Регистрация / Вход
Прислать материал

14.578.21.0133

Аннотация скачать
Постер скачать
Общие сведения
Номер
14.578.21.0133
Тематическое направление
Индустрия наносистем
Исполнитель проекта
федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский технологический университет "МИСиС"
Название доклада
Композиционные материалы на основе подвергнутых низкотемпературной карбонизации эластомерных матриц, наполненных углеродными наполнителями разной морфологии и дисперсным карбидом кремния
Докладчик
Степашкин Андрей Александрович
Тезисы доклада
Цели и задачи исследования
Цель исследований состоит в разработке технологии получения полимерматричных композиционных материалов наполненных углеродными наполнителями разной морфологии и дисперсным карбидом кремния, обеспечивающей равномерное распределение наполнителя с заданными концентрациями с последующей низкотемпературной карбонизацией, и получение на базе разработанной технологии экспериментальных образцов продукции (детали и узлы насосов для нефтяной промышленности) с установленными эксплуатационными характеристиками.
Задачами исследования является:
- разработка рецептурных решений, и установление оптимальных технологических параметров производства высоконаполненных эластомерных смесей и проведения их вулканизации.
- Исследование взаимосвязи структуры и технологических параметров получения высоконаполненных эластомерных смесей с тепловыми, реологическими, вулканизационными характеристиками.
- Разработка технологии низкотемпературной карбонизации изделий из вулканизованных эластомерных смесей, обеспечивающей равномерную контролируемую усадку.
- Исследование структуры и свойств карбонизованных композиционных материалов в зависимости от условий проведения карбонизации для определения оптимальных параметров технологического процесса.
Актуальность и новизна исследования
На сегодняшний день одной из существенных проблем, ограничивающих использование в технике полимерных композиционных материалов, является их низкая теплостойкость, т.к. большинство используемых полимеров и эластомеров имеют температуры эксплуатации ниже 180-200 оС. Повышение теплостойкости изделий из полимеров позволит значительно расширить области их применения в технике за счет более полной реализации их преимуществ, таких как малый вес и высокие удельные прочностные характеристики.
В рамках проекта предлагается, реализуется новый подход, обеспечивающий получение нового класса композиционных материалов на основе эластомерного связующего, армированного углеродными наполнителями различной морфологии и дисперсным карбидом кремния.
В процессе вулканизации создается заготовка прекурсор изделия, а в результате последующей карбонизации получается изделие, не требующее сложной механической обработки, обладающее повышенными физико-механическими характеристиками и со значительно более высокой теплостойкостью и размерной стабильностью по сравнению с исходным эластомерным связующим.
Введение различных дисперсных углеродных добавок в эластомерную матрицу можно добиться многократного улучшения свойств эластомеров, а проведение последующей низкотемпературной карбонизации позволит получить материал по термостойкости превосходящий все известные полимерные материалы.
Несомненным преимуществом данного подхода является получение изделий сколь угодно сложной формы с обеспечением высокой точности геометрических размеров. Однако для реализации данного подхода требуется обеспечить равномерную, прогнозируемую усадку изделия, что на данный момент является объектом исследования.
Описание исследования

Методика получения изделий из композиционных материалов включает в себя следующие технологические стадии 

1 Получение высоконаполненных эластомерных смесей на базе синтетических каучуков наполненных дисперсными углеродными волокнами, дискретным частицами графитовых и шунгитовых порошков, дискретным карбидом кремния, техническим углеродом, углеродными нанотрубками, технологическими присадками, вулканизующим агентом. Получение смесей производится смешением на вальцах или в специализированных резиносмесителях.

2 Вулканизация смеси в прессформах и получение заготовки-прекурсора

3 Карбонизация заготовки-прекурсора и получение готового изделия, требующего минимальной механической обработки по удалению облоя и технологических припусков.

