated to the study of the interrelation between electrical characteristics of rubbers and their ability to be heated in the high – frequency field. We set the influence of a method of rubber producing on their ability to the dielectric heating. The results can be applied in practice to make the recipes of rubber compounds for subsequent vulcanization in continuous microwave heating.

Keywords: rubber, EPDM, NBR, SBR vulcanization in continuous microwave heating, electrical characteristics.

Одним из основных этапов производства резинотехнических изделий является процесс вулканизации. Для получения вулканизата с оптимальными свойствами необходимо повышение температуры заготовки до определенного значения и поддержание ее в течение времени, достаточного для образования трехмерной вулканизационной сетки. При традиционных способах вулканизации (вулканизация в пресс-форме, паром, горячей водой или воздухом и др.) нагрев осуществляется при поверхностном теплообмене. Однако подавляющее большинство резиновых смесей обладают малой теплопроводностью и, как следствие, равномерный прогрев массива до заданной температуры возможен только при малой толщине (до 1,5 мм), а, с увеличением габаритов происходит не равномерная вулканизация изделия.

При использовании токов сверх высокой частоты (СВЧ) тепло генерируется в самой заготовке за счет диэлектрических потерь в резине, что обеспечивает гораздо более быстрый и равномерный прогрев по всему объему. Это позволяет существенно сократить энергозатраты на нагрев и процесс вулканизации, повысить производительность оборудования и качество изделий.

Однако, с использованием для диэлектрического нагрева сверхвысоких частот, встает вопрос о поведении компонентов резиновой смеси, в том числе полимерной основы, в электромагнитном поле. Во многих случаях только практический опыт позволяет решить, при каких параметрах электромагнитного поля будут получены наиболее благоприятные результаты [1]. Это объясняется сложностью процессов поглощения энергии в гетерогенных материалах, какими являются смешанные диэлектрики, в том числе и резиновые смеси. Поэтому исследование влияния типа полимера на разогрев смеси под действием СВЧ-поля является актуальной задачей.

В рамках работы, было проведено исследование влияния СВЧ-поля на бутадиен-нитрильный (БНК), бутадиен-стирольный (БСК) и тройной этиленпропиленовый каучуки (СКЭПТ). Результаты представлены на рисунке. Воздействие СВЧ-излучения на каучуки проводилось при мощности магнетрона 250 Вт.

Рис. 1 - Нагрев каучуков различных марок под действием СВЧ-излучения

 

При исследовании было отмечено следующее: полярный каучук СКН-18 СНТ во время испытания интенсивно нагревался и через 120 с, от начала эксперимента, температура образца превысила 290 . Причем, образец продолжал разогреваться, после окончания воздействия поля СВЧ, под действием внутренней энергии, что привело к его обугливанию изнутри.

Полученные данные свидетельствуют о том, что при использовании смесей на основе каучуков СКН необходимо тщательно и осторожно подходить к выбору режима вулканизации, особенно в случае каучуков с бо́льшим содержанием нитрильных групп, учитывая, что в промышленных установках используются магнетроны мощностью в несколько кВт.

Напротив, при испытании каучуков СКЭПТ марок Vistalon 7500 и Vistalon 8800 (с содержанием 15 масс. ч. масла), разогрев образцов при мощности магнетрона 250 Вт не отмечался. При мощности магнетрона в 700 Вт образец каучука Vistalon 7500 нагрелся от начальной температуры 25,0 до 30,3  (на 5,3 ) за 120 с, Vistalon 8800 от 21,5 до 30,5  (на 9 ) при той же мощности магнетрона. Как видно, поглощающая способность данных каучуков незначительна. Следовательно, применение резиновых смесей на основе СКЭПТ для вулканизации в поле токов СВЧ, возможно только при введении в них ингредиентов взаимодействующих с электромагнитным полем.

В ходе эксперимента было установлено, что неполярные бутадиен-стирольные каучуки [1, 2], с различным содержанием стирола, способны к нагреву под действием СВЧ-излучения. При нагреве каучуков наибольшая температура была получена для СКМС-10 РКП (~180 ). При нагреве каучуков марок СКМС-30 АРК и СКМС-30 АРКМ-15, образец второго полимера разогрелся до более высоких температур (~110 ) по сравнению с образцом первого каучука (~70 ). Следует отметить что каучуки марок СКМС-30 АРК и СКМС-30 АРКМ-15 производят по одной технологии, но в последний вводят 15 масс. ч. пластификатора для удешевления и понижения вязкости каучука.

