Кіріспе тақырыптың өзектілігі
жүктеу/скачать 273,09 Kb.
|
- Бұл бет үшін навигация:
- Жұмыстың практикалық маңыздылығы.
- 1 АНАЛИТИКАЛЫҚ ШОЛУ 1.1 Эластомерлер негізіндегі композициялық материалдарды жасаудың заманауи жолдары
| Жұмыстың ғылыми жаңалығы. Алғаш рет резиналардың тоқыма кордпен байланысу беріктігін арттыру мақсатында қаңқа мен брекердің құрамына кіретін кордты резиналауға арналған табиғи битумды резина қоспаларының модификаторлары ретінде табиғи битумдарды қолдану мүмкіндігі көрсетілді.
Қаңқа мен брекердің құрамына кіретін кордты резиналауға арналған резина қоспаларында әрекет ету тиімділігі бойынша табиғи битум кем түспейтіні көрсетілген. Резина қоспаларында жұмсару температурасы Тжұмс=90С табиғи битумның оңтайлы мөлшерінде (каучуктің 100 мас.б-не 3-5 мас.б) және құрамында кобальт-бор бар адгезия промоторларын толық шығарып тастаған жағдайда вулканизаттардың физика-механикалық және адгезиялық қасиеттері сериялық үлгілерден кем түспейтіндігі анықталды. Жұмыстың практикалық маңыздылығы. Бастапқы және модификацияланған жүйелер үшін бірдей серпімді-беріктік қасиеттері мен технологиялық факторлары жағдайында табиғи битумның қатысуы бастапқы және модификацияланған материалдардың адгезиялық беріктігінің бастапқы мәндері жуықтағанда агрессивті орталардың (су мен тұз ерітінділер) әсерінен адгезиялық көрсеткіштердің сақталуына оң әсер ететіні көрсетілген. 1 АНАЛИТИКАЛЫҚ ШОЛУ 1.1 Эластомерлер негізіндегі композициялық материалдарды жасаудың заманауи жолдары Резина және эластомерлер негізіндегі бұйымдар - жоғары молекулалық қосылыстар арасындағы композициялық материалдардың ең көне түрі. Шиналық және резина өнеркәсібі - бұл техникалық полимерлі химияның ең көне және үздіксіз дамып келе жатқан саласы. Табиғи және синтетикалық каучуктарды әлемдік тұтыну жылдан жылға артып келеді. Мысалы, табиғи каучук өндіруші елдер қауымдастығының (ANRPC) мәлімдемесі бойынша табиғи каучук өндіру 2021 жылғы сәуірде 903 мың тоннаға жетті, бұл өндіріс көлемі 737 мың тоннаны құраған 2020 жылдың осы кезеңі көрсеткіштерінен 22,5%-ға жоғары [1], ал қазіргі заманғы ең қомақты резина бұйымдарындағы резина мөлшері 30-50% құрайды деп есептесек, эластомерлер негізіндегі конструкциялық материал ретінде резинаны әлемдік тұтыну артуда. Резина көп тонналы полимерлі конструкциялық материал болып табылады. Резиналық бұйымдардың рөлі үнемі артып келеді, бұл өндірістің - эластомерлер және оларды өңдеудің дамуының жоғары қарқынын анықтайды. Эластомерлер өндірісінің әлемдік көлемі әрбір он жыл сайын екі еселенуде [2]. Эластомерлерді тұтынудың дамуын талдай отырып, эластомерлерден жасалған бұйымдарды қолдануды ұлғайту, ең алдымен, резинаны конструкциялық материал ретінде жетілдірумен байланысты екенін атап өткен жөн. Көп жыл бұрын, Чарлз Гудьир табиғи каучукке күкірт қосқанда және бұл қоспаны қыздырғанда берік, үлкен қайтымды деформацияға қабілетті материал түзілетінін анықтады (кейіннен вулканизация атауын иеленген каучук молекулаларының біртұтас кеңістіктік торға тігілу процесін ашты), осылайша резина деп аталатын жаңа материал немесе композит бастау алды [3]. Резина бұйымдарын өндіру, эластомерлерді қайта өңдеу химиясы және технологиясы бойынша өнеркәсіптің қарқынды дамуы химия, физика және резина механикасы саласындағы анизотропты композициялық материал ретінде іргелі зерттеулермен байланысты болды. Бұл зерттеулер резина құрамының көбірек күрделенуіне, оның жаңа қасиеттерін