ИННОВАЦИИ БИЗНЕСУ

Наименование инновационного проекта

«Разработка и производство полимерных уплотнительных материалов и деталей для экстремальных условий эксплуатации».

Рекомендуемая область пременения

Производство уплотнений и других резинотехнических изделий, применяемых в составе машин и механизмов для нефтегазовой, горнодобывающей промышленности, транспорта, ВПК, ЖКХ, судостроения.

Назначение, цели и задачи проекта

Разработка эластомерных материалов и деталей уплотнительного назначения, отличающихся повышенным уровнем эксплуатационных свойств и предназначенных для техники, используемой в арктических зонах России; их производство и активное внедрение в различных отраслях промышленности.

Краткое описание заменяемого процесса или решаемой проблемы

Интенсивное освоение богатых природных ресурсов Сибири и Крайнего Севера потребовало создания эластомерных материалов, которые могли бы надежно эксплуатироваться при низких температурах. Эксплуатация полимерных изделий в этих условиях в силу уникальных климатических факторов, а также вследствие воздействия перепадов давлений, агрессивных и абразивных сред, характерных для работы того или иного изделия, носит экстремальный характер. Крайне низкие температуры в зимнее время года (до -65°С); высокая прозрачность атмосферы, а следовательно и большая интенсивность ультрафиолетового излучения, обуславливающая глубокое протекание радикальных процессов старения полимера; резкие колебания температуры в осенне-весенний период с переходом через 0 °С, приводящие к появлению термических напряжений, накоплению микротрещин и хрупкому разрушению материала – все это усложняет выбор материала для эластомерных изделий уплотнительного назначения.

Комплектация управляющих, питающих, силовых и других систем транспортных средств и горнодобывающей техники с большим количеством резиновых уплотнений (до 10 тыс. на ед. техники) обуславливает значительное влияние ресурса резинотехнических изделий (РТИ) на стабильность и надежность работы агрегата в целом. Многолетняя практика эксплуатации техники на Севере показала, что в зимний период в условиях холодного климата производительность различных видов техники на открытых работах снижается примерно в два раза, фактический срок службы сокращается в 2,5-3,5 раза, что приводит к огромным убыткам. Статистический анализ  причин отказов техники в условиях холодного климата показал, что в значительной степени (30%) отказы техники связаны с неудовлетворительной работой уплотнительных узлов вследствие недостаточной морозостойкости резиновых уплотнительных деталей.

Один из наиболее распространенных способов повышения морозостойкости резин – введение большого количества пластификаторов - специальных веществ, повышающих гибкость и морозостойкость эластомеров. Однако при взаимодействии резинотехнических изделий с углеводородными средами (топливо, масла, смазки) в процессе их эксплуатации происходит интенсивное вымывание пластификатора. Анализ данных по исследованию климатической устойчивости серийных резин уплотнительного назначения на основе  бутадиен-нитрильных каучуков в среде нефти в условиях Республики Саха (Якутия) показал, что после двух первых месяцев экспозиции коэффициент морозостойкости при -50°С исследованных резин снижается до 0 и остается на этом уровне в течение всего последующего времени экспозиции (2 года), т.е. необратимое снижение низкотемпературных характеристик материалов вследствие протекания диффузионных процессов является основной причиной разрушения уплотнительных деталей в процессе эксплуатации. Пока эластомерный материал уплотнения находится в развитом высокоэластическом состоянии, часть энергии удара будет тратиться на его деформацию, при переходе в застеклованное состояние вероятность разрушения становится значительно выше.

Таким образом, эластомерные материалы, применяемые в настоящее время в промышленности для производства манжет, сальников, уплотнителей, не обеспечивают необходимого уровня надежности эксплуатации техники Севера, а традиционные способы создания подобных материалов (например, введение в рецептуру резин повышенных дозировок пластификаторов) не применимы для создания полимерных материалов для экстремальных условий эксплуатации. В тоже время, наблюдающийся в последнее время в России всплеск интереса к освоению новых нефтяных и газовых месторождений Западной Сибири и Республики Саха (Якутия) (например, строительство трубопровода ВСТО), доказывает необходимость и своевременность решения данной проблемы, создания и широкого внедрения новых типов эластомерных материалов, сочетающих высокий  уровень морозо- и  маслобензостойкости.

