Научный журнал
Фундаментальные исследования
ISSN 1812-7339
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 1,074

ИЗУЧЕНИЕ ВОЗМОЖНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ЙОДИДА АММОНИЯ ПРИ ВЫДЕЛЕНИИ СИНТЕТИЧЕСКИХ КАУЧУКОВ ИЗ ЛАТЕКСОВ

Черных О.Н., Никулин С.С.
Изучена коагулирующая способность йодида аммония при выделении каучука из латекса СКС- 30АРК. Исследовано влияние температуры и концентрации раствора йодида аммония на полноту коагуляции. Проведена оценка свойств резиновых смесей и вулканизатов на основе каучука СКС-30 АРК, выделенного из латекса йодидом аммония.
йодид аммония
выделение
каучук

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.

Библиографическая ссылка

Черных О.Н., Никулин С.С. ИЗУЧЕНИЕ ВОЗМОЖНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ЙОДИДА АММОНИЯ ПРИ ВЫДЕЛЕНИИ СИНТЕТИЧЕСКИХ КАУЧУКОВ ИЗ ЛАТЕКСОВ // Фундаментальные исследования. – 2009. – № 2. – С. 30-36;
URL: http://www.fundamental-research.ru/ru/article/view?id=1804 (дата обращения: 18.11.2019).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074