diplom rezina (Влияние технологических добавок на структуру и свойства резин)

133

Содержание

Введение 5

1. Обзор литературы 7

1.1 Технологические добавки и их классификация 7

1.2 Жирные кислоты 8

1.3 Эфиры жирных кислот 28

1.4 Смоляные кислоты 31

1.5 Исследование таллового масла в качестве заменителя более дорогих технологических добавок 33

1.6 Выводы из обзора литературы и постановка цели работы 35

2. Объекты и методы исследования 36

2.1 Объекты исследования 36

2.2 Методы исследования 46

3. Экспериментальная часть 47

Выводы по работе 107

4. Технико-экономическое обоснование работы 108

5. Расчет затрат на проведение научно исследовательской работы 110

5.1 Затраты на сырье и материалы 110

5.2 Затраты на электроэнергию 112

5.3 Затраты на отопление 113

5.4 Расчет амортизационных отчислений 113

5.5 Расчет заработной платы 114

5.6 Отчисления на социальное страхование 115

5.7 Сумма затрат на проведение исследования 116

6. Планирование научно-исследовательской работы 117

7. Охрана труда и техника безопасности 121

7.1 Основные правила техники безопасности при работе в лаборатории 122

7.2 Основные правила электробезопасности 123

7.3 Пожарная безопасность в рабочем помещении 123

7.4 Средства индивидуальной защиты при выполнении работ 124

8. Список используемой литературы 129

Введение

В связи со стабилизацией ассортимента каучуков и основных ингредиентов резиновых смесей для создания резин с новыми свойствами весьма перспективным является использование в резиновых смесях новых химических добавок полифункционального действия. При смешении каучуков с такими добавками образуются композиции, применение которых позволяет в сильной степени изменить свойства, как резиновых смесей, так и полученных из них резин. Возможность использования полифункциональных добавок связана с их химическим строением, агрегатным состоянием и влиянием на структуру эластомерных композиций. Правильный подбор и введение добавок в резиновую смесь может облегчать ее переработку (эффект пластификации), изменять клейкость, когезионную прочность, параметры вулканизации и многие другие характеристики. В зависимости от химического строения и количества полифункциональных добавок существенно изменяются и свойства резин, полученных из таких композиций (эластичность, морозостойкость и теплостойкость, прочность, динамические и усталостные характеристики, твердость и сопротивление истиранию и т.д.). Большое значение в качестве ингредиентов резиновых смесей имеют вторичные активаторы вулканизации. Активаторы вулканизации оказывают влияние на кинетику структурирования, характер образующихся вулканизационных связей и на свойства резиновых смесей и их вулканизатов.

Из вторичных активаторов вулканизации наиболее широкое применение в промышленности получили стеариновая и олеиновая кислоты, которые позволяют получать резиновые смеси и их вулканизаты с требуемыми техническими свойствами.

Большой интерес к применению разнообразных добавок вызван тем, что, во-первых, по влиянию на технологические свойства и процессы переработки эластомерных композиций эффективность добавок различного строения, но близких по молекулярной массе и совместимости с каучуком, примерно одинакова, а, во-вторых, тем, что влияние добавок различного строения на свойства резин неодинаково, в связи с чем необходимо выбирать наиболее эффективные добавки с учетом конкретных условий эксплуатации резины. Многие соединения могут являться добавками полифункционального действия. Достоинством полифункциональных добавок является их доступность. В связи с этим в настоящее время в резиновых смесях применяются или испытываются самые разнообразные продукты природного и синтетического происхождения. Например, олиоэфиракрилаты являются пластификаторами при переработке и усиливающими наполнителями в вулканизационной композиции; парафины (олиоэтилены) облегчают переработку смесей и защищают резины от озонного растрескивания; жирные кислоты (олеоэтиленкарбоновые кислоты) не только понижают вязкость резиновых смесей, но и воздействуют на сшивание каучука, повышая эффективность использования вулканизующих систем.

