Бутадиен-нитрильные каучуки (NBR/БНК)

25.09.2014

Разновидности NBR/БНК

Бутадиен-нитрильные каучуки — основной продукт для получения резин с высокой стойкостью в среде нефтепродуктов, синтетический полимер, продукт сополимеризации бутадиена с акрилонитрилом (НАК, ACN). Свойства сополимера зависят от содержания НАК, чем выше содержание нитрила в полимере, тем выше его устойчивость к маслам, но ниже упругость.

Бутадиен-нитрильный каучук (БНК, NBR) известен также как нитрильный каучук, дивинил-нитрильный каучук, бутадиен-акрилонитрильный каучук, бутакрил, буна-N, отечественная маркировка СКН (синтетический каучук (бутадиен-) нитрильный). Международное обозначение NBR (nitrile-butadienerubber), также используются названия nitrilerubber, acrylonitrilebutadiene rubber, Buna-N, Perbunan и GR-N (Government Rubber-Nitrile).

БНК (NBR) был синтезирован немецкими химиками и запатентован в 1934 году под названием Buna-N. БНК был высоко востребован в военной промышленности в ходе второй мировой войны, особенно после того, как страны антигитлеровской коалиции лишились большей части источников натурального каучука. В связи с этим правительство США запустила специальную программу по развитию производства синтетических каучуков. Производимый в рамках этой программы БНК получил наименование GR-N (Government Rubber-Nitrile, «правительственный каучук – нитрильный»).

К семейству нитрильных каучуков также можно отнести гидрированный бутадиен-нитрильный каучук (Hydrated Nitrile Rubbers, hydrogenatedacrylonitrile-butadiene rubber, HNBR, HSN, highlysaturatednitrile) и бутадиен-нитрильный карбоксилатный каучук (Carboxylated Nitrile, XNBR). По сравнению с БНК данные материалы обладают лучшими механическими свойствами.

Характеристики NBR/БНК, совместимость со средами

Наиболее важное свойство резин на основе БНК – стойкость к действию агрессивных сред, в том числе к нефтепродуктам. БНК (NBR) проявляет хорошую устойчивость к воде (в т.ч. горячей), минеральным маслам и пластичным смазкам на их основе, алифатическим углеводородам (пропан, бутан, бензины неэтилированные), хладагентам ("хладоны", "фреоны", холодильные агенты) групп HFA, HFB, HFC, растительным и животным маслам и жирам, дизельному топливу с содержанием ароматических углеводородов не более 40%. При комнатной температуре, БНК устойчив к большому количеству разбавленных кислот (в т.ч. серной и соляной), оснований и солевых растворов (в т.ч. к морской воде). БНК применим для керосина, мазута, глицерина, этиленгликоля, формальдегида и, с точки зрения бензо- и масло- стойкости уступает только кремний-органическим каучукам.

БНК проявляет среднюю устойчивость к дизельному топливу с содержанием ароматических углеводородов свыше 40%, этилированным бензинам, биологически разлагающимся гидравлическим жидкостям. Силиконовые масла могут вызвать сокращение (cжатие) размеров изделия из БНК.

Многие свойства БНК существенно зависят от содержания акрилонитрильных звеньев, например, сополимеры с большим содержанием акрилонитрильных звеньев проявляют большую устойчивость к толуолу и бензолу.

БНК (NBR) применим в широком температурном диапазоне. Общие исполнения имеют рабочий диапазон -30°C...+100°C. Специальные исполнения могут иметь низкотемпературный (-55°C... 80°C) или высокотемпературный диапазон (-30°C... + 135°C).

БНК обладает хорошими механическими свойствами, высокой твердостью и для резиновых эластомеров относительно высокой устойчивостью к истиранию. Также БНК характеризуется высоким постоянным коэффициентом трения, высокой износостойкостью, в том числе при повышенной температуре, хорошими динамическими свойствами.

Присутствие в макромолекуле каучука полярных нитрильных групп обусловливает низкие электроизоляционные свойства и, соответственно, сравнительно высокую электрическую проводимость резин, резко возрастающую с увеличением содержания акрилонитрильных звеньев. Черный БНК (с содержанием сажи) обладает отличными антистатическими свойствами.

