автореферат диссертации по химической технологии, 05.17.06, диссертация на тему:Формирование структуры и технологии переработки резиноволокнистых композитов

fr

1С Ji w

/шй -

,Л

! / : Í : /¡M

'(/ У" ' V* У/'

/ ^ ' - < е..

ЯРОСЛАВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

НЕСИОЛОВСКАЯ Татьяна Николаевна

ФОРМИРОВАНИЕ СТРУКТУРЫ И ТЕХНОЛОГИЯ ПЕРЕРАБОТКИ РЕЗИНОВОЛОКНИСТЫХ КОМПОЗИТОВ

05.17.06 - Технология и переработка пластических масс, эластомеров и композитов

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук

Ярославль - 1998

СОДЕРЖАНИЕ

стр.

ВВЕДЕНИЕ..................................................... 7

ГЛАВА 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ.................................... 16

1.1. Современные представления о структурной механике и разрушении полимерных композитов, армированных волокнами............................ 16

1.2. Формирование структуры систем эластомер-дискретное волокно в процессе создания композиционных материалов.............................. 31

1.3. Взаимосвязь структуры и свойств эластомеров, армированных дискретными волокнами ............ 40

1.4. Роль межфазного взаимодействия в формировании структуры и свойств волокнонаполненных эластомеров ......................................... 49

1.5. Основные тенденции в области использования и получения волокнистых наполнителей ............ 58

1.6. Выводы из обзора литературы и постановка задачи исследования ............................... 67

ГЛАВА 2. ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ....................... 73

2.1. Объекты исследования .......................... 73

2.2. Методы исследования ........................... 77

2.2.1. Исследование процессов деформации и разрушения резиноволокнистых композитов .................. 77

2.2.1.1. Экспериментальная установка и методика исследования кинетики разрушения резиноволокнистых композитов.................................... 77

2.2.1.2. Изучение релаксации напряжения в резиноволокнистых композитах при многократных деформациях ........................................ 80

2.2.2. Методы оценки взаимодействия в системе короткое волокно - резиновая матрица ............... 82

2.2.3. Приборы и методы определения дисперсности и физико-химических свойств волокнистых наполнителей ......................................... 83

2.2.4. Исследование процесса диспергирующего смешения эластомеров с волокнами ....................... 87

2.2.4.1. Исследование геометрических характеристик волокна после диспергирования................... 87

2.2.4.2. Исследование однородности распределения волокна ......................................... 88

2.2.4.3. Исследование реологических свойств эластомеров, наполненных короткими волокнами .......... 89

2.2.4.4. Исследование кинетики процесса смешения рези-новолокнистых композитов ...................... 90

2.2.5. Приборы и методики исследования процессов получения волокнистых наполнителей из текстиль-содержащих материалов ......................... 91

2.2.5.1. Приборы и методики исследования разрушения текстильсодержащих материалов в условиях сосредоточенного резания........................ 92

2.2.5.2. Исследование измельчения текстильных и резино-текстильных материалов методом скоростного резания ......................................... 97

2.2.5.3. Установка и методика исследования процесса получения бикомпонентного наполнителя в условиях сжатия со сдвигом............................. 100

2.2.6. Методы исследования свойств резиновых смесей и физико-механических показателей резин ......... 102

ГЛАВА 3. СТРУКТУРНАЯ МОРФОЛОГИЯ И МЕХАНИКА ЭЛАСТОМЕРНЫХ КОМПОЗИТОВ С ДИСКРЕТНЫМИ ВОЛОКНАМИ ..................... 104

3.1. Влияние параметров дискретных волокон на морфологию эластомерных композитов ............... 105

3.2. Влияние параметров дискретных волокон на структурную механику эластомерных композитов .. 113

3.2.1. Моделирование напряженного состояния эластомерных композитов с однонаправленными дискретными волокнами................................ 114

3.2.2. Теоретическая и экспериментальная оценка усиления эластомеров хаотически расположенными дискретными волокнами ......................... 124

3.2.3. Идентификация эластомерных композитов с гибкими дискретными волокнами...................... 134

