Исследование коррозионного воздействия озона на вулканизаты

Цели. Озонная коррозия вулканизатов моделируется как перколяционный фазовый переход, аналогичный по схеме развития континуальной перколяции на плоскости, в процессе которой разрастающиеся области новой фазы образуют единый «перекидывающийся» кластер. Процесс озонной коррозии представляется разделенным на две стадии. На первой стадии процесс озонопоглощения происходит на границах корродированных участков с окружающей поверхностью вулканизата, поэтому поглощение образцом озона вначале возрастает, затем уменьшается по мере смыкания участков увеличивающейся корродированной поверхности. При соприкосновении соседних участков поверхности, состоящих из продуктов озонолиза, под воздействием двумерного напряжения на поверхности начинают появляться коррозионные трещины. На второй стадии коррозионные трещины проникают в глубь материала из-за его напряженного состояния, сопровождаясь проникновением озона во внутренние области образца. Изменение в процессе озонолиза общей длины линии контакта областей продуктов озонолиза с поверхностью, еще не подвергнутой озонной коррозии, отражает общее озонопоглощение корродирующего образца. Целью данной работы является экспериментальное исследование и компьютерное моделирование процессов зарождения трещин в образцах технических вулканизатов, находящихся в плоском напряженном состоянии, вследствие воздействия озона.

Методы. Компьютерное моделирование временной зависимости общей длины контакта областей продуктов озонной коррозии и исходного вулканизата осуществлялось с помощью разработанной авторами программы на языке C++. Реальные эксперименты по регистрации кинетики озонопоглощения озона шинными вулканизатами проводились на установке ТОМ-1000. Образцы для исследований по методу ТОМ^[1] (техническая озоностойкость материалов) представляют собой тонкие диски, защемленные по контуру и подвергаемые одностороннему двумерному растяжению давлением сжатого воздуха. Со стороны противоположной плоскости образец подвергается воздействию потока озона. Установка дает возможность создания в образце относительной деформации до 100% увеличения площади поверхности.

Результаты. Компьютерное моделирование позволило, в сочетании с прямыми измерениями временной зависимости озонопоглощения, исследовать динамику процесса деструкции вулканизатов в среде озона. Предложен численный параметр озоностойкости вулканизатов — коэффициент озоностойкости, который практически линейно связан с временем до начала трещинообразования, однако более точен, т.к. не требует визуального наблюдения за процессом озонолиза.

Выводы. Результаты машинного моделирования находятся в хорошем согласии с результатами реальных экспериментов по регистрации кинетики озонопоглощения образцов шинных вулканизатов в процессе озонолиза, что свидетельствует в пользу правомерности модели двухстадийной коррозии вулканизатов в среде озона.

1. Разумовский С.Д., Заиков Г.Е. Озон и его реакции с органическими соединениями. М.: Наука; 1974, 324 с.

2. Зуев Ю.С., Дегтева Т.Г. Стойкость эластомеров в эксплуатационных условиях. М.: Химия; 1986, 264 с.

3. Rakovsky S., Zaikov G. Kinetics and Mechanism of Ozone Reactions with Organic and Polymeric Compounds in Liquid Phase. N.Y.: Nova Science Publisher, Inc.; 1998, 345 p.

4. Дик Дж.С. Технология резины: Рецептуростроение и испытания: пер. с англ.; под ред. В.А. Шершнева. СПб.: Научные основы и технологии; 2010, 620 с. ISBN 978-5-91703-015-9

5. Большой справочник резинщика: в 2 ч.; под ред. С.В. Резниченко, Ю.Л. Морозова. Ч. 2. Резины и резинотехнические изделия. М.: Техинформ; 2012, 641 с. ISBN 978-5-89551-025-4

6. Хорова Е.А., Нагорная М.Н., Третьякова Н.А. Повышение стойкости к термоокислительному и озонному старению резин, работающих в условиях динамического нагружения. Каучук и резина. 2024;83(3):140–143.

