CC BY
90
УДК 678.762.2
МАТЕМАТИЧЕСКОЕ ПЛАНИРОВАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТА ПРИ ИЗУЧЕНИИ ПРОЦЕССА ВЫДЕЛЕНИЯ КАУЧУКА ИЗ ЛАТЕКСА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ОТХОДА СВЕКЛОСАХАРНОГО ПРОИЗВОДСТВА
М.А. ПРОВОТОРОВА, аспирант, ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный университет инженерных технологий»
(Россия, 394036, г. Воронеж, пр. Революции, д. 19) E-mail: [email protected] Н.С. НИКУЛИНА, к.т.н., преподаватель, Воронежский институт ГПС МЧС России (Россия, 394052, г. Воронеж, ул. Краснознаменная, 231) Л.Н. СТАДНИК, к.т.н., доцент, Воронежский государственный университет инженерных технологий (г. Воронеж, 394000, Россия, проспект Революции, 19), В.Н. ПАПКОв, к.т.н., зав. лабораторией, зам. директора по научной работе Воронежский филиал ФГУП «НИИСК» (Россия, 394014, г. Воронеж, ул. Менделеева, д. 3Б) С.С. НИКУЛИН, д-р технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный университет инженерных технологий» (394036, Россия, г. Воронеж, пр. Революции, д. 19) Рассмотрен процесс выделения бутадиен-стирольного каучука из латекса в присутствии отхода свеклосахарного производства — мелассы. Установлены факторы, влияющие на процесс коагуляции латекса СКС-30 АРК, с применением плана полного факторного эксперимента.
Ключевые слова: каучук, меласса, латекс, шины, вулканизаты, резиновые смеси.
Синтетические полимеры активно используются в производстве шинной и резинотехнической продукции, в композиционных составах различного назначения [1,2]. В литературных источниках большое внимание уделяется каучукам, получаемым эмульсионной полимеризацией. Их производство постоянно совершенствуется, внедряются новые технологии, аппараты, установки [3]. В технологическом процессе активно используются новые эмульгаторы, радикальные инициаторы, коагулирующие агенты [4], что в свою очередь отражается на показателях получаемых каучуков и изделий на их основе.
В настоящее время большое внимание уделяется разработкам, позволяющим снизить или полностью исключить применение солевых коагулянтов в технологии выделения каучуков из латексов. В работе [5] представлен анализ ассортимента органических коагулянтов, используемых для выделения каучуков из латексов, позволяющих либо полностью исключить применение неорганических солей, либо значительно снизить их расход. Особый интерес в этом плане представляют четвертичные соли аммония [5,6]. Использование полимерных катионных электролитов позволяет решить перечисленные выше проблемы, а также уменьшить чувствительность технологического процесса к изменениям рН среды.
Анализ опубликованных разработок в области исследования процесса выделения каучука из латекса показал, что в них отсутствуют построения математических моделей и методы математического планирования. В предлагаемой работе рассматривается возможность использования планирования с применением полного факторного эксперимента для описания процесса выделения каучука из латекса с использованием в качестве коагулирующего агента отхода свеклосахарного производства — мелассы [7,8].
Цель работы — применение плана полного факторного эксперимента для изучения процесса выделения каучука из латекса с использованием отхода свеклосахарного производства, с оценкой показателей получаемых каучуков, резиновых смесей и вулканизатов.
Процесс коагуляции проводили по методике [9]. В ёмкость, помещённую в термостат для поддержания заданной температуры, загружали латекс бутадиен-стирольного каучука марки СКС-30АРК. Термоста-тировали при определенной температуре в течение 1015 мин и совмещали при постоянном перемешивании c водным раствором мелассы (концентрация 15-20%). После введения коагулянта систему перемешивали около минуты и вводили подкисляющий агент (2,0%-й водный раствор серной кислоты). Образовавшуюся крошку каучука отделяли от водной фазы (серума), промывали водой и сушили при температуре 80-85°С.
Эффективность процесса коагуляции (флокуляции) оценивали гравиметрически (по относительному количеству образующейся крошки каучука) и визуально — по прозрачности серума.
Анализ имеющихся литературных данных показывает, что основными параметрами, определяющими полноту выделения каучука из латекса, являются расходы коагулирующего и подкисляющего агентов, температура коагуляции, концентрации дисперсной фазы и коагулирующего агента. Из перечисленных выше факторов для исследования выбраны наиболее важные: расходы мелассы свекловичной классической подкисляющего агента ^2) и температура коагуляции (У3). Правильность выбора данных факторов была подтверждена результатами предварительных исследований. В качестве функции отклика выбран выход образующейся крошки каучука.
