Термоэластопласты или эластомеры: выбираем материалы для уплотнений

Качество уплотнений (прокладок, колец, манжет, клапанов) зависит не только от точных размерных параметров, но и от использованного материала. А для правильного выбора материала очень важно знать физико-механические требования к готовому изделию и свойства рабочей среды, в которой ему предстоит работать. Так можно добиться наилучшего сочетания эксплуатационных свойств, долговечности и стоимости РТИ.

В основном эластомеры производятся на основе невулканизированного синтетического каучука. Сейчас полимерная промышленность предлагает огромный ассортимент синтетических каучуков. Самые важные из них:

1. R-Group (с ненасыщенной углеродной цепью). Примеры таких каучуков – бутадиеновый (BR), хлоропреновый (CR), хлорбутиловый (CIIR), бромбутиловый (BIIR), бутадиентстирольный (SBR).
2. Q-Group (с силиконом в основной углеводородной цепи) – фторсиликоновый (FVMQ), метилкремнийорганический (VMQ) каучук и др.
3. М-Group (с насыщенной основной углеродной цепью). Это такие виды каучуков как полиакрилатный (ACM), этилен-пропиленовый (EPM), хлорированный полиэтиленовый (CM), фтор-каучук (FKM).

В готовых эластомерах только 50–60 % веса составляют собственноневулканизированные каучуки. Остальнаядоляприходитсянадобавки:

• наполнители;
• вулканизаторы;
• ускорители;
• антипирены и т.д.

Их состав и количество подбирают, исходя из требований к свойствам готовых уплотнителей.

Термоэластопласты

Это особая группа полимеров, которые сочетают в себе свойства термопластов и эластомеров. При рабочих температурах они отличаются высокой эластичностью, а при нагревании приобретают способность к термопластичной обработке. Все ТПЭ можноподелитьнадвегруппы:

• Полимерные смеси (сплавы эластомеров). Создаются при смешивании несшитых (либо слегка сшитых) каучуков в процессе динамической вулканизации. Также эластомерные сплавы можно получить, смешивая сшитые эластомеры с термопластами. Это недорогие технологии, поэтому и полученные материалы доступны по цене. Но у них есть недостаток – слишком высокий показатель остаточной деформации не позволяет изготавливать из такого сырья достаточно надежные уплотнения.
• Блок-сополимеры. Получаются при сополимеризации каучуков и термопластов. Также сюда относятся полиамиды, полиэфиры, полиуретаны, синтезированные в сегментах для получения нужных физических и механических свойств.

18 Полиме́ры (от греч. πολύ «много» + μέρος «часть») — вещества, состоящие из «мономерных звеньев», соединённых в длинные макромолекулы химическими связями. Полимерами могут быть неорганические и органические, аморфные и кристаллические вещества. Полимер — это высокомолекулярное соединение: количество мономерных звеньев в полимере (степень полимеризации) должно быть достаточно велико (в ином случае соединение будет называться олигомером). Во многих случаях количество звеньев может считаться достаточным, чтобы отнести молекулу к полимерам, если при добавлении очередного мономерного звена молекулярные свойства не изменяются^[1]. Как правило, полимеры — вещества с молекулярной массой от нескольких тысяч до нескольких миллионов^[2].

Если связь между макромолекулами осуществляется с помощью слабых сил Ван-Дер-Ваальса, они называются термопласты, если с помощью химических связей — реактопласты. К линейным полимерам относится, например, целлюлоза, к разветвлённым, например, амилопектин, есть полимеры со сложными пространственными трёхмерными структурами.

В строении полимера можно выделить мономерное звено — повторяющийся структурный фрагмент, включающий несколько атомов. Полимеры состоят из большого числа повторяющихся группировок (звеньев) одинакового строения, например поливинилхлорид (−CH₂−CHCl−)_n, каучук натуральный и др. Высокомолекулярные соединения, молекулы которых содержат несколько типов повторяющихся группировок, называют сополимерами или гетерополимерами.

Полимер образуется из мономеров в результате реакций полимеризации или поликонденсации. К полимерам относятся многочисленные природные соединения: белки, нуклеиновые кислоты, полисахариды, каучук и другие органические вещества. В большинстве случаев понятие относят к органическим соединениям, однако существует и множество неорганических полимеров. Большое число полимеров получают синтетическим путём на основе простейших соединений элементов природного происхождения путём реакций полимеризации, поликонденсации и химических преобразований. Названия полимеров образуются из названия мономера с приставкой поли-: полиэтилен, полипропилен, поливинилацетат и т. п.

