Введение к работе
^С^еРо Общая характеристика работы
Актуальность проблемы. Интенсивное освоение богатых природных ресурсов Сибири и Крайнего Севера потребовало создания эластомерных материалов, которые могли бы надежно эксплуатироваться при низкой температуре. До 30% случаев выхода из строя машин и механизмов и их внеплановых простоев в зимнее время в климатических условиях, характерных для Республики Саха (Якутия), связаны с разрушением или частичной потерей работоспособности резиновых деталей уплотнительного назначения. Основными причинами существующего положения являются недостаточная морозостойкость деталей вследствие неправильного выбора эластомерной основы или снижение низкотемпературных характеристик материала при совместном воздействии климатических и эксплуатационных факторов.
Холодный климат, характерный для Республики Саха (Якутия), отличается крайне низкой (до -55ч~64С) температурой в зимнее время года, резкими (до 30С) суточными ее перепадами с переходом через 0С дважды в сутки в осенний и весенний период, высокой интенсивностью солнечной радиации, повышенной концентрацией озона в атмосфере. В этих условиях диапазон температуры окружающей среды, в котором технические свойства материалов, конструкций и агрегатов должны обеспечивать необходимые показатели надежности и долговечности, обычно принимается от -60 до +60С. Подобные климатические условия являются уникальными, что требует особых подходов при выборе материалов для уплотнительной техники и создании новых видов резин.
В лабораторных условиях не удается смоделировать поведение эластомерных материалов при совместном воздействии различных климатических и эксплуатационных факторов, поэтому для достоверной оценки их работоспособности требуется проведение натурных испытаний. До настоящего времени усилия исследователей были сосредоточены на изучении процессов, определяющих морозостойкость эластомерных материалов, выявлении факторов, оказывающих наибольшее влияние на свойства резин в процессе их эксплуатации. Ими была обоснована необходимость проведения натурных испытаний образцов резин и РТИ в экстремальных условиях Севера, однако, без воздействия жидких агрессивных сред. В представляемой диссертации этот подход был развит при изучении работоспособности морозостойких резин уплотнительного назначения в нефти. Это потребовало исследования совокупности диффузионных процессов в системе «резина -углеводородная среда», разработки системы комплексной оценки изменения свойств резин при совместном воздействии углеводородных сред и низких температур, а также создания новых рецептур резин, которые наиболее полно
удовлетворяют требованиям к материалам, эксштугглр^кдашюаайшвмлндного
БИБЛИОТЕКА {
ИМ HIP .«III mojH'
климата. Потребность в таких материалах достаточно велика и, помимо, предложения более простых и доступных решений возникла необходимость в осмыслении накопленного опыта, формулировании принципов создания резин с высоким уровнем масло- и морозостойкости, выявлении взаимосвязи параметров фазовой структуры материалов и их конечных свойств.
Связь работы с крупными научными программами. В основу диссертации положены результаты исследований автора, полученные при выполнении следующих программ Сибирского отделения РАН:
-«Разработка рецептур и технологии переработки композиционных материалов технического назначения на основе полимеров и высокодисперсных наполнителей», № гос. per. 01.970000658 (1996-1998 г.г.);
-«Разработка методов управления свойствами композиционных полимерных и эластомерных материалов технического назначения», № гос. рег.01.99.0001618 (1999-2001 г.г.);
-«Физико-химические основы создания полимерных композиционных материалов с заданными свойствами», № гос.рег.01.200.200048 (2002-2003 г.г.);
-«Исследование механизмов формирования и управления свойствами полимерных композитов и создание материалов технического назначения», № гос. per. 0120.0408281 (2004-2006 г.г.).
В работу включены исследования по теме «Создание композиционных эластомерных материалов с заданным уровнем масло- и морозостойкости» (2004-2005г.г.) в рамках программы №9 фундаментальных исследований Президиума РАН «Направленный синтез веществ с заданными свойствами и создание функциональных материалов на их основе», а также результаты, полученные автором при выполнении целевых научно-технических программ Республики Саха (Якутия) «Комплексные исследования нефтепровода «Талакан-Витим», (1999г.,РЦП№3) и «Разработка морозостойких уплот-нительных резин для эксплуатации в среде нефти и газа» (2000г., РЦП №3).
