Scientific journal
Fundamental research
ISSN 1812-7339
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 1,749

THE STUDY OF POSSIBILITY APPLICATION IODIDA AMMONIA FOR SEPARATION SYNTHETICAL RUBBER

Черных О.Н., Никулин С.С.
The coagulation capability possibility iodide ammonia for separation synthetical rubber from latex is studied. The influence of temperature and concentration solution iodide ammonia on completeness coagulation is investigated. It has been estimated properties of reception rubbers and rubbers mixture separated from latex this iodide ammonia.

В настоящее время в промышленности при выделении бутадиен-стирольных каучуков из латексов в качестве коагулирующих агентов применяют неорганические соли (обычно хлорид натрия) с последующим подкислением системы серной кислотой [1]. Традиционные способы коагуляции обладают высокой эффективностью и относительной дешевизной, однако расход широко распространенного коагулянта хлорида натрия при выделении бутадиен-стирольных каучуков из латексов достигает 250 кг/т каучука. Сточные воды, содержащие минеральные соли, попадая в водоемы, наносят непоправимый ущерб окружающей среде. Поэтому в настоящее время актуальными являются разработки новых технологий, методов коагуляции латексов и коагулирующих агентов, позволяющих уменьшить или полностью исключить применение минеральных солей для выделения каучуков [2-4].

В настоящей работе изучена коагулирующая способность йодида аммония при выделении каучука из латекса СКС- 30АРК.

Соли аммония представляют интерес в связи с возможностью снижения расхода неорганического коагулянта, т. к. ионы NН4+ больше по размеру и менее гидратированны, чем ионы Nа+ должны обладать и более высокой эффективностью коагулирующего действия [5].

Коагуляцию каучукового латекса СКС-30 АРК проводили согласно общепринятой методике с использованием в качестве коагулирующего агента водных растворов йодида аммония с концентрациями 5, 10, 20, 30, 50 % масс., подкисляющего агента 1,0-2,0 % масс. водного раствора серной кислоты при температуре от 0 до 95 оС. Процесс выделения каучука из латекса изучали на коагуляционной установке, представляющей собой емкость, снабженную перемешивающим устройством и помещенную для поддержания заданной температуры в термостат. В емкость загружали 20 мл латекса, термостатировали в течение 15-20 минут, после чего вводили водные растворы коагулирующих агентов и серной кислоты. Коагуляцию проводили при рН = 2,0 - 2,5. Полноту коагуляции оценивали визуально по прозрачности серума и гравиметрически - по массе образующегося коагулюма. Образующийся коагулюм отделяли от серума, промывали теплой водой и после отжатия крошку каучука высушивали в сушильном шкафу при температуре 75-80 оС.

Характеристика бутадиен-стирольного латекса производства каучука СКС-30 АРК представлена в таблице 1.

Таблица 1. Характеристика бутадиен-стирольного латекса производства каучука
СКС-30 АРК

Наименование показателя

Значение

Сухой остаток, %

20

Поверхностное натяжение, [σ], мН/м

54-57

рН латекса

 7,8-8,5

Размер латексных частиц [r], нм

 7,5-8,1

Содержание связанного стирола, %

 22,0-23,5

Массовая доля антиоксиданта, %

1,2

Полученные экспериментальные данные представлены в таблице 2.

Таблица 2. Результаты эксперимента коагуляции латекса СКС-30 АРК йодидом аммония

Температура коагуляции, 0С

Концентрация фторида аммония, %

Расход фторида аммония, кг/т каучука

Выход коагулюма (по массе), %

Оценка полноты

коагуляции

0

5

50

150 -250

300-450

2,1

41,6-69,3

74,5-83,6

Коагуляция неполная

Коагуляция неполная

Коагуляция неполная

Дальнейшее увеличение расхода коагулянта нецелесообразно

10

50

150 -250

300-400

450

55,3

74-85,9

86,9-87,1

94,5

Коагуляция неполная

Коагуляция неполная

Коагуляция неполная

Полная коагуляция

20

50

150 -250

300

55,9

80,0-95,2

96,6

Коагуляция неполная

Коагуляция неполная

Полная коагуляция

30

50

150-200

250

61,9

80,4-87,3

99,1

Коагуляция неполная

Коагуляция неполная

Полная коагуляция

50

50

100-150

200-250

68,9

80,2-84,9

94,7-99,2

Коагуляция неполная

Коагуляция неполная

Полная коагуляция

20

5

50

150 -250

300-450

1,2

15,6-36,9

51,6-64,3

Коагуляция неполная

Коагуляция неполная

Коагуляция неполная

Дальнейшее увеличение расхода коагулянта нецелесообразно

10

50

150 -250

300-450

 