ГЛАВА 4. ВЛИЯНИЕ ПАРАМЕТРОВ СТРУКТУРЫ РЕЗИНОВОЛОКНИСТЫХ КОМ-

ЗИТОВ НА ПРОЦЕССЫ ИХ ДЕФОРМАЦИИ И РАЗРУШЕНИЯ ...... 146

4.1. Влияние параметров дискретных волокон на процессы деформации и разрушения эластомерных композитов.................................... 147

4.2. Влияние характеристик матрицы на деформирование и разрушение резиноволокнистых композитов ........................................... 161

4.3. Влияние адгезионного взаимодействия в системе эластомерная матрица-дискретное волокно на процессы ее деформации и разрушения ........... 171

4.3.1. Влияние объемной модификации резиноволокнистых композитов.................................... 171

4.3.2. Влияние поверхностной модификации волокна ..... 180

4.4. Кинетическая модель разрушения эластомеров с дискретными волокнами при одноосном растяжении ......................................... 192

4.5. Разрушение резиноволокнистых композитов в процессе циклических деформаций .................. 207

4.5.1. Влияние характеристик волокна ................. 208

4.5.2. Влияние адгезионного взаимодействия в системе .......................................... 213

4.5.3. Влияние добавок измельченных вулканизатов ..... 220

4.6. Разработка научно-методических основ конструирования резиноволокнистых композитов .......... 223

ГЛАВА 5. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ОСНОВНЫХ ФАКТОРОВ, ОПРЕДЕЛЯЮЩИХ ФОРМИРОВАНИЕ МАКРОСТРУКТУРЫ РЕЗИНОВОЛОКНИСТЫХ КОМПОЗИТОВ В ПРОЦЕССЕ ДИСПЕРГИРУЮЩЕГО СМЕШЕНИЯ . .. ........ 230

5.1. Оценка эффективности и качества смешения рези-нолокнистых композитов в смесителях роторного и валкового типов ............................. 231

5.1.1. Разработка модели для изучения процесса диспергирующего смешения эластомеров с дискретными волокнами.................................. 232

5.1.2. Использование модели для анализа процесса смешения резиноволокнистых композитов в роторных смесителях закрытого типа ..................... 237

5.1.3. Оценка эффективности и качества смешения ре-зиноволокнистых композитов на валковых машинах ......................................... 250

5.2. Особенности диспергирования волокна в процессе смешения с эластомерной матрицей .............. 259

5.2.1. Оценка кинетики диспергирования волокна при смешении с эластомерами ....................... 259

5.2.2. Влияние свойств компонентов на диспергирование волокна в процессе смешения ................... 269

5.3. Влияние степени полидисперсности волокон на структурную и механическую однородность композитов ......................................... 275

5.4. Пути повышения однородности распределения волокон и ориентированности их в эластомерной матрице....................................... 278

ГЛАВА 6. РАЗРАБОТКА СПОСОБОВ ПОЛУЧЕНИЯ ВОЛОКНИСТЫХ НАПОЛНИТЕЛЕЙ ИЗ ТЕКСТИЛЬСОДЕРЖАЩИХ МАТЕРИАЛОВ ................ 285

6.1. Влияние высокоскоростного разрушения и измельчения текстильсодержащих материалов на свойства волокнистых наполнителей .................. 287

6.1.1. Анализ процесса разрушения резанием единичных резинокордных образцов ........................ 288

6.1.2. Влияние состава текстильсодержащих материалов на свойства волокнистых наполнителей и характеристики процесса скоростного измельчения .... 300

6.1.2.1. Особенности измельчения волокнистых материалов различных типов в скоростных режущих измельчителях ......................................... 301

6.1.2.2. Влияние скоростного измельчения на свойства химических волокон и диспергирование их в смеси......................................... 305

6.1.2.3. Влияние поверхностной обработки текстиля на свойства и диспергирование измельченных волокон ........................................... 312

6.2. Влияние условий фрикционного разрушения и измельчения резинотекстильных материалов на свойства бикомпонентных наполнителей .......... 319

6.2.1. Влияние условий деформирования резинокордных образцов в межвалковом зазоре на характер их разрушения.................................... 319

6.2.2. Взаимовлияние компонентов на кинетику процесса фрикционного измельчения системы корд-резина