көрсетуі және қолдану аясының кеңеюіне әкелді. Резинаның композициялық материал ретіндегі даму тарихындағы маңызды кезеңдердің ішінде, ең алдымен, ХХ ғасырдың басында техникалық көміртекті белсенді толықтырғыш ретінде қолдануды атап өткен жөн. Оны пайдалану толықтырылған композит ретінде резинаның қаттылығын, мүжілуге және үзілуге төзімділігін, жылуға төзімділігін арттыруға мүмкіндік берді. Техникалық көміртекті қолдану синтетикалық каучукті игеруде ерекше маңызды рөл атқарғаны белгілі. Композициялық материал ретінде резина химиясы мен технологиясының одан әрі қарқынды дамуы вулканизация процесін үдететін, өңдеу процесінде каучуктің молекулалық тізбектерінің бұзылуына жол бермейтін, тотығудан және озоннан бұзылуына жол бермейтін және басқа бірқатар резина қасиеттерін едәуір жақсартатын көптеген белсенді химиялық қосылыстарды зерттеумен және өнеркәсіптік игерумен байланысты [4]. Қазіргі резиналар құрамында 15-20 түрлі ингредиенттер бар (құрылымдаушы заттар, үдеткіштер, толықтырғыштар, диспергаторлар, тұрақтандырғыштар және т.б.) [5]. Резиналардың өздері де, олардың негізіндегі бұйымдар да бірқатар жағдайларда оларда резинадан басқа талшықтар болатын (тоқыма, металл, шыны) күрделі композиттер болып табылады. Резинадан жасалған бұйымдардың едәуір бөлігі үйлестірілген (резина-металды) түрде жасалады. Нәтижесінде қазіргі резина өнеркәсібіне техникалық көміртек, жасанды және синтетикалық талшықтар өндірісі, болат илемдейтін (металл корды) және бірқатар химия және мұнай-химия өндірістері сияқты ірі салалар жұмыс істейді. Бұл резина мен оның негізіндегі бұйымдар өндірісі полимерлі композициялық материалдардың ең типтік және көне өндірісі екенін тағы бір рет көрсетеді. Заманауи эластомерлі композиттер жасау саласындағы мәселелерді шешуге келесі негізгі бағыттардағы ғылыми-зерттеу жұмыстарының дамуы ықпал етті. - Резина қоспалары мен резиналардың қасиеттерінің каучуктер құрылымына тәуелділігін зерттеу. Эластомерлердің комбинациясы негізіндегі резиналардың құрылымы мен қасиеттерінің ерекшеліктері. - Вулкандау торларының құрамы мен құрылымының резиналардың физика-химиялық және механикалық қасиеттеріне және оларды пайдалану жағдайындағы тұрақтылығына әсерін зерттеу. - Толықтырылған резиналардағы эластомерлердің құрылымы мен қасиеттерін зерттеу. Толықтырғыш, байланысқан каучук және бос каучуктен тұратын микрогетерогенді жүйе ретінде толықтырылған эластомерлердің қасиеттерін қарастыру. - Армирленген резина-техникалық және резина-металды материалдарды жасау негіздерін әзірлеу . - Құрамында эластомер-толықтырғыш, эластомер-субстрат түйісу аймағындағы өзара әрекеттесуді арттыратын және полимерлердің шекаралық қабаттарының құрылымына әсер ететін (резиналардың химиялық модификациялануы) аз мөлшерде химиялық белсенді заттар бар резиналардың құрылымы мен қасиеттерін зерттеу. 50-ші жылдардың аяғы мен 60-шы жылдардың басында Натта, Циглер, Коротков, Долгоплоский және т. б. орындалған стереореттелген каучуктерді синтездеу тәсілдерін зерттеу және әзірлеу бағалы техникалық қасиеттер кешеніне ие резиналарды әзірлеу және өндіру үшін сапалы жаңа шикізат базасын құрудың маңызды кезеңдерінің бірі болып табылды, бұл іс жүзінде ең жаппай және ірі тонналы резина бұйымдар өндірісіндегі табиғи каучукті синтетикалық каучуктерге ауыстыру мәселесін шешуге мүмкіндік берді [6]. Өз кезегінде, синтетикалық каучуктер ассортиментін ұлғайту екі және одан да көп эластомерлер қоспалары