ПОЛУЧЕНИЕ ВОДНЫХ ЭМУЛЬСИЙ И ДИСПЕРСИЙ НА ОСНОВЕ ПОБОЧНЫХ ПРОДУКТОВ И ОТХОДОВ НЕФТЕХИМИЧЕСКОЙ И ТЕКСТИЛЬНОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ - Студенческий научный форум

IV Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2012

ПОЛУЧЕНИЕ ВОДНЫХ ЭМУЛЬСИЙ И ДИСПЕРСИЙ НА ОСНОВЕ ПОБОЧНЫХ ПРОДУКТОВ И ОТХОДОВ НЕФТЕХИМИЧЕСКОЙ И ТЕКСТИЛЬНОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ

 Комментарии
Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Сохранение окружающей среды является одной из важнейших проблем человечества. Рост промышленного потенциала неизбежно сопровождается образованием и накоплением значительного количества отходов. Усиление техногенного воздействия на природу породило ряд проблем экологического характера.

Отходы и побочные продукты, образующиеся и накапливающиеся на предприятиях нефтехимического профиля, являются многочисленными и разнообразными. Решение проблемы переработки и использования этих отходов неразрывно связано с защитой окружающей среды от загрязнений, комплексным использованием сырья и материалов. Многочисленные отходы нефтехимических производств содержат большое число разнообразных реакционных соединений и могут служить ценным исходным сырьем как для органического синтеза, так и для получения различных полимерных и композиционных материалов. Поиск путей рационального использования отходов затруднен сложностью их состава. Как правило, они представляют собой сложную смесь, состоящую из различных органических соединений. При этом во многих случаях методы переработки, пригодные для одного класса органических соединений, оказываются совершенно неприемлемыми для других. Поэтому поиск наиболее перспективных направлений по комплексному использованию отходов и побочных продуктов различных производств имеет важное прикладное значение.

В настоящее время продолжаются активные поисковые работы в направлениях использования и переработки отходов химических и нефтехимических производств. Однако многие вопросы их рекуперации ждут своего решения

На основе некоторых отходов нефтехимии в промышленных масштабах реализованы технологии, позволяющие получить низкомолекулярные сополимеры, успешно заменяющие дорогостоящие пленкообразующие продукты в лакокрасочных составах и других композитах [1]. В промышленных масштабах осуществлены синтезы низкомолекулярных сополимеров на основе отходов производств синтетического каучука. Продукты синтеза могут применяться в качестве пластификаторов, мягчителей, использоваться в полимерных композициях для улучшения технологических свойств каучуков [2].

В работе [3] отмечено, что физико-механические показатели вторичных полимеров из отходов производства на 25 - 50 % ниже соответствующих показателей первичных полимеров. Улучшить показатели вторичных полимеров возможно за счет их модификации. Модификация вторичных полимеров или отходов малеиновым ангидридом (МА) явилась одной из попыток получения материалов обладающих новыми свойствами.

Одновременно с этим в последние годы повышенный интерес проявляется к применению волокнистых наполнителей в композитах различного назначения [4-6]. При введении в резиновые смеси такие волокнистые отходы придают им требуемую жесткость.

Перед введением в резиновые смеси волокнистые материалы целесообразно подвергать обработке различными составами [7,8]. Благодаря такой обработке увеличивается адгезия между эластомером и волокном, облегчается введение волокна в резиновые смеси и улучшается их распределение в среде эластомера. Способы повышения адгезии между волокнами и эластомерами в основном сводятся к обработке текстильных материалов пропиточными составами или к введению в резиновые смеси адгезионных веществ, способных вступать во взаимодействие в процессе вулканизации с эластомером и волокнообразующим материалом [9,10]. Разработка новых пропиточных составов, позволяющих улучшить свойства волокнистых наполнителей, и, следовательно, свойства резин, является важной и актуальной задачей.

Таким образом, можно сделать вывод, что перспективным направлением в исследованиях можно считать то, которое позволит подойти комплексно к решению вопроса о совместном использовании низкомолекулярных сополимеров, изготовленных на основе побочных продуктов нефтехимии и отходов волокнистых материалов для получения полимерных композитов, обладающих комплексом новых свойств.

В опубликованных работах [11] показано, что на основе отходов и побочных продуктов нефтехимических производств сополимеризацией их со стиролом получаются полимерные материалы, обладающие невысокой молекулярной массой с высоким выходом. Данные полимерные материалы могут быть использованы в композиционных составах различного назначения, лакокрасочных материалах, где полностью или частично заменят дорогостоящие компоненты.

