Инновационное развитие отечественной экономики требует расширения ассортимента выпуска полимерных материалов, обладающих комплексом свойств, которыми не обладают известные композиционные материалы. Эта задача не может быть решена только синтезом новых полимеров. Поэтому в научных исследованиях последних лет при создании материалов с заранее заданными свойствами особое внимание уделяется модификации традиционных полимеров [4]. В качестве модификаторов, вводимых в полимеры, могут использоваться различные соединения, выступающие в качестве наполнителей или активных добавок [6]. Добавки многофункционального действия могут быть получены из вторичных полимерных материалов, представляющих собой отходы и побочные продукты, в большом количестве образующиеся и накапливающиеся на предприятиях нефтехимической и легкой промышленности и не нашедшие до настоящего времени своего применения, что позволит одновременно с рациональным использованием сырьевых ресурсов решить вопросы экологического характера [5, 1].
Цель работы – разработка эффективных и перспективных технологических приемов модификации бутадиен-стирольного каучука многофункциональными добавками.
Материалы и методы исследования
Для получения многофункциональных добавок использовали текстильные отходы легкой промышленности. Путем измельчения текстильных отходов различного вида были получены волокнистые добавки из хлопкового, капронового и вискозного волокна длиной 2, 5, 10, 15 мм и диаметром 0,05–0,1 мм [2, 3].
Для получения порошкообразных добавок использовали целлюлозосодержащие волокнистые текстильные отходы. На первом этапе волокна измельчали до размера 1–2 см. В дальнейшем измельченные волокна загружали в реактор и при постоянном перемешивании обрабатывали раствором серной кислоты (30 % мас.). Реакционную смесь нагревали до 60–80 °С и выдерживали при этой температуре 1,5–2,0 ч. Образовавшуюся кашеобразную массу (волокна + раствор серной кислоты) фильтровали, и осадок обезвоживали 1–2 часа в сушильном шкафу. После завершения сушки порошкообразную массу дополнительно измельчали до более мелкодисперсного состояния. Получаемая таким образом кислая порошкообразная целлюлозная добавка (КПЦ) содержала остатки серной кислоты. Однако этот недостаток превращается в преимущество в случае использования данной добавки в производстве эмульсионных каучуков, где осуществляется подкисление системы на стадии выделения каучука из латекса.
Для получения нейтральной порошкообразной целлюлозной добавки (НПЦ) КПЦ обрабатывали раствором (1–2 % мас.) гидроксида натрия. Фракционный состав получаемой кислой и нейтральной порошкообразной целлюлозной добавки представлен на рисунке.
Фракционный состав КПЦ (1) и НПЦ (2)
Проведение процесса модификации бутадиен-стирольного каучука на стадии латекса многофункциональными добавками позволяет достичь равномерного их распределения в объеме получаемой композиции, что в дальнейшем положительно отражается на свойствах получаемых вулканизатов. Использование предлагаемой разработки не требует существенных изменений в действующей промышленной технологии и коренных конструкционных изменений в аппаратах. Для повышения совместимости и равномерного распределения изготовленных многофункциональных добавок в объеме полимерной матрицы исследовали введение их с растворами таллового мыла (ПАВ), коагулянта и подкисляющего агента.
Процесс выделения бутадиен-стирольного каучука из латекса изучали на лабораторной установке, представляющей собой емкость, снабженную перемешивающим устройством и помещенную в термостат для поддержания заданной температуры. В коагулятор загружали 20 мл латекса (сухой остаток ~ 18 % мас.), термостатировали при заданной температуре 10–15 минут. В эксперименте использованы хлопковые, капроновые и вискозные волокнистые добавки с дозировкой – 3–10 кг/т каучука, а порошкообразные целлюлозные добавки – 10–100 кг/т каучука. Во всех рассматриваемых способах многофункциональные добавки водили в образующуюся крошку каучука на стадии выделения из латекса, с использованием в качестве коагулирующего агента водного раствора хлорида натрия (24 % мас.) и подкисляющего агента – водного раствора серной кислоты с концентрацией 1–2 % мас.
Результаты исследования и их обсуждение
Анализируя полученные данные (табл. 1, 2), можно сделать вывод, что ввод волокнистых добавок целесообразно осуществлять с раствором подкисляющего агента или коагулянта, а ввод порошкообразных целлюлозных добавок – с раствором коагулянта.
Процесс гетерокоагуляции в присутствии при введении волокнистых и порошкообразных целлюлозных добавок, вводимых с растворами подкисляющего агента и коагулянта приводит к равномерному распределению добавок в объеме полимерной матрицы и способствует снижению расхода коагулянта и уменьшению потерь каучука в виде мелкодисперсной крошки с серумом и промывными водами в 1,5–2 раза.
