Выделение бутадиен-стирольного каучука из латекса в присутствии хлорида олова (VI) с применением полного факторного эксперимента

Одно из ведущих мест в мировой промышленности занимают каучуки, получаемые методом эмульсионной сополимеризации. Основными достоинствами данного способа являются: отсутствие пожаро-, взрывоопасных и вредных для здоровья человека органических растворителей. Бутадиен-стирольные каучуки выпускаются в мировой практике в широком ассортименте, что объясняется доступностью исходных мономеров, высокой однородностью свойств и хорошим качеством получаемого полимера . Благодаря этому эмульсионные каучуки получили широкое распространение в шинной и резинотехнической промышленности [1].

Одной из основных стадий технологического процесса производства эмульсионных каучуков является выделение их из латексов с использованием водного раствора хлорида натрия и подкислени ем коагулируемой системы раствором серной кислоты [2]. Основной недостаток данного коагулирующего агента -высокий расход, составляющий 180-250 кг/т каучука. Это приводит к значительному загрязнению сточных вод, серной кислотой и другими компонентами эмульсионной системы. Очистить сточные воды от хлорида натрия на очистных сооружениях не представляется возможным. Сбрасываемый в природные водоемы водно-солевой раствор с очистных сооружений загрязняет почву и грунтовые воды. Поэтому с момента организации производства эмульсионных каучуков ученые всего мира активно разрабатывают новые технологии выделения каучуков из латексов, включающие поиск новых коагулирующих агентов [3].

В литературных источниках [4,5] описано много коагулирующих агентов как неорганического, так и органического происхождения. Однако возникающие проблемы по применению их в реальных промышленных масштабах являются решающим сдерживающим фактором. Так, водные растворы белковых коагулянтов обладают невысокой стабильностью, особенно при повышенных температурах. Разложение белков протекает с выделени -ем вредного и неприятного запаха, приводящего к загазованности производственных помещений. Другие коагулирующие агенты обладают высокой дефицитностью, стоимостью, что делает их малоперспективными для реально действующего технологического процесса. Поэтому и до настоящего времени в производстве эмульсионных каучуков в качестве основного коагулирующего агента используется хлорид натрия при температурном режиме процесса выделения 50-65 оС.

Анализируя имеющиеся литературные данные, производственно-технический опыт работы цехов выделения можно прийти к выводу, что наиболее перспективными коагулирующими агентами могут служить соли поливалентных металлов. Результаты опубликованных исследований показывают [1], что применение в технологическом процессе выделения каучуков из латексов солей двух- и трехвалентных металлов позволяет резко снизить их расход. Имеющиеся литературные данные относятся к исследованиям, которые были проведены более 20-30 лет тому назад.

Замена вредных и токсичных эмульгаторов на менее токсичные и менее стойкие к биологическому разрушению привела к изменению устойчивости коллоидных систем.

Однако эти изменения не нашли своего отражения в последующих исследованиях по влиянию природы эмульгирующих систем на расход коагулирующих агентов на основе поливалентных металлов.

В настоящее время в промышленных масштабах при производстве эмульсионных бутади ен-стирольных каучуков в качестве эмульгирующих агентов широко применяются мыла на основе таллового масла, диспропор-ционированной канифоли и солей жирных кислот при разном их соотношении.

Цель работы - изучить процесс выделения бутадиен-стирольного каучука из латекса СКС-30 АРК хлоридом олова (VI) с помощью планирования эксперимента.

Процесс выделения каучука из латекса изучали на коагуляционной установке, представляющей собой емкость, снабженную перемешивающим устройством и помещенную для поддержания заданной температуры в термостат. В емкость загружали 20 мл латекса, термостатировали в течение 15-20 мин, после чего вводили водный раствор коагулирующего агента SnCl4 (10 % мас.). Среду коагуляции выдерживали во всех случаях постоянной около 2,0 за счет ввода водного раствора серной кислоты (1-2 % мас.).

