Обработка поверхности бутадиен-нитрильного каучука для повышения износостойкости и механических свойств

Цели. Разработать новые методы повышения механических и износостойких свойств бутадиен-нитрильных каучуков (nitrile butadiene rubber, NBR) путем нанесения поверхностных покрытий и исследовать методы быстрой обработки поверхности NBR с использованием эластомерной композиции на основе фторполимера ФКМ-32 и фторопласта F32L.

Методы. Испытания на истирание проводили с помощью трибометра МИ-2, определение прочностных свойств образцов — с помощью универсальной испытательной машины DVT GP UG 5 (Devotrans, Турция), твердость — с помощью твердомера типа Шор А. Образцы были вырезаны на пневматическом штамповочном прессе GT-7016-AR (GOTECH Testing Machines Inc., Стамбул, Турция). Исследование микроструктуры и элементного состава проводили с помощью сканирующего электронного микроскопа Vega 3 (TESCAN, Брно, Чехия), оснащенного энергодисперсионной аналитической приставкой X-Act (Oxford Instruments, Хай-Вайкомб, Великобритания).

Результаты. Установлено, что погружение NBR в 10%-ный раствор поливинилиденфторида-трифторхлорэтилена (фторопласта F32L) в 1,1,2-трифтор-1,2,2-трихлорэтане приводит к образованию на поверхности резины равномерного покрытия на основе фторполимера и вызывает снижение величины абразивного износа (истираемость) с 0.046 до 0.005 м³/ТДж, что соответствует существенному повышению абразивной стойкости NBR. Для каучуков, покрытых погружением во фторопластовый раствор, модуль упругости при 100 и 300%-ных деформациях увеличивается на 86 и 44% соответственно, в то время как прочность на растяжение увеличивается на 20%, а твердость увеличивается на 9 единиц по сравнению с полученным NBR.

Выводы. Обработка поверхности NBR эластомерным составом на основе фторкаучука марки ФКМ-32 с последующим термостатированием не позволяет снизить износостойкость резины независимо от предварительного замачивания в метилэтилкетоне. Модифицированный по поверхности NBR (методом М3) показывает лучшие трибологические и механические характеристики, чем необработанный образец. Наличие атомов галогенов на поверхностном слое образца отвечает за комплекс повышенных свойств поверхностно-модифицированного NBR-M3.

1. Ning K., Lu J., Xie P., Hu J., Huang J., Sheng K. Study on Surface Modification of Silicone Rubber for Composite Insulator by Electron Beam Irradiation. Nucl Instrum Methods Phys Res B. 2021;499:7–16. https://doi.org/10.1016/j.nimb.2021.04.019

2. Song J., Vancso G.J. Effects of Flame Treatment on the Interfacial Energy of Polyethylene Assessed by Contact Mechanics. Langmuir. 2008;24:4845–4852. https://doi.org/10.1021/la7035532

3. Romero-Sánchez M.D., Pastor-Blas M.M., Martín-Martínez J.M., Zhdan P.A. Watts J.F. Surface Modifications of a Vulcanized Rubber Using Corona Discharge and Ultraviolet Radiation Treatments. J Mater Sci. 2001;36:5789–5799. https://doi.org/10.1023/A:1012999820592

4. Martínez L., Álvarez L., Huttel Y., Méndez J., Román E., Vanhulsel A., Verheyde B., Jacobs R. Surface Analysis of NBR and HNBR Elastomers Modified with Different Plasma Treatments. Vacuum. 2007;81:1489–1492. https://doi.org/10.1016/j.vacuum.2007.04.025

5. Kavc T., Kern W., Ebel M.F., Svagera R., Pölt P. Surface Modification of Polyethylene by Photochemical Introduction of Sulfonic Acid Groups. Chemistry of Materials. 2000;12:1053–1059. https://doi.org/10.1021/cm991158p

6. Nuzaimah M., Sapuan S.M., Nadlene R., Jawaid M. Effect of Surface Treatment on the Performance of Polyester Composite Filled with Waste Glove Rubber Crumbs. Waste and Biomass Valorization. 2020;12(2). https://doi.org/10.1007/s12649-020-01008-2

7. Lu X., Wang J., Cai S., Niu B., He Q., He X. Improving Thermo‐oxidative Stability and Mediums Resistance of Nitrile Rubber via Surface Superhydrophobic Modification. J. Appl. Polym. Sci. 2022;139(17). https://doi.org/10.1002/app.52016

8. Yang Q., Chen S., Gao S., Wan S., He X. Improving Thermal‐oxidative Stability of Nitrile Butadiene Rubber Composites by Surface Modification of Zirconium Phosphate. Polym. Compos. 2023;44:505–514. https://doi.org/10.1002/pc.27113

9. Wu Y.M., Liu J.Q., Cao H.T., Wu Z.Y., Wang Q., Ma Y.P., Jiang H., Wen F., Pei Y.T. On the Adhesion and Wear Resistance of DLC Films Deposited on Nitrile Butadiene Rubber: A Ti-C Interlayer. Diam Relat Mater. 2020;101. https://doi.org/10.1016/j.diamond.2019.107563

10. Zhou Z., Han Y., Qian J. Improving Mechanical and Tribological Behaviors of GLC Films on NBR under Water Lubrication by Doping Ti and N. Coatings. 2022;12. https://doi.org/10.3390/coatings12070937

11. Nudelman Z.N., Dontsov A.A., Novitskaya S.P. Ftorelastomery (Fluoroelastomers). Moscow: Khimiya; 1988. 240 p. (In Russ.).

