Исследование набухания каучуков различной химической природы в сверхкритическом диоксиде углерода

Цели. Исследование набухания основных типов каучуков, применяющихся в резиновой промышленности, в диоксиде углерода, находящемся в сверхкритическом состоянии (СК-СО₂), для оценки возможности получения на их основе эластомерных материалов с пористыми структурами с использованием флюидной технологии.

Методы. Процесс набухания каучуков в СК-СО₂ и последующее их вспенивание проводили по специально разработанной методике на оригинальной установке, представляющей собой аппарат высокого давления с прозрачными окнами, позволяющими использовать оптическую методику непосредственного измерения геометрических размеров образцов в процессе набухания и вспенивания с помощью цифровой видео-камеры. Исследование пористой структуры вспененных каучуков проводили с помощью сканирующей электронной микроскопии.

Результаты. Получены экспериментальные кривые кинетики набухания в СК-СО₂ изопренового, бутадиенового, бутадиен-стирольного, этиленпропиленового, хлоропренового, этилен-акрилатного, силоксанового и фторорганического каучуков. Исследовано влияние температуры и давления на скорость и равновесную степень набухания. Определены коэффициенты диффузии СК-СО₂ в каучуках различной химической природы.

Выводы. Показано, что степень равновесного набухания каучуков в СК-СО₂ зависит от химической природы каучуков, не коррелирует с величиной их параметров растворимости, изменяется прямо пропорционально коэффициенту диффузии и увеличивается с ростом температуры и давления. Установлено, что независимо от степени набухания в СК-СО₂ все исследованные каучуки интенсивно вспениваются при резком сбросе давления. Размер образующихся пор составляет десятки микрон, что существенно меньше размера пор, образующихся при использовании химических порообразователей.

1. Аржакова О.В., Аржаков М.С., Бадамшина Э.Р., Брюзгина Е.Б., Брюзгин Е.В. и др. Полимеры будущего. Успехи химии. 2022;91(12):RCR5062. https://doi.org/10.57634/RCR5062

2. Sarver J.A., Kiran E. Foaming of polymers with carbon dioxide – The year-in-review – 2019. J. Supercritical Fluids. 2021;173:105166(27). https://doi.org/10.1016/j.supflu.2021.105166

3. Bruno T.J., Ely J.F. Supercritical Fluid Technology: Reviews in Modern Theory and Applications. Taylor & Francis Group; 2017. 606 p. ISBN 978-11-385-07-005

4. McHugh M.A., Krukonis V.J. Supercritical Fluid Extraction: Principles and Practice. Stoneham: Butterworth Publishers; 1986. 507 p.

5. Разгонова М.П., Захаренко А.М., Сергиевич А.А. Сверхкритические флюиды: теория, этапы становления, современное применение: учебное пособие. СПб: Лань; 2019. 192 с. ISBN 978-5-8114-3915-7

6. Johnston K.J., Penninger J.M.L. Supercritical Fluid Science and Technology. Washington: American Chemical Society; 1989. 547 p.

7. Dubous J., Grau E, Tassaing T., Dumon M. On the CO2 sorption and swelling of elastomers by supercritical CO2 as studied by in situ high pressure FTIR microscopy. J. Supercritical Fluids. 2018;131:150–156. https://doi.org/10.1016/j.supflu.2017.09.003

8. Royer J.R., DeSimone J.M., Khan S.A. Carbon Dioxide-Induced Swelling of Poly(dimethylsiloxane). Macromolecules. 1999;32(26):8965–8973. https://doi.org/10.1021/ma9904518

9. Yizhak M. Solubility Parameter of Carbon Dioxide – An Enigma. ACS Omega. 2018;3(1):524–528. https://doi.org/10.1021/acsomega.7b01665

10. Hong I.-K., Lee S. Microcellular foaming of silicone rubber with supercritical carbon dioxide. Korean J. Chem. Eng. 2014;31(1):166–171. https://doi.org/10.1007/s11814013-0188-3

11. Xiang B., Jia Y., Lei Y., Zhang F., He J., Liu T., Luo S. Mechanical properties of microcellular and nanocellular silicone rubber foams obtained by supercritical carbon dioxide. Polymer J. 2019;51(6):559–568. https://doi.org/10.1038/s41428-019-0175-6

12. Xiang B., Deng Z., Zhang F., Wen N., Lei Y., Liu T., Luo S. Microcellular silicone rubber foams: the influence of reinforcing agent on cellular morphology and nucleation. Polym. Eng. Sci. 2019;59(1):5–14. https://doi.org/10.1002/pen.24857

13. Tang W., Liao X., Zhang Y., Li J., Wang G., Li. G. Mechanical–microstructure relationship and cellular failure mechanism of silicone rubber foam by the cell microstructure designed in supercritical CO2. J. Phys. Chem. C. 2019;123(44):26947–26956. https://doi.org/10.1021/acs.jpcc.9b06992

14. Tessanan W., Phinyochee, P., Daneil P., Gibaud A. Microcellular natural rubber using supercritical CO2 technology. J. Supercritical Fluids. 2019;149:70–78. https://doi.org/10.1016/j.supflu.2019.03.022

15. Song Y., Dattatray A., Yu Z., Zhang X., Du A., Wang H., Zhang Z.X. Lightweight and flexible silicone rubber foam with dopamine grafted multi-walled carbon nanotubes and silver nanoparticles using supercritical foaming technology: Its preparation and electromagnetic interference shielding performance. Eur. Polym. J. 2021;161(5):110839. https://doi.org/10.1016/j.eurpolymj.2021.110839

16. Кербер М.Л. Шерышев М.А., Буканов А.М., Вольфсон С.И., Горбунова И.Ю., Кандырин Л.Б., Сирота А.Г. Технология переработки полимеров. Физические и химические процессы. М.: Юрайт; 2017. 316 c. ISBN 978-5-534-04915-2

17. Кольцов Н.И., Ушмарин Н.Ф., Иссакова С.А., Виногорова С.С., Чернова Н.А., Верхунов С.М., Петрова Н.Н. Исследование влияния пластификаторов ПЭФ-1 и трихлорэтилфосфата на технологические, физико-механические свойства и морозостойкость резин на основе бутадиен-нитрильных каучуков. Вестник Казанского технологического университета. 2012;15(2):41–44.

18. Шварц А.Г., Динзбург Б.Н. Совмещение каучуков с пластиками и синтетическими смолами. М.: Химия; 1972. 224 с.

19. Власов С.В., Марков А.В. Ориентационные явления в процессах переработки полимерных материалов. М.: МИТХТ; 2014. 138 с. ISBN 978-5-904742-29-4 20. Тагер А.А. Физикохимия полимеров. М.: Химия; 1978. 544 с.

20. Тагер А.А. Физикохимия полимеров. М.: Химия; 1978. 544 с.