Газо- и водопроницаемость резин из БНК значительно ниже, чем резин из неполярных каучуков (изопреновых, бутадиеновых, бутадиен-стирольных). Газопроницаемость тем меньше, чем больше содержание в каучуке акрилонитрильных звеньев.

БНК (NBR) хорошо крепится к металлам, и поэтому применяется для изготовления резинометаллических деталей, работающих в топливах и маслах.

БНК неустойчив к действию ароматических углеводородов (толуол, бензол), хлорированных углеводородов (трихлор-, перхлорэтилен), тормозных жидкостей и антифризов на гликолевой основе, хладагентов группы HFD, ацето-, этиловому, бутиловому и т.д. эфирам. БНК растворяется в кетонах, этилацетате и хлороформе.

К недостаткам БНК относятся низкая устойчивость к светоозонному и другим видам старения. В связи с низкой погодной устойчивость необходимо соблюдать условия хранения.

При высоких температурах ускоряется старение, за счет чего материал становится твердым и хрупким. В кислородной атмосфере (воздух) это проявляется примерно при 80°C, при перекрытии доступа воздуха процесс старения значительно замедляется (например, в горячем масле). При изготовлении изделий из БНК сторону, имеющую контакт с воздухом, защищают дополнительным покрытием из другого каучука, более стойкого к воздействию атмосферы.

Применение NBR/БНК

БНК (NBR) применяется в основном в тех областях, в которых требуются как высокая устойчивость к ГСМ и химически активным средам, так и высокая эластичность и низкая остаточная деформация. БНК используют в производстве разнообразных изделий и деталей, эксплуатируемых в контакте с агрессивными средами, например, уплотнителей, сальников, резиновых компенсаторов, топливных и масляных шлангов, приводных ремней, топливных баков для автомобильной, авиационной, нефтяной промышленности, полиграфических офсетных пластин, подошвы маслостойкой обуви и др. Из БНК изготавливаются грязесъемники, штоковые и поршневые уплотнения для низких давлений, уплотнения валов, прокладочные кольца круглого сечения (O-ring).

В нашем ассортименте представлены 4 различных вида резиновых компенсаторов на основе БНК (NBR) для различных сфер применения. Классической моделью является резиновый компенсатор ERV-G, используемый для всех видов нефтепродуктов. У данной модели есть специальный вариант исполнения для экстремально низких температур – морозостойкий резиновый компенсатор ERV-G LT. Для более сложных условий эксплуатации, требующих высокой отказоустойчивости, используется резиновый компенсатор ERV-GS. Также из БНК (NBR) изготавливается резиновый компенсатор ERV-OR, предназначенный для сжиженного углеводородного газа (СУГ, LPG).

Также к данному семейству моделей можно отнести резиновый компенсатор для экстремальных условий эксплуатации ERV-GS HNBR, изготавливаемый из гидрированного бутадиен-нитрильного каучука. Данный материал обладает рядом своих особенностей, отличных от обычного БНК, которые будут рассмотрены в отдельной статье.

БНК широко используется для изготовления перчаток, одноразовых и многоразовых. В химической, пищевой и медицинской промышленности чаще применяются перчатки, целиком изготовленные из БНК. В машиностроении и других отраслях промышленности БНК используется как покрытие на защитных перчатках для погрузочно-разгрузочных и сборочных работ. При этом востребованы как химическая и маслобензостойкость БНК, так и высокая износостойкость и надежный, без скольжения, захват чистых и загрязнённых (замасленных) предметов.

БНК также используется для изготовления изделий методом литья, обуви, клеев, герметиков, губок, монтажной строительной пены, ковриков и других покрытий.

БНК применяют также как основу адгезивов, в качестве нелетучих и невымываемых пластификаторов пластмасс, БНК некоторых типов – для изготовления оболочек электрических кабелей, эбонита и др.

