Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Инновационные методы и технологии переработки эластомеров (Теория и практика). Учебное пособие
.pdf
71
Существенное влияние на свойства углеродсодержащего
наполнителя оказывают условия измельчения, последующая обработка и наличие кислородсодержащих поверхностных групп.
4.2. Жидкофазное наполнение эмульсионных каучуков
Традиционные методы изготовления эластомерных композиций путем механического смешения характеризуются
неоднородным распределением частиц наполнителя в каучуке,
наличием агломератов частиц и протеканием механодеструкции,
а также низкими технико-экономическими показателями.
Приготовление резиновых смесей включает введение в
каучук наполнителей, вулканизующих и усиливающих агентов в
самых разнообразных комбинациях при использовании энергоемкого смесительного оборудования.
Жидкофазное наполнение является наиболее приемлемым с
технологической и экономической точек зрения и заключается в
смешении суспензии наполнителя с дегазированным латексом с
последующей коагуляцией смеси, промывкой и сушкой крошки
каучука обычными способами. Наиболее широкое распространение этот метод получил при производстве наполненных
техуглеродом бутадиен-стирольных каучуков. Достоинством
жидкофазного наполнения является возможность получения высоконаполненных техуглеродом эластомеров.
Жидкофазное наполнение эмульсионных каучуков на стадии латекса особенно перспективно при введении
высокоактивного техуглерода, плохо распределяющегося при сухом смешении на вальцах и в резиносмесителе.
Процесс введения сажи в латексы был разработан в Западной Европе в 1924 - 1929 гг., а в 1935 г. - в США. Эти методы
предусматривает получение водных дисперсий сажи с использованием ПАВ.
Для стабилизации водной дисперсии техуглерода используют различные ПАВ. Наиболее устойчивые водные дисперсии
техуглерода получают при использовании в качестве стабилизатора лейканола, канифолевого мыла и калиевого мыла талового
масла. Эффект усиливающего действия углеродсодержащего на-
72
полнителя определяется высокой дисперсностью и равномерным
распределением его в полимерной матрице. Однако наличие стабилизатора, находящегося на границе раздела фаз
наполнитель/полимер, препятствует образованию химических
связей при вулканизации резиновых смесей. Поэтому существует
оптимальное количество стабилизатора водной дисперсии техуглерода, выше которого усиливающий эффект снижается.
Фирмой Cabot (CEC) предложено получение наполненного
техуглеродом натурального каучука с использованием уникальной технологии, включающей жидкофазное смешение и
коагуляцию в интенсивном потоке, что позволяет введение, диспергирование и распределение техуглерода проводить за очень
короткие промежутки времени.
Жидкофазное наполнение техуглеродом натурального каучука происходит в условиях турбулентности и сильного
энергетического воздействия без введения коагулирующих агентов при нормальной температуре. В дальнейшем наполненный
каучук обезвоживается механическим и механо- термическим
способом с использованием шнекового высокопроизводительного оборудования, что исключает термоокислительную
деструкцию натурального каучука.
Следует отметить, что СКС предварительно обезвоживаются в отжимных шнековых агрегатах, а окончательное удаление
влаги достигается в воздушной конвейерной сушилке.
Технология жидкофазного наполнения имеет ряд преимуществ по сравнению с традиционными способами введения
наполнителей:
- упрощение стадии введения наполнителя в каучук;
- энергосбережение при получении наполненных каучуков;
- исключение пылеобразования на стадии введения в кау-
чук тонкодисперсного наполнителя;
- распределение близкого к идеальному наполнителя по по-
лимерной фазе;
- создание экологической и производственной безопасно-
сти в производстве эластомеров;
- сокращение продолжительности приготовления резино-
вых смесей;
73
- повышение физико-механических показателей
вулканизатов.
Реализация метода жидкофазного наполнения при использовании в качестве наполнителей углеродгидрофобных
материалов требует предварительной модификации их поверхности. В качестве модификаторов целесообразно использовать
калиевое мыло талового масла.
В подавляющем большинстве случаев производство изделий из наполненных эластомеров имеет более высокие техникоэкономическим показатели.