Таблица 1
Влияние волокнистых целлюлозных добавок на полноту выделения каучука из латекса в присутствии хлорида натрия
|
Расход NaCl, кг/т каучука |
Содержание добавки, кг/т каучука |
||||||
|
без добавки |
хлопковое волокно |
вискозное волокно |
капроновое волокно |
||||
|
3 |
7 |
3 |
7 |
3 |
7 |
||
|
10 |
35,2 |
38,2 |
39,6 |
39,2 |
40,3 |
38,2 |
41,5 |
|
25 |
45,2 |
60,1 |
61,5 |
59,3 |
62,0 |
60,3 |
61,8 |
|
50 |
56,8 |
77,5 |
78,2 |
76,9 |
78,9 |
78,9 |
80,3 |
|
75 |
80,0 |
89,6 |
90,2 |
88,6 |
89,9 |
88,3 |
89,5 |
|
100 |
90,1 |
92,3 |
92,1 |
90,1 |
91,5 |
90,6 |
91,7 |
|
125 |
92,8 |
96,1 |
96,8 |
95,3 |
96,1 |
95,0 |
96,2 |
|
150 |
93,1 |
98,3 |
98,0 |
97,8 |
98,7 |
98,3 |
98,8 |
Таблица 2
Влияние порошкообразных целлюлозных добавок на полноту выделения каучука из латекса в присутствии хлорида натрия
|
Расход NaCl, кг/т каучука |
Содержание добавки, кг/т каучука |
||||
|
без добавки |
КПЦ |
НПЦ |
|||
|
10 |
70 |
10 |
70 |
||
|
10 |
35,2 |
52,5 |
50,1 |
45,4 |
51,6 |
|
25 |
45,2 |
59,8 |
59,6 |
56,8 |
60,6 |
|
50 |
56,8 |
69,8 |
77,1 |
78,1 |
78,5 |
|
75 |
80,0 |
87,2 |
90,2 |
90,7 |
92,7 |
|
100 |
90,1 |
93,1 |
94,5 |
95,5 |
93,9 |
|
125 |
92,8 |
98,8 |
97,9 |
97,3 |
96,7 |
|
150 |
93,1 |
99,0 |
98,8 |
98,4 |
98,9 |
При всех рассматриваемых дозировках волокнистые добавки полностью и равномерно распределяются в каучуковой матрице и отсутствуют в водной фазе (серуме и промывных водах). В случае использования порошкообразных добавок аналогичный эффект достигается при дозировке до 50 кг/т каучука. Использование КПЦ в процессе коагуляции позволяет снизить количество подкисляющего агента, а при дозировке более 70 кг/т каучука полностью исключить его применение, что связано с присутствием в ее составе сульфатных групп. При этом необходимо отметить, что в реальных промышленных масштабах исключаются стадии отделения полученной порошкообразной целлюлозной добавки от раствора серной кислоты и ее сушка, т.к. выделение бутадиен-стирольных каучуков из латекса сопровождается подкислением системы раствором серной кислоты. В то же время все рассматриваемые порошкообразные целлюлозные добавки адсорбируют на своей поверхности катионы и анионы коагулянта, что способствует снижению загрязнения промышленных сточных вод остатками коагулянта и компонентами эмульсионной системы.
Выводы
Таким образом, на основании проведенных исследований можно сделать следующие выводы:
- вторичные полимерные материалы, представляющие собой текстильные отходы легкой промышленности, могут быть переработаны в многофункциональные добавки для эластомерных композиций;
- полученные волокнистые и порошкообразные целлюлозные добавки могут быть использованы для модификации бутадиен-стирольного каучука на стадии его производства;
- разработаны перспективные технологические приемы модификации бутадиен-стирольного каучука многофункциональными добавками, заключающиеся во введении их на стадии выделения каучука из латекса. Выявлено, что введение волокнистых добавок целесообразно осуществлять с подкисляющим агентом или коагулянтом, а порошкообразных целлюлозных добавок – с коагулянтом;
- применение многофункциональных добавок для модификации бутадиен-стирольного каучука позволяет снизить потери каучука в виде мелкодисперсной крошки с серумом и промывными водами; уменьшить расходы коагулянта и подкисляющего агента; снизить экологическую нагрузку на окружающую среду.
Рецензенты:
Бельчинская Л.И., д.т.н., профессор кафедры химии, ФГБОУ ВПО «Воронежская государственная лесотехническая академия», г. Воронеж;
Шаталов Г.В., д.х.н., профессор, заведующий кафедрой ВМС и коллоидов, ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный университет», г. Воронеж.
Работа поступила в редакцию 21.05.2014.
Библиографическая ссылка
Пугачева И.Н., Никулин С.С., Провоторова М.А., Шульгина Ю.Е. ПОЛУЧЕНИЕ ЭЛАСТОМЕРНЫХ КОМПОЗИЦИЙ НА ОСНОВЕ БУТАДИЕН-СТИРОЛЬНОГО КАУЧУКА, СОДЕРЖАЩЕГО ДОБАВКИ МНОГОФУНКЦИОНАЛЬНОГО ДЕЙСТВИЯ // Фундаментальные исследования. 2014. № 8-2. С. 327-330;URL: https://fundamental-research.ru/ru/article/view?id=34553 (дата обращения: 31.10.2025).