при низких скоростях сдвига ................... 324

6.2.3. Взаимовлияние компонентов при фрикционном измельчении резинокордных систем в условиях высоких скоростей сдвига ........................ 334

6.2.4. Влияние предварительного разрушения резино-текстильных материалов скоростным резанием на эффективность фрикционного измельчения ........ 344

6.2.5. Влияние условий измельчения на свойства биком-понентных наполнителей и содержащих их резин .. 346

6.3. Оценка эффективности переработки текстиль-содержащих материалов в волокнистые наполнители ............................................ 356

ГЛАВА 7. РАЗРАБОТКА ПРОМЫШЛЕННОЙ ТЕХНОЛОГИИ ПОЛУЧЕНИЯ ВОЛОКНИСТЫХ НАПОЛНИТЕЛЕЙ И РАЦИОНАЛЬНЫЕ ОБЛАСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ РЕЗИН0В0Л0КНИСТЫХ КОМПОЗИТОВ .................. 360

7.1. Источники получения волокнистых наполнителей .. 360

7.2. Технологические схемы переработки текстиль-содержащих материалов в волокнистые наполнители .......................................... 364

7.3. Закономерности изменения свойств резин, содержащих измельченные волокнистые наполнители и рациональные области их использования ......... 371

ВЫВОДЫ....................................................... 386

ЛИТЕРАТУРА ................................................... 393

ПРИЛОЖЕНИЯ ................................................... 434

ВВЕДЕНИЕ

Одно из приоритетных направлений успешного развития промышленности и решения социальных проблем состоит в том, чтобы обеспечить ускоренное развитие производства современных конструкционных полимерных материалов и на их основе обеспечить выпуск изделий более высокого качества. Для решения этой задачи большое значение имеет разработка новых композиционных материалов.

Оценки экспертов свидетельствуют об экспоненциальном росте научных исследований и объеме промышленного производства волокно-наполненных полимерных композитов за последние 40-50 лет. Подобное внимание ученых и промышленности к полимерам, наполненным волокнами, обусловлено несколькими причинами. Во-первых, волокнонаполнен-ные композиты характеризуются комплексом свойств и качествами, не достижимыми при использовании индивидуальных компонентов. Во-вторых, использование полимерных композитов позволяет практически неограниченно расширять сырьевую базу на основе существующих продуктов без синтеза и запуска в производство нового вида полимеров. В-третьих, производство изделий из волокнонаполненных полимеров может оказаться экономически более целесообразным, если решить задачу получения дешевого волокнистого компонента, определяющего значение нужного свойства или комплекса свойств.

Сказанное в полной мере относится к волокнонаполненным композитам на основе эластомеров. Создание и применение в резиновой промышленности резиноволокнистых композитов - резин, наполненных короткими волокнами различной природы, позволяет сочетать традиционную технологию изготовления резин с приданием им ряда специфических свойств. Особенностями резиноволокнистых композитов являются анизотропия механических свойств; возможность регулирования мо-

дулей; сочетание жесткости и гибкости материала в перпендикулярных направлениях; повышенное сопротивление разрушению при ограниченных деформациях, что обуславливает стабильность размеров изделий при длительном действии напряжений. Кроме того, введение волокна в эластомерную матрицу в процессе традиционного смешения позволяет исключить ряд переделов и операций, входящих в технологические схемы производства изделий с непрерывными волокнами (шин, конвейерных лент, рукавов и т.д.) и существенно сократить потребность в производственных площадях и оборудовании.

Успешная реализация потенциальных возможностей, заложенных в идее резиноволокнистых композитов, сдерживается на практике огромным количеством вариантов возможных сочетаний компонентов, способов смешения и т. д. При этом сам поиск оптимального состава и условий формирования композита во многом носит случайный характер.

В процессе развития теории усиления полимерных композитов работы большинства ученых были вначале направлены на оценку их механического поведения, рассматриваемого как часть механики сплошной среды. Наиболее полно разработана она применительно к ориентированным стеклопластикам. Сложность задачи о механическом поведении композита, армированного волокнами, делает невозможным ее решение в строгой постановке. Поэтому в классических работах по механике полимеров используются различные модельные допущения как в отношении структуры самого композита, так и в отношении ее математического описания.

