Получение ускорителя вулканизации каучука на основе местного сырья

АННОТАЦИЯ

В данной статье приведены результаты исследований о возможности использования модифицированного каолина в качестве наполнителя, ускорителя и активатора резиновых смесей на основе бутадиен-стирольных каучуков. Показано его влияние на кинетику процесса вулканизации резиновых смесей, на технологические и технические показатели эластомерных композиций. Установлено оптимальное содержание модификатора и ангренского каолина в составе резиновых смесей.

ABSTRACT

This article presents the results of studies on the possibility of using modified kaolin as a filler, accelerator and activator of rubber compounds based on styrene butadiene rubbers. It shows its influence on the kinetics of the vulcanization process of rubber compounds on the technological and technical parameters of elastomeric compositions. It has been established that the optimal content of the modifier and Angren kaolin in the composition of rubber compounds.

Ключевые слова: вулканизация, эластомер, алканоламин, активатор, модификация, ускоритель, наполнитель, резиновая смесь, ангренский каолин.

Key words: vulcanization, elastomer, alkanolamine, activator, modification, accelerator, filler, rubber compound, angren kaolin.

На основе анализа литературных источников, изучения современного состояния технологического процесса модификации наполнителей и композиционных эластомерных материалов [5] определено, что наиболее перспективным направлением при создании наполненных композиций в настоящее время являются поиск многофункционального наполнителя и разработка технологии получения композиционных эластомерных материалов и изделий на их основе со специфическими свойствами [2; 8].

Для проведения данного исследования был использован СКМС-30АРКМ-15. Резиновые смеси на основе стандартного рецепта [7] готовили на лабораторных вальцах при температуре 50–55 °С, вулканизовали на прессе. В качестве ускорителя, активатора и наполнителя использовали модифицированный обогащенный каолин Ангренского месторождения. Технологические свойства резиновых смесей изучали по соответствующим ГОСТам, кинетику вулканизации стандартных резиновых смесей изучали на приборе реометр Mоnsanto 100-4L

В качестве вулканизирующего агента выбрано вторичное сырье производства нефти и газа – абсорбент-алканоламин. В Республике Узбекистан [4] для очистки нефти и газа от кислых газов (Н₂S, СО₂) применяются следующие алканоламины: моноэтаноламин, диэтаноламин, метилдиэтаноламин (таблица 1).

Таблица 1.

Физико-химические свойства исходных и отработанных алканоламинов

*МЭА – моноэтаноламин; ОМЭА – отработанные моноэтаноламины; ДЭА – диэтаноламин; ОДЭА – отработанные диетаноламины; МДЭА – метилдиэтаноламин; ОМДЭА – отработанные метилдиэтаноламины.

Установлено изменение физико-химических свойств вторичных алканоламинов за счет абсорбции кислых газов из состава природного газа, т.е. увеличились температура кипения и вязкость, а также понизилась температура замерзания. Исследование их состава показало, что в основном они состоят из абсорбированных кислых газов и их соединений (H₂S, CO₂, СО и другие). На основании этого мы решились применять вторичные алканоламины в производстве композиционных эластомерных материалов в качестве ускорителя вулканизации каучуков. Для это удалили воду из их состава [1].

Исследования показали, что при введении 3 мас.ч. на 100 мас.ч. каучука вторичных алканоламинов в составе бутадиен-стирольных каучуков начало вулканизационного процесса ускоряется, время вулканизации уменьшается и плотность вулканизационной сетки увеличивается (рис. 1). В этом случае вторичные алканоламины рекомендуются для вулканизации тонкослойных мелких резинотехнических изделий.

Рисунок 1. Влияние ускорителей на кинетику вулканизации резиновых смесей на основе каучука СКМС-30 АРКМ-15:

1 – ДФГ; 2 – ФАЖК; 3 – отработанный алканоламин; 4 – ФАЖК + отработанный алканоламин

В работе [6] исследовано влияние фосфатированных алкиламидов жирных кислот (ФАЖК), полученных из вторичного сырья переработки хлопкового масла – госиполовой смолы, на кинетику вулканизации каучуков. Молекулярная масса фосфатированных алкиламидов жирных кислот равна 1100–1200. Изучение их состава методом инфракрасной спектроскопии показало, что при 900, 1070, 1210, 1310 и 1370 см^–1; 2360, 2930 и 3300 см^–1 имеются полосы поглощения, которые относятся к следующим функциональным группам: CO, –N, ≡R = O, = O, N–H, которые предопределили возможность использовать их в качестве вулканизирующих ускорителей. Применение фосфатированных алкиламидных жирных кислот в качестве вулканизирующих агентов в композиционных эластомерных материалах показало, что с увеличением их содержания увеличивается время начала вулканизации, это дает возможность получения резинотехнических изделий и шин с большими габаритами и сложными рисунками (рис. 1).

Установлено, что вторичные алканоламины ускоряют начало процесса вулканизации, а фосфатированные алкиламиды жирных кислот замедляют начало процесса вулканизации каучуков, в связи с чем рекомендуется их смешение в соотношении 1:1 при температуре 318–323 К в течение 30 минут, при котором образуется коллоидная система.

Полученные модифицированные композиции добавляли в состав каучуков и изучали их влияние на процесс вулканизации. При добавлении серных вулканизирующих систем вместо дифенилгуанидин (ДФГ) время вулканизации по сравнению с использованием вторичных алканоламинов уменьшилось, а в случае добавления фосфатированных алкиламидов жирных кислот время вулканизации увеличилось, значит, разработанные модифицированные вторичные алканоламины возможно применять в качестве ускорителя вулканизации (рис. 1).

