Волокна, как наполнители, находят широкое применение в производстве резинотехнических изделий. Основной способ ввода волокнистых компонентов в состав резинотехнических изделий основан на введении их на вальцах в процессе приготовления резиновых смесей. Однако данным приемом не удается достичь равномерного распределения волокна во всем объеме приготовленной резиновой смеси. Это в дальнейшем отражается на физико-механических показателях резин.
Наиболее эффективный способ получения композитов с равномерным распределением наполнителя в объеме полимерной матрицы, базируется на введении его в технологический процесс на одной из стадий производства синтетических полимеров. В опубликованных работах [1,3] показано, что волокнистые наполнители в каучуки, получаемые методом эмульсионной полимеризации целесообразно вводить с подкисляющим агентом на стадии выделения каучука из латекса. Однако, данный способ позволяет ввести в состав образующегося коагулюма небольшое количество волокнистого наполнителя (до 1,0 % на каучук). Для введения большего количества волокнистого наполнителя в эмульсионные каучуки необходимо разрабатывать новые приемы его ввода в состав образующейся крошки или рассмотреть новые способы переработки наполнителя используемого для модификации синтезируемых полимеров.
С целью ввода больших количеств наполнителя на стадии производства полимеров представляется целесообразным изучить возможность получения на основе природного полимера, целлюлозы, порошкообразного продукта с рассмотрением перспективы его применения при изготовлении эмульсионных бутадиен-стирольных каучуков.
Целью данного исследования явилось получение порошкообразного наполнителя на основе целлюлозы и разработка способов ввода в бутадиен-стирольный каучук на стадии его производства и оценкой влияния на процесс коагуляции.
Для получения порошкообразного наполнителя на основе целлюлозы использовали хлопковое волокно. Перевод хлопкового волокна в порошкообразное состояние сопровождается следующими операциями. На первом этапе волокно измельчали до размера 1-2 см. В дальнейшем измельченные волокна загружали в реактор и при перемешивании обрабатывали водным раствором серной кислоты с концентрацией 20-30 % масс. реакционную смесь нагревали до 60- 80оС и выдерживали при этой температуре 1,5-2,0 ч. Образовавшуюся кашеобразную массу (волокно + раствор серной кислоты) фильтровали. Полученный порошкообразный наполнитель сушили 1-2 часа при температуре 70-80оС. После завершения сушки порошкообразную массу дополнительно измельчали до более мелкодисперсного состояния (размер основной фракции 0,5 мм).
Получаемый таким образом порошкообразный наполнитель содержал остатки серной кислоты, а также продукты ее взаимодействия с целлюлозой. Однако этот недостаток превращается в преимущество в случае использования данного порошкообразного наполнителя в технологическом процессе производства каучуков, получаемых методом эмульсионной (со)полимеризации, где осуществляется подкисление системы на завершающей стадии выделения каучука из латекса. Введение подкисленного порошкообразного наполнителя на основе целлюлозы должно снизить расход серной кислоты и стабилизировать процесс коагуляции.
Для полноты оценки влияния порошкообразного наполнителя на процесс коагуляции и свойства получаемых композитов, целесообразно было провести нейтрализацию кислого порошкообразного наполнителя раствором щелочи. Для этого кислый порошкообразный наполнитель на основе целлюлозы обрабатывали водным раствором гидроксида натрия с концентрацией 1-2 % масс.
В ранее опубликованных результатах исследований [4,5] рассмотрены разные способы ввода порошкообразного наполнителя в каучуки, получаемые методом эмульсионной сополимеризации. Порошкообразный наполнитель вводили в латекс перед подачей на коагуляцию в количестве 25-100 % масс. на каучук.
Анализируя полученные данные можно сделать вывод о том, что наилучший способ введения порошкообразного наполнителя в каучук на стадии его производства до конца не решен. Практически во всех случаях полного захвата порошкообразного наполнителя образующимся коагулюмом не наблюдалось. Потери порошкообразного наполнителя с серумом и промывными водами зависели от используемого способа его ввода в технологический процесс. Наилучшие результаты достигались при введении порошкообразного наполнителя на ста
дии выделения в виде дисперсии в серуме. Количество наполнителя, не вошедшего в состав образующегося коагулюма (крошки каучука) достигает 15-20 % масс. К сожалению, в лабораторных условиях не представляется возможным точно воспроизвести промышленный процесс выделения каучука из латекса. Поэтому трудно оценить какое реальное количество порошкообразного наполнителя будет захвачено образующимся коагулюмом, а сколько будет потеряно с серумом и промывными водами. Возможно, что потери порошкообразного наполнителя в реальных промышленных условиях будут ниже, чем в лабораторных. Это связано как с несовершенством в лабораторных условиях способом ввода порошкообразного наполнителя в латекс, так и с тем, что в реальных промышленных условиях серум частично возвращается в процесс выделения каучука из латекса. Тем не менее, присутствие порошкообразного наполнителя в серуме и промывных водах приводит не только к его безвозвратной потере, но и загрязнению окружающей среды.
Поэтому с практической точки зрения представляется интересным провести исследования с более низкими дозировками порошкообразного наполнителя (от 3 до 10 % масс. на каучук), и выяснить влияет ли способ ввода на полноту вхождения порошкообразного наполнителя в образующийся коагулюм. В эксперименте были использованы кислый и нейтральный порошкообразные наполнители на основе целлюлозы, с дозировками 3, 5, 7, 10 % масс. на каучук.
Процесс выделения 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 % масс.), термостатировали при заданной температуре 10-15 мин.