Исследование влияния этих факторов на полноту выделения каучука осуществляли методом полного
Таблица 1
Матрица планирования полного факторного эксперимента
Параметры 1 2 3 4 5 6 7 8
Расход мелассы, кг/т каучука:
Х1 -1 +1 -1 + 1 -1 + 1 -1 +1
20 120 20 120 20 120 20 120
Расход серной кислоты, кг/т каучука:
Х2 -1 +1 -1 + 1 -1 + 1 -1 +1
V* 15 15 30 30 15 15 30 30
Температура коагуляции, °С:
Х3 -1 +1 -1 +1 -1 + 1 -1 +1
V, 20 20 20 20 60 60 60 60
Функция отклика:
У1 43,9 52,7 62,0 90,7 24,4 43,4 30,2 67,8
У2 43,4 49,8 61,0 91,7 23,0 43,0 32,7 67,3
Функция отклика, выход крошки каучука, %:
Уср. 43,7 51,3 61,5 91,2 23,7 43,2 31,5 67,6
факторного эксперимента [10]. Опыты проводили на верхнем и нижнем уровне варьирования факторов. Выполняли 8 опытов ^ = 23), которые включали все возможные комбинации этих уровней (табл. 1). Для определения дисперсии воспроизводимости опыты дублировали и выполняли в случайном порядке. Дисперсия воспроизводимости 82у = 1,201.
Математическая модель, полученная при выполнении полного факторного эксперимента, имеет вид линейного уравнения.
После вычисления коэффициентов регрессии и определения их значимости с помощью критерия Стью-дента уравнение (1) приобретает вид:
Y = 51,68 + 11,61х1 + 11,23х2 - 10,22х3 + 4,83 х1х2 + + 2,28х1х3 - 3,22х2х3 (1)
Пригодность математической модели для описания изучаемого объекта проверяли с помощью критерия Фишера.
Определяли дисперсию адекватности S2ад = 3,783. Отношение дисперсии адекватности к дисперсии воспроизводимости равно 3,14, что меньше критерия Фишера, который составляет 5,30. Следовательно, полученная модель адекватна.
В натуральных значениях факторов уравнение имеет вид:
Y = 29,526 - 0,149V1 + 1,454V2 - 0,188Vз + + 0,01288 V1V2 + 0,00228 V1Vз - 0,02147V2Vз (2)
Из уравнений (1) и (2) следует, что наибольшее влияние на процесс выделения каучука из латекса оказывает первый и второй факторы — расход мелассы и серной кислоты. С их увеличением выход крошки каучука возрастает (см. табл. 1), что может свидетельствовать о практически полном выделении каучука из латекса. Третий фактор (температура коагуляции) также оказывает существенное влияние на эффективность процесса коагуляции, при этом с её ростом выход крошки каучука снижается. Парные взаимодействия оказывают менее сильное влияние. Величина
выхода крошки каучука СКС-30АРК, равная 51,68%, достигается при условии фиксации всех факторов на основном уровне (расход мелассы — 70 кг/т каучука, температура коагуляции составляет 40°С, расход серной кислоты — 22,5 кг/т каучука).
С практической точки зрения, важно оценить, какое количество мелассы остается в каучуке, а какое количество остаётся в водной фазе (серуме). Это связано с тем, что присутствие большого количества мелассы в крошке каучука может оказать влияние на показатели резиновых смесей и вулканизатов на их основе. Для этого обезвоженную крошку каучука загружали в аппарат Сокслетта и проводили экстракцию водой мелассы из крошки каучука с определением снижения массы крошки каучука, помещенной в аппарат Сокслета, и изменению сухого остатка в водной фазе, собираемой в колбе [11].
Проведёнными исследованиями установлено, что количество мелассы, захватываемой в ходе коагуляции крошкой каучука, составляет от 10 до 15%, а в водной фазе её содержание составляет от 85 до 90%. Таким образом, основная масса мелассы после выделения каучука из латекса остаётся в водной фазе.
Завершающим этапом данной работы является определение показателей полученных каучуков, резиновых смесей и вулканизатов. Важность и необходимость проведения данных исследований базируется на том, что, если по своим физико-механическим показателям полученные вулканизаты не будут отвечать предъявляемым требованиям, то использование данной технологии выделения каучуков из латекса в реальном технологическом процессе будет проблематичной.
Проведёнными исследованиями было установлено, что резиновые смеси и вулканизаты на её основе соответствуют предъявляемым требованиям и необходимость проведения компонентного состава резиновых смесей отсутствует (табл. 2-4).
