Малявина Ю.М., Нифталиев С.И., Перегудов Ю.С.*, Корчагин В.И.*

Воронежская государственная медицинская академия имени Н.Н. Бурденко,

* Воронежский государственный университет инженерных технологий, Россия

Химически осажденный карбонат кальция как коагулянт и наполнитель высоконаполненных эластомерных композиций

 

В настоящее время актуальной проблемой является создание высоконаполненных эластомерных композиций на основе бутадиен-стирольного каучука и техногенных отходов. Предлагается использовать в качестве коагулянта и одновременно наполнителя каучука на стадии латекса модифицированный химически осажденный карбонат кальция, являющийся побочным продуктом производства минеральных удобрений (ОАО «Минудобрения», Воронежская обл., г. Россошь). При этом для выделения бутадиен-стирольного каучука из латекса не требуется введения дополнительных коагулянтов и подкислителей.  

Высоконаполненные эластомерные композиции получали путем смешения в смесителе с мешалкой бутадиен-стирольного латекса и различного количества, в зависимости от степени наполнения, модифицированного химически осажденного карбоната кальция.

Для использования мела химически осажденного (МХО)  в качестве коагулянта и наполнителя каучуков, ему необходимо пройти предварительную подготовку и модифицирование. Предварительная подготовка мела заключалась в его сушке при температуре более 200° С с целью удаления аммиака и достижения влажности менее 0,2 %, отсеве примесей силикатов и кремнезема и повышении дисперсности. Модифицирование представляло собой поверхностную обработку химически осажденного карбоната кальция синтетическими жирными кислотами, в частности стеариновой кислотой. При данном виде обработки мел приобретает гидрофобные свойства, что препятствует его агрегации, приводит к более равномерному распределению в полимере и лучшей переработке полученного продукта в оборудовании. Активация или поверхностное модифицирование наполнителя является важным способом повышения смачивания частиц наполнителя полимерной дисперсионной средой и улучшения его распределения и тем самым позволяет решить одну из наиболее важных задач – введение в полимеры максимального количества наполнителей.

Модифицированный 3 мас. % и 5 мас. %  стеариновой кислоты химически осажденный карбонат кальция добавляли в латекс в соотношении 50; 70; 100; 200; 300; 400 мас.ч. на 100 мас.ч. полимера. Лучшая коагуляция произошла при степени наполнения 300-400 мас.ч. мела на 100 мас.ч. полимера, весь полимер связался с мелом. Для сравнения проводили коагуляцию и с использованием немодифицированного химически осажденного карбоната кальция.

В ходе проведения исследований были получены зависимости изменения массы сухого остатка и водородного показателя водного раствора после коагуляции латекса от степени наполнения эластомерных систем.

Из рисунка 1 видно, что при наполнении каучука модифицированным и немодифицировнным мелом химически осажденным (МХО) в количестве 50:100 мас.ч наблюдалось резкое различие значений масс сухого остатка, а при наполнении 400:100 мас.ч масса сухого остатка практически не менялась.

Рис. 1 Зависимость массы сухого остатка раствора после коагуляции от степени наполнения эластомерных систем

 

На рисунке 2 показана зависимость изменения водородного показателя сточной воды от степени наполнения эластомерных систем. На начальном этапе в интервале степеней наполнения 50-100 мас. ч., наличие немодифицированного химически осажденного карбоната кальция в латекс увеличивает значения рН отжимной воды после коагуляции, а при добавлении мела обработанного 3 и 5 мас. % стеариновой кислоты значения рН плавно уменьшаются. С увеличением степени наполнения эластомерных систем значение рН водного раствора после коагуляции латекса уменьшается и приближается к нейтральному. При степени наполнения полимер-наполнитель 100:400 мас. ч. значения водородного показателя  изменяются в следующей последовательности: полимер-МХО (рН=7,9) > полимер-МХО+3%С17Н35СООН (рН=7,8)  > полимер-МХО+5% С17Н35СООН (рН=7,7).

Рис 2. Изменение рН раствора после коагуляции латекса  от степени наполнения эластомерных систем

 

Были проведены реологические исследования высоконаполненных  эластомерных композиций на автоматическом капиллярном реометре «Smart RHEO 1000»  с программным обеспечением «CeastVIEW 5.94 4D» в диапазоне скоростей деформации (10 ÷ 100 с-1) при  использовании капилляра диаметром 1 мм и длиной 5 мм. В результате чего было определено, что использование стеариновой кислоты позволяет снизить значения эффективной вязкости  при деформировании в капилляре наполненного химически осажденным мелом бутадиен-стирольного каучука, т.е. оказывает пластифицирующее действие  при переработке высоконаполненных эластомерных композиций.

Рис 3. Зависимость эффективной вязкости эластомерной композиции от содержания стеариновой кислоты в карбонатном наполнителе                                                                при t=150° C и длине капилляра L=5 мм

 

  Из рисунка 3 видно, что при истечении через капилляр высоконаполненной эластомерной композиции увеличение массовой доли  стеариновой кислоты в наполнителе способствует снижению показателей эффективной вязкости при фиксированных скоростях сдвига,  сопоставимыми со скоростями, развиваемыми в современном перерабатывающем оборудовании. Повышение скорости сдвига при деформировании в капилляре приводит к снижению показателя эффективной вязкости  композиции  за счет разрушения узлов флуктуационно-пространственной сетки (сетки зацеплений) между макромолекулами полимеров и их агрегатами. Образец бутадиен-стирольного каучука, наполненного немодифицированным химически осажденным мелом при скорости сдвига lg γ = 2 (с-1) имеет наибольшее значение эффективной вязкости lg η = 4,09 Па·с, в то время как у образцов каучука, наполненных химически осажденным мелом, обработанным 3 и 5 мас. %  стеариновой кислоты, показатель эффективной вязкости при той же скорости сдвига составляет lg η = 3,59 Па·с и lg η = 3,56 Па·с соответственно. Это говорит о том, что наполнение бутадиен-стирольного каучука модифицированным химически осажденным мелом способствует пластифицирующему эффекту и реализации вязкого течения высоконаполненной композиции при деформировании в капилляре со скоростью сдвига до lg γ = 2 (с-1).

Показатель эффективной вязкости высоконаполненной эластомерной композиции с химически осажденным мелом, модифицированным 3 % стеариновой кислоты при скорости сдвига lg γ = 2 (с-1) на 5 мас. %  выше  показателя композиции с химически осажденным мелом, модифицированным 5 мас. % стеариновой кислоты. Повышение содержания стеариновой кислоты до 5 мас. %. не оказывает существенного влияния на показатель эффективной вязкости, поэтому с целью экономии сырья и рационального его использования для наполнения бутадиен-стирольного каучука следует использовать химический осажденный мел с 3 мас. % стеариновой кислоты. 

В результате проведенных исследований показано, сто модифицированный химически осажденный карбонат кальция может использоваться в качестве коагулянта и наполнителя для получения высоконаполненных эластомерных композиций на стадии латекса.