Все рассматриваемые способы ввода порошкообразных наполнителей на основе целлюлозы проводили с использованием в качестве коагулирующего агента водного раствора хлорида натрия (концентрация
24 % масс.) и подкисляющего агента - водного раствора серной кислоты с концентрацией 1-2 % масс. Порошкообразные наполнители на основе целлюлозы вводили следующими способами:
- Латекс помещали в емкость, содержащую порошкообразный наполнитель в сухом виде и при перемешивании последовательно вводили коагулирующий и подкисляющий агенты. Массу не вошедшего порошкообразного наполнителя в образующуюся крошку каучука определяли по разности масс между введенным в процесс и оставшимся в водной фазе (серуме) порошком, после отделения коагулюма (каучук + вошедший порошкообразный наполнитель). В случае применения кислого порошкообразного наполнителя его количество не вошедшее в состав образующегося коагулюма составило 12-18 % масс.; при нейтральном порошкообразном наполнителе - 7-14 % масс. В случае применения в качестве подкисляющего агента серума с рН=2-3 - количество невошедшего наполнителя составило кислого - 15-25 % масс.; нейтрального - 10-20 % масс. В случае применения в качестве подкисляющего агента серума с рН=4-5 (и добавлением серной кислоты в количестве необходимом для полной коагуляции) - количество не вошедшего наполнителя составило кислого - 15-20 % масс.; нейтрального - 15- 25 % масс.
- В латекс добавляли коагулирующий агент, после чего вводили порошкообразный наполнитель. Затем добавляли подкисляющий агент. При применении в качестве подкисляющего агента 1-2 % масс. водного раствора серной кислоты количество не вошедшего наполнителя составило кислого -20-30 % масс.; нейтрального - 20-25 % масс. В случае применения в качестве подкисляющего агента серума с рН=2-3 - количество не вошедшего наполнителя составило кислого - 18-20 % масс.; нейтрального - 35-40 % масс. При применении в качестве подкисляющего агента серума с рН=4-5 (и добавлением серной кислоты в количестве необходимом для полной коагуляции) - количество не вошедшего наполнителя составило кислого - 20-25 % масс.; нейтрального - 30-40 % масс.
- В латекс добавляли коагулирующий агент. Затем вводили порошкообразный наполнитель, диспергированный в подкисляющем агенте в количестве 1/3 от общей подаче в процесс, и далее после перемешивания вводили остальное количество (2/3 подкисляющего агента, представляющего собой серум с рН=2-3 и с рН=4-5). В этом случае количество не вошедшего порошкообразного наполнителя как кислого, так и нейтрального составило 35-45 % масс.
- Порошкообразный наполнитель водили в латекс в сухом виде. Далее добавляли коагулирующий агент. В случае применения в качестве подкисляющего агента 1-2 % масс. водного раствора серной кислоты количество не вошедшего наполнителя составляло кислого - 6-15 % масс.; нейтрального - 8-13 % масс. В случае применения в качестве подкисляющего агента серума с рН=2-3 - количество невошедшего наполнителя составило кислого - 15-20 % масс.; нейтрального - 30-40 % масс. При применении в качестве подкисляющего агента серума с рН=4-5 (и добавлением серной кислоты в количестве необходимом для полной коагуляции) - количество не вошедшего наполнителя составило: кислого - 13-25 % масс.; нейтрального - 30-40 % масс.
- Порошкообразный наполнитель предварительно диспергировали в водном растворе коагулирующего агента и смешивали с латексом. Затем вводили подкисляющий агент (раствор серной кислоты с концентрацией 1-2 % масс.). Количество не вошедшего наполнителя составило: кислого -5-10 % масс.; нейтрального - 15-20 % масс. В случае применения в качестве подкисляющего агента серума с рН=2-3 - количество не вошедшего наполнителя составило: кислого - 25-30 % масс.; нейтрального -30-35 % масс. При применении в качестве подкисляющего агента серума с рН=4-5 (и добавлением серной кислоты в количестве необходимом для полной коагуляции) - количество не вошедшего наполнителя составило: кислого - 30-35 % масс.; нейтрального - 35-40 % масс.
При всех рассматриваемых дозировках порошкообразного наполнителя потери находились в выше приведенных интервалах. Необходимо отметить, что при дозировке наполнителя 7-10 % масс. на каучук они смещались к максимальным значениям, а при дозировке 3-5 % масс. на каучук приближались к минимальным значениям в указанных интервалах.
Анализируя полученные данные можно сделать вывод, что ввод кислого порошкообразного наполнителя на основе целлюлозы целесообразно проводить с коагулирующим агентом, а ввод нейтрального порошкообразного наполнителя на основе целлюлозы - в сухом виде непосредственно в латекс перед подачей его на коагуляцию.
Таким образом, можно сделать вывод, что целлюлозосодержащие отходы, образующиеся в текстильной промышленности можно использовать не только как волокнистые наполнители, но и для получения порошкообразных наполнителей, с последующим их применением в промышленности синтетических каучуков.
Список литературы
- Акатова И.Н., Никулин С.С. //Текстильная промышленность. - 2004. - № 5. - С. 56.
- Никулин С.С., Пугачева И.Н., черных О.Н. Композиционные материалы на основе бутадиен-стирольных каучуков // М.: «Академия Естествознания», 2008. -145 с.
- Никулин С.С., Пугачева И.Н., Мисин В.М., Седых В.А. // Экология и промышленность россии. - 2006. - № 7. - С. 4.
- Пугачева И.Н., Никулин С.С. // успехи современного естествознания. - 2008. -№ 6. - С.80.
- Пугачева И.Н., Никулин С.С. // Фундаментальные исследования. - 2008. -№ 4. - С. 101.