Сопротивление деформированию и разрушению армированных сред определяют, базируясь на двух различных подходах. В первом используются осредненные характеристики композитов, а не истинное распределение напряжений и деформаций. Принцип осреднения достаточно конструктивен для оценки работоспособности систем в случаях, когда

они разрушаются, не выходя за пределы упругости, но неприемлим при напряжениях, близких к разрушающим. Второй подход основан на оценке распределения напряжений и деформаций в армированной среде и представляет значительную практическую сложность.

При переходе к анализу напряженного и деформированного состояния резиноволокнистых композитов возникают дополнительные трудности. Связующее (резина) представляет нелинейный упруговязкий материал, модуль которого на несколько порядков ниже модуля волокна. Волокно, как армирующий материал, имеет конечную длину, то есть напряженность его неоднородна и вряд ли правомочно считать, что оно вносит основной вклад в прочность композита. Кроме того на границе раздела фаз могут оказаться переходные слои, отличающиеся по структуре и свойствам от основных компонентов системы.

В области технологии резины развитие представлений о структуре и свойствах волокнистых композитов шло главным образом эмпирически, по пути исследования влияния основных компонентов на те или иные характеристики систем. В тоже время оставалось невыясненным -каково должно быть напряженно-деформированное состояние композита для обеспечения заданного уровня упруго-прочностных и усталостных характеристик. Иными словами до настоящего времени оставались неразработанными научно-обоснованные критерии конструирования и прогнозирования работоспособности резиноволокнистых композитов.

Целью настоящей работы явилось исследование особенностей структуры систем эластомер-короткое волокно, нахождение взаимосвязи между параметрами структуры, механизмами деформирования, разрушения и свойствами композитов и создание на этой базе научных основ конструирования и наиболее эффективных технологий переработки резиноволокнистых композитов.

Исследование выполнялось в соответствии с Программами ГКНТ и

Госплана СССР по направлениям: 0.11.03 ("Создать и освоить производство новых моделей шин высокого класса и основных видов высококачественных резино-технических изделий"); 0.10.05 (Приложение №63 к постановлению ГКНТ и Академии наук СССР от 10 ноября 1985 г. № 573/137); комплексной научно-технической программой Минвуза РСФСР "Человек и окружающая среда" на 1986-1990 гг. № НО-02/39113 от 21.11.84 г.; программой Миннефтехимпрома "Комплексные научно-технические мероприятия на XII пятилетку по разработке и освоению в промышленных условиях технологии переработки резиносодержащих отходов производства для использования их в качестве ингредиентов резиновых смесей".

Научные и практические задачи, решенные в ходе разработки этого направления, представляют собой крупную химическую и техническую проблему - изучение общих закономерностей формирования структуры и механики разрушения нового класса композитов: эластомер-дискретное волокно и создание на основе полученных теоретических представлений высокоэффективных составов и технологий переработки резиноволокнистых композитов технического назначения.

Диссертационная работа состоит из введения, семи глав, общих выводов и приложений. Главной особенностью, объединяющей все части работы и отличающей ее от других исследований, является идея разработки научно-обоснованных критериев конструирования резиноволокнистых композитов, включающая:

- создание работоспособной структурно-механической модели композита, охарактеризованной численными значениями и интервалами параметров;

- технологически оправданные способы создания композитов в соответствии с данной моделью.

Оба аспекта формирования резиноволокнистого композита равноп-

- и -

равны, но приоритет принадлежит первому, поскольку структурная модель системы предопределяет технологию ее создания. В связи с этим принято следующее построение диссертации.

Во введении дано обоснование актуальности и необходимости постановки и решения проблемы установления взаимосвязи между параметрами структуры, напряженно-деформированным состоянием и свойствами систем эластомер-короткое волокно и создания на этой основе высокоэффективных составов и технологий переработки резиноволок-нистых композитов.

В первой главе описаны современные представления о структурной механике и разрушении полимерных композитов, армированных волокнами. Проанализированы основные аспекты формирования структуры волокнонаполненных композитов в вязкотекучем состоянии. Обобщены представления о взаимосвязи структуры и механических свойств эластомеров, наполненных короткими волокнами. Рассмотр