Краткое описание предлагаемого технологического процесса

По результатам проведенных  исследований (работы были выполнены в Институте неметаллических материалов СО РАН (г.Якутск), а впоследствии в ООО «Нордэласт», созданном на базе института в рамках программы «Старт») по изучению климатической устойчивости резин в условиях холодного резко континентального климата, эластомерные материалы на основе смесей каучуков хорошо зарекомендовали себя при экспозиции в нефти при низких температурах. Для них морозостойкость в меньшей степени зависит от перераспределения пластификатора между материалом и средой в процессе экспозиции, поскольку она определяется, в основном, наличием в композиции морозостойкого невымывающегося эластомерного компонента. Традиционно свойства и структура смесей каучуков рассматриваются с позиций коллоидно-химического подхода, учитывающего природу гетерогенных фаз, размер частиц дисперсной фазы, интенсивность взаимодействия на границе раздела и фазовую структуру, которая формируется на стадиях смешения или переработки, и окончательно фиксируется в процессе вулканизации. В ранее проведенных исследованиях накоплен значительный экспериментальный материал, позволяющий разработать физико-химические принципы создания резин с высоким уровнем морозо- и маслобензостойких свойств и получать материалы с заранее заданными свойствами. Правильный выбор совмещаемых каучуков, рациональное применение специальных добавок, направленно воздействующих на фазовую морфологию композиций, эксклюзивные методы поверхностной и структурной модификации существующих промышленных резин позволяют в значительных пределах регулировать свойства получаемых резин. Среди эффективных способов воздействия на структуру материала, которые предлагается использовать в рамках данного проекта – механо-химическая активация наполнителей, позволяющая измельчать их до нанометрового уровня (до 15% частиц после обработки в планетарной мельнице АГО-2С имеют размер от 3 до 50 нм) и придавать новые свойства; применение интересных с точки зрения химического состава и комплекса адсорбционных свойств  природных минеральных наполнителей - цеолитов и  бентонитов; оптимальное сочетание поверхностной и объемной модификации резин термопластичными полимерами (сверхвысокомолекулярный полиэтилен).

Технико-экономическое обоснование применения инновационной технологии

В результате многолетних систематических исследований по разработке уплотнительных материалов, повышающих надежность и ресурс узлов трения техники и технологического оборудования, эксплуатируемых в экстремальных арктических условиях,  получен и обобщен большой объем экспериментальной и теоретической информации по служебным свойствам полимерных материалов, их поведению в условиях низких температур, при поддержке федеральных структур (фонд Бортника),  создана первичная база по производству резинотехнических изделий.  Ассортимент производимых РТИ  составляет более 500 типоразмеров, годовой объем производства сравнительно невелик – 800 тыс. руб. в 2006г. Продукция опытного производства  имеет высокое качество и отличается более высокой морозостойкостью по сравнению с уплотнениями, завозимыми из-за пределов Республики Саха (Якутия).

Технико-экономические показатели трудо-энерго-природосбережения нового процесса

Представленные резины разработаны на основе доступных, промышленно выпускаемых полимеров, изделия из них обладают высокими потребительскими качествами при относительно невысокой стоимости. При условии вложения дополнительных средств, при проведении продуманной маркетинговой политики и расширении производства, производимые РТИ могут полностью вытеснить с рынка по некоторым позициям (в основном формовые изделия) завозимую продукцию. Стоимость изготовления уплотнительных деталей на малом предприятии несколько выше, чем на крупном заводе, но все это компенсируется высокими потребительскими качествами, основанными на использовании собственных разработок и строгом соблюдении технологии производства, а также «эксклюзивностью» товара, возможностью производства небольших партий изделий по требованиям заказчика.

Повышенный ресурс работы РТИ обеспечивает повышение срока эксплуатации машин и механизмов, снижает  затраты на замену вышедших из строя деталей, снижает простои техники. В связи с реализацией на территории Республики Саха (Якутия) крупного экономического проекта  - строительства  нефтепровода ВСТО, можно рекомендовать разработанные материалы и изделия для комплектации насосных станций, технологического оборудования нефтепровода. Этому способствует многолетний опыт изготовления РТИ для нефтепровода «Талакан - Витим», который имеет сборную конструкцию (его герметичность обеспечивается 22000 резиновых уплотнений), и успешно эксплуатируется на территории Якутии в течение 10 лет. В этом случае имеет смысл говорить не только об увеличении ресурса работы уплотнений, но и о значительном снижении  риска экологических катастроф, связанных с авариями на нефтепроводе.

