Введение к работе
Актуальность работы. В последние годы широкое распространение в шинной промышленности и в промышленности РТИ получил первый отечественный природный углеродсодержащий ингредиент резиновых смесей -шунгит. Использование шунгита в качестве заменителя технического углерода, либо дополнительно к нему, в рецептурах шинных резин и РТИ на основе неполярных эластомеров позволило решить ряд актуальных задач как в области рецептуростроения, так и в экологии, экономике, а также в области совершенствования технологических процессов, применяемых для изготовления указанных выше изделий.
В силу особенностей своей химической и физической структуры шунгит положительно влияет на свойства резин, в частности, он может быть использован также для полной или частичной замены активаторов серной вулканизации.
Учитывая специфику химического состава и уникальность структуры шунгита - наличие в нем оксидов металлов, углерода в форме графита, фуллеренов, наноуглеродных трубок, а также оксида кремния и силикатов, можно было предположить его высокую активность относительно галогенсодержащих эластомеров, в частности, влияние на процессы структурирования эластомеров, содержащих функциональные группы, в состав которых входят активные атомы галогенов, в том числе хлор, в отличие от традиционных минеральных наполнителей (каолин, тальк и др.).
Исходя из химического состава, дифильной природы и специфики поверхности шунгита, содержащей активные центры, представляется перспективным изучить влияние шунгита в принципиально новом качестве, как активного ингредиента, на свойства резиновых смесей на основе хлорсодержащих каучуков, а также их вулканизатов.
Цель работы. Разработка новых высокоактивных ингредиентов для резиновых смесей на основе хлорсодержащих каучуков с использованием природного углеродсодержащего минерального соединения - шунгита, позволяющего решить ряд технических, технологических, экономических и экологических проблем.
В соответствии с поставленной целью решались следующие задачи:
1. Изучение влияния содержания шунгита, температуры и времени взаимодействия шунгита с хлорсодержащими эластомерами на количество образующегося в данной системе геля и степень сшивания эластомера. Определение оптимальных условий протекания этих процессов.
Исследование влияния шунгита на кинетику дегидрохлорирования хлорсодержащего эластомера на примере полихлоропрена и взаимосвязи этого процесса со степенью структурирования данного каучука.
Определение характера образующихся связей в шунгит-каучуковом геле.
4. Исследование влияния модификации поверхности шунгита
реакционноспособными низкомолекулярными органическими соединениями
(уротропин, резорцин) на его активность как структурирующего агента в
хлорсодержащих каучуках.
5. Разработка на основе полученных экспериментальных данных
рецептур резиновых смесей, имеющих практическую значимость.
Научная новизна. Впервые показано, что природный углеродсодержащий минеральный ингредиент - шунгит способен к активному взаимодействию с хлорсодержащими эластомерами, сопровождающемуся образованием шунгит-каучукового геля. Высказано предположение о возможности использования шунгита в качестве дополнительного структурирующего агента для этого типа каучуков.
С помощью ЭПР-спектроскопии, ДТА-, ДТГ-анализа и лазерного анализатора Бекмана получена дополнительная информация о структуре и свойствах шунгита, использованного в работе.
Показано образование шунгит-каучукового геля при введении шунгита в хлорсо держащие эластомеры. Изучено влияние содержания шунгита, температуры прогрева образцов и времени взаимодействия шунгита с хлорсодержащими эластомерами на количество образующегося в данной системе геля и степень сшивания каучука. Определены оптимальные условия протекания этих процессов.
Установлен ряд активности хлорсодержаших эластомеров относительно их способности к гелеобразованию при взаимодействии с шунгитом:
ИХ > ХПЭ > ХСПЭ > ХБК.
На примере полихлоропрена показано, что шунгит активирует процессы дегидрохлорирования. Обнаружена корреляция кинетики процессов дегидрохлорирования и степени структурирования полихлоропрена.
При изучении равновесного набухания образцов полихлоропрена, структурированного шунгитом, в растворителях различной полярности установлено, что образующиеся связи носят смешанный характер (ковалентный, ионно-координационный). Эти результаты подтверждены
рассчитанными кинетическими и термодинамическими параметрами процессов структурирования.
Химическая модификация поверхности шунгита
реакционноспособными низкомолекулярными органическими соединениями (уротропин, резорцин) приводит к повышению его структурирующей активности в полихлоропрене и хлорсульфированном полиэтилене.
Практическая значимость. Показана возможность применения шунгита в производственных рецептурах резин на основе полихлоропрена, хлорсульфированного полиэтилена, хлорбутилкаучука в качестве ингредиента, позволяющего частично или полностью исключить из состава этих резин традиционные металлооксидные компоненты, уменьшить содержание серной вулканизующей группы, а также частично заменить технический углерод и традиционные минеральные наполнители.
Проведены с положительным результатом опытно-промышленные испытания в условиях Саранского завода РТИ резин на основе смеси полихлоропрена и бутадиен-нитрильного каучука для обкладки рукавов, конвейерных лент и т.д.
При опытно-промышленном опробовании на заводе
ООО ПКФ «Астрахим» показана перспективность применения шунгита в рецептурах резин на основе хлорбутилкаучука для изделий медицинского назначения. Выведение из состава рецептуры оксидов металлов, и снижение содержания серной вулканизующей группы должно позволить существенно уменьшить выделение токсичных серусодержащих соединений, что особенно важно для изделий этого назначения.
В рецептурах резиновых смесей на основе хлорбутилкаучука для гермослоя шин, введение шунгита позволяет исключить традиционную металлооксидную группу и частично заменить технический углерод. По комплексу свойств резины, содержащие шунгит, не уступают стандартным резинам, а их газопроницаемость снижается.
Шунгит является экологически чистым продуктом, с практически неисчерпаемыми природными запасами и производится в настоящее время в промышленном масштабе Журавским охряным заводом по разработанным для него ТУ 2169-002-00204493-2008.
Включение шунгита в рецептуры резин на основе хлорсодержащих каучуков обеспечивает экономический эффект за счет замены технического углерода, оксидов металлов, снижения каучукосодержания, а также корректировки содержания вулканизующей группы.
Личный вклад автора. Все исследования проводились автором лично или при непосредственном его участии.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на конференции «Каучуки, РТИ, шины: традиции и новации» (Москва, 2011).
Публикации. По материалам работы опубликовано три статьи в журнале «Каучук и резина», рекомендованном ВАК РФ для размещения материалов диссертаций, тезисы доклада на конференции и получен патент.
Структура и объем работы. Диссертационная работа изложена на 142 страницах и включает разделы: введение, литературный обзор, объекты и методы исследования, экспериментальная часть, обсуждение результатов, выводы, список литературы. Работа содержит 62 таблицы, 51 рисунок и список литературы из 120 ссылок.
Похожие диссертации на Шунгит - новый ингредиент для резиновых смесей на основе хлорсодержащих эластомеров