4.3. Влияние стабилизаторов водных дисперсий
на переработку резиновых смесей и свойства вулканизатов
Модификация поверхности гидрофобного наполнителя поверхностно-активными веществами обеспечивает необходимую
смачиваемость частиц наполнителя. При введении модифицированного наполнителя в водную дисперсию полимера достигается
равномерное распределение его по полимерной матрице и решение одной из наиболее важных задач – получение
высоконаполненных эластомеров.
Наличие ПАВ в наполненной эластомерной системе существенно влияет на характер взаимодействий на межфазных
границах, изменяет коллоидно-химическую среду и течение в них
химических реакций. При изготовлении резиновых смесей на основе наполненных каучуков одновременно протекают
структурные и химические превращения. Для улучшения технологических свойств резиновых смесей и облегчения
диспергирования агентов вулканизации используют стеариновую
кислоту и соли жирных кислот. Наличие карбоновых кислот и их
производных облегчает диспергирование углеродсодержащих
наполнителей и в значительной степени изменяет структуру резиновых смесей, что сказывается на релаксационных и
механических свойствах вулканизатов.
Адсорбированное на поверхности раздела фаз полимер/наполнитель ПАВ облегчает перемещение надмолекулярных
структур. С повышением содержания ПАВ структура эластомера
74
изменяется в сторону возникновения укрупненных образований с
резкими границами раздела фаз. При интенсивной механической
переработке наполненных эластомеров отмечается взаимодействие ПАВ с полимерной матрицей по молекулярному механизму.
В результате наблюдается не только сорбирование ПАВ межфазной поверхностью, но и их проникновение в поверхностные слои
упорядочных структур, что способствует повышению доли неупорядочной части структуры полимерной фазы.
Наполненные эластомеры, содержащие в своем составе
ПАВ, обладают улучшенной перерабатываемостью в шнековом
оборудовании, что обусловлено подвижностью структурных элементов относительно друг друга. Углеводородные части ПАВ
при взаимодействии с каучуком образуют подвижные связи, которые под воздействием сдвиговых усилий способны в
определенной степени обеспечивать снижение вязкости системы.
Снижение вязкости наполненного эластомера при деформировании является следствием того, что ПАВ выполняют в смесях роль
межмолекулярной смазки.
В высоконаполненных эластомерах при добавлении ПАВ
независимо от их природы и концентрации прочность структур
эластомер – наполнитель уменьшается. Наиболее резкое снижение прочности в высоконаполненных системах наблюдается,
когда отмечается хемосорбция ПАВ на поверхности наполнителя.
В меньшей степени проявляется снижение структурной прочности при физической сорбции ПАВ поверхностью наполнителя.
При изготовлении резиновых смесей на основе наполненных эластомеров отмечается равномерное распределение
ингредиентов в смеси, что объясняется адсорбцией ПАВ поверхностью ингредиентов, и как следствие, понижением
поверхностного натяжения порошкообразных ингредиентов, а
также частичным растворением ингредиентов. Растворимость
многих агентов вулканизации в неполярных полимерах составляет десятые и сотые доли процента.
Неоднородность распределения агентов вулканизации в
полимерной матрице приводит к неравномерному распределению
поперечных связей в вулканизате, что обусловлено возникновением областей с повышенной полярностью. Большинство агентов
75
вулканизации представляют собой полярные соединения и в присутствии ПАВ они будут солюбилизироваться в полярном ядре
обратных мицелл. Это способствует распределению труднорастворимых ингредиентов в неполярном каучуке, локальному
концентрированию и выгодной взаимной ориентации. Такое распределение способствует повышению скорости вулканизации и
образованию поперечных связей.
При жидкофазном наполнении эластомеров углеродсодержащими отходами, подвергнутыми измельчению с последующей
модификацией, получают вулканизаты с необходимыми полезными свойствами.
Лабораторная работа № 4.
Определение полноты жидкофазного совмещения
отработанного активированного угля с бутадиен-
стирольным латексом в ультразвуковом поле
Цель работы: приобретение экспериментальных навыков
при получении наполненного отработанным активированным углем эмульсионного каучука на стадии латекса при использовании
ультразвукового воздействия.