Цепная молекула состоит из связей, образующих друг с другом определенные валентные углы, изменяющиеся незначительно при деформационных колебаниях. Эти колебания можно считать гармоническими, рассматривая равновесные конфигурации, определяемые фиксированными значениями валентных углов. Пусть каждому звену соответствует вектор {\displaystyle v_{i},} где {\displaystyle i={\overline {1,N}},\,\,|v_{i}|=v.} Расстояние между концами цепи определяется вектором

Благодаря ценным свойствам, полимеры применяются в машиностроении, текстильной промышленности, сельском хозяйстве, медицине, автомобиле- и судостроении, авиастроении и в быту (текстильные и кожевенные изделия, посуда, клей и лаки, украшения и другие предметы). На основании высокомолекулярных соединений изготовляют резины, волокна, пластмассы, плёнки и лакокрасочные покрытия. Все ткани живых организмов представляют высокомолекулярные соединения.

19

-

20. На протяжении долгого времени наполнители в пластмассах применялись только для снижения себестоимости материала. Сейчас они используются и в других целях: для улучшения физико-механических свойств, тепло- и светостабильности, тепло- и электропроводности, снижения усадки и горючести материалов.
Самым широко используемым наполнителем является карбонат кальция (мела). Минерал, добываемый в различных месторождениях, отличается по составу и чистоте. Поэтому он подбирается соответственно каждому конкретному применению: кабельные пластикаты, трубы, краски, пленки. Мел хорошо воспринимает поверхностную обработку различными агентами, позволяя производить широкий спектр марок карбоната кальция, действующих не только как наполнители, но и как функциональные добавки.
Существуют марки, предназначенные для замещения некоторых красителей, улучшения текучести стеклонаполненного нейлона, повышения проницаемости к газам, снижения усадки, матирования поверхности, улучшения износостойкости или предоставления слипания пленки.
Исследовательские отделы крупных компаний – производителей наполнителей – разрабатывают ультрамикродисперсные наполнители – нанокомпозиты с размерами частиц, измеряющихся в нанометрах.
Диоксид титана, например, с размером частиц порядка 20 нанометров используется в качестве УФ-стабилизатора длительного действия для парниковых пленок.
Дисперсные наполнители повышают жесткость и теплопроводность полимеров, но при этом снижают их прочность.
Волокнистые наполнители позволяют повысить прочностные и деформационные характеристики. Однако такого же эффекта можно добиться и при использовании ультрамикродисперсных наполнителей за счет улучшенного взаимодействия между поверхностью наполнителя и макромолекул полимера.

21На основе высокомолекулярного полибутиленсукцината приготовлены композиционные материалы, содержащие технический углерод, мел и крахмал в количествах от 5 до 40 %. Изучено влияние наполнителей на механические свойства и скорость разложения (гидролиза) композитов в почве. Полибутиленсукцинат имеет модуль упругости 500 МПа, относительное удлинение при разрыве 250 % и разрывную прочность 29 МПа. Модуль упругости композитов увеличивается до 3 раз, а относительное удлинение при разрыве - на 20-50 % по сравнению с полибутиленсукцинатом. Использование технического углерода и крахмала приводит к деформационному упрочнению полимера. В случае технического углерода разрывная прочность увеличивается до 1,5 раз по сравнению с полибутиленсукцинатом. Полибутиленсукцинат медленно разлагается в прогретом грунте под воздействием влаги. Потеря массы составляет около 2 % в течение года. Технический углерод значительно снижает скорость разложения композитов, а при высоком его содержании гидролиз композитов практически прекращается. Мел и, особенно, крахмал многократно увеличивают скорость разложения композитов по сравнению с полибутиленсукцинатом. Это увеличение, по-видимому, происходит в основном за счет разложения наполнителей, входящих в композиты, а скорость разложения полимерной матрицы изменяется незначительно.

22.

Однако в большинстве случаев применяют твердые неорганические и органические наполнители, которые разделяют на три группы: порошкообразные (дисперсные), волокнистые и листовые. Также иногда выделяют объемные наполнители, к которым относят объемные ткани и каркасные системы: природную древесину или системы, получаемые путем вспенивания или спекания керамических, металлических или полимерных порошков [2]. Стоит упомянуть, что из одного и того же материала, например стекла, могут быть получены и дисперсные, и волокнистые, и листовые наполнители.

Дисперсные наполнители являются самыми распространенными. Размер частиц дисперсного наполнителя изменяется в широких пределах от 2 до 300 мкм, но обычно не превышает 40 мкм, а для нанокомпозитов используются частицы размером менее 1 мкм. Содержание дисперсных наполнителей изменяется в интервале от нескольких процентов до 70–80 % [3, 4]. При более высоких концентрациях наполнителя его частицы начинают контактировать между собой, что приводит к скачкообразному изменению свойств композита [4].

Дисперсные наполнители должны хорошо совмещаться с полимером или диспергироваться в нем, хорошо смачиваться раствором или расплавом полимера, быть не склонными к агломерации, иметь однородный размер частиц и низкую влажность [3, 4].

23