Перспективным направлением использования низкомолекулярных сополимеров из отходов и побочных продуктов нефтехимии является получение на их основе искусственных водных дисперсий, основанное на тонком механическом диспергировании раствора полимера в водной фазе, содержащих в качестве стабилизаторов поверхностно-активные вещества (ПАВ), с последующей отгонкой растворителя, и вводом полученных дисперсий в латекс на завершающей стадии процесса выделения. Возможность такой модификации бутадиен-стирольных каучуков, получаемых методом эмульсионной сополимеризации показана в работе [12].

Для исследования получения воднополимерной эмульсии (ВПЭ) и воднополимерноантиоксидантной эмульсии (ВПАЭ) из отходов нефтехимии были выбраны следующие продукты: стиролсодержащий низкомолекулярный полимерный материал (НПМ) полученный на основе кубовых остатков ректификации толуола, а также продукт его модификации малеиновым ангидридом (НПМ МА) и масло ПН-6.

Стабильная эмульсия на основе НПМ; НПМ МА и масла ПН-6 была получена в присутствии эмульгаторов на установке оборудованной высокоскоростной мешалкой.

Предварительные исследования показали, что применение для диспергирования в водной фазе масла ПН-6, и особенно НПМ без растворителя не привело к получению стабильной эмульсии. Это связано с тем, что данные продукты обладали повышенной вязкостью и при температуре 20 ± 2 оС представляли собой твердые вещества или очень вязкие жидкости. При повышенных температурах (60 - 100 оС) они размягчались, вязкость их снижалась. Однако снижение вязкости было недостаточно, чтобы получить стабильную эмульсию. Для получения эмульсии обладающей повышенной стабильностью, в сополимер на основе НПМ и масло ПН-6 вводили ~ 20 % растворителя - толуола.

Диспергирование в водной фазе НПМ МА не требует дополнительного применения углеводородного растворителя, так как получаемые олигомерные продукты, представляют собой маслообразные жидкости, обладающие достаточно высокой подвижностью включающие кислородсодержащие функциональные группы, повышающие их сродство к водной фазе. Это связано с тем, что в процессе модификации стиролсодержащего низкомолекулярного полимерного материала малеиновым ангидридом происходит частичная деструкция полимерных цепей, обладающих высокой молекулярной массой, приводящая к снижению средней молекулярной массы и вязкости системы.

Для получения ВПЭ и ВПАЭ использовали в качестве эмульгаторов растворы канифольного мыла и лейканола. Изучение влияния дозировки растворов канифольного мыла и лейканола, продолжительности перемешивания, на стабильность получаемой ВПЭ и ВПАЭ осуществляли по плану латинского квадрата 4-го порядка [13]. В качестве целевой функций отклика была выбрана продолжительность до момента расслоения ВПЭ.

Диспергирование проводили следующим образом. В емкость для диспергирования загружали 20 г продукта и вводили 50 г водной фазы, содержащей растворы канифольного мыла и лейканола. Гомогенизацию (диспергирование) проводили при постоянном перемешивании в присутствии эмульгаторов в течение 2-8 часов при температуре 50-60 оС. Из полученной эмульсии под вакуумом отгоняли растворитель (где он присутствовал). Сухой остаток по данным гравиметрического анализа составлял 32-39 %.

По плану эксперимента было установлено, что наилучшие условия обеспечивающие получение стабильной ВПЭ, на основе НПМ, при дозировке раствора канифольного мыла - 5,5 % мас. (по сухому остатку), раствора лейканола - 0,5 % мас. (по сухому остатку), и времени перемешивания смеси 4 ч.

Аналогично, с помощью латинского квадрата 4-го порядка, были спланированы эксперименты для получения стабильной ВПЭ на основе НПМ МА и масла ПН-6.

Анализ полученных данных показал, что наилучшими условиями для получения стабильной ВПЭ, на основе НПМ МА, являются дозировка раствора лейканола 0,6 % мас. (по сухому остатку), раствора канифольного мыла - 5 % мас. (по сухому остатку) и время перемешивания смеси 3 ч. Следует отметить, что ВПЭ полученная на основе НПМ МА, обладала лучшей устойчивостью к расслоению, чем на основе немодифицированного НПМ. Стабильную эмульсию на основе масла ПН-6 получали при содержании в водной фазе лейканола 0,5 % мас. (по сухому остатку), канифольного мыла - 6 % мас. (по сухому остатку) и времени перемешивания смеси 5 ч.

