ЭЛАСТОМЕРНЫЕ КОМПОЗИЦИИ С ПРИМЕНЕНИЕМ РЕСУРСОСБЕРЕГАЮЩИХ ИНГРЕДИЕНТОВ ИЗ ВТОРИЧНОГО СЫРЬЯ

АННОТАЦИЯ

В данной работе изучены перспективы использования побочных продуктов масложирового производства, таких как неиспользуемые фракции и жирные кислоты, образующиеся на различных стадиях переработки, включая соапсток, СЖК, ДЖК и другие материалы. Особое внимание уделено расширению ассортимента ингредиентов для резиновых смесей, в частности, созданию солей металлов жирных кислот, применяемых в качестве активирующих технологических добавок. Разработан экономичный метод их производства, который позволяет сократить энергозатраты за счет исключения стадии предварительной дистилляции и применения более широкой сырьевой базы, включающей жировые компоненты побочных продуктов (СЖК, ДЖК и соапстоков) производства хлопковых масел. Так же, рассмотрены процессы синтеза технологических добавок и их влияние на пласто-эластические характеристики резиновых смесей, а также на физико-химические параметры вулканизатов.

ABSTRACT

In this paper, the prospects of using by-products of fat and oil production, such as unused fractions and fatty acids formed at various stages of processing, including soapstock, FFA, JK and other materials, are studied. Special attention is paid to expanding the range of ingredients for rubber compounds, in particular, the creation of fatty acid metal salts used as activating technological additives. An economical method of their production has been developed, which makes it possible to reduce energy consumption by eliminating the pre-distillation stage and using a wider raw material base, including fatty components of by-products of cottonseed oil production. The processes of synthesis of technological additives and their effect on the plastoelastic characteristics of rubber compounds, as well as on the physico-chemical parameters of vulcanizates, are also considered.

Ключевые слова: жировая часть хлопкового СЖК, ДЖК, соапстока, технологические добавки, СКИ-3, СКСМ-30АРКМ-15, стеариновая кислота

Keywords: fatty part of cotton FFA, FFA, soap stock, technological additives, SKI-3, SKSM-30ARKM-15, stearic acid

Введение. Производство растительных масел (в частности, хлопкового) и жирных кислот в зависимости от применяемой технологической схемы и методов выделения основных продуктов сопровождается образованием значительного количества побочных продуктов и отходов.

Жирные кислоты (ЖК) играют ключевую роль в формировании резиновых композиций, применяемых для различных целей. Эти вещества, обладая свойствами поверхностно-активных веществ (ПАВ), выполняют в резиновых смесях множество функций, включая диспергаторы, активаторы вулканизации, пластификаторы и другие.

Установлено, что в резиновых составах могут использоваться как отдельные жирные кислоты, так и их смеси. Например, смеси высших жирных кислот могут содержать до 50% стеариновой и олеиновой кислот, 90% миристиновой кислоты, а также пальмитиновую, линолевую и линоленовую кислоты. Также используются «синтетические жирные кислоты» (СЖК), охватывающие фракции C₁₁ - C₂₁.

Олеиновая кислота и аналогичные ей технические смеси ненасыщенных жирных кислот (НЖК), производимые из растительных масел или их переработанных продуктов, представляют собой экологически чистые и экономически более выгодные материалы по сравнению со стеариновой кислотой. Их широкая и возобновляемая сырьевая база делает их особенно актуальными для разработки новых подходов к использованию ненасыщенных жирных кислот в составах резиновых смесей на основе каучуков общего назначения.

Обсуждение выбора сырья

В рамках исследования рассмотрены возможности использования побочных продуктов масложирового производства, таких как неиспользуемые фракции, жирные кислоты, получаемые на различных этапах переработки, включая соапсток, СЖК, ДЖК и другие материалы.