Изучение нагрева СВЧ-излучением бутадиен-стирольных каучуков марок Nipol NS 116R, Nipol NS 522, Nipol NS 616 фирмы ZEON (Япония) показало что, данные каучуки разогреваются приблизительно до одной и той же температуры (.

Разную способность каучуков нагреваться под действием СВЧ-излучения можно связать с их электрическими характеристиками, которые представлены в таблице.

 

Таблица 1 - Электрические характеристики каучуков

Показатель	СКН-18	СКС-10	СКС-30	CКC-50	Каучуки СКЭПТ
Диэлектрическая проницаемость	6,4	3,0	2,8	2,7	2,1
Удельное объемное электрическое сопротивление, Ом∙м	6,5∙108	6∙1012	7∙1012	9∙1012	5∙1013
Тангенс угла диэлектрических потерь	0,205	-	(6-9)∙10-3	-	(1-2)∙10-3

 

Из представленных данных видно, что каучуки значительно отличаются по своим электрическим характеристикам, что подтверждается полученными результатами по нагреву каучуков разных марок. Так, из используемых в эксперименте каучуков, наибольшей электропроводностью обладает бутадиен-нитрильный каучук, который входе эксперимента интенсивно разогревался.

Бутадиен-стирольные каучуки, хотя и являются неполярными каучуками [1, 2], но способны разогреваться под действием СВЧ-излучения. Причину такого поведения можно связать с поляризацией неполярных молекул каучука в поле токов СВЧ, а также с тем, что эти каучуки получены эмульсионной полимеризацией. Эмульсионный каучук - это не только полимер, при его получении в него попадают и другие вещества, например эмульгаторы, противостарители, остатки инициатора, и др., которые изменяют электрические характеристики полимера и влияют на разогрев под действием поля токов СВЧ.

Взаимосвязь электрических характеристик и способности каучуков к разогреву в поле токов СВЧ подтверждают данные полученные для бутадиен-стирольных каучуков. По мере увеличения связанного стирола увеличивается удельное объемное электрическое сопротивление, уменьшается диэлектрическая проницаемость полимеров и, соответственно, способность каучуков к поляризации, а, следовательно, к разогреву под действием СВЧ-излучения. Так, каучук с 10 % связанного стирола был разогрет до более высоких температур, по сравнению с другими бутадиен-стирольными каучуками. Так же при выборе каучука, в рецептурах резиновых смесей предназначенных для СВЧ вулканизации, необходимо учитывать наполнение его маслом. В каучуке СКМС-30 АРКМ-15 на стадии получения вводят высокоароматическое масло ПН-6 [3]. У ароматических пластификаторов удельное объемное электрическое сопротивление составляет порядка (10¹¹ Ом∙м) [4], таким образом, введение масла повышает электрические характеристики данного каучука. По этой причине, маслонаполненный каучук СКМС-30 АРКМ-15 способен разогреваться до более высоких температур, чем аналогичный не маслонаполненный каучук СКМС-30 АРК.

При испытании бутадиен стирольных растворных каучуков марок Nipol NS 116R (содержание стирола 21%), Nipol NS 522 (содержание стирола 39%), Nipol NS 616 (содержание стирола 21%) удалось разогреть приблизительно до одних и тех же температур (, независимо от количества связанного стирола, скорость разогрева так же приблизительно равна. Указанные марки каучуков получают растворной полимеризацией, поэтому в их составе отсутствуют эмульгаторы и значительно меньше других примесей, по сравнению с каучуками марок СКМС-10 РКП, СКМС-30 АРК, СКМС-30 АРКМ-15. К сожалению, найти электрические характеристики используемых марок каучуков не удалось, однако по (рис.) можно предположить, что их электрические характеристики достаточно близки.