Метод исследования: поверхностное натяжение определя-
ется методом отрыва кольца на тензиометре типа дю Нуи,
показатель ХПК определяется прямым потенциометрическим
экспресс-анализом бихроматной окисляемости с использованием
анализатора жидкости «Эксперт-001»
Объект исследования: латекс с производства каучука СКС-
30АРК, активированный уголь АГ-3, СКТ-3, водная фаза со стадии
коагуляции.
Приборы, посуда, вспомогательные устройства
и реактивы
1. Измерительный преобразователь «Эксперт-001».
76
2. Весы лабораторные аналитические общего назначения с
наибольшим пределом взвешивания 200 г. 2-го класса точности.
3. Термометр ртутный (50 ÷ 150 °C).
4. Ареометр с диапазоном измерений плотности 1,720-
1,780 г/см3..
5. Мерные колбы вместимостью 50, 100, 500 и 1000 см3.
6. Цилиндры вместимостью 10, 25 и 50 см3.
7. Пипетки градуированные 2-го класса точности вмести-
мостью 1, 2, 5 и 10.
8. Колбы и стаканы (в том числе термостойкие) вместимо-
стью 250, 500 и 1000 см3.
9. Измерительная ячейка, выполненная из термостойкого
стекла.
10. Мешалка магнитная.
11. Штатив лабораторного типа ШЛ-4.
12. Бутыли стеклянные для отбора проб; электроплитка с
закрытой спиралью.
13. Вода дистиллированная.
14. Кислота серная концентрированная.
15. Кислота щавелевая двухводная.
16. Калий двухромовокислый.
17. Марганец (II) сернокислый 5-водный.
18. Серебро сернокислое.
19. Церий (IY) сернокислый.
20. Кислота винная (для приготовления контрольных рас-
творов с теоретическими значениями ХПК).
Задание: Получить высоконаполненные эластомерные
композиты, определить полноту коагуляции и степень загрязненности сточных вод по показателю поверхностного натяжения и
ХПК (см. «порядок выполнения работы»).
Ультразвуковое воздействие базируется на явлении кавитации, возникающей в жидкости, в результате местного понижения
давления при прохождении акустической волны большой интенсивности. Высокое энергетическое воздействие ультразвукового
поля способствует созданию квитанционных газовоздушных образований в виде тонкодисперсной аэрозоли. В результате
77
движения квитанционных образований в область с более высоким давлением, они захлопываются, излучая при этом ударную
волну. Традиционными средами для эффективной реализации
ультразвуковых технологий (растворение, экстрагирование, очистка, диспергирование, эмульгирование) являются водные
дисперсии, эмульсии и растворы, обладающие низкой вязкостью
с малым объемным содержанием твердых фракций. Применение
водных сред обусловлено возможностью создания режима развитой кавитации при минимальных энергетических затратах.
В качестве полимерной основы используют латекс с производства каучука СКС-30АРК, свойства которого представлены в
табл. 4.1.
Таблица 4.1
Свойства и химический состав латекса СКС-30АРК
(согласно ТУ 38.103136-82)
Наименование показателя Значение
Водородный показатель рН, усл.ед. 10÷ 12
Вязкость полимера по Муни, усл.ед. 51 ÷ 55
Содержание связанного стирола, % масс. 22 ÷ 25
Содержание сухого остатка, % масс. Не менее 20
Летучие вещества (при 105°С), % масс. Не более 1,0
Свободные смоляные или жирные кислоты, % масс. 0,0 ÷ 0,8
Связанные смоляные или жирные кислоты, % масс. 3,0 ÷ 4,5
Лейканол, % масс. 0,30 ÷ 35
Противостаритель, % масс. 1,5 ÷ 23
Основные характеристики активированного угля после регенерации и тонкодисперсного помола порядка 2-20 мкм
представлены в табл. 4.2.