негізінде композициялық резиналар жасау бойынша зерттеулерді дамыту мүмкіндігін ашты, бұл олардың рецептурасы құрамына енетін әрбір эластомерге ғана тән емес қасиеттерге ие,бірақ бірқатар механикалық қасиеттері жағынан аддитивті ұтыстан артық резиналарды алуға мүмкіндік берді. Әр түрлі химиялық құрамдағы және құрылымдағы когезия энергиясының тығыздық мәндері әжептеуір ерекшеленетін эластомерлер қоспалары озонға төзімділігі және агрессивті ортаға төзімділігі жоғары жылуға, аязға және майға төзімді резиналар өндірісінде қолданылады. Резина қасиеттерінің вулкандау торларының құрамы мен құрылысына тәуелділігін жүйелі зерттеу резиналардың беріктік, созылымды қасиеттері мен тұрақтылығының көлденең байланыстар түрі мен энергиясына, молекулалық тізбектердің бұзылу дәрежесіне, олардың вулкандау тобы компоненттерінің түрлену өнімдерімен модификациялануына, тор түзетін түйіндердің функционалдығына тәуелділігін анықтауға мүмкіндік берді. Сонымен, осы бағыттағы жұмыстың іс жүзінде маңызды нәтижелерінің бірі вулкандау реверсиясының себептері туралы және диссоциациялану энергиясы әртүрлі вулкандау торының молекулааралық және валенттік көлденең байланыстары үйлесуінің резиналардың механикалық қасиеттерінің деңгейіне жағымды әсер ету туралы түсініктерді қалыптастыру болып табылады. Бұл түсініктер техникалық құнды резиналардың қасиеттерін жасау мен жетілдіруде ғылыми негіз болады. Сондай-ақ, ұзындығы бірдей тізбектерден түзілген, түйіндер функционалдығы минималды, молекулалық тізбектері үзілмеген, жоғары стереореттелген «идеалды» вулкандау торының құрылымына қойылатын негізгі талаптар тұжырымдалды [7]. Осы бағыттағы зерттеулердің одан әрі дамуы жүйенің көлденең байланыстарының таралуы топологиялық біртекті емес вулкандаудың әртүрлі тәсілдерімен алынған резина құрылымы туралы ұғымдардың қалыптасуына әкелді. Осы ұғымдарға сәйкес, көлемі бойынша микрогетерогенді статистикалық емес түрде вулкандағанда өтетін химиялық процестердің нәтижесінде вулканизаттар құрылымы функционалды топтардың ассоциаттары мен көлденең байланыстар тығыздығы жоғары микро бөлімшелерді қамтитын біртексіз коллоидтық жүйе болып көрінеді. Ассоциаттардың мөлшері, таралуы және концентрациясы вулканизаттардың механикалық және физика-химиялық қасиеттеріне әсер етеді [8]. Толықтырылған резиналардағы эластомалардың шекаралық қабаттары құрылымы мен қасиеттерін зерттеу саласында соңғы жылдары резиналарды күшейту және мүжілу механизмін зерттеуде де, белсенді толықтырғыштардың жаңа түрлерін жасауда да қызықты нәтижелер алынды. Технмкалық көміртектің күшейтетін қасиеттері беттің геометриялық және физика-химиялық сипаттамаларына байланысты екендігі анықталды, олардың ішіндегі ең маңыздысы бөлшектердің мөлшері, олардың конфигурациясы (құрылымдылығы), бетінің энергетикалық белсенділігі (адсорбцияның меншікті жылуы), техникалық көміртек бөлшектерінің мөлшері бойынша таралуы (таралу қисығының ені). Техникалық көміртекті алудың технологиялық процесінің бір түрінде адсорбцияның меншікті жылуы және мөлшері бойынша бөлшектердің таралу қисығында өзгеру коэффициенті шамалы өзгереді, және толықтырғыштың күшейтетін қасиеттері нақты геометриялық бет пен құрылымдылығымен анықталады [9]. Техникалық көміртектің күрделі табиғатына оның эластомер матрицасымен өзара әрекеттесуінің әр түрлі сипаты сәйкес келеді. Каучукке техникалық көміртекті енгізген кезде көміртегі тізбегінің жүйесі түзіледі, олардың бетінде толықтырғыш