Разработанные эластомерные материалы, обладают улучшенным комплексом свойств и значительной долговечностью при работе в жестких арктических условиях, применяются в качестве уплотнительных деталей (манжеты, сальники, герметизаторы) автомобильной и карьерной техники, нефтепроводов. По сравнению с серийными резинами обладают повышенными морозо- (в  2-2,5 раза), износо- (в 4 раза), агрессивостойкостью (в зависимости от среды в  2-10 раз). Поскольку подобные эксплутационные требования, включающие крайне суровые климатические условия и воздействие агрессивных факторов (рабочие среды, перепады давления, различные виды износа и т.д.), не предъявляются ни в одном регионе России, то разработки являются уникальными и не имеют аналогов (табл.2). Высокий уровень свойств резин и изготовленных из них РТИ обеспечивают высокую надежность эксплуатации техники и конкурентоспособность продукции на внутреннем рынке.

Таблица 2.

Основные эксплуатационные показатели разработанных резин уплотнительного назначения

Новые потребительские свойства продукции

К новым потребительским свойствам разработанных материалов следует отнести сочетание высокой морозостойкости резин с их малой степенью набухания в углеводородных средах. Природа проявлений элаcтомером низкотемпературной элаcтичноcти и агреccивоcтойких cвойcтв различна, поэтому большинство рецептурно-технологических способов, приводящих к повышению морозостойкости резин, например, введение больших количеств пластификатора, ухудшают маcлобензоcтойкоcть и наоборот. Применение композиционного принципа, когда в одном материале сочетаются два или более элаcтомера, один из которых имеет низкую температуру стеклования, а другой придает композиции стойкость в углеводородных средах. Тогда это противоречие, существующее на макромолекулярном уровне организации полимера, может быть преодолено на других уровнях, в частности на надмолекулярном, путем выбора оптимальной фазовой структуры элаcтомерной смеси, обеспечивающей как высокую морозостойкость, так и отличные маcлобензоcтойкие cвойcтва.

Качественные характеристики, предъявляемые к сырью и материалам

При изготовлении РТИ применяются соответствующие ГОСТ полимеры и ингредиенты.

Стадия и уровень разработки

Предлагаемые технологии получения морозостойких резин и РТИ уплотнительного назначения прошли апробацию в ООО «Нордэласт», созданном в 2004 году в рамках программы «Старт» на базе ИНМ СО РАН. Основная часть продукции предприятия выпускается из серийных резиновых смесей, 20 % - по собственным рецептурам. Уплотнения по новым рецептурам резин с успехом применяются на автомобильном (ЯПАПТ-1) и речном транспорте (ЛОРП), на предприятиях пищевой промышленности г.Якутска (ФАПК «Якутия»), в дорожно-строительной отрасли промышленности, на предприятиях ЖКХ и нефтегазового комплекса. Увеличение доли изделий, выпускаемых по собственной рецептуре, в данный момент невозможно из-за отсутствия вложений в развитие производства и некоторых сложностей, связанных с адаптацией технологии переработки разработанных рецептур к условиям конкретного производства. Производственная база предприятия нуждается в обновлении парка оборудования (основные агрегаты произведены в 80-х годах прошлого столетия), закупке новых видов испытательного оборудования (реометры, разрывная машина) для поддержания высокого качества выпускаемой продукции. Дополнительное инвестирование позволит расширить объем производства деталей на основе новых технологий.

Предлагаемые инвестиции

2,5 млн. руб.
2,5 млн. рублей в год.

Рынки сбыта

Спрос на уплотнительные изделия в Республике Саха (Якутия) сформирован и является стабильным в течение последних 15 лет. Тем не менее, на ее территории производится не более 20% необходимого количества полимерных уплотнений, остальное завозится из-за пределов региона, причем, состав и качественные показатели не всегда соответствуют эксплутационным требованиям. Основными потребителями являются все крупнейшие промышленные предприятия РС (Я) (угольная, алмазо-, золотодобывающая промышленность, автотранспортные предприятия, ЖКХ). Ожидается значительное увеличение спроса в связи с интенсивным освоением северных территорий, а также из-за увеличения числа техногенных катастроф и необходимости снижения их риска на всей территории России.

Возможность и эффективность импортозамещения

Разработанные технологии не имеют аналогов, полученные материалы могут быть использованы для изготовления запасных деталей для импортной техники канадских и японских фирм (Комацу, Катерпиллер), эксплуатирующейся в карьерах на территории Республики Саха (Якутия).

Возможность выхода на мировой рынок

Срок окупаемости (в месяцах)

36

Дата поступления материала

27.02.2007