Эластомерные материалы используются в различных отраслях из-за уникального сочетания свойств. Они способны к многократным обратимым деформациям, прочны, устойчивы к перепадам температур и агрессивным средам, а еще могут поглощать акустические волны и демпфировать колебания. Именно поэтому эластомеры (а проще говоря, резина) широко применяются в производстве шин, амортизаторов, конвейерных лент, шлангов, уплотнителей и герметизаторов.
В Якутии годовой перепад температуры может превышать 100 оС. Ученые называют этот регион идеальным полигоном для испытаний новых материалов
Однако такой материал – сложный «коктейль», содержащий 15–20 добавок. Это создает, с одной стороны, трудности, а с другой – свободу маневра. Химики могут выступать в роли творцов, делая смеси под разные варианты использования. Ученые из Института естественных наук СВФУ им. М.К. Аммосова решили улучшить материалы для экстремальных нагрузок – для Арктики.
Единство и борьба противоречий
Главное требование – морозостойкость. При низких температурах автомобильная и карьерная техника на Севере нередко выходит из строя. Помимо перепадов температур, на техническую резину воздействуют озон, ультрафиолет, агрессивные среды: смазки, топливо. Ведь чаще всего резиновые уплотнители используются там, где нужно предотвратить утечку из машины рабочей жидкости: масел, бензина и т. п.
«Для морозостойких эластомеров используется много пластификаторов, которые повышают гибкость и подвижность макромолекул каучука, что приводит к улучшению его низкотемпературных характеристик. Однако, как показали натурные испытания резин в нефтяной среде в климатических условиях Якутска, пластификаторы в течение первых месяцев экспозиции практически полностью вымываются, и коэффициент морозостойкости падает до нуля. Сами по себе такие добавки не могут решить проблему», – говорит Наталия Петрова, заведующая химическим отделением Института естественных наук.
В Якутии не только суровые зимы, но и жаркое лето. Годовая амплитуда температуры воздуха достигает 101˚С. «В таких условиях любому материалу сложно сохранять работоспособность. Якутия – идеальный полигон для испытания морозостойких полимеров», – уверена заведующая лабораторией «Технологии полимерных нанокомпозитов» Сардана Слепцова.
На все случаи жизни
Пропиленоксидный каучук был впервые синтезирован еще в советские времена в НИИ синтетического каучука им. С.В. Лебедева.
Специалистами СВФУ была исследована климатическая устойчивость и работоспособность многих серийных резин. «Когда мы говорим об уплотнителях для техники Севера (а их количество в больших агрегатах может достичь 10 тыс.), это всегда компромисс между морозостойкостью и агрессивостойкостью», – констатирует Сардана Слепцова.
Особо подробно изучался пропиленоксидный каучук (СКПО), работоспособный при морозе до –74 °С. Проведены длительные климатические испытания материала в нефтяной среде, которые показали высокую работоспособность изделий, созданных на его основе. А кроме того, была выполнена его модификация для улучшения свойств.
Сейчас для производства резинотехнических изделий в исполнении ХЛ (для холодного климата) чаще всего используются бутадиен-нитрильные каучуки. Для самого стойкого представителя этого семейства нижняя температурная граница эксплуатации составляет –50 °С.
В лаборатории были разработаны резины на основе СКПО, содержащие нанонаполнители (бентонитовые глины, цеолиты) и ультрадисперсный политетрафторэтилен, которые позволили существенно улучшить износостойкость материала. Исследователи на свои изобретения получили четыре российских патента и два американских.
Ученые получили четыре патента в России и два в США
Ученые говорят, что материалы готовы к массовому производству. Сфера их применения, помимо транспорта, – газовая, нефтяная, химическая, пищевая отрасли, а также ЖКХ. К примеру, надежность и эффективность работы оборудования для добычи нефти и газа в значительной степени зависит от ресурса эластомерных деталей. Они используются в различных агрегатах – от обсадных колонн до автотранспорта. Однако о промышленном внедрении пока говорить рано. «В Якутии проблема морозостойких материалов актуальна, но, так как здесь нет собственного производства деталей, наши разработки в масштабах региона не внедряются», – говорит Наталия Петрова.
Сказываются и другие причины. Производители техники, как правило, болезненно относятся к перспективе замены фирменных деталей на иные, пусть и инновационные. Нужны тесты, наладки и т. д. – все это стоит денег и занимает время. Эксплуатирующие организации, в свою очередь, не особо инициативны из-за боязни снятия машин с техобслуживания.
Бизнесу проще покупать уже готовые зарубежные морозостойкие каучуки или даже собранную под ключ технику, где применяются улучшенные резиновые детали, адаптированные к северному климату. Что до ЖКХ, то далеко не в каждом районе Якутии готовы закупать большую партию тех же прокладок, даже самых износостойких, а производство в небольших количествах малорентабельно.
«Продукт нужно уметь продвигать, рекламировать не на уровне региона, а на уровне всей страны. Это особый вид деятельности, недоступный ученым, чье дело – двигать науку. Мы сотрудничаем с Китаем, сделали для него несколько специальных разработок. Но хотелось бы, чтобы изобретения якутских ученых нашли применение на родине, ведь две трети территории России – зона холодного климата», – говорит Наталия Петрова.
Наталья Смирнова, Павел Усов
