СИНТЕЗ ВЫСОКОДИСПЕРСИОННОГО ОКСИДА КРЕМНИЯ (IV) НА БАЗЕ МЕСТНОГО СЫРЬЯ И ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ НА РЕЗИНОВЫЕ КОМПОЗИЦИИ

АННОТАЦИЯ

Синтезирован оксид кремния (IV) на основе жидкого стекла и хлорида кальция. Полученный оксид кремния (IV) применен в качестве добавки для резиновой смеси. Исследованы физико-механические свойства полученной резины с добавлением синтезированного оксида кремния (IV).

ABSTRACT

Silicon oxide (IV) based on liquid glass and calcium chloride has been synthesized. The resulting silicon oxide (IV) is used as an additive for the rubber compound. The physico-mechanical properties of the obtained rubber with the addition of synthesized silicon oxide (IV) have been studied.

Ключевые слова: оксид кремния (IV), резиновая композиция, добавка, физико-механические свойства.

Keywords: silicon (IV) oxide, rubber composition, additive, physical and mechanical properties.

Введение. Китай, Германия, Франция и Россия являются ведущими мировыми производителями высокодисперсного оксида кремния (IV). Существует несколько способов синтеза этого оксида, один из которых основан на золь-гель-технологии, которая представляет собой осаждение серной кислоты в жидком стекле для синтеза качественного оксида [3]. Оксид кремния (IV) является одним из наиболее важных среди кремниевых соединения. Оксид кремния (IV) обладает специфическими химическими и физико-механическими свойствами и широко применяется в производстве строительных материалов, полимеров, лакокрасочной и резинотехнической промышленности [4]. В настоящее время, помимо природных форм этого оксида, его синтезируют в химической промышленности синтетическими методами, включающими осаждение из раствора силиката натрия и гидролиз при высоких температурах. Исходными материалами для получения синтетического оксида кремния (IV) являются кварц, песок, силикаты металлов, галогениды кремния и другое кремнийсодержащее сырье [1]. Разработаны технологии получения оксида кремния (IV) в жидкой, газовой фазе. Кроме того, производство высокодисперсного оксида кремния (IV) осуществляется в разных фазах [2].

Различные активные наполнители (кремний IV, технический углерод), пластификаторы, антиоксиданты применяют в производстве резинотехнических изделий для повышения их физико-механических свойств, устойчивости к различным внешним воздействиям, солнечному свету, холоду и теплу, влаге, износу [5; 6]. На основании вышеуказанных источников исследований в Ташкентском научно-исследовательском институте химической технологии Республики Узбекистан проведены научно-практические работы по синтезу высокодисперсного оксида кремния (IV) на основе местного сырья.

Экспериментальная часть. Для синтеза высокодисперсного оксида кремния (IV) первым шагом является взятие жидкого стекла и растворение его в воде, затем добавление раствора хлорида кальция и постоянное перемешивание, после чего силикат кальция полностью высыхает при 60 °C. Полученный силикат кальция хорошо измельчают с помощью лабораторного измельчителя. Ниже показано уравнение химической реакции взаимодействия жидкого стекла с хлоридом кальция:

Na₂SiO₃ + СаСl₂  → CaSiO₃↓  + 2NaCl .

На второй стадии хорошо измельченное силикатно-кальциевое сырье подвергают воздействию раствора соляной кислоты, в результате чего в водной среде выпадает высокодисперсный оксид кремния (IV), который четко разделяется на две среды, а затем фильтруют, через бумагу очищают от водорастворимых солей с помощью дистиллированной воды. Ниже показано уравнение химической реакции получения оксид кремния (IV):

CaSiO₃  + 2HCl  → СаСl₂   + SiO₂↓  + H₂O .

Синтезированный высокодисперсный оксид кремния (IV) сушат в сушильном шкафу при 55 °С, высушенное сырье сушат в сушильном шкафу при 400 °С в течение 1 часа для испарения его примесей.