В ранее опубликованных работах [14] была показана возможность применения полимерных материалов на основе отходов нефтехимии для приготовления не только ВПЭ, но и ВПАЭ с последующим её вводом в латекс бутадиен-стирольного каучука. Базируясь на полученных выше положительных результатах, были приготовлены по вышеприведенной рецептуре ВПАЭ (на основе НПМ; НПМ МА и масла ПН-6) с использованием антиоксидантов аминного или фенольного типа, применяемых в производстве эмульсионных бутадиен-стирольных каучуков. То есть сначала готовился толуольный раствор, содержащий НПМ (масло ПН-6) и антиоксидант, с последующим приготовлением на его основе стабильной ВПАЭ. С этой целью в толуольный раствор НПМ (масло ПН-6) вводили расчетные количества антиоксидантов и перемешивали до однородного состояния. После чего на основе полученной смеси готовили водную эмульсию способом описанным выше.

Приготовленную ВПАЭ (на основе НПМ; НПМ МА и масла ПН-6) смешивали с каучуковым латексом СКС-30 АРК, и полученную смесь подвергали коагуляции по общепринятой методике [15] с использованием в качестве коагулирующего агента 24 % мас. водного раствора хлорида натрия и подкисляющего агента 1,0-2,0 % мас. водного раствора серной кислоты. Коагуляцию проводили при температуре 60-65 оС. Образующуюся крошку каучука отделяли от серума, промывали теплой водой и обезвоживали в сушильном шкафу при температуре 75-80 оС до постоянной величины потери массы.

Содержание НПМ; НПМ МА и масла ПН-6 в каучуковой матрице выдерживалось - 2,0; 4,0; 6,0; 8,0 % мас. на каучук, а антиоксидантов - согласно общепринятым требованиям. Анализ экспериментальных данных показал, что дополнительное использование ВПАЭ, на основе НПМ; НПМ МА и масла ПН-6 приводит к увеличению выхода образующейся крошки каучука.

Положительные результаты по применению НПМ для получения ВПАЭ, а также имеющиеся литературные данные послужили основой проведения дальнейших исследований по усложнению ее компонентного состава за счет дополнительного введения в её состав волокнистых наполнителей, полученных из отходов текстильных производств.

Для исследования получения водноволокнополимерноантиоксидантной дисперсии (ВВПАД) были выбраны следующие продукты: НПМ, НПМ МА и масло ПН-6. В качестве волокнистого наполнителя были выбраны отходы текстильного производства - хлопковое, льняное, вискозное и капроновое волокна. Изучение влияния дозировки растворов канифольного мыла и лейканола, природы волокнистого наполнителя и продолжительности перемешивания ВВПАД осуществляли с помощью планирования эксперимента по греко-латинскому квадрату 4-го порядка [13].

По плану эксперимента наиболее оптимальный вариант получения стабильной ВВПАД на основе НПМ МА и волокнистого наполнителя, при дозировке раствора лейканола 0,5 % мас. (по сухому остатку), раствора канифольного мыла - 5,5 % мас. (по сухому остатку) и времени перемешивания смеси 3 ч.

Аналогичные данные были получены при использовании НПМ и масла ПН-6 для приготовления ВВПАД. Однако в случае применения масла ПН-6, для получения стабильной ВВПАД, количество раствора канифольного мыла увеличивалось до 6 % мас. (по сухому остатку), а время перемешивания до 4 ч.

Приготовленную стабильную ВВПАД, на основе НПМ; НПМ МА и масла ПН-6, содержащую волокнистый наполнитель (хлопковое, вискозное и капроновое волокно), смешивали с бутадиен-стирольным латексом СКС-30 АРК. Полученную смесь подвергали коагуляции по общепринятой методике (см. выше) [15]. Содержание НПМ; НПМ МА и масла ПН-6 в каучуковой матрице выдерживали - 2,0; 4,0; 6,0; 8,0 % мас. на каучук, волокнистого наполнителя - 0,5 % мас. на каучук (длина волокна 2-5 мм), а антиоксидантов - согласно принятым требованиям.

Отмечено, что во всех случаях при введении в латекс перед его коагуляцией ВВПАД наблюдали образование крошки каучука с более высоким выходом, чем в контрольном образце (без ВВПАД). Это может быть связано, как с дополнительным присутствием в образующейся крошке каучука НПМ; НПМ МА; масла ПН-6 и волокнистых наполнителей, так и за счет уменьшения потерь каучука в виде мелкодисперсной крошки.