7. Zheng T., Zheng X., Zhan S., Zhou J., Liao S. Study on the ozone aging mechanism of Natural Rubber. Polym. Degrad. Stab. 2021;186(2):109514. https://doi.org/10.1016/j.polymdegradstab.2021.109514

8. Мамед Гасан-Заде Д.С., Мустафаева Р.Э. Получение и исследование озоностойких резин на основе смеси эластомеров. Каучук и резина. 2019;78(2):114–115.

9. Бочкарев Е.С., Ваниев М.А., Буравов Б.А., Губин С.Г., Данг М.Т., Фан Н.Ту., Новаков И.А. Влияние ингредиентов на старение резин под действием озона и атмосферных факторов. Известия Волгоградского государственного технического университета (Известия ВолгГТУ). 2022;5(264): 7–19. https://doi.org/10.35211/1990-5297-2022-5-264-7-19

10. Sieradzki K., Rong L. Fracture Behavior of a Solid with Random Porosity. Phys. Rev. Lett. 1987;56:2509–2512. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.58.429

11. Морозовский А.Е., Снарский А.А. Перколяционное описание проводимости случайных сеток с широким спектром распределения сопротивлений. Журнал экспериментальной и теоретической физики (ЖЭТФ). 1993;104(6): 4059–4072.

12. Чинь В.X. Модель трещины в механизме динамического фазового перехода и физический смысл функции Качанова. Физическая мезомеханика. 2002;5(4):5–8.

13. Халкечев Р.К. Перколяционная мультифрактальная математическая модель разрушения газосодержащего породного массива как основа для прогнозирования внезапного выброса пород и газа. Горный информационно-аналитический бюллетень. 2015;4:359–363.

14. Валишин А.А., Антонова И.В. Перколяционная модель накопления микродефектов и коллапса зоны вынужденной эластичности перед фронтом трещины разрушения в полимерных и композиционных материалах. Инженерный журнал: наука и инновации. 2016;11(59):1–16. https://doi.org/10.18698/2308-6033-2016-11-1556

15. Догадкин Б.А., Донцов А.А., Шершнев В.А. Химия эластомеров. М.: Химия; 1981, 376 с.

16. Ikeda Y., Higashitani N., Hijikata K., Kokubo Y., Morita Y., Shibayama M., Osaka N., Suzuki T., Endo H., Kohjiya S. Vulcanization: New focus on a traditional technology by small-angle neutron scattering. Macromolecules. 2009;42(7): 2741–2748. https://doi.org/10.1021/ma802730z

17. Гульд Х., Тобочник Я. Компьютерное моделирование в физике: в 2 ч.: пер. с англ. Ч. 2. М.: Мир; 1990, 400 с. ISBN 5-03-001594-9

18. Тарасевич Ю.Ю. Перколяция: теория, приложения, алгоритмы. М.: URSS; 2018, 112 с.

19. Watson B.P., Leath P.L. Conductivity in the two-dimensionalsite percolation problem. Phys. Rev. B. 1975;9:4893–4896. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.9.4893

20. Last B.J., Thouless D.J. Percolation Theory and Electrical Conductivity. Phys. Rev. Lett. 1971;27(25):1719–1721. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.27.1719

21. Медников С.В., Чеботарев М.А., Медников В.С. Перколяционная модель коррозионного процесса. Вопросы физической метрологии. 2003;5:54–66. https://elibrary.ru/iuzzal

22. Медников С.В., Тужиков О.О., Ольшанский О.В. Способ определения долговечности конструкционных материалов в агрессивных средах и устройство для его осуществления: пат. 2320972 РФ. Заявл. 11.11.2005; опубл. 27.03.2008.

23. Тужиков О.О., Ольшанский О.В., Медников С.В., Байерляйн Р., Байерляен Х. «Том – 3000» – автоматизированный испытательный комплекс для определения озоностойкости резин. Каучук и резина. 2009;2:35–38.

24. Медников С.В., Тужиков О.О., Ольшанский О.В. Химическая коррозия эластомерных материалов в условиях плоского напряженного состояния как фазовый переход. Известия Волгоградского государственного технического университета (Известия ВолгГТУ). 2017;4(199):66–70. https://elibrary.ru/ypwjdv