Реализуется исходно высокая степень наполнения эластомера На 100 масс частей каучука 300 частей углеродных наполнителей + специальные добавки

Для управления свойствами вулканизованной заготовки прекурсора используются три уровня наполнения эластомерных смесей:

Мезоуровень (от 20 до 500 нм) первичные углеродные агрегаты из ТУ, углеродные нанотрубки

наномодификация преследует цель транспортировки функциональных групп в заданные точки эластомерных молекул и обеспечивает равномерное протекание процессов вулканизации, термодеструкции и карбонизации в материале при дальнейших переделах.

-Микроуровень (от 0,5 до 50 мкм) искусственные графиты, шунгиты, SiO2, SiC, …

Обеспечивает дисперсионное упрочнение, определяет химическую стойкость, тепловые, физико-химические свойства готовых материалов. Использование преимущественно углеродных наполнителей, с развитой структурой и содержащие на поверхности функциональные группы позволяет при карбонизации, через формирование -С-С- связей между наполнителем, углеродным каркасом эластомера получать плотный, материал с высокими характеристиками. 

-Макроуровень (до 20 мм) углеродные волокна

Использование дискретных углеродных волокон в сочетании с заданным уровнем адгезионного взаимодействия между волокнами и эластомерной матрицей позволяет повысить физико-механических характеристики получаемого керамоподобного материала, в первую очередь пределы прочности и модуль упругости при растяжении и изгибе.

Создание высоконаполненных эластомерных смесей базируется на результатах реологических испытаний композиций. Вязкость перерабатываемого материала определяет динамику процесса переработки, служит мерой усилия, которое необходимо приложить к материалу для осуществления течения его с заданной скоростью на той или иной стадии процесса. Подбор условий и рецептур проводился с учетом измерения  вязкости по Муни с использованием ротационных вискозиметров дискового типа,  в режиме постоянной скорости сдвига. 

Основными техническими факторами, влияющими на процесс вулканизации и качество вулканизованных изделий, являются следующие:

1) природа вулканизационной среды; 2) температура вулканизации; 3) продолжительность вулканизации; 4) давление на поверхность вулканизуемого изделия; 5) условия нагрева

Находящийся в каучуке кислород в процессе вулканизации обусловливает разрушение цепей и образовавшихся поперечных связей а течение всей вулканизации. Поперечные связи ограничивают необратимые перемещения макромолекул при механическом нагружении (уменьшают пластическое течение), но не изменяют их способности к высокоэластичной деформации. В результате вулканизация фиксируется форма изделия и оно приобретает необходимые прочность, эластичность, твердость. сопротивление раздиру, усталостную выносливость и др. полезные эксплуатационные свойства. 

Разработка методик вулканизации полученных высоконаполненных смесей базируется на определении вулканизационных характеристик с использованием сдвиговых ротационных вискозиметров. Измеренные зависимости крутящего момента от времени вулканизации при постоянной температуре, позволяют выбрать оптимальные режимы вулканизации. 

Формирование свойств готового материала в изделии происходит в процессе карбонизации. Выбор режима карбонизации базируется на результатах дифференциальной сканирующей калориметрии, дифференциального термического анализа и термогравиметрии.

Существенным фактором влияющим на формирование структуры и свойств готовых материалов является правильный выбор температурной программы проведения карбонизации, управление составом газовой фазы над карбонизуемым изделием и давление на материал.

 

 

Результаты исследования

Проведены выбор и обоснование направления исследований, использования в качестве материала матрицы бутадиен-нитрильных каучуков, в качестве наполнителей углеродных волокон, углеродных нанотрубок и технического углерода.

Проведено сопоставление ожидаемых показателей продукции с существующими аналогами.

Проведены патентные исследования, показано отсутствие в настоящий момент аналогичных технологий и высокий патентный потенциал проводимых исследований.

Разработана лабораторная методика получения высоконаполненных эластомерных смесей на основе дискретных углеродных наполнителей, в том числе углеродных нанотрубок, обеспечивающая изготовление эластомерных смесей с содержанием наполнителей до 75 масс.%, в том числе углеродных нанотрубок до 6,5 масс.%. Исследована структура получаемых эластомерных смесей.