12. Dontsov A.A., Lozovik G.Ya., Novitskaya S.P. Khlorirovannye polimery (Chlorinated Polymers). Moscow: Khimiya; 1979. 232 p. (In Russ.).

13. Tutorsky I.A., Potapov E.E., Shvarts A.G. Khimicheskaya modifikatsiya elastomerov (Chemical Modification of Elastomers). Moscow: Khimiya; 1993. 304 p. (In Russ.).

14. Nudelman Z.N. Ftorkauchuki: osnovy, pererabotka, primenenie (Fluororubbers: Fundamentals, Processing, Application). Moscow: PIF RIAS; 2007. 383 p. (In Russ.).

15. Nudelman Z.N., Galil-ogly F.A., Novikov A.S. Ftorkauchuki i reziny na ikh osnove (Fluororubbers and Rubbers Based on Them). Moscow: Khimiya; 1966. 234 p. (In Russ.).

16. Adov M.V., Zuev A.V., Pichkhidze S.Ya., Yurovsky V.S. Application of Fine Rubber Powder Based on Chloroprene Rubber in the Formulation of Rubber Compounds Based on This Rubber. Kauchuk i rezina. 2010;4:25–27 (in Russ.).

17. Pastor-Blas M.M., Martín-Martínez J.M. Different Surface Modifications Produced by Oxygen Plasma and Halogenation Treatments on a Vulcanized Rubber. J. Adhes. Sci. Technol. 2002;16:409–428. https://doi.org/10.1163/156856102760067190

18. Abbott S.G., Brewis D.M., Manley N.E., Mathieson I., Oliver N.E. Solvent-Free Bonding of ShoeSoling Materials. Int. J. Adhes. 2003;23:225–230. https://doi.org/10.1016/S0143-7496(03)00025-3

19. Daniel P., Thian H.Ng., Heam K.T., Roger L., Matt J.C. The effects of chlorination, thickness, and moisture on glove donning efficiency. Ergonomics. 2021;64(3). https://doi.org/10.1080/00140139.2021.1907452

20. Khan M.S., Heinrich G. PTFE-Based Rubber Composites for Tribological Applications. Advanced Rubber Composites. 2010:249–310. https://doi.org/10.1007/12_2010_98

21. Belov N.A., Alentiev A.Y., Bogdanova Y.G., Vdovichenko A.Y., Pashkevich D.S. Direct Fluorination as Method of Improvement of Operational Properties of Polymeric Materials. Polymers (Basel). 2020;12. https://doi.org/10.3390/polym12122836

22. Qiang G., Changou P., Pengwei X., Mingliang P., Peng L. Fluorination of nitrile-butadiene rubber without gelation via radical graft polymerization in presence of chain transfer agent. European Polymer Journal. 2021;151. https://doi.org/10.1016/j.eurpolymj.2021.110442

23. Gao J., Dai Y., Wang X., Huang J., Yao J., Yang J., Liu X. Effects of Different Fluorination Routes on Aramid Fiber Surface Structures and Interlaminar Shear Strength of Its Composites. Appl Surf Sci. 2013;270:627–633. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2013.01.099

24. Qiang G., Changou P., Siwei Sh., Pengwei X., Mingliang P., Peng L. Facile fluorination of nitrile-butadiene rubber via olefin cross metathesis. Polymer. 2021;217. https://doi.org/10.1016/j.polymer.2021.123455

25. Yang X., Yang C., Nie M. Industrial Preparation of SelfLubricating Polyurethane via Direct Fluorination with Gaseous Fluorine. ACS Omega. 2022;7:28388–28395. https://doi.org/10.1021/acsomega.2c03019

26. Belov N.A., Pashkevich D.S., Alentiev A.Y., Tressaud A. Effect of Direct Fluorination on the Transport Properties and Swelling of Polymeric Materials: A Review. Membranes. 2021;11(9). https://doi.org/10.3390/membranes11090713

27. Kharitonov A.P. Direct Fluorination of Polymers ‒ From Fundamental Research to Industrial Applications. Prog Org Coat. 2008;61:192–204. https://doi.org/10.1016/j.porgcoat.2007.09.027

28. Mostafa A., Abouel-Kasem A., Bayoumi M.R., El-Sebaie M.G. Insight into the Effect of CB Loading on Tension, Compression, Hardness and Abrasion Properties of SBR and NBR Filled Compounds. Mater Des. 2009;30: 1785–1791. https://doi.org/10.1016/j.matdes.2008.07.037