Незначительное влияние СВЧ-излучения на температуру каучука СКЭПТ так же можно объяснить, опираясь на его электрические характеристики и способ получения. Как видно из (таб. 1), данные каучуки обладают наименьшей диэлектрической проницаемостью, тангенсом диэлектрических потерь и наибольшим удельным объемным электрическим сопротивлением. Каучуки СКЭПТ получают растворной полимеризацией, поэтому они характеризуются низким содержанием примесей, по сравнению с каучуками полученными эмульсионной полимеризацией. При их получении не используются эмульгаторы, а за счет применения низкокипящего растворителя облегчается удаление не прореагировавших мономеров и катализатора [5]. Как и в случае с каучуком СКМС-30 АРКМ-15, маслонаполненный каучук марки Vistalon 8800 разогревается лучше, чем каучук марки Vistalon 7500 не содержащий в своем составе масла. Однако в каучук Vistalon 8800 вводят парафиновые пластификаторы [6] которые имеют бо́льшее удельное объемное электрическое сопротивление, чем ароматические масла [4], поэтому изменение электрический свойств происходит менее выражено, чем в каучуке СКМС-30 АРКМ-15.

Проведенное исследование показывает, что при использовании различных типов каучуков при СВЧ вулканизации, необходимо учитывать их состав и способ полимеризации, а по показателям диэлектрической проницаемости, тангенсу угла диэлектрических потерь и удельному объемному электрическому сопротивлению можно судить о способности каучуков к нагреву под действием СВЧ-излучения. При использовании каучуков с высокими электрическими характеристиками, необходимо учитывать опасность самовозгорания полимера.

Таким образом, на способность к диэлектрическому нагреву оказывает существенное влияние способ получения каучука и его электрические характеристики.

Литература

1. Басс Ю.П. Диэлектрический нагрев в резиновой промышленности: тематический обзор / Ю.П. Басс, Л.Б. Томчин, А.В. Ратнер - Москва: ЦНИИТЭнефтехим, 1974. – 124 с.
2. Тагер А.А. Физико-химия полимеров. Издание 4-е, переработанное и дополненное. – М.: Научный мир, 2007. – 567 с.
3. Каталог. Эмульсионный бутадиен-стирольный каучук (маслонаполнен-ный) [Электронный ресурс]. – Режим доступа http://sibur-int.ru/ – (Дата обращения: 26.01.2016).
4. Мартин Дж. М. Производство и применение резинотехнических изделий / Дж. М. Мартин, У.К. Смит, под редакцией В.Н. Красовского – СПб.: ЦОП «Профессия», 2013. – 480 с.
5. Догадкин Б.А. Химия эластомеров. Издание 2-е, переработанное и дополненное. – М.: Химия, 1981. – 376 с.
6. Vistalon™ EPDM rubber. Grades & datasheets [Электронный ресурс]. – Режим доступа http://www.exxonmobilchemical.com/ – (Дата обращения: 26.01.2016).

References

1. Bass Ju.P. Dijelektricheskij nagrev v rezinovoj promyshlennosti: tematicheskij obzor / Ju.P. Bass, L.B. Tomchin, A.V. Ratner - Moskva: CNIITJeneftehim, 1974. – 124 s.
2. Tager A.A. Fiziko-himija polimerov. Izdanie 4-e, pererabotannoe i dopolnennoe. – M.: Nauchnyj mir, 2007. – 567 s.
3. Jemul'sionnyj butadien-stirol'nyj kauchuk (maslonapolnen-nyj) [Jelektronnyj resurs]. – Rezhim dostupa http://sibur-int.ru/. – (Data obrashhenija: 26.01.2016).
4. Martin Dzh. M. Proizvodstvo i primenenie rezinotehnicheskih izdelij / Dzh. M. Martin, U.K. Smit, pod redakciej V.N. Krasovskogo – SPb.: COP «Professija», 2013. – 480 s.
5. Dogadkin B.A. Himija jelastomerov. Izdanie 2-e, pererabotannoe i dopolnennoe. – M.: Himija, 1981. – 376 s.
6. Vistalon™ EPDM rubber. Grades & datasheets [Jelektronnyj resurs]. – Rezhim dostupa http://www.exxonmobilchemical.com/. – (Data obrashhenija: 26.01.2016).