Визуальный осмотр образующейся крошки каучука, его разрезов, а также анализ латексных пленок, полученных с включением волокнистого наполнителя, подтвердил предположение о том, что волокно распределяется равномерно в объеме латекса и полимерном композите. Наилучшее распределение волокнистого наполнителя отмечено в случае его совместного ввода с НПМ МА.

Таким образом, на основе проведенных исследований можно сделать следующие выводы:

  1. Обосновано получение и применение стабильной водной эмульсии на основе НПМ как самостоятельно, так и в сочетании с антиоксидантами аминного или фенольного типа, а также дисперсий с волокнистым наполнителем.
  2. Определены с помощью планирования эксперимента условия получения стабильной воднополимерной и воднополимерноантиоксидантной эмульсии на основе НПМ; НПМ, модифицированного МА и масла ПН-6.
  3. Показана возможность получения стабильной водноволокно-полимерноантиоксидантной дисперсии на основе олигомеров нефтехимии и отходов текстильного производства. Установлены с помощью планирования эксперимента условия получения стабильной водноволокнополимерноантиоксидантной дисперсии.
  4. Выявлены закономерности по влиянию ВПАЭ и ВВПАД на процесс выделения каучука из латекса.
  5. Использование низкомолекулярных полимерных материалов из отходов производства полибутадиена и волокнистых наполнителей в композиционных материалах позволяет не только утилизировать отходы нефтехимических и текстильных производств, но и более рационально использовать сырье и материалы, что способствует уменьшению загрязнения окружающей среды.

Список литературы

  1. Никулин, С. С. и др. Отходы и побочные продукты нефтехимических производств - сырье для органического синтеза. М.: Химия, 1989. - 240 с.
  2. Перспектива использования кубовых остатков производства винилароматических мономеров: тем. обзор / С.С. Никулин, Т.Р. Бутенко, А.А. Рыльков, Р.Г. Фазлиахметов, С.М. Фурер. - М.: ЦНИИТЭнефтехим, 1996. - 64 с.
  3. Френкель Р.Ш. Химическая модификация каучуков. - М.: ЦНИИТЭнефтехим, 1975. - 52 с.
  4. Озерова Н.В. «Утилизация текстильных отходов. Экономика природопользования и природоохраны». Сб. мат. V Междунар. науч.-практ. конф. -Пенза, 2002. - С.210.
  5. Соловьев Е.М., Несиоловская Т.Н., Кузнецова И.А. Получение волокнистых наполнителей резин и пути улучшения их свойств. - М.:ЦНИИТЭнефтехим, 1986. - 50 с.
  6. Никулин С.С., Акатова И.Н., Щербань Г.Т. Волокнистые наполнители в резинотехнических композициях. - Воронеж : ВГЛТА, 2002. - 63 с.
  7. Ягнятинская Е.А. и др. Технология изготовления, свойства и особенности применения резин с волокнистыми наполнителями в РТИ. - М.: ЦНИИТЭнефтехим, 1979. - 54 с.
  8. Соловьев М.Е., Несиоловская Т.Н., Котусенко Б.В. // Каучук и резина, 2002. - №1. - С. 24-26.
  9. Несиоловская Т.Н., Соловьев Е.М., Туров Б.С., Кошель И.А. //Каучук и резина, 1991. - №4. - С. 18 - 20.
  10. Никулин С.С., И.Н. Пугачева, Черных О.Н. Композиционные материалы на основе наполненных бутадиен-стирольных каучуков. - М.: Академия Естествознания, 2008. - 145 с.
  11. Акатова И.Н., Филимонова О.Н., Никулин С.С., Корыстин С.И. // Производство и использование эластомеров, 2002. - № 1. - С. 10-14.
  12. Пугачева И.Н., Никулин С.С. // Химическая промышленность сегодня, 2008. - № 6. - С.29-34.
  13. Грачев Ю. П., Плаксин Ю.М. Математические методы планирования эксперимента. - М. : ДеЛи Принт, 2005. - 296 с.
  14. Черных О.Н., Акатова И.Н., Никулин С.С., Кондратьева Н.А., Седых В.А. // Химическая промышленность, 2005. - № 5. - т. 82. - С. 217-223.
  15. Куренков В.Ф., Бударина Л.А., Заикин А.Е. Практикум по химии и физике высокомолекулярных соединений. - М.: КолосС, 2008. - 395 с.

Работа проводилась в рамках федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России»

Просмотров работы: 26