Целью работы является изучение особенностей эксплуатации резин, предназначенных для работы в экстремальных условиях Севера, и разработка физико-химических принципов создания резин с высоким уровнем морозо- и маслостойкости.
Для достижения цели были поставлены следующие задачи:
разработка системы комплексной оценки работоспособности резин в углеводородных средах в условиях холодного климата;
изучение влияния диффузионных процессов на эксплуатационные параметры резин при совместном действии нефти и низкой температуры;
математическое моделирование диффузионных процессов в системе «резина-нефть», выявление корреляции между коэффициентами диффузии и составом резин;
исследование свойств резин уплотнительного назначения при натурной
экспозиции в нефти;
изучение на модельных системах механизмов формирования фазовой морфологии резин на основе смесей каучуков и управление их морозо- и маслостойкостью, выявление взаимосвязи между параметрами структуры и эксплуатационными показателями материалов;
разработка физико-химических основ создания морозостойких эластомерных материалов уплотнительного назначения;
разработка рецептур резин с повышенным комплексом технических показателей, обеспечивающих надежную эксплуатацию изделий в условиях длительного воздействия естественно-низкой температуры и рабочих сред нефтяного происхождения (масла, топлива, смазки);
разработка рекомендаций по эксплуатации серийных резин уплотнительного назначения в условиях Крайнего Севера.
Научная новизна работы. С целью создания уплотнительных резин нового поколения на основании проведения натурных испытаний впервые разработана система комплексной оценки совместного влияния углеводородной среды и низкой температуры на свойства резин, позволяющая охарактеризовать их работоспособность в условиях холодного климата.
В рамках феноменологического подхода разработана модель, описывающая процесс набухания резин в нефти и позволяющая прогнозировать степень набухания. С использованием компьютерной программы «FITTER» предложен метод упрощенной оценки интенсивности протекания диффузионных процессов при контакте углеводородных сред и эластомерных материалов, что позволило определить новые подходы к оптимизации рецептур резин и провести экспресс-оценку свойств на стадии лабораторных исследований.
На примере исследования модельных композиций на основе цис-1,4-полиизопрена и фторкаучуков различного химического строения установлены закономерности формирования резин, обладающих высокими морозостойкостью (до -60С) и стойкостью в углеводородных средах (нефть и нефтепродукты), сформулированы основные принципы создания эластомерных материалов для эксплуатации в условиях холодного климата, которые включают:
компромиссное сочетание разных полимерных компонентов, каждый из которых имеет преимущественно масло- или морозостойкие свойства;
формирование оптимальной фазовой морфологии смесей, матрицей в которых является каучук, обладающий высокими низкотемпературными свойствами, а внутренней фазой - тонкая дисперсия компонента, слабо набухающего в углеводородных средах;
управление уровнем межфазного взаимодействия в смеси для достижения необходимой фазовой морфологии (введение специально синтезированных
добавок, адсорбентов);
фиксацию прогнозируемой структуры путем выбора составов и приемов вулканизации и совулканизации фаз;
регулирование скорости вымывания пластификаторов;
сочетание методов объемной и поверхностной модификации композиций для обеспечения высокого уровня морозо- и маслостойкости резин.
Методами механохимического синтеза получены и рекомендованы к использованию модифицирующие добавки для повышения межфазного взаимодействия в созданных гетерофазных композиционных материалах (фторизопреновый аддукт, паста на основе дибутилфталата и природных цеолитов). В целях повышения морозостойкости серийных резин обеспечено замедление вымывания пластификатора при их контакте с углеводородными средами за счет введения адсорбентов (природных цеолитов), контролирующих этот процесс.
