ORCID: 0009-0003-0870-3309 Шохін М.В.
ORCID: 0000-0002-4991-6250 Гуляєв В.М.
ORCID: 0000-0003-1496-6634 Коваленко А.Л.
Вступ
Еластомерні матеріали широко застосовуються в машинобудуванні, хімічній промисловості, енергетиці та медицині завдяки їх високій еластичності та здатності до оборотних деформацій. Проте експлуатація в умовах підвищених температур, дії кисню, ультрафіолетового випромінювання та агресивних середовищ призводить до термічного та окисного старіння еластомерів, що супроводжується погіршенням механічних властивостей і скороченням терміну служби. Одним з ефективних шляхів підвищення термостійкості та старостійкості є модифікація еластомерних композицій оксидами металів, які можуть виконувати функції активних наповнювачів, термостабілізаторів або антиокиснювальних агентів [1, c. 10].
Механізми термічного та окисного старіння еластомерів
Термічне старіння еластомерів пов’язане з розривом полімерних ланцюгів, деструкцією поперечних зв’язків і окисними реакціями за участю кисню повітря. У результаті відбувається зменшення подовження при розриві, підвищення жорсткості та поява крихкості [2, c. 120]. Окисне старіння особливо інтенсивне при температурах вище 80–100 °C і супроводжується утворенням карбонільних та пероксидних груп у полімерній матриці.
Оксиди металів (ZnO, TiO₂, Al₂O₃, MgO, Fe₂O₃) здатні істотно впливати на термічну стабільність еластомерів. ZnO традиційно використовується як активатор вулканізації, однак численні дослідження показують, що він також підвищує термостійкість завдяки утворенню стабільних міжфазних зв’язків і поглинанню продуктів термоокисної деструкції. Al₂O₃ та MgO проявляють теплозахисні властивості, зменшуючи швидкість теплопереносу в матеріалі та стабілізуючи структуру зшивок [3, c. 58].
Старостійкість еластомерних композицій визначається здатністю зберігати механічні властивості після тривалої дії тепла, кисню або ультрафіолету. Дослідження показують, що введення TiO₂ та ZnO зменшує швидкість окисного старіння завдяки поглинанню УФ-випромінювання та дезактивації вільних радикалів [4, c. 17726]. MgO додатково нейтралізує кислотні продукти деструкції, що сповільнює деградацію полімерних ланцюгів. Таким чином, оксидні наповнювачі виконують не лише механічну, а й хімічну стабілізуючу функцію.
Вплив дисперсності та концентрації оксидів
Ефективність оксидних добавок значною мірою залежить від розміру частинок і рівномірності їх розподілу в еластомерній матриці. Нанодисперсні оксиди демонструють вищу ефективність стабілізації за рахунок більшої питомої поверхні та активної міжфазної взаємодії [5, c. 122]. Проте надмірна концентрація може призводити до агломерації частинок і локальних напружень, що негативно впливає на довговічність матеріалу. Оптимальні концентрації оксидів, за даними літератури, зазвичай становлять 3–10 мас.% залежно від типу еластомеру. Порівняння літературних даних щодо впливу оксидів металів на показники старіння еластомерів надане в таблиці 1.
Таблиця 1
Вплив оксидів металів на показники старіння еластомерів
Аналіз українських і зарубіжних публікацій свідчить, що оксиди металів відіграють багатофункціональну роль у забезпеченні термостійкості та старостійкості еластомерів. Вони здатні стабілізувати вулканізаційну сітку, поглинати теплову енергію, зменшувати дифузію кисню та нейтралізувати активні продукти деструкції [6, c. 103604]. Особливо перспективним є використання нанодисперсних оксидів, однак це вимагає контролю агломерації та ретельної оптимізації рецептури. У промисловій практиці найбільш поширеним залишається ZnO, проте сучасні тенденції спрямовані на часткову заміну його альтернативними оксидами (MgO, Al₂O₃) з метою зниження токсикологічного навантаження.
Висновки
1. Термічне та окисне старіння є основними факторами деградації еластомерів.
2. Оксиди металів істотно підвищують термостійкість і старостійкість еластомерних матеріалів.
3. Найбільш ефективними є ZnO, TiO₂, Al₂O₃ та MgO, дія яких залежить від дисперсності й концентрації.
4. Оптимізація складу еластомерних композицій з оксидними наповнювачами дозволяє значно подовжити термін експлуатації матеріалів у складних умовах.
Список літератури
1. Gent A. N. Engineering with rubber: how to design rubber components. Carl Hanser Verlag GmbH Co KG, 2012.
2. Mark J. Physical properties of polymers. Cambridge University Press, 2004.
3. Mohan A. S. et al. Effect of particle size of nano-oxides on color stability and mechanical properties of maxillofacial silicone elastomers: an in vitro study. Int. J. Prosthodont. 2021. Vol. 34. P. 54-60.
4. Englert M. et al. Mechanical properties of thermo-oxidative aged silicone rubber thermally stabilized by titanium oxide based fillers. Polymer Testing. 2022. Vol. 115. P. 107726.
5. Mohammad A. S., Omar Meran Z. D. Combined Effect of Zinc Oxide and Titanium Dioxide Nanoparticles on Color Stability and Antifungal Activity of Maxillofacial Silicone Elastomers: An In Vitro Study. Prosthesis. 2025. Vol. 7. №. 5. P. 122.
6. Esfarjani A., Shokrieh M. M. Effects of TiO2 nanoparticles and silane coupling agents on the adhesion strength and weathering properties of silicone rubber coatings. International Journal of Adhesion and Adhesives. 2024. Vol. 130. P. 103604.
|
Голосування 
Ця робота ліцензується відповідно до Creative Commons Attribution 4.0 International License
Знайшли помилку? Виділіть помилковий текст мишкою і натисніть Ctrl + Enter