2,4

68,1-74,2

86-86,5

Коагуляция неполная

Коагуляция неполная

Коагуляция неполная

Дальнейшее увеличение расхода коагулянта нецелесообразно

20

50

150 -250

300-450

 

3,9

36,6-67,1

74,6-87,2

Коагуляция неполная

Коагуляция неполная

Коагуляция неполная

Дальнейшее увеличение расхода коагулянта нецелесообразно

30

50

100-200

250-300

400-450

4,9

11,3-68,3

68,6-74,7

93,1-93,4

Коагуляция неполная

Коагуляция неполная

Коагуляция неполная

Полная коагуляция

50

50

150 -250

300-450

 

5,3

51,6-61,9

74,3-87,4

Коагуляция неполная

коагуляция неполная

Коагуляция неполная

Дальнейшее увеличение расхода коагулянта нецелесообразно

40

5

50

150 -250

300-450

2,9

6,96-26,4

32,4-55,4

Коагуляция неполная

Коагуляция неполная

Коагуляция неполная

Дальнейшее увеличение расхода коагулянта нецелесообразно

10

50

150-300

400

4,9

48,5-87,4

95,6-96,6

Коагуляция неполная

Коагуляция неполная

Полная коагуляция

20

50

100-200

250-300

6,1

50,4-83,4

95,8-98,1

Коагуляция неполная

Коагуляция неполная

Полная коагуляция

30

50

100-200

300-350

10,7

28-86,5

94,5-95,9

Коагуляция неполная

Коагуляция неполная

Полная коагуляция

50

50

150-250

300-450

8

12,1-49,6

80,6-87,4

 

Коагуляция неполная

Коагуляция неполная

Коагуляция неполная

Дальнейшее увеличение расхода коагулянта нецелесообразно

60

5

50

150 -250

300-450

3,5

4,2-38,6

42,2-65,5

Коагуляция неполная

Коагуляция неполная

Коагуляция неполная

Дальнейшее увеличение расхода коагулянта нецелесообразно

10

50

100-200

250-300

4,9

14,7-88

94,3-96,3

Коагуляция неполная

Коагуляция неполная

Полная коагуляция.

20

50

100-200

250-300

8,7

21,7-86

94,8-95,4

Коагуляция неполная

Коагуляция неполная

Полная коагуляция

30

50

100-150

200-250

13,2

23,8-88,3

94,1-97,4

Коагуляция неполная

Коагуляция неполная

Полная коагуляция

50

50

150-400

450

5,9

12,1-74,5

95,9

Коагуляция неполная

Коагуляция неполная

Полная коагуляция

80

5

50

150 -250

300-450

3,9

35,2-65,1

66,3-74,5

Коагуляция неполная.

Коагуляция неполная

Коагуляция неполная

Дальнейшее увеличение расхода коагулянта нецелесообразно

10

50

100-250

300

5,6

27,8-85,3

98,1

Коагуляция неполная.

Коагуляция неполная

Полная коагуляция

20

50

100-200

250-300

5,8

24,3-88,8

95,4-95,9

Коагуляция неполная.

Коагуляция неполная

Полная коагуляция

30

50

100-150

200-250

5,9

31,1-67,7

93,3-96,6

Коагуляция неполная.

Коагуляция неполная

Полная коагуляция

50

50

150-400

450

11,8

43,1-87,1

97,9

Коагуляция неполная.

Коагуляция неполная

Полная коагуляция

95

5

50

150 -250

300-450

6,5

64,6-78,1

79,8-85,3

Коагуляция неполная.