Практическая ценность работы. Проанализирована работоспособность ряда серийных резин уплотнительного назначения при экспозиции в нефти в климатических условиях Республики Саха (Якутия), разработаны рекомендации по их применению. Впервые показана высокая стабильность комплекса эксплуатационных показателей резин на основе нового пропиленоксидного каучука (СКПО) при натурной экспозиции в нефти, что делает его перспективным материалом для производства РТИ в «северном исполнении». Разработан способ модификации резины на основе СКПО активированными в планетарной мельнице природными цеолитами якутского месторождения Хонгуруу.
Разработаны рецептурно-технологические приемы, позволяющие повысить морозостойкость резин на основе смесей каучуков без потери их маслобензостойкости, и получен ряд технически ценных материалов, среди которых резины на основе смесей бутадиен-нитрильного и диеновых каучуков, пропиленоксидного каучука и политетрафторэтилена. Осуществлена поверхностная модификация резин фторсодержащими покрытиями с целью повышения их агрессивостойкости Внедрение и апробирование новых эластомерных материалов осуществляется в ООО «Нордэласт», созданном в рамках федеральной программы «Старт» фонда содействия развитию малых предприятий в научно-технической сфере.
Оценена работоспособность резиновых уплотнительных колец нефтепровода «Талакан-Витим», определен гарантийный срок их эксплуатации. Герметичность магистрального нефтепровода ПМТП-150, который был сооружен по спецпроекту и ранее в этих климатических условиях не применялся, обеспечивается эластомерными уплотнениями (22000 шт.). Периодический контроль работоспособности уплотнительных колец нефтепровода подтвердил правильность прогноза срока эксплуатации и
гарантировал успешную работу нефтепровода с 1996 года по настоящее время.
Апробация работы. Основные результаты докладывались и обсуждались на следующих научно-технических конференциях: Международной конференции по каучуку и резине «IRC-1994», «IRC-2004» (Москва, 1994, 2004); Всероссийской научно-практической конференции «Сырье и материалы для резиновой промышленности: настоящее и будущее», (Москва, 1993, 1996, 1998-2001,2003); Международной научно-технической конференции «Полимерные композиты» (Поликом-98,Поликом-2003, Гомель); 5-ой международной конференции по азиатским газопроводам (The 5th International Conference on Asian Natural Gas Pipeline, Yakutsk, 1999); Международной конференции «Композиционные материалы в промышленности» (Славполиком-99, Киев, 1999, Славполиком-2001, Ялта, 2001); V Russian-Chinese international symposium «Advanced materials and processes. Fundamental Problems of Developing Advanced Materials and Processes of the XXI Century» (Байкальск,1999); 2-ой международной научно-технической конференции «Экспериментальные методы в физике структурно-неоднородных конденсированных сред. Полимеры, полимерные композиционные материалы» (Барнаул,2001); IX конференции «Деструкция и стабилизация полимеров» (Москва,2001); научно-практической конференции «Малотоннажная переработка нефти и газа в Республике Саха (Якутия) (Якутск,2001); I и II Евразийском симпозиуме по проблемам прочности материалов и машин для регионов холодного климата. «EURASTRENCOLD» (Якутск,2002, 2004); П-IV Международном зимнем симпозиуме по хемометрике «Современные методы анализа многомерных данных» (Winter Symposium on Chemometrics «Modern Methods of Data Analysis», Барнаул,2003, Пушкинские горы,2004, Черноголовка,2005).
Личный вклад автора заключается:
-в разработке методологии и организации проведения натурных испытаний резин при совместном воздействии нефти и низких температур, как на модельных системах, так и в реальных условиях эксплуатации (нефтепровод «Талакан-Витим»);
-постановке задачи по моделированию степени набухания резин в углеводородных средах и численном нахождении параметров модели для резин различного состава;
-разработке физико-химических основ создания резин, предназначенных для работы в углеводородных средах в арктических условиях, и получении новых рецептур эластомерных материалов.
Публикации. Результаты исследований отражены в 65 печатных работах, основные из них (38) приведены в конце автореферата.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, 7 глав, выводов, списка использованных литературных источников и приложений. Работа изложена на 385 стр., содержит 112 рисунков и 49 таблиц.