Выводы
1. Изучение процесса выделения каучука из латекса с применением планирования эксперимента показало,
Таблица 2
Результаты испытаний каучука СКС-30АРК, выделенного из латекса с применением мелассы
Показатели Требования ТУ 38.40355-99 Коагулянт
Хлорид натрия Меласса
Вязкость по Муни каучука, МБ 1:4 (100°С), усл.ед. 48-58 51 54
Содержание, % мас.:
летучих веществ Не более 0,8 0,15 0,17
антиоксиданта(агидол-2) 0,7-1,2 1,00 1,00
золы, не более Не более 0,5 0,18 0,14
связанного стирола 22,5-24,5 22,50 22,50
Таблица 3
Результаты испытаний резиновых смесей и вулканизатов на основе каучука СКС-30 АРК
Показатели Коагулянт
Хлорид натрия Меласса
Вязкость по Муни МБ (1:4) 100°С, усл.ед. 72 74 74 74
Продолжительность вулканизации, мин 50 25 35 50
Условное напряжение при 300% удлинении, МПа 14,8 15,2 17,8 18,7
Условная прочность при разрыве, МПа 24,4 26,6 26,8 26,9
Относительное удлинение при разрыве, % 480 520 475 425
Относительная остаточная деформация после разрыва, % 12 11 10 10
Твёрдость по Шору, усл.ед. 61 — 63 —
Эластичность по отскоку (н.у./100°С), % 37/46 — 40/50 —
Прочность на раздир, кН/м 55 — 58 —
Таблица 4
Кинетика вулканизации резиновых смесей на основе каучука СКС-30АРК
Показатели Коагулирующий агент
Хлорид натрия Меласса
Минимальный крутящий момент Мь, Н-м 9,5 11,5
Максимальный крутящий момент МН, Н-м 40,0 40,0
Время начала вулканизации мин 3,0 3,8
Время достижения 25% вулканизации мин 9,5 6,3
Время достижения 50% вулканизации мин 12,3 8,3
Время достижения 90% вулканизации мин 21,0 15,1
Скорость вулканизации 5,6 8,9
что доминирующими факторами являются расходы коагулирующего и подкисляющего агентов, а также температура коагуляции. Получены регрессионные уравнения.
2. Вулканизаты на основе каучука СКС-30АРК, выделенного из латекса с применением мелассы, отвечают предъявляемым требованиям.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Михайлин ЮА. Конструкционные полимерные композиционные материалы. — СПб: Научные основы и технологии, 2008. — 822 с.
2. Баженов С.Л., Берлин АА., Кульков АА., Ошмян В.Г. Полимерные композиционные материалы. — Долгопрудный: Издательский дом «Интеллект», 2010. — 352 с.
3. Распопов И.В., Никулин С.С., Гаршин А.П., Рыльков АА., Фазлиахметов Р.Г., Распопов В.И. Совершенствование оборудования и технологии выделения бутадиен-стирольных каучуков из латекса. — М.: ЦНИИТЭнефтехим, 1997. — 68 с.
4. Аверко-Антанович ЛА., Аверко-Антонович Ю.О., Дав-летбаева И.М., Кирпичников ПА Химия и технология синтетического каучука. — М.: Химия, КолосС, 2008. — 357 с.
5. Никулин С.С., Вережников В.Н. // Химическая промышленность сегодня. — 2004. — № 11. — С. 26-37.
6. Топчиев ДА., Малкандуев ЮА Катионные полиэлектролиты ряда поли-^^диметил-^^диаллиламмоний га-логенидов: особенности процессов образования, свойства и применение. — Нальчик: КБГУ, 1997. — 181 с.
7. Бенин С.Г., Шнайдеров Е.Е. // Сахарная промышленность. — 1951. — № 11. — С. 44.
8. Рудницкий П.В. Справочник работника спиртовой промышленности. — К.: Техника, 1972. — 386 с.
9. Пояркова Т.Н., Никулин С.С., Пугачева И.Н, Кудрина Г.В., Филимонова О.Н. Практикум по коллоидной химии латек-сов. — М.: Издательский дом Академии Естествознания. 2011. — 124 с.
10. Грачев Ю.П., Плаксин Ю.М. Математические методы планирования эксперимента. — М.: ДеЛиПринт, 2005. — 296 с.
11. Воскресенский П.И. Техника лабораторных работ. — М.: Химия, 1973. — 717 с.