Коагуляция неполная

Коагуляция неполная

 Дальнейшее увеличение расхода коагулянта нецелесообразно

10

50

100-250

300-350

4,6

77,3-91,1

93,1-94,6

Коагуляция неполная.

Коагуляция неполная

Полная коагуляция

20

50

100-250

300

14,7

73,4-88,3

94,9

Коагуляция неполная.

Коагуляция неполная

Полная коагуляция

30

50

100-150

200-250

18

81,8-84,3

94,6-96,2

Коагуляция неполная.

Коагуляция неполная

Полная коагуляция

50

50

150-400

450

31,3

76,3-89,6

94,8

Коагуляция неполная.

Коагуляция неполная

Полная коагуляция

Анализ полученных результатов эксперимента показал, что влияние температуры в диапазоне от 0 до 95 0С на процесс коагуляции неоднозначно. Наименьший расход коагулянта (200-250 кг/т каучука) наблюдается при температурах 0, 60, 80 и 95 0С. Это можно объяснить протекающими одновременно конкурирующими процессами. С одной стороны йодид аммония - это соль сильной кислоты и слабого основания, подвергающаяся гидролизу по катиону:

NH4I + H2O ----- NH3 HOH + HI

Как известно из неорганической химии, влияние температуры на степень гидролиза вытекает из принципа Ле Шателье. Все реакции нейтрализации протекают с выделением теплоты, а гидролиз - с поглощением теплоты. Поскольку выход эндотермических реакций с ростом температуры увеличивается, то и степень гидролиза растет с повышением температуры [6].

С другой стороны латекс представляет собой водную коллоидную дисперсию полимера. Агрегативную и кинетическую устойчивость латекса, учитываемую на всех стадиях технологического процесса их получения и переработки, определяет наличие на его поверхности частиц адсорбционного слоя из молекул гидратированного эмульгатора. Свойства межфазной поверхности - адсорбированного слоя гидратированных молекул ПАВ со структурой, близкой к мицеллярной, - определяют устойчивость латекса в процессе полимеризации, при отгонке незаполимеризовавшихся мономеров, при транспортировке насосами, при хранении, при выделении каучука из латекса. Специфичность воздействия отдельных факторов привела к делению агрегативной устойчивости латексов на отдельные виды: к тепловому воздействию, к механическому воздействию, к действию растворителей, к электролитам, к замораживанию, но во всех случаях при нарушении устойчивости происходит "снятие или преодоление одного и того же по своей природе стабилизирующего барьера (электростатического или структурно-механического)" [7].

Как известно из коллоидной химии повышение температуры влечет за собой уменьшение агрегативной устойчивости и, следовательно, разрушение дисперсной системы, в частности латекса на дисперсионную среду (серум) и дисперсную фазу (коагулюм).

При повышении температуры коагуляции преобладает процесс дестабилизации латексной системы (непосредственно коагуляции), что приводит к уменьшению расхода коагулянта йодида аммония. Но проведение процесса коагуляции при очень высоких температурах (80-95 0С) связано со сложностью аппаратурного оформления и большими энергозатратами.

Проанализируем влияние концентрации на процесс коагуляции латекса.

При введении в латекс разбавленных растворов йодида аммония с концентрацией 2-5 % масс. полной коагуляции не достигалось во всем диапазоне температурного режима несмотря на увеличение расхода коагулянта до 450 кг/т каучука. Это может быть связано вероятнее всего с существенным уменьшением концентрации дисперсной фазы после введения в латекс коагулирующего агента, что в свою очередь отражается на достижении полноты коагуляции [8]. Наилучшей коагулирующей способностью (200-250 кг/т каучука) обладают растворы с диапазоном концентраций 10-30 % масс. При использовании высококонцентрированных растворов йодида аммония (50 % масс) не только не происходит снижение его расхода (450 кг/т каучука), но и наблюдается отсутствие полной коагуляции при температурах 20-40 0С включительно. Данное явление можно объяснить захватом коагулирующего агента образующейся крошкой каучука, вследствие чего он не принимает дальнейшего участия в процессе коагуляции.