Эффективность использования добавок в каждой конкретной композиции зависит от совокупности химических и коллоидно-химических характеристик композиции и способов ее переработки. Важными являются факторы совместимости каучука и добавок, характер диффузии добавок и степень ассоциации молекул в эластической матрице, вызывающие изменение различных физических свойств композиции, а также степень воздействия на химические реакции в эластомерной композиции при ее вулканизации или в условиях эксплуатации. Более важным представляется совокупность факторов, определяющих взаимодействие добавок с каучуком при вулканизации и дальнейшее изменение образующихся продуктов в условиях эксплуатации резины. Поэтому наиболее эффективное применение добавок в композициях с каучуком должно основываться на знании закономерностей изменений под их влиянием структуры композиции, а для выбора конкретных добавок необходимо проведение специальных экспериментов. Несмотря на большое количество работ, посвященных этому вопросу, влияние технологических добавок на вулканизацию и свойства резин недостаточно выяснено.

В этой связи исследование, разработка и последующее внедрение новых многоцелевых добавок, в том числе доступных продуктов переработки масел и жиров в качестве ингредиентов резиновой смеси с целью удовлетворения возрастающей потребности резиновой промышленности, представляется весьма актуальной задачей.

1.Обзор литературы

1. Технологические добавки и их классификация

Целевые добавки, которые при добавлении к резиновым смесям в небольших количествах, улучшают их технологические свойства - называются технологическими добавками.

Ингредиенты, улучшающие перерабатываемость резиновых смесей, давно использовались в резиновой промышленности. К ним относят в основном жидкие и термопластичные пластификаторы. Однако, оказывая положительное действие на технологические свойства смесей, они отрицательно влияют на эксплуатационные характеристики резин /1/.

Для решения этих проблем и используются нетрадиционные вещества – технологические добавки, позволяющие направленно регулировать технологические свойства резиновых смесей. За рубежом такие добавки широко применяются. Добавки позволяют не только направленно регулировать свойства готовой продукции и улучшить переработку полимерных композиций, но и повысить срок службы и атмосферостойкость изделий, получать изделия с декоративной поверхностью, имитирующей природные материалы, улучшить адгезионную связь с армирующими материалами /2/.

Технологические добавки должны удовлетворять комплексу требований /3/, /4/:

1. - хорошо совмещаться с эластомерами и наполнителями;

2. - оказывать положительное влияние на текучесть смесей;

3. - положительно влиять на вулканизационные свойства смесей;

4. - сопротивляться воздействию света и озона, и легко вводиться в смесь;

5. - независимость действия от температуры смешения или шприцевания;

6 - автоматически дозироваться.

Механизм действия технологических добавок зависит от их совместимости с полимером. По совместимости с полимером технологические добавки можно разделить на три основные группы:

1. Ограниченно совместимые с каучуком вещества. Технологические добавки выдавливаются на поверхность резиновой смеси и играют роль внешней смазки на поверхности резина-металл.

2. Среднесовместимые с каучуком вещества. Ниже критической концентрации добавка действует как “внутренняя смазка” между элементарными объемами, участвующими в процессе течения. При концентрации выше критической добавка этого типа действует по первому механизму.

3. Хорошо совместимые с каучуком вещества. Добавки этого типа не мигрируют к поверхности раздела и действуют как модификатор вязкости всей массы системы по одному из нижеприведенных механизмов /1/:

• межмолекулярный – уменьшает взаимодействие между макромолекулами полимеров;

• внутримолекулярный – способствует набуханию макромолекулы и ее “смягчению”.

По химической природе технологические добавки классифицируются на /4/:

1.Жирные кислоты и их производные (соли и эфиры).

2.Эмульсионные пластификаторы.

3.Высококипящие полигликоли.

4.Смолы (смоляные кислоты и их производные).

1. Жирные кислоты

В промышленном масштабе производство жирных кислот базируется на использовании растительных и животных жиров. Одним из перспективных источников возобновляемого непищевого сырья для получения жирных кислот может служить талловое масло – побочный продукт переработки древесины на целлюлозо-бумажных комбинатах. Талловое масло представляет собой смесь трех групп веществ: жирных кислот (от С₁₄ до С₂₄₎, смоляных кислот и нейтральных веществ с продуктами окисления. Талловое масло не имеет устойчивых физико-химических констант, что объясняется неодинаковым соотношением его составных частей. На состав таллового масла влияет вид и сорт перерабатываемой древесины, условий произрастания дерева, времени рубки, сроков и условий хранения древесины, а также от метода переработки сульфатного масла.

Сырое талловое масло (СТМ) – вязкая жидкость от темно-красного до темно-бурого цвета с неприятным запахом и горьким вкусом, удельной плотности 960-980 кг/м³. Его получают разложением серной кислотой сульфатного мыла. В нем содержится приблизительно равные количества ( по 45%) жирных и смоляных кислот и меньшие количества нейтральных и окисленных веществ. Наличие посторонних примесей (минеральные вещества и вода) зависит от способа производства. После очистки масло имеет повышенное содержание жирных кислот и пониженное - смоляных.

Жирные кислоты таллового масла (ЖКТМ) преимущественно включают:

• насыщенные кислоты: пальмитиновая (С₁₅Н₃₁СООН), стеариновая (С₁₇Н₃₅СООН), миристиновая (С₁₃Н₂₇СООН), лигноцириновая (С₂₃Н₄₇СООН);

• ненасыщенные кислоты: олеиновая (С₁₇Н₃₃СООН), линолевая (С₁₇Н₃₁СООН), линоленовая (С₁₇Н₂₉СООН), рицинолевая (С₁₈Н₃₄СООН) и эруковая (С₂₁Н₄₁СООН).

В процессе переработки таллового масла образуется ряд новых жирных кислот (ацетованилоновая, сетариновая, адипиновая и себациновая).

Состав ЖКТМ близок к составу кислот, получаемых из пищевых масел. За последнее десятилетие взгляд на количественный состав жировой части таллового масла изменился. Считается, что основная часть жирных ненасыщенных кислот таллового масла представлена смесью кислот (массовый процент): линолевой (45-50), олеиновой (30-35) и насыщенных – стеариновой и пальметиновой (10) /5/. Установлено, что среди жирных кислот таллового масла преобладает не олеиновая, а линолевая кислота /6, 7/.

Физические и химические свойства жирных кислот зависят от строения их молекул. Известно, что соединения, имеющие одинаковую химическую формулу, могут иметь различные физические и химические свойства. Такие (изомеры) соединения имеют различную структуру молекул. Изомеры часто встречаются среди жирных кислот и их производных, содержащихся в природных смолах, жирах и восках.

Среди кислот встречаются изомеры цепочечные, позиционные, функциональные, геометрические и оптические. Другим свойством карбоновых кислот, подтверждающим многообразие их особенностей, является полиморфизм. Полиморфные формы твердой фазы имеют одинаковый химический состав, но различные формы кристаллов, свободные энергии кристаллического состояния и другие, физические и химические свойства. Насыщенные высшие жирные кислоты существуют в твердом виде, по меньшей мере, в двух кристаллических модификациях, отличающихся физическими и физико-химическими свойствами. Аналогичные разновидности кристаллических форм имеют и ненасыщенные жирные кислоты. Так, для олеиновой кислоты обнаружено несколько модификаций кристаллов с Т_пл 13,3С и несколько модификаций с температурой плавления 16,2С, отличающихся рентгеноструктурными характеристиками.

На температуры плавления жирных кислот оказывают определяющее влияние два взаимосвязанных фактора – длина углеводородного радикала в молекуле и ассоциация. Поскольку наиболее прочные ассоциаты образуют низкомолекулярные кислоты, они характеризуются сравнительно высокими температурами плавления. С увеличением длины углеводородного радикала в молекуле кислоты степень ассоциации уменьшается, что вызывает понижение температуры плавления при числах углеводородных атомов в молекуле до пяти. При дальнейшем увеличении числа атомов углерода в молекуле кислоты температура плавления растет.

Интересной особенностью жирных кислот является значительно более низкие температуры плавления членов гомолетического ряда с нечетным числом углеродных атомов в молекуле по сравнению соседними членами ряда с четным числом углеродных атомов.