Известно, что композиты, содержащие металлические оксиды, возможно использовать в качестве активатора вулканизации каучуков. В связи с чем изучали физико-химические свойства ангренского каолина (табл. 2).

Таблица 2.

Химическая свойства ангренского каолина

Из таблицы видно, что модифицированный ангренский каолин состоит в основном из SiO₂, A1₂O₃, TiO₂, SaO, MgO, Fe₂O₃ и FeO, общая формула которых Al₂O₃ • 2SiO₂ • 2H₂O. В составе ангренского каолина имеются оксиды металлов [3], поэтому его можно использовать одновременно в качестве активатора вулканизации и наполнителя в композиционных эластомерных материалах (табл. 3).

Из таблицы видно, что при добавлении ангренского каолина 40 мас.ч. и 5 мас.ч. оксида цинка на 100 мас.ч. каучука вместо еленинского каолина физико-механические свойства вулканизатов повышаются на 10–15 %, однако тепловое старение (100 °С при 72 часах) составляет 0,4 %, а с еленинским каолином этот показатель составляет 0,6 %. Исследование показало, что без добавления в состав резиновых смесей активаторов можно получать с ангренским каолином резины с высокими физико-механическими свойствами, это объясняется содержащимися оксидами металлов в составе ангренского каолина.

Таблица 3.

Влияние ангренского каолина 40 мас.ч. на физико-механические свойства стандартной резиновой смеси на основе каучука СКМС-30 АРКМ-15

Для применения ангренского каолина в композиционных эластомерных материалах можно использовать два метода: во-первых, уменьшить металлические оксиды в составе ангренского каолина по требованиям ГОСТа (0,3 %), однако это невозможно, потому что 1,02 % – FeO, который невозможно очистить по существующим технологиям, в связи с этим мы применили второй метод модификации, его модифицировали 5–10–15 мас.ч. с модифицированными алканоламинами и изучали влияние на кинетику вулканизации резиновых смесей, технологические и физико-механические свойства резин. Из стандартного рецепта удалены ускоритель и активатор вулканизации, а также наполнитель, вместо них добавляли модифицированный ангренский каолин.

Рисунок 2. Влияние ингредиентов на кинетику вулканизации резиновой смеси на основе СКМС-30 АРКМ-15:

1 – стандартный рецепт; 2 – 40 мас.ч. АК; 3 – 40 мас.ч. МАК

При добавлении в состав СКМС-30АРКМ-15 40 мас.ч. на 100 мас.ч. каучука вначале конец и плотность вулканизационной сетки соответствуют стандартному рецепту (рис. 2). Определены результаты исследования технологических и физико-механических свойств и показано, что теплостарение соответствует стандартным требованиям (табл. 4).

Таблица 4.

Влияние модифицированного ангренского каолина на физико-механические свойства резины на основе каучука СКМС-30 АРКМ-15

Таким образом, применение модифицированного ангренского каолина с 10 мас.ч. модифицированным вторичным алканоламином образует комплекс с оксидами железа, которые не влияют на тепловое старение вулканизаторов, при этом наполнение резиновых смесей с модифицированным ангренским каолинам позволяет сократить в рецептуре количество активатора и ускорителя вулканизации, а также минерального наполнителя.

Список литературы:

1. Ахмаджонов С., Вапаев М.Д., Тешабаева Э.У. Органические ускорители вулканизации для каучуков // Всероссийская школа-конференция молодых ученых «Фундаментальные науки – специалисту нового века» с международным участием (20–24 апреля 2020 г.). – Иваново. – 230 с.
2. Гоффман В. Вулканизация и вулканизующие агенты. – Л. : Химия, 1988. – 465 с.
3. Ибадуллаев А., Тешабаева Э.У., Таджибаева Г.С. Модификация вторичного ангренского каолина и его влияние на свойства резин // Научно-технический и производственный журнал «Горный вестник Узбекистана». – Ташкент, 2008. – № 1. – С. 34–35.
4. Кахаров Б.Б., Нигматова Д.И., Тешабаева Э.У. Вторичное сырье производства нефти и газа. Адсорбент-алканоламины как ускорители вулканизации каучков // International conference «Innovations in the oil and gas industry, modern power engineering and actual problems». May 26, 2020. – Tashkent. – P. 679–680.
5. Корнев А.Е., Буканов А.М., Шевердяев О.Н. Технология эластомерных материалов. – М. : НППА Истек, 2009. – 524 с.
6. Тешабаева Э.У., Сейдабдуллаев Я., Ибодуллаев А.С. Исследование влияния фосфотированных алкиламидов жирных кислот на формирование структуры вулканизационной сетки и свойств композитов // Austrian Journal of Technical and Natural Sciences Austria. – 2016. – № 3–4. – С. 92–96.
7. Ibodullaev A., Teshabaeva E. Rezina qorishmalarini ishlab chiqarish texnologiyasi. – Toshkent : Тafakkur bostoni, 2014. – 160 b.
8. Investigation of modified angren caoline as filling and activator of vulcanization of some elastomeric compositions / M.D. Vapaev, S.A. Akhmadzhonov, E.U. Teshabaeva, A. Ibadullayev // Austrian Journal of Technical and Natural Sciences Austria. – 2018. – № 9–10. – P. 29–33.