MATHEMATICAL PLANNING OF EXPERIMENT IN THE STUDY OF SEPARATION OF RUBBER FROM LATEX FROM WASTE SUGAR PRODUCTION
Provotorova M.A., Graduate Student, Voronezh State University of Engineering Technology (19, Revolutzii prosp., Voronezh, 394036, Russia, E-mail: [email protected])
Nikulina N.S., Cand.Sci.(Tech.), Lecturer, Voronezh Institute of the Russian Ministry for Emergency Situations (231, Krasnoznamennaya ul., Voronezh, 394052, Russia)
Stadnik L.N., Cand.Sci.(Tech.), Associate Professor, Voronezh State University of Engineering Technology (19, Revolutzii prosp., Voronezh, 394036, Russia)
Papkov V.N., Cand.Sci.(Tech.), Voronezh Branch of FSUE «NIISK» (3B, st. Mendeleev, Voronezh, 394014, Russian Federation,)
Nikulin S.S., Professor, Dr.Sci.(Tech.), Voronezh State University of Engineering Technology (19, Revolutzii prosp., Voronezh, 394036, Russia)
ABSTRACT
The process of allocation of styrene butadiene rubber latex in the presence of waste sugar production — molasses. The factors that affect the process of coagulation of latex SKS-30 ARKS application of the plan of full factorial experiment.
Keywords: rubber, molasses, latex, tire vulcanizates, rubber compounds.
REFERENCES
1. Mikhaylin Yu.A. Konstruktsionnyye polimernyye kompozitsionnyye materialy [Structural polymer composite materials]. St. Petersburg, Nauchnyye osnovy i tekhnologii Publ., 2008, 822 p. (In Russian).
2. Bazhenov S.L., Berlin A.A., Kul'kov A.A., Oshmyan V.G. Polimernyye kompozitsionnyye materialy [Polymer composite materials]. Dolgoprudny: Publishing House Intellect, 2010, 352 p. (In Russian).
3. Raspopov I.V., Nikulin S.S., Garshin A.P., Ryl'kov A.A., Fazliakhmetov R.G., Raspopov V.I. Sovershenstvovaniye oborudovaniya i tekhnologii vydeleniya butadiyen-stirol'nykh kauchukov iz lateksa [Improved equipment and technology selection styrene butadiene rubber latex]. Moscow, TsNIITEneftekhim, 1997, 68 p. (In Russian).
4. Averko-Antanovich L.A., Averko-Antonovich YU.O., Davletbayeva I.M., Kirpichnikov P.A. Khimiya i tekhno-logiya sinteticheskogo kauchuka [Chemistry and Technology of Synthetic Rubber]. Moscow, Khimiya Publ., 2008, 357 p. (In Russian).
5. Nikulin S.S., Verezhnikov V.N. Khimicheskaya promyshlennost' segodnya [Chemical industry today]. 2004, no. 11, pp. 26-37. (In Russian).
6. Topchiyev D.A., Malkanduyev YU.A. Kationnyye polielektrolity ryada poli-N,N-dimetil-N,N-diallilammoniy galogenidov: osobennosti protsessov obrazovaniya, svoystva i primeneniye [Cationic polyelectrolytes several poly-N,N-dimethyl-N,N-diallilammony halides: especially formation processes, properties and applications]. Nalchik, Kabardino-Balkarian State University Publ., 1997, 181 p. (In Russian).
7. Benin S.G., Shnayderov Ye.Ye. Sakharnayapromyshlennost' [Sugar industry]. 1951, no. 11, pp. 44. (In Russian).
8. Rudnitskiy P.V. Spravochnik rabotnika spirtovoy promyshlennosti [Worker handbook alcohol industry]. Kiev, Tekhnika Publ., 1972, 386 p. (In Russian).
9. Poyarkova T.N., Nikulin S.S., Pugacheva I.N., Kudrina G.V., Filimonova O.N. Praktikumpo kolloidnoy khimii lateksov [Workshop on latex colloid chemistry]. Moscow, Publishing House of the Academy of Natural Sciences, 2011, 124 p. (In Russian).
КАУЧУКИ, ШИНЫ И РТИ 2016
Уважаемые дамы и господа!
Компания INVENTRA рада сообщить вам о проведении Одиннадцатой международной конференции «Каучуки, шины и РТИ 2016».
Дата проведения: 4 октября 2016 г.
Место проведения: отель «Балчуг Кемпински Москва».
Компания INVENTRA будет рада видеть на конференции всех заинтересованных участников рынка. Среди участников прошлых лет: Continental, ExxonMobil Chemical, Goodyear Tire & Rubber, Ingle, Kraiburg, LANXESS, LMC International, MakroChem, Michelin, Nokian Tyres, R1 Delta, RENAULT, Rubex Group, Toyo Tires, Алтайский шинный комбинат, ГК Титан, Кордиант, Нижнекамскнефтехим, Нижнекамскшина, РОСАВА, СИБУР, Татнефть, ТАУ НефтеХим, ТД Кама и многие другие.
Получить более подробную информацию о конференции и зарегистрироваться
Вы можете по телефону +7 (495) 797-49-07 или электронной почте [email protected]
Директор конференции — Дамир Хасянов
E-mail: [email protected]
http://www.creonenergy.ru/
