Роль процессов массопереноса ингридиентов резиновых смесей при формировании адгезионных соединений

Одним из основных направлений развития народного хозяйства нашей страны вплоть до 1990 года, как указано в решениях ХХУ1 съезда КПСС, является дальнейшее повышение качества изделий, совершенствование технологических процессов их изготовления.

Проблемы, связанные с улучшением качества полимерной продукции, в частности резино-технических изделий и автомобильных шин* сводятся не только к разработке высокоэффективных технологических процессов их цроизводства, созданию новых полимерных материалов и низкомолекулярных ингредиентов полимерных композиций, но и к дальнейшему совершенствованию рецептуростроения, поскольку в настоящее время большинство полимерных изделий и, прежде всего, шины и РТИ, представляют из себя многокомпонентные системы, свойства которых, наряду с другими факторами, определяются соотношением ингредиентов в рецептуре резиновой смеси. Генеральной задачей в области рецептуростроения является создание «оптимальных» рецептур, характеризующихся, с одной стороны, небольшим количеством компонентов, высокой технологичностью, низкой стоимостью, и с другой стороны, обеспечивающих высокий уровень эксплуатационных характеристик изделия.

Современное рецептуростроение резиновых смесей основывается как на богатом эмпирическом опыте технологов, так и на определенных теоретических предпосылках, полученных при исследовании механизма действия в резиновых смесях тех или иных ингредиентов.

Однако, высокоэффективные рецептуры резиновых смесей могут быть созданы лишь с учетом целого ряда факторов «физического» характера, связанных с распределением низкомолекулярных ингредиентов. в эластомерной матрице, их растворимостью, диффузией и массопереносом из одной области резиновой смеси в другую, из одного конструкционного элемента изделия в другой. Так, например, В.Е.Гулем/11 указывалось, что «При исследовании прочности следует получить ответы на следующие вопросы: какое химическое строение полимера может обеспечить определенное значение прочности материала в конкретных условиях эксплуатации и какая надмолекулярная структура должна быть сформирована в процессе переработки в изделие с целью получения материала с заданной прочностью при конкретных условиях эксплуатации Г.

Эти процессы приобретают тем большее значение, что современные РТИ и шины как правило многокомпонентны не только по отношению к низкомолекулярным ингредиентам, но и по отношению к их составляющим полимерам, среди которых могут? быть и эластомеры, и пластики, и волокнообразующие полимеры, отличающиеся друг от друга и реакционной способностью, и термодинамическим сродством друг к другу и к низкомолекулярным ингредиентам.

Все это вместе взятое должно обязательно привести к тому, что в резиновых смесях после их изготовления, а также в сырых резиновых изделиях после их сборки, в процессе хранения до стадии вулканизации будет наблюдаться интенсивное перераспределение ингредиентов между отдельными компонентами смеси и изделия в целом как в силу градиента концентрации, так и в силу их различной растворимости, а также различной реакционной способности по отношению к эластомерной матрице. Подобное перераспределение может наблюдаться и в условиях эксплуатации готового изделия.

Благодаря этим процессам состав отдельных элементов резиновой смеси и изделия, как такового, непосредственно перед вулканизацией будет отличаться от исходного. Следовательно, изменятся и свойства резин. Поскольку процессы перераспределения ингредиентов резиновых смесей характеризуются большим временем установления равновесия и оно практически недостижимо при тех временах, которые характерны для изготовления и хранения резиновых смесей и невулканизованных изделий на их основе, то данное явление будет приводить не только к изменению соотношения компонентов в отдельных элементах резиновых смесей и изделий на их основе, но и к неравномерному распределению ингредиентов относительно границы раздела между данными элементами, что вызовет появление после процесса вулканизации в таких конструкциях особых «переходных» зон, характеризующихся свойствами, отличными от свойств контактирующих материалов.

В этом случае процессы перераспределения ингредиентов резиновых смесей будут существенно влиять на монолитность многокомпонентногоизделия в целом, на условия формирования адгезионных соединений между отдельными элементами конструкции.

Все отмеченные выше вопросы однозначно свидетельствуют о необ ходимости проведения интенсивных исследований в данных направ лениях, которые позволили бы в ближайшем будущем более целенаправленно подходить к формированию рецептур резиновых смесей, разработать научные критерии их создания с учетом процессов перераспределения ингредиентов, регулировать направленность и интенсивность миграции низкомолекулярных веществ в резиновых смесях в желательном для технолога направлении, более точно прогнозировать эксплуатационные характеристики изделий из резин.

В последние годы появился целый ряд работ, посвященных исследованию данных проблем, как советских (В.Е.Гуль, А. Е. Чалых, А. С. Кузьминский, А. А. Донцов, В. Е. Васин, Р. М. Васенин, Г. А. Патрикеев, И. Л. Шмурак и др.), так и зарубежных исследователей (Р.Бэррер, Г. Парк, Д. Кранк, Б. Гардинер и др.), которые внесли большой вклад в поиск путей решения отмеченных выше вопросов.

Целью настоящей работы является систематическое исследование процессов массопереноса низкомолекулярных ингредиентов резиновых смесей в объектах, моделирующих адгезионные соединения типа «резина — клей — металл», являющихся типичными многокомпонентными системами, состоящими из элементов, характеризующихся различным полимерным составом и различными низкомолекулярными ингредиентамивыявление взаимосвязи между этими процессами и адгезионной прочностью в указанных системах, а также разработка на основе полученных экспериментальных данных практических рекомендаций по совершенствованию рецептур резиновых смесей.

I. ЛИТЕРА1УРНЫЙ ОБЗОР.

Проблемы миграции, перераспределения, диффузии низкомолекулярных соединений в сложных многокомпонентных полимерных композициях, в частности шинах и РТИ, давно привлекают внимание исследователей, поскольку с этими процессами связано существ венное изменение свойств изделий из полимерных материалов.

Однако, лишь в последние десятилетия благодаря работам ряда отечественных СВ.Е.ГУль, Р. М. Васенин, А. С. Кузьминский, С. А. Рейтлингер, А. Е. Чалых и др.) и зарубежных (Р.Боррер, Г. Парк, Д. Кранк, В. Амеронген, Б. Гардинер, Ф. Лонг, С. Прагер и др.)иссле~ дователей, данная проблема получила не только качественную, но и количественную интерпретацию.

Это стало возможным лишь после того, как:-были созданы высокоэффективные, чувствительные методы исследования диффузии низкомолекулярных веществ в полимерах, создана теория диффузии низкомолекулярных веществ в высокомолекулярной матрице, установлены основные закономерности и специфические особенности этих процессов.

Большое внимание в настоящее время исследователи уделяют не только диффузионному процессу как таковому, но и влиянию этого процесса на формирование комплекса свойств полимерной композиции, на образование в этих системах специфических переходных областей, которые наряду с другими факторами определяют работоспособность, долговечность полимерного изделия в целом.

В предлагаемом вашему вниманию литературном обзоре предпринята попытка систематизации и обобщения имеющегося в настоящее время литературного материала по отмеченным выше проблемам.

В соответствии с этим обзор содержит три главы, в которых рассмотрены основные положения теории диффузии низкомолекулярных веществ (НМВ) в полимерах и некоторые особенности этих процессов, процессы массопереноса НМВ в резиновых смесях и вулка-низатах, а также влияние этих процессов на свойства резиновых смесей, вулканизатов и композиций на их основе.