Диспергирование суспензии отработанного активированного угля в водной фазе проводят при перемешивании с
применением ультразвукового диспергатора марки УЗГ 13 01/22. Схема и фотография ультразвуковой установки представлена на рис. 4.1 и 4.2.
78
Таблица 4.2
Характеристика отработанных активированных углей
Массовое содержание, %
Марка
отработанного
активированного угля
АГ-3
(с регенерации хемосор-
бента)
АГ-3
(с очистки воздушных
выбросов)
СКТ-3
(с очистки воздушных
выбросов)
прим.
орган.
влаги
10,9 0,6 15,3 48,2 1,8 1,7 10,1
9,1 0,8 15,7 45,2 1,6 3,8 12,0
11,9 0,9 17,8 33,5 2,2 6,9 13,9
основных компонентов в золе
золы
SiO2Fe2O3CaO Al2O
Для работы на ультразвуковой установки необходимо:
- поместить ультразвуковой излучатель 2 в обрабатывае-
мую среду;
- нажать кнопку 4 - включение ультразвуковой установки;
- с помощью регулятора мощности 3 установить необходи-
мую удельную энергию (Вт/дм3);
- провести ультразвуковую обработку испытываемых проб
в соответствие с рекомендациями раздела (см. "Порядок выполнения работы").
3
Рис. 4.1. Схема лабораторной установки ультразвуковой обработки:
1 – стакан с нижним перемешивающим устройством;
2 – ультразвуковой излучатель; 3 – штатив
79
Рис. 4.2. Лабораторная установка ультразвуковой обработки:
1 – ультразвуковой генератор; 2 – ультразвуковой излучатель;
3 – регулятор мощности ультразвука; 4 – кнопка включения установки
Полнота коагуляции оценивается по показателям поверхностного натяжения и химического потребления кислорода
(ХПК) водной фазы, отделенной пульпы наполненного каучука.
Методику определения поверхностного натяжения и ХПК смотреть в «Проведение испытаний».
Порядок выполнения работы
1. Приготовить пробу латекса объемом 0,5 дм3 с содержа-
нием полимера 100 г/дм3.
2. Приготовить пробу водной суспензии отработанного ак-
тивированного угля объемом 0 ,5 дм3 с содержанием 100 г/дм3.
3. Подвергнуть пробу (п. 2) ультразвуковому воздействию в
течение 5 мин при перемешивании.
4. Подвергнуть пробу (п. 1) ультразвуковому воздействию в
течение 2 мин при перемешивании.
5. Вести в пробу (п. 4), предварительно подвергнутую
ультразвукового воздействию, пробу (п. 3), при перемешивании.
80
6. Продолжить ультразвуковое воздействие на пробу (п. 5)
в течение 5 – 10 мин при перемешивании.
7. После 5-минутного воздействия на пробу (п. 6) произве-
сти дробное подкисление раствором серной кислоты до значения
порядка рН = 3,0 ÷ 4,0 или дробно добавить р-р 20 % ВПК-402 до
завершения процесса коагуляции латексной системы, содержащей дисперсию отработанного активированного угля.
8. После завершения процесса коагуляции полученную
пульпу наполненного бутадиен-стирольного каучука отделят от
водной фазы с помощью капроновой микросетки и подвергают
обезвоживанию.
9. Отделенная водная фаза со стадии коагуляции отбирается для определения показателей поверхностного натяжения и
общей загрязненности по ХПК.
Проведение испытаний
Методика определения поверхностного натяжения методом
отрыва кольца заключается в измерении силы F, необходимой
для отрыва кольца от поверхности жидкости. Первоначально измеряют силу F0 отрыва кольца от поверхности стандартной
жидкости с известным поверхностным натяжением (дистиллированная вода).
Поверхностное натяжение исследуемой жидкости рассчи-
тывали по формуле:
где σ – поверхностное натяжение, Н/м;
σ
– поверхностное натяжение эталонного образца, Н/м;
0
F – сила отрыва, Н;
F0– сила отрыва для эталонного образца, Н.
Силу, необходимую для отрыва кольца фиксируют на тен-
сиометре типа дю Нуи (рис. 4.3).
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]