Таким образом, по результатам эксперимента можно сделать вывод, что при использовании в качестве коагулирующего агента иодид аммония целесообразно вести процесс при температуре 60 0С и использовать растворы с концентрациями от 10 % масс и не превышающей 30 % масс.

Следует отметить, что сопоставив ранее полученные экспериментальные данные по коагуляции латекса фторидом и хлоридом аммония [9, 10] при коагуляции в равных условиях наблюдается снижение коагулирующей активности галогенидов аммония в ряду NH4F>NH4CI>NH4I, т.е. с увеличением размера сопутствующего (галогенид-) иона. От F- к I- растет ионный радиус и снижается гидратация, что по- видимому способствует усилению межионного взаимодействия с катионом, снижая его адсорбцию и коагуляционную способность.

На основе каучука СКС-30АРК выделенного из латекса иодидом аммония были приготовлены резиновые смеси с использованием ингредиентов стандартной резиновой смеси.

Результаты испытаний резиновых смесей и вулканизатов на основе каучука СКС-30 АРК, выделенного из латекса иодидом аммония представлены в таблице 3.

Анализ представленных результатов показал, что вулканизаты, изготовленные на основе каучука выделенного из латекса иодидом аммония, обладают характеристиками, близкими к вулканизатам на основе каучука, где для коагуляции использовали хлорид натрия (таблица 3).

Таблица 3. Свойства резиновых смесей и вулканизатов на основе каучука СКС-30 АРК

Показатели

 

Вид коагулирующего агента

NHII

NaCI

Вязкость по Муни

42,0

44,0

Массовая доля свободных органических кислот, %

5,5

5,7

Массовая доля мыл органических кислот, %

0,09

0,09

Потеря массы при сушке, %

0,19

0,18

Массовая доля золы, %

0,22

0,24

Напряжение при 300 % удлинении, МПа

7,9

9,0

7,8

9,0

Условная прочность при растяжении, МПа

25,4

26,5

25,8

26,4

Относительное удлинение при разрыве, %

620

600

640

610

Относительная остаточная деформация после разрыва, %

16

14

16

13

Примечание. Продолжительность вулканизации: числитель - 60 мин; знаменатель - 80 мин.

В результате проведенной работы можно делать вывод, что иодид аммония может служить эффективным коагулянтом для выделения бутадиен-(a-метил) стирольных каучуков из латексов, однако наблюдается снижение его коагулирующей способности в ряду галогенидов NH4F>NH4CI>NH4I. Необходимо отметить, что по своей коагулирующей способности NH4I приближается к NаCI.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:

  1. Кирпичников П.А., Аверко-Антонович Л.А., Аверко-Антонович Ю.О. Химия и технология синтетического каучука. Л.: Химия. 1987. 424 с.
  2. Распопов И.В., Никулин С.С., Гаршин А.П. и др. Совершенствование оборудования и технологии выделения бутадиен-(a-метил)стирольных каучуков из латексов. М.: ЦНИИТЭнефтехим.
    1997. 68 с.
  3. Распопов И.В., Никулин С.С., Рыльков А.А., Шаповалова Н.Н. // Производство и использование эластомеров. 1997. N 12. С. 2-6.
  4. Моисеев В.В., Попова О.К., Косовцев В.В., Евдокимова О.В. Применение белков при получении эластомеров. М.: ЦНИИТЭнефтехим. 1985. 53 с.
  5. Измайлов А.Н. Электрохимия растворов. М.: Химия. 1966. 576 с.
  6. Глинка Н.Л. Общая химия: учебное пособие для ВУЗов. Под ред. А.И. Ермакова изд. 30-е испр.-М.: Интеграл-Пресс, 2005. 728 с.
  7. Зимон, А. Д., Лещенко, Н. Ф. Коллоидная химия. М. : Химия, 1995. 336 с.
  8. Никулин С.С., Вережников В.Н., Пояркова Т.Н. // ЖПХ. Т. 73. вып. 10., 2000. С. 1720-1724.
  9. Черных О.Н., Никулин С.С. // Успехи современного естествознания № 8, 2008. С. 10-14.
  10. Черных О.Н., Никулин С.С. // Производство и использование эластомеров № 2, 2008. С. 17-22.