бетінен біршама қашықтықта орналасқан полимерден қасиеттері жағынан ерекшеленетін адсорбцияланған, химиялық байланысқан полимердің құрылымдары пайда болады. Байланысқан каучукке үлкен дәрежеде сегменттердің бағытталуы мен қозғалғыштығы, вулкандау байланыстарының концентрациясының жоғарылауы тән. Сондықтан эластомерлік матрицаның көрсетілген аймақтарын екі тәуелсіз фаза ретінде қарастыруға болады. Олардың арасында нақты бөліну шекарасы жоқ, ал құрылымы мен қасиеттері біртіндеп өзгеретін өтпелі аймағы бар. Осылайша, күшейту құбылысын тармақталған параграфитті құрылымдар бетінің күш өрісінің әсерінен полимер құрылымының өзгеруі нәтижесінде қарастырған жөн [10]. Қазіргі уақытта күшейту әсерлері толықтырылған резина қоспаларын жасағанда пайда болатын өтпелі аймақтағы полимер құрылымының өзгеруімен ғана емес, сонымен қатар вулкандағанда полимер-толтырғыш фазаларының бөліну шекарасында өтетін процестермен де анықталатыны анықталды. Техникалық көміртектің жоғары дамыған бетінде вулкандау жүйесінің компоненттері адсорбцияланады, бұл орташа көлеммен салыстырғанда толықтырғыш бетінде реакцияға түсетін заттар концентрациясының жоғарылауына ықпал етеді. Шекаралық қабаттағы байланысқан күкірт дисульфидті байланыстар және молекулаішілік топтасулар түрінде болады. Техникалық көміртек гетерогенді катализаторлардың қасиеттеріне ие және қоспаны өңдеу, вулкандау және резиналарды пайдаланғанда эластомерлік матрицада жүретін барлық химиялық реакцияларға айтарлықтай әсер етеді. Техникалық көміртектің каталитикалық әсер ету саласы бірнеше ангстром қабатымен шектелген. Күкірт және пероксид вулканизаттарда толықтырғыш бөлшектерінің бетіне жақын вулкандау байланыстарының концентрациясы эластомер матрицасына қарағанда едәуір жоғары екендігі анықталды, мұнда байланыстардың концентрациясы тура сондай құрамдағы толықтырылмаған вулканизаттарға қарағанда төмен. Толықтырылған резиналардың негізгі механикалық қасиеттері осылайша эластомерлік матрицаның вулкандау торының құрылымдық параметрлерінің функциясы және вулканизаттағы полимер-толықтырғышт өзара әрекеттесу шамасы болып табылатын параметр [11]. Минералды толтырғыштары бар қоспалардағы байланысқан эластомер мөлшерінің артуы оларды қолдану аясын едәуір кеңейтті және бірқатар бұйымдарда қымбат белсенді техникалық көміртекті ауыстыруға мүмкіндік берді. Қысқа тоқыма және металл талшықтармен толықтырылған резиналардың қасиеттерін зерттеу саласында осы материалдарды кеңінен өнеркәсіптік қолдануға сенетін дамуға қол жеткізілді. Резиналарды қысқа талшықтармен толықтыру идеясы жаңалық емес. Мұндай жүйелер көптеген жылдар бойы жоғары газ және су өткізгіштікке ие былғары тәрізді резиналар жасауда кеңінен қолданылады. Алайда, ұзақ уақыт бойы бұл жүйелер кең таралмады, өйткені көп ретті деформацияда эластомер-талшық байланысы тез бұзылып, жүйенің механикалық қасиеттері күрт нашарлады. Екі атомды фенолдар мен малеимидтер негізіндегі адгезиялық-белсенді қосылыстармен резиналарды химиялық модификациялау жұмыстарының дамуы әртүрлі химиялық талшықтар және металдармен байланысу беріктігін едәуір арттырды. Эластомер матрицасына адгезиялық-белсенді қосылыстарды енгізу құрамында толықтырғыш ретінде қысқа талшықтары бар композицияның серпімділік модулін және механикалық беріктігін күрт арттырады. Адгезиялық жүйе мөлшерінен басқа вулканизаттардың қасиеттерін анықтайтын маңызды факторлар - бұл талшықтың мөлшері, пішіні және ұзындығының