Полученные экспериментальные данные показали, что катион олова +4 проявляет свою высокую коагулирующую способность лишь при пониженных температурах. При температуре коагуляции 2 оС расход хлорида олова, требуемый для полного выделения каучука из латекса, составляет 6 кг/т каучука (что ниже расхода хлорида алюминия, имеющего заряд катиона +3), т.е сохраняется правило Шульце-Гарди [6]. Повышение температуры до 20 оС и выше приводит к возрастанию расхода хлорида олова, и практически полностью оно теряет свое преимущество как коагулянт в сравнении с хлоридом алюминия.

Из чего следует, что катион олова +4 проявляет свою высокую коагулирующую способность лишь при пониженных температурах. Важной особенностью хлорида олова (IV) как коагулянта является то, что в случае его применения не требуется дополнительное подкисление коагулируемой системы серной кислотой. Кислая среда коагуляции создается в данном случае хлоридом олова. Это связано с тем, что в водном растворе хлорид олова подвергается гидролизу.

Установлено, что при применении SnCl4 в качестве коагулянта наблюдается образование мелкодисперсной крошки каучука, что нельзя считать положительным эффектом в случае применения классической технологии выделения каучука из латекса. Это приводит к значительным ее потерям с промывными водами цехов выделения. Поэтому в случае применения SnCl4 требуется разработка нового технологического оборудования для выделения бутадиен-стирольного каучука в виде мелкодисперсной крошки. Получению порошкообразных каучуков и каучуков в виде мелкодисперсной крошки в настоящее время уделяется большое внимание [7].

Во многих случаях степень влияния одного фактора зависит от уровня, на котором находится другой фактор. Тогда говорят о наличии эффекта взаимодействия между этими факторами. Полный факторный эксперимент позволяет, кроме линейных коэффициентов регрессии, оценить все возможные эффекты взаимодействия факторов. Поэтому для определения оптимального режима выделения каучука из латекса СКС-30 АРК в присутствии хлорида олова (VI) был проведен многофакторный эксперимент на основе построения полного факторного плана 23 [8]. Для этого составлена матрица полного факторного эксперимента 23 и выбрана модель для его реализации в виде уравнения:

Y = b о + b 1 x i + b ₂ x ₂ + b ₃ x ₃ + b ₁₂ x i x ₂ + b ₁₃ x i x ₃ + + b 23 x 2 x 3 + b 123 x 1 x 2 x 3 .

Значения варьируемых факторов представлены в таблице.

Из полученных данных следует, что уравнение регрессии адекватно, т.к. отношение дисперсии адекватности к дисперсии воспроизводимости меньше критерия Фишера. Коэффициенты b ₂₃, b ₁₂₃ незначимы. Тогда уравнение регрессии можно записать в следующем виде:

Y = 58,88 + 35,22 x 1 +10,83 x 2 - 4,67 x 3 -

- 0,25 x 1 x ₂ + 3,50 x 1 x ₃.

С введенными натуральными значениями переменных уравнение регрессии принимает следующий вид:

Y = 27,85 + 5,55 V 1 + 0,28 V 2 – 0,22 V 3 –

– 0,01 V 1 V 2 + 0,02 V 1 V 3 .

Анализ величин и знаков коэффициентов уравнений регрессии позволяет сделать следу-

• -    графические зависимости величины V от любого фактора являются линейными;

• -    основное влияние оказывает расход хлорида олова (VI) и температура коагуляции. Причем взаимодействие между расходом хлорида олова (VI) и температурой является значительным.

ющие выводы:

Значения варьируемых факторов

Таблица

Фактор			Уровни фактора			Интервал варьирования
Параметры оптимизации	Обозначение		Верхний	Нижний	Основной
	Натуральное	Кодированное
Расход, кг/т каучука: - хлорида олова (VI) - серной кислоты	V 1 V 2	x 1 x 2	12 10	3 2	6,25 6	5,75 4
Температура коагуляции, оС	V 3	x 3	80	2	41	39

Таким образом, можно сделать вывод, что хлорид олова (VI) является перспективным коагулянтом. К его достоинствам можно отнести невысокий расход и возможность проведения процесса выделения каучука из латекса без подкисления системы, что значительно снижает экологическую нагрузку на окружающую среду. Следует отметить, что его эффективное применение зависит от температурного режима.