Благодаря стойкости к растительным и животным жирам БНК широко применяется в пищевой и косметической промышленности. При этом используются специальные марки БНК (СКН), обозначаемые в России буквой П (пищевой) после численного индекса, международные ] обозначения: FoodGrade, FoodQuality. Также может указываться соответствие требованиям FDA (Foodand Drug Administration, USFDA), 3-ASSI (3-A Sanitary Standards, Inc.) или иным региональным или международным стандартам. Пищевые БНК чаще выпускаются белого или серого цвета, но встречаются и черные. Из данного материала мы изготавливается модель резинового компенсатора ERV-W, используемая в пищевой промышленности, фармацевтике и пр.

Для компенсации низкой устойчивости к воздействию атмосферы (воздуха) в изделиях могут сочетать внутренний слой из БНК с внешним защитным слоем из резины, стойкой к погодным воздействиям. Например, в резиновых компенсаторах ERV сочетают внутренний слой БНК с защитным слоем из хлоропрена, что позволяет значительно продлить срок службы изделия, не вызывая его удорожания, так как хлоропрен является одним из самых дешевых видов каучука.

Химическое описание NBR/БНК

Молекулы БНК состоят из статистически чередующихся звеньев бутадиена и НАК:

—[-CH2-CH=CH-CH2-]n — [-CH2-CH(CN)-]m—

В макромолекуле БНК большинство бутадиеновых звеньев присоединено в положениях 1, 4 (около 80% этих звеньев имеют транс-конфигурацию), ~ 10% - в положениях 1,2. Содержание 1,2-звеньев бутадиена уменьшается с увеличением количества присоединенного НАК. Акрилонитрильные звенья распределены в макромолекуле нерегулярно; среднее их содержание для различных БНК составляет 17-52%. Вследствие нерегулярности строения БНК не склонны к кристаллизации. Макромолекулы каучука характеризуются значительной длинноцепочечной разветвленностью.

В СССР выпускали каучуки с низким (17—20 %), средним (27—30 %), высоким (36—40 %) и очень высоким (50 %) содержанием НАК, которые соответственно обозначаются: СКН-18, СКН-26, СКН-40, СКН-50.

Технология производства NBR/БНК

БНК синтезируют радикальной сополимеризацией мономеров в водной эмульсии при 5°С («холодная полимеризация») или 30°С («горячая полимеризация») в присутствии эмульгатора. Низкотемпературные БНК обладают лучшими технологическими и физико-механическими свойствами в сравнении с высокотемпературными. Цвет БНК от светло-желтого до темно-коричневого; содержание в них примесей (остатков эмульгаторов, влаги и др.) до 5%. Выпускные формы – брикеты, смотанная в рулоны лента, пластины, листы, крошка, гранулы, порошки. В промышленных масштабах выпускают композиции БНК с ПВХ (обычно в соотношении 70:30 или 50:50), на основе которых получают озоно-, износо- и огнестойкие изделия. Перерабатывают БНК на обычном оборудовании резиновых заводов (вальцах, смесителях, каландрах, экструдерах), изделия вулканизуют при 140-160°С в прессах, котлах и др. «Жесткие» каучуки перед введением в них ингредиентов пластицируют. БНК технологически совместимы с другими каучуками, например, бутадиеновыми, бутадиен-стирольными, полисульфидными и др.

Для вулканизации БНК применяют серу или тетраметилтиурамдисульфид для получения теплостойких резин. В качестве наполнителей резиновых смесей используют технический углерод (сажу), мел, каолин, оксид кремния и др., в качестве пластификаторов – главным образом сложные эфиры (фталаты, себацинаты), а также канифоль, инден-кумароновые и феноло-формальдегидные смолы. Общее содержание ингредиентов может изменяться в пределах 50-150 массовых частей на 100 массовых частей каучука.

Некоторые торговые марки NBR/БНК

БНК (NBR) известен под различными, наименованиями. Часть из них сейчас не обозначают конкретного производителя, например СКН (SKN, традиционное обозначение в СССР и России), Buna-N (Буна-N), Gr-N. Другие наименования являются торговыми марками производителя: