Синтез и исследование жидкого стекла и белой сажи на основе отхода Карагадинского кремниевого завода

Синтез и исследование жидкого стекла и белой сажи на основе отхода Карагадинского кремниевого завода

Синтез и исследование жидкого стекла и белой сажи на основе отхода Карагадинского кремниевого завода

Севостьянова К.А.

Широкое использование высокодисперсных осажденных кремнекислотных наполнителей (ОКН) и силановых агентов сочетания (САС) типа продукта TESP и его аналогов в протекторных резинах легковых шин на основе сополимеров диена и стирола растворной полимеризации началось вслед за получением компанией «Michelin» патента в 90-х гг. [1]. Соответствующие шины получили название «зеленых», так как имели пониженные потери на качение, обеспечивая топливную экономичность автомобилей и уменьшение объема вредных выбросов, загрязняющих природную среду [2].

С расширением использования осажденных кремнекислотных наполнителей, рецептуростроение резин, наполненных белой сажей, постоянно совершенствуется в направлении улучшения выходных характеристик резины, повышения технологической безопасности производства и снижения затрат. Так, если в протекторные резины для первых вариантов «зеленых шин» входило 35-40 массовых частей белой сажи на 100 массовых частей каучука, то в современных протекторных резинах их содержание доходит до 80 массовых частей и более [3].

Применение белой сажи в качестве наполнителя основано на ее свойстве образовывать непрерывную сеточную структуру, вследствие взаимодействия между частицами диоксида кремния и полимеров, что приводит к качественному изменению состояния макромолекул полимера, снижению растворимости полимер и тенденции к кристаллизации, повышению их прочности и модуля эластичности. Введение белой сажи в полимер приводит также к повышению предела прочности получаемых материалов » [4].

Структура вулканизационной сетки, получающейся при сшивании с помощью активных кремнеземных наполнителей, коренным образом отличается от структуры, которая образуется при применении обычных вулканизующих агентов (сера с ускорителем, перекиси, тиурамы). При вулканизации обычными вулканизующими агентами химические связи между макромолекулами каучука образуются преимущественно внутри эластомерной матрицы. При применении силановых сшивающих агентов имеет место не сшивание «каучук-каучук» в среде эластомерной матрица, а взаимодействие «каучук - наполнитель» [5].

Схема модификации белой сажи органосиланом (TESP) и реакция совулканизации модифицированной частицы кремнезема с каучуком

Применение кремнекислоты совместно с модифицирующими веществами (их также называют «связующими агентами») позволяет изменить характер взаимодействия кремнекислотного наполнителя с полимером. При этом повышается взаимодействие «кремнекислота-полимер» и улучшаются свойства вулканизатов.

Как правило, в настоящее время для получения кремнеземных наполнителей применяется технология, основанная на взаимодействии силиката натрия с раствором хлористого кальция и кислотами. В данном исследовании сырьем для получения белой сажи послужил отход Карагандинского кремниевого завода - микросилика. Анализ исходного сырья приведен в таблице 1:

Таблица 1 - Количественный анализ микросилики

Промежуточным продуктом при синтезе конечного продукта является жидкое стекло, которое было получено двух различных видов по щелочному катиону: натриевое и калиевое.

Получение жидкого стекла производилось в автоклаве-нагревателе, изготовленном из листовой стали толщиной 10 мм. Реакционное пространство в виде цилиндра, гермитически закрытого крышкой, имеет объем 0,001 м³. Ко дну реакционного пространства подведены труба для выпуска пара и труба для выпуска готового продукта.

Вокруг цилиндра устроен нагревательный кожух, к которому подводится через трубу пар. Давление в реакционном пространстве и кожухе измеряется манометрами.

Пар, с помощью которого производится нагревание смеси, выпускается в нагревательный кожух и по мере необходимости в реакционное пространство, что дало возможность избежать излишнего разбавления едкой щелочи и получаемого жидкого стекла.

Изначально готовят раствор щелочи. При постоянном помешивании в 328 г воды было добавлено 61,28 г едкого натра. Массы добавляемых веществ рассчитывались исходя из следующих пропорций:

,35% воды : 32,25% микросилики : 8,3871% едкого натра (сухого)

Далее при постоянном перемешивании добавляют 110 г микросилики - в данном случае носителя диоксида кремния. Полученный раствор загружается в автоклав. Обработка массы производилась под давлением 5 МПа в течении 90 мин.

Об окончании реакции свидетельствует прекращение выделения водорода.

Синтез калиевого жидкого стекла проводился по аналогичной схеме. Однако, стоит отметить, что в отличии от натриевого жидкого стекла, калиевый продукт не имеет склонности к осаждению, т.е. невозможно выделение осадка гидроокисей

Анализ полученных жидких стекол показал, что силикатный модуль согласно ГОСТ 13078-81 соответствует продуктам для применения в литейном производстве, для СМС и химических производств:

Таблица 2 - Сравнительная характеристика силикатных модулей натриевого и калиевого жидких стекол

Силикатный модуль <http://metallurgicheskiy.academic.ru/10523/%D0%A1%D0%B8%D0%BB%D0%B8%D0%BA%D0%B0%D1%82%D0%BD%D1%8B%D0%B9_%D0%BC%D0%BE%D0%B4%D1%83%D0%BB%D1%8C> силиката натрия -(%SiO₂: %Na₂O)•1,0323; силиката калия - (%SiO₂:%K₂O)•1,566, где 1,0323 и 1,566- соответственно отношение молекулярной массы Na₂O(K₂O) к молекулярной массе SiO₂.

В целом, практическое использование жидких стекол осуществляется по одному из трех направлений. Первое направление связано с проявлением жидким стеклом вяжущих свойств - способности к самопроизвольному отвердеванию с образованием искусственного силикатного камня. Уникальной способностью жидкого стекла являются также его высокие адгезионные свойства к подложкам различной химической природы. В этих случаях жидкое стекло выступает в качестве химической связки для склеивания различных материалов, изготовления покрытий и производства композиционных материалов широкого назначения. Второе направление предусматривает применение жидких стекол в качестве источника растворимого кремнозема, т.е. исходного сырьевого компонента для синтеза различных кремнеземсодержащих веществ - силикагеля, белой сажи, цеолитов, катализаторов, золя кремнезема и др. Третья область относится к применению силикатов щелочных металлов в качестве химических компонентов в составе различных веществ. Это направление предусматривает использование жидкого стекла в синтетических моющих средствах, для отбелки и окраски тканей, при производстве бумаги.

Целью данного исследования является непосредственный синтез кремнеземного наполнителя - белой сажи на основе различных жидких стекол (натриевое и калиевое) для дальнейшего применения в резинотехнической промышленности.

Полученное жидкое стекло мы нагревали до 70°С при постоянном помешивании. Путем подбора нами было выявлено, что на каждые 50 мл жидкого стекла необходимо 5 мл соляной кислоты, до прекращения выпадения белого осадка - белой сажи.

Затем под вакуумом через воронку Бюхнера осадок мы промывали до нейтральной рН горячей водой. рН проверяется индикаторной бумагой. Промыть необходимо 5-6 раз. Далее влажный белый осадок сушили в сушильном шкафу при 100°С несколько часов до полной осушки. Полученный белый мелкодисперсный порошок непосредственно является белой сажей.

Помимо качественного анализа был проведен электронный анализ полученных продуктов на размерность частиц, который показал, что средний размер частиц белой сажи, синтезированной на основе натриевого жидкого стекла соответствует 444,5 нм, на основе калиевого - 814 нм. Это объясняется высокой способностью частиц продукта на основе калиевого жидкого стекла к коагуляции.

На основе данного исследования можно сделать вывод о том, что одним из направлений утилизации отхода - микросилики Карагандинского кремниевого завода возможно осуществить производство натриевого жидкого стекла, из которого в дальнейшем синтез кремнеземного наполнителя для производства резинотехнических изделий.

кремнеземной жидкий стекло сажа

Литература

1.      Патент 5227425 США: МКИ⁵ С 08 J 005/10 (1992 г.)

.        Кандырин К.Л. // Каучук и резина. 2011. №4 С.37

.        Куперман Ф.Е. Новые каучуки для шин. Растворные каучуки с повышенным содержанием винильных звеньев, альтернативные эмульсионному БСК. Транс-полимеры и сополимеры изопрена и бутадиена. М.: ООО НТЦ «НИИШП», 2011, - 367 С.

4.      Резниченко С.В., Морозов Ю.Л. (ред.) Большой справочник резинщика. Том 1. Резины и резинотехнические изделия, М.: ООО «Издательский центр «Техинформ» МАИ», 2012.

.        Резниченко С.В., Морозов Ю.Л. (ред.) Большой справочник резинщика. Том 2. Резины и резинотехнические изделия, М.: ООО «Издательский центр «Техинформ» МАИ», 2012. - 648 с.