диаметріне қатынасы, араластыру және қайта өңдеу процесінде осы өлшемдердің сақталуы, талшықтың мөлшері және оның эластомерлік матрицада таралу дәрежесі болып табылады [12-13]. Айта кету керек, армирленген талшықтар әртүрлі ортадағы резиналардың ісінуін айтарлықтай төмендетеді. Ұсақталған жезделген сыммен резинаны армирлеу арқылы шиналардың тесілуге, тілінуге және нәтижесінде жалпы мүжілуге төзімділігі мен ұзақ мерзімділігінің жоғарылауына қол жеткізіледі. Резинадағы сым мөлшері 10-40% құрайды . Құрамында азғана үстемелері, химиялық белсенді полифункционалды қоспалар резиналардың құрылымы мен қасиеттерін зерттеу саласында осы қосылыстар толықтырылған эластомерлік матрицада өтетін әртүрлі процестерге әсер ететіндігі және соңғы вулканизаттың құрылымы мен қасиеттерін анықтайтындығы айқындалды. Химиялық қосылыстардың бұл тобы модификаторлар деп аталды [14]. Резина қоспаларының химиялық модификаторларына ерекше реакцияға түсуге қабілетті қосылыстар жатады, олардың эластомерлермен өзара әрекеттесуі макромолекулаларға толықтырғышпен және макромолекулалар арасында валенттік, молекулааралық және адсорбциялық байланыстар түзуге қабілетті азғана мөлшерде (0,1-0,3 моль %) функционалдық топтары бар соңғысын енгізуге әкеледі. Көп қабатты жүйелерде модификаторлар тағы эластомердің субстратпен түйісу аймақтарында фазалық байланыстарды да түзеді. Химиялық модификаторларға бірқатар полимерленуге қабілетті мономерлер мен олигомерлер жатады, олардың эластомермен өзара әрекеттесуі молекулаларға белсенді толтырғыш рөлін атқаратын дисперсті гетерофаза молекуласына егілген гомополимерленген модификатордың түзілуіне әкеледі. Соңғы жағдайда резина қоспасындағы модификатордың мөлшері 10-20% жетуі мүмкін. Осылайша, резина қоспасын химиялық модификациялаудың басқа полимерлік жүйелерді модификациялаудан айырмашылығы, ең алдымен, полимер — толықтырғыш, полимер — субстрат, полимер — полимер өзара әрекеттесуінің бір мезгілде өзгеруінен тұрады. Тиімді модификаторлар, әдетте, құрамында функционалды топтары бар адгезиялық-белсенді қосылыстар; олар когезия энергиясының тығыздығының жоғарырақ мәндеріне ие және сәйкесінше эластомерлік матрицада аз ериді. Сондықтан каучуктердің шекаралық (үстіңгі) қабаттарындағы модификаторлардың концентрациясы эластомерлік матрицасының ішіне қарағанда үлкен, бұл модификаторлардың эластомер — толықтырғыш, эластомер — субстрат түйісу аймақтарында өтетін процестерге қатысуына ықпал етеді. Резеңке қоспаларын химиялық модификациялау келесі бағыттар бойынша жүзеге асырылуы мүмкін. 1. Қосу жолымен және келесі схема бойынша толықтырғыш бөлшектерімен макромолекулалардың байланысын түзетін эластомердің макромолекулаларымен тікелей өзара әрекеттеспейтін монофункционалды қосылыстарды резина қоспасына енгізу: Полимер-толықтырғыш түйісулері берік (химиялық байланыс) және әлсіз (арнайы адсорбциялық өзара әрекеттесу) болуы мүмкін. 2. Резина қоспасына өзара туыстығы бар (мысалы, электрондонорлық және акцепторлы сипаттағы заттар) және эластомермен де, толтырғыш немесе талшық ретінде қызмет ете алатын гетерофазамен де жеке әрекеттесе алатын екі немесе одан да көп монофункционалды қосылыстарды енгізу. Төменде екі монофункционалды қосылысты енгізгендегі модификациялау схемасы берілген. 