Основное внимание уделено расширению перечня ингредиентов для резиновых смесей, в частности, разработке солей металлов жирных кислот, которые могут быть использованы в качестве активирующих технологических добавок. Предложен экономичный способ их получения, который позволяет снизить энергозатраты за счет исключения стадии предварительной дистилляции и использования более широкой сырьевой базы на основе жировой части побочных продуктов (СЖК, ДЖК и соапстоков) производства хлопковых масел. Задача решается за счет того, что при синтезе солей металлов жирных кислот, предназначенных для использования в резиновых смесях, применяются вторичные продукты СЖК, ДЖК и соапстоков. Эти материалы подвергаются омылению 8–12%-ным водным раствором гидроксида натрия при температуре 80–90°С. Затем к полученному гидролизату добавляют воду в объеме, превышающем его в 1,5–2 раза, и вводят растворимые соли цинка, кальция или их смеси. Сырье для процесса получают путем комплексного воздействия электролита и деэмульгатора на побочные продукты переработки хлопковых масел. Процесс включает нагрев вторичного сырья до 50–60°С с последующим добавлением воды (50–60% от массы исходного сырья) и 4–6% хлорида натрия. После 10–15 минут нагрева при перемешивании смеси выдерживаются при комнатной температуре в течение 12 часов, что позволяет отделить жировую часть от остальных компонентов.

Синтезированные соли металлов жирных кислот применяются в качестве диспергирующих и активирующих добавок в резиновых смесях в количестве 1–15 массовых частей на 100 массовых частей каучука.

Материалы и методы получения технологических добавок

В рамках исследования разработаны различные методы получения технологически активных добавок. Приведенные примеры иллюстрируют особенности синтеза добавок на основе жировой части побочных продуктов производства хлопковых масел, включая СЖК, ДЖК и соапсток.

Пример 1. В круглодонную колбу с мешалкой и термометром загружают 100 г жировой части хлопкового соапстока. Добавляют 16 г гидроксида натрия в виде 8%-ного водного раствора (200 г раствора) и проводят реакцию при температуре 80–90°С в течение 3 часов. К полученному гидролизату объемом 290 см³ добавляют 450 см³ воды, а затем 28 г хлорида цинка. Образовавшуюся суспензию фильтруют, промывают водой и сушат. Итоговый продукт — технологическая добавка (ТДС-Zn), представляет собой не пылящий порошок бело-желтого цвета, с температурой плавления 70–80°С и влажностью 1%. (таблица 1).

Пример 2. 100 г жировой части хлопкового СЖК загружают в аналогичную установку, добавляют 14 г гидроксида натрия в виде 12%-ного раствора (116 г раствора) и проводят реакцию при температуре 80–90°С в течение 3 часов. К гидролизату объемом 206 см³ добавляют 310 см³ воды, после чего вводят 27 г хлорида цинка. Полученную суспензию фильтруют, промывают и сушат. В результате получается 113,4 г добавки (ТДСЖК-Zn) желто-белого цвета с влажностью 1%. (таблица 1).

Пример 3. Для получения технологической добавки (ТДСЖК-Ca) используют аналогичную процедуру, но вместо хлорида цинка вводят 24 г хлорида кальция. В результате образуется белый порошок с влажностью 1%. (таблица1).

Пример 4. 100 г жировой части хлопкового соапстока обрабатывают 16 г гидроксида натрия в виде 12%-ного раствора (135 г раствора). К гидролизату добавляют 350 см³ воды, а затем смесь 18 г хлорида цинка и 14 г хлорида кальция. В итоге получается 115,3 г добавки (ТДС-Zn-Ca), представляющей собой не пылящий порошок желто-белого цвета. (таблица 1).

Пример 5. Используя жировую часть хлопкового ДЖК, повторяют методику синтеза с хлоридом цинка. Полученный продукт (ТДДЖК-Zn) представляет собой желто-белый порошок с содержанием 75% цинковой соли жирных кислот. (таблица 1).

Пример 6. Для синтеза добавки (ТДДЖК-Ca) используют аналогичную схему, заменяя хлорид цинка на 24 г хлорида кальция. Полученный продукт характеризуется содержанием 78% кальциевой соли жирных кислот. (таблица 1).

Таблица 1.

Значения

Испытания синтезированных добавок показали, что они могут использоваться в резиновых смесях на основе различных каучуков в качестве диспергирующих и активирующих компонентов в дозировке 1–15 массовых частей на 100 массовых частей каучука.

Результаты обсуждения

Для создания эластомерных композиций применяли метод вальцевания, а процесс вулканизации осуществляли в гидравлическом прессе при температуре 140–170°С в течение 40–60 минут.