Изготовлены экспериментальные образцы высоконаполненных эластомерных смесей на основе углеродных волокон, углеродных нанотрубок, технического углерода, и вулканизованные образцы на их основе

Исследованы микроструктура, термодинамическая стабильность, реологические и вулканизационные характеристики высоконаполненных эластомерных смесей. Методом ИК-Фурье спектроскопии исследовано взаимодействие между наполнителями и эластомерной матрицей

Разработана лабораторная методика формирования вулканизованных высоконаполненных эластомерных смесей на основе дискретных углеродных наполнителей, в том числе углеродных нанотрубок, исследованы процессы, протекающие при вулканизации эластомерных смесей, изучено влияние времени кондиционирования смесей на температуры и теплоты их вулканизации.

Исследована термодинамическая стабильность и окислительная стойкость образцов высоконаполненных смесей на основе дискретных углеродных наполнителей, в том числе углеродных нанотрубок

Исследовано влияние скорости нагрева при карбонизации в диапазоне до 350 оС на микроструктуру полученных композиционных материалов. Определены оптимальные режимы проведения карбонизации.

Разработана лабораторная методика карбонизации высоконаполненных эластомерных смесей на основе дискретных углеродных наполнителей, в том числе углеродных нанотрубок.

Разработана лабораторная методика получения высоконаполненных эластомерных смесей на основе дискретных углеродных наполнителей и дисперсного карбида кремния;

Разработана лабораторная методика вулканизации высоконаполненных эластомерных смесей на основе дискретных углеродных наполнителей, и дисперсного карбида кремния;

Исследована термодинамическая стабильность и окислительная стойкость образцов вулканизованных высоконаполненных эластомерных смесей на основе дискретных углеродных наполнителей и дисперсного карбида кремния;

Изготовлены образцы карбонизованных эластомерных смесей.

Изготовлены экспериментальные образцы высоконаполненных эластомерных смесей на основе дискретных углеродных наполнителей и дисперсного карбида кремния

Получены карбонизованные образцы на основе дискретных углеродных наполнителей и дисперсного карбида кремния

Проведены исследования физико-механических характеристик эластомерных смесей и карбонизованных материалов на их основе.

Практическая значимость исследования
Разработка технологии получения композиционных материалов наполненных углеродными материалами разной морфологии и дисперсным карбидом кремния, позволит решить государственную задачу обеспечения выпуска отечественных деталей и узлов насосов для нефтяной промышленности по качеству выше, а по ценам ниже импортных аналогов.
Областью применения разрабатываемых материалов является детали оборудования, имеющие сложную геометрическую форму.
Разрабатываемая технология позволяет на основе высоконаполненных эластомерных смесей по технологиям, используемым в резиновой промышленности изготавливать изделия сложной формы. Формирование изделия заданной формы и размеров осуществляется в процессе вулканизации эластомерного связующего наполненного углеродными компонентами, что обеспечивает высокую размерную стабильность получаемых деталей.
Низкотемпературная карбонизация обеспечивает получение высокоплотного материала с реализацией контролируемой усадки изделий и приданием материалу требуемых физико-механических, теплофизических и других эксплуатационных характеристик.
Разрабатываемая технология отличается малыми энергозатратами, опирается на доступное промышленное оборудование, широко распространенные материалы, что будет обеспечивать малую себестоимость изготавливаемых изделий и способствовать коммерциализации получаемых результатов.
Результатом внедрения будет являеться создание производства по выпуску отечественных деталей и узлов насосов для нефтяной промышленности по качеству выше, а по ценам в 1,3-2 раза ниже импортных аналогов, будет организован выпуск конкурентоспособной отечественной продукции для нужд нефтяной промышленности, в частности, рабочих ступеней погружных насосов.