3. Гетерофазамен және біріншісінің эластомерге қосылу өнімдерімен реакцияға түсуге қабілетті бірінші типтегі монофункционалды қосылыстарды, би- және полифункционалды қосылыстарды қолдану. Бір мезгілде моно- және бифункционалды қосылыстарды енгізгендегі резина қоспасын модификация -лауды келесі түрде ұсынуға болады: Резина қоспаларының химиялық модификаторлары, әдетте, оларды дайындау сатысында енгізіледі, бұл ретте технологиялық режим мен құрал- жабдықтың елеулі өзгерістері талап етілмейді. Модификатордың құрылымына, температураға және процестің басқа да жүргізілу жағдайларына байланысты химиялық модификация резина қоспасының, вулканизаттың немесе көп қабатты резина-маталы жүйенің қасиеттерінің айтарлықтай өзгеруіне әкелуі мүмкін. Резина қоспасын өңдегенде өтетін химиялық процестер кешеніне модификаторлардың әсер етуі салдарынан барлық дерлік технологиялық және техникалық қасиеттер өзгереді: вулканданбаған қоспаның серпімді-созылымды және когезиялық қасиеттері артады; вулканизаттардың серпімділік модульдері, қаттылығы және тозуға төзімділігі артады; әртүрлі механикалық әсерлерге беріктік сипаттамалары мен төзімділігі жоғарылайды; вулканизаттардың термомеханикалық тұрақтылығы және жылу әсеріне төзімділігі артады; берілген жүктемелер мен деформациялану энергиясы режимдеріндегі гистерезистік шығындар төмендейді; резина - талшық және резина - металл жүйесіндегі байланысу беріктігі артады. Модификаторлардың белгілі бір класы негізінен қандай процестерге әсер ететініне байланысты соңғы өнімнің қасиеттері азды-көпті дәрежеде өзгереді. Қоспаға әр түрлі класс модификаторларын бір уақытта енгізгенде барлық техникалық сипаттамаларға бағытты түрде әсер етуге болады, олардан екі және үш компонентті модификациялаушы жүйелер үлкен практикалық қызығушылық тудырады [15]. Қазіргі уақытта шиналық, резина-техникалық, аяқ киім және басқа да өнеркәсіптік салаларда екітомды фенолдар негізіндегі модификаторлар кеңінен қолданылады: РУ, РУ-ВМ, АРУ, СФ-281 шайыры, алрафор. Сондай-ақ келесі модификаторлар жүйелері де қолданылады - п-нитрозодифениламин, РУ модификаторы және алрафор шайыры, олигоэфиракрилаттар. Эластомерлерді өңдеумен байланысты қазіргі заманғы өнеркәсіп салаларында төрт негізгі практикалық міндеттерді бөліп көрсетуге болады, олардың жұмысы болашақта жалғасатын болады: - механикалық әсерлерге төзімділік пен тозуға төзімділікті арттыру; гистерезис шығынын азайту; - жылулық әсерлерге және агрессивті ортаның әсеріне төзімділігін арттыру; - көп қабатты бұйымдардағы байланысу беріктігін арттыру [16]. Жоғарыда келтірілген материалдар осы мәселелерді неғұрлым тиімді шешу композициялық материал ретінде резина саласындағы іргелі зерттеулер негізінде жүзеге асырылатындығын көрсетеді. Сонымен қатар, қазіргі уақытта өнеркәсіпте ең үлкен әсер кең мақсаттағы жаңа эластомерлер мен жаңа вулкандаушы немесе тұрақтандырушы жүйелерді синтездеу арқылы емес, химиялық модификация әдістерін құру және дамыту негізінде алынады деп айтуға толық негіз бар. Химиялық модификация эластомерлер мен толықтырғыштарды алу процесінде де, тікелей өңдеу зауыттарында да жүзеге асырылуы мүмкін. Соңғысы тиімдірек, өйткені ол полифункционалды әрекетті екі және үш компонентті синергетикалық модификациялау жүйелерін қолдануға мүмкіндік береді. Эластомерлер негізінде композициялық материалдарды жасаудағы жаңа бағыттарды қарастыра отырып, бұл мәселені шешу гетерогенді полимерлік жүйелердің физика-химиясы және жоғары молекулалық қосылыстар химиясы саласындағы іргелі зерттеулерді одан әрі дамытуды қажет ететінін көруге болады. жүктеу/скачать 273,09 Kb. Достарыңызбен бөлісу:
|