Резиновые смеси были приготовлены по следующему составу (пример 7-12) (в мас. частях):

• СКИ-3 — 80,0
• СКМС-30АРКМ-15 — 20,0
• техническая сера — 1,0
• сульфенамид М — 1,0
• стеариновая кислота — 2,0
• цинковые белила — 8,0
• технический углерод — 57,0
• масло ПН-6 — 4,0
• нефтяной мягчитель — 1,0
• диафен — 2,0

Содержание технологических добавок (Zn и Zn-Ca солей соапстока) варьировалось в пределах 1–15 массовых частей. Результаты приведены в таблице 2.

Таблица 2.

Результаты

Применение технологических добавок ТДС-Zn и ТДС-Zn-Ca позволило существенно оптимизировать стандартные рецептуры резиновых смесей:

• снизить содержание стеариновой кислоты на 50%,
• уменьшить дозировку цинковых белил также на 50%,
• исключить использование масла ПН-6 и нефтяного мягчителя.

Установлено, что ненасыщенные жирные кислоты, содержащиеся в технологических добавках, и их двойные связи не оказывают негативного влияния на вулканизационные свойства и физико-механические параметры резиновых смесей, таких как вязкость по Муни, условное напряжение при растяжении, относительное удлинение при разрыве, твердость по Шору и эластичность по отскоку.

Примеры 13–18. Аналогично изготавливались резиновые смеси с добавлением технологических добавок (Zn и Ca солей СЖК). Результаты исследования показали возможность полной замены стеариновой кислоты и уменьшения цинковых белил на 50% при использовании добавок на основе Zn-солей. Добавки Ca-солей позволили уменьшить содержание цинковых белил на 75%, а также исключить из рецептуры масло ПН-6 и нефтяной мягчитель (таблица 3).

Таблица 3.

Значения

Примеры 19–24. Состав резиновых смесей оставался аналогичным, но использовались добавки на основе Zn и Ca солей ДЖК. Тестирование показало возможность уменьшения стеариновой кислоты на 75%, сокращения цинковых белил на 50% при использовании Zn-солей и на 75% при применении Ca-солей. Кроме того, было установлено снижение объема масла ПН-6 на 87,5% и нефтяного мягчителя на 50% (таблица 4).

Таблица 4.

Значения

Заключение. Использование вторичных продуктов масложирового производства (ДЖК, СЖК и соапстоков) позволяет улучшить качество смешения резиновых смесей при сохранении их технологических и физико-механических свойств. Результаты испытаний показывают, что предложенные технологические добавки обеспечивают параметры резиновых смесей на уровне стандартных показателей или превышают их. Таким образом, применение вторичных продуктов представляет собой эффективный способ повышения экономической и экологической эффективности производства.

Список литературы:

1. Гришин Б.С. и др. Исследование структуры растворов жирных кислот и их цинковых солей в эластомерах диффузионным методом // Коллоидный журнал. 1976. - Т.38. - № 6. - С. 1173-1175.
2. Енютина, М. В. Выделение масложировых компонентов из отхода производства растительных масел/ М. В. Енютина, Г.В. Кудрина, С.И. Корыстин, Т.Н. Пояркова //Успехи современного естествознания. Материалы международной конференции «Природопользование и охрана окружающей среды», 2007. - № 12. - с. 40-41.
3. Кудрина, Г. В. Получение цинковых солей жирных кислот из побочного продукта производства растительных масел / Г.В. Кудрина, М.В. Енютина, Ю.С. Филатова //Фундаментальные исследования. Материалы международной конференции «Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники», 2008. - № 6 - с. 104-105.
4. Кудрина Г.В. Применение в резинах солей жирных кислот на основе отхода производства растительных масел // Фундаментальные исследования. – 2009. – № 7. – С. 20-21.
5. Рахматуллина и др. Ненасыщенные высшие жирные кислоты растительного происхождения и их серосодержащие производные в рецептурах резиновых смесей. // Каучук и резина. — 2003. №1. - С. 3032.
6. Рахматуллина А.П., Заварихина Л.А., Ахмедьянова Р.А. и др. О влиянии степени ненасыщенности жирных кислот на свойства резин // Каучук и резина. 2001. - №6. - С.44-45.
7. Рахматуллина А.П., Ахмедьянова Р.А., Заварихина Л.А. и др. Зависимость свойств резин от степени ненасыщенности жирных кислот // Химическая технология. 2002. - №5. - С. 124-126.