Обсуждение полученных результатов. Изучен элементный анализ синтезированного оксида кремния (IV). Целью проведения данного исследования является определение наличия элементов кремния и кислорода. Данный метод анализа позволил нам определить не только наличие элементов кремния и кислорода в полученном веществе, но и количественное соотношение этих элементов в массовом проценте. На рисунке 1 показан результат проведенного элементного анализа.

Рисунок 1. Элементный анализ синтезированного оксида кремния (IV)

Элементарный анализ показал, что высокодисперсный оксид кремния (IV), полученный из местного сырья, содержит 43,4% кремния и 52,3% кислорода. После этого была проведена экспериментальная работа по стандартным техническим параметрам, которые приведены в таблице 1.

Таблица 1.

Результаты лабораторного химического анализа

Когда результаты химического анализа синтезированного оксида кремния (IV) соответствовали техническим требованиям, была выбрана стандартная рецептура. Состав резиновой смеси на этой основе приведен в таблице 2.

Таблица 2.

Состав стандартной резиновой смеси HT168

По этому стандартному рецепту в лабораторных условиях готовили небольшую массу резиновой смеси. Этот процесс осуществляют на вентильном устройстве при температуре 65–70 °С, в котором сначала пластифицируют каучуки и готовят резиновую смесь путем смешивания ингредиентов по порядку. 55 г приготовленной резиновой смеси volcanic помещали в формы вулканизационного плоского пресса и обжигали при 150 °С в течение 15 минут при давлении 6–7 МПа. Резиновую смесь, приготовленную на вулканизирующем плоском прессе, охлаждали до комнатной температуры в течение 16 часов и отбирали образцы (рисунки 2 и 3) для проверки на прочность при растяжении.

По стандартной рецептуре исследовали физико-механические свойства резиновой смеси НТ168 с местным оксидом кремния (IV). Электронная разрывная машина «АИ-7000» дала такие показатели, как предел прочности, относительное удлинение при разрыве, эластичность, модуль упругости. Кинетику процесса вулканизации определяли на приборе «Роторный реометр (Вулканизационное устройство без ротора) М-3000А». Твердость изучали на приборе «Тверская твердость по берегу N14/1». Полученные результаты представлены в таблице 3.

Таблица 3.

Результаты физико-механических испытаний резиновой смеси НТ168 на основе местного высокодисперсного оксида кремния (IV)

Заключение. Результаты химического анализа сырья оксида кремния (IV) с высокой дисперсностью выявили соответствие всем техническим требованиям, а физико-механические испытания резиновой смеси, полученной на основе данного сырья, близки к нормам нормативно-технических показателей. То есть из результатов испытаний видно, что технические свойства этого оксида улучшаются по сравнению с первыми синтезированными разработками.

Список литературы:

1. Ахметов Т.Г. Химическая технология неорганических веществ : учебн. пособие. 2-е изд., стер. – СПб. : Лань, 2019. – 414 с.
2. Кутищева Е.С., Усольцева И.О., Передерин Ю.В. Способы получения высокодисперсного диоксида кремния // Ползуновский вестник. – 2021. – № 2.
3. Мельников Б.И., Савченко М.О., Набибач В.М. Исследование кинетики поликонденсации кремниевых кислот в процессе сернокислотного метода осаждения высокодисперсного диоксида кремния // Вопросы химии и химической технологии. – 2008. – № 4. – С. 129–134.
4. Сахаров В.В. Кремния диоксид // Химическая энциклопедия: в 5 т. / гл. ред. И.Л. Кнунянц. – М. : Советская энциклопедия, 1990. – Т. 2: Даффа–Меди. – С. 517–518.
5. Nagornaya M.N., Myshlyavtsev A.V., Strizhak E.A. Effect of oxidized technical carbon on surface energy of rubber // Vopr. Materialoved. – 2019. – № 2 (98).
6. Synergistic effects of antioxidant and silica on enhancing thermo-oxidative resistance of natural rubber: Insights from experiments and molecular simulations / K. Luo [et al.] // Mater. Des. – 2019. – Vol. 181.