CC BY
0
ТЕХНОЛОГИЯ И ПЕРЕРАБОТКА ПОЛИМЕРОВ И КОМПОЗИТОВ УДК: 678.1 https://doi.org/10.24412/2071-8268-2023-2-27-30
технология получения полимерного композиционного материала на основе латекса эластомера со стимуляторами биоразложения в составе для изготовления маканых
изделий
К.Е. Дмитриев, И.С. Коротнева, А.О. Шамина, ФГБОУ ВО «Ярославский государственный технический университет», Ярославль,
Россия
Разработан полимерный композиционный материал (ПКМ) на основе карбоксилатного латекса бутадиен-нитрильного сополимера для производства маканых изделий. В состав ПКМ включены стимуляторы биоразложения (древесная мука или кофейный жмых) для ускорения деградации готовых изделий в естественных условиях после окончания срока их эксплуатации. Осуществлен выбор коагулянта для получения бездефектного латексного геля. Проведенные испытания по определению прочности на разрыв изготовленных полимерных пленок доказали релевантность разработанной рецептуры ПКМ и обоснованность выбора коагулянта. Установлено, что низкона-полненные материалы позволяют получать изделия с более высокой прочностью по сравнению с ненаполненными. В работе показано, что на основе разработанного ПКМ возможно производить маканые изделия различного назначения.
Ключевые слова: полимерный композиционный материал, латекс, стимуляторы биоразложения, маканые изделия, дисперсия, коагулянт, прочность.
Для цитирования: Дмитриев К.Е., Коротнева И.С., ШаминаА.О. Технология получения полимерного композиционного материала на основе латекса эластомера со стимуляторами биоразложения в составе для изготовления маканых изделий // Промышленное производство и использование эластомеров, 2023, № 2, С. 27-30. DOI: 10.24412/2071-8268-2023-2-27-30.
technology for obtaining polymer composite material based on elastomer latex with biodegradation stimulants in the composition for the manufacture of dipped products
Dmitriev K.E., Korotneva I.S., Shamina A.O.,
Yaroslavl State Technical University, Yaroslavl, Russia
Abstract. A polymer composite material (PCM) based on carboxylate latex-butadiene-nitrile copolymer has been developed for the production of dipped products. The composition of PCM includes biodegradation stimulants (wood flour or coffee cake) to accelerate the degradation of finished products in natural conditions after the end of their service life. A coagulant was selected to obtain a defect-free latex gel. The tests carried out to determine the tensile strength of the manufactured polymer films proved the relevance of the developed PCM formulation and the validity of the choice of coagulant. It has been established that low-filled materials make it possible to obtain products with higher strength compared to unfilled ones. The work shows that on the basis of the developed PCM it is possible to produce dipped products for various purposes.
Key words: polymer composite material, latex, biodegradation stimulants, dipped products, dispersion, coagulant, strength.
For citation: Dmitriev K.E., Korotneva I.S., Shamina A.O. Technology for obtaining polymer composite material based on elastomer latex with biodegradation stimulants in the composition for the manufacture of dipped products. Prom. Proizvod. Ispol'z. Elastomerov, 2023, no. 2, pp. 27-30. DOI: 10.24412/20718268-2023-2-27-30. (In Russ.).
В связи с увеличением производства синтетических полимерных материалов, настоящей проблемой становится утилизация полимерных отходов [1-3].
На текущий момент создано множество био-разлагаемых материалов, однако на их основе производят в основном упаковочные материалы и одноразовую посуду [4, 5]. Маканым изделиям
не уделяется с этой точки зрения достаточного внимания, несмотря на то что срок их эксплуатации, например, перчаток, может ограничиваться часами или минутами, а возросший спрос на такого рода изделия приводит к увеличению количества отходов [6].
В качестве решения впервые предлагается технология получения полимерного композиционного материала, содержащего стимуляторы биоразложения для производства маканых изделий.
Экспериментальная часть Объектами исследования являются карбо-ксилатный латекс бутадиен-нитрильного сополимера (БНК) с содержанием звеньев нитрила акриловой кислоты 26%, метакриловой кислоты 2-4% (ТУ 2294-415-05842324-2006) в качестве полимерной матрицы, дисперсии серы, оксида цинка и диэтилдиотиокарбамата цинка (КЦ) в качестве вулканизующего комплекса, стимулятора биоразложения (СБ) — древесная мука и кофейный жмых с размером частиц менее 100 мкм. Полимерный композиционный материал, содержащий стимуляторы биоразложения (ПКМСБ), получали в два этапа [7]. На первом этапе получали дисперсии ингредиентов (табл. 1). Таблица 1
Рецептуры дисперсий ингредиентов для ПКМСБ, % масс.
Ингредиенты Дисперсия серы Дисперсия оксида цинка Дисперсия КЦ Дисперсия СБ
Сера 50 — — —
Оксид цинка — 50 — —
КЦ — — 40 —
СБ — — — 40
Эмульгатор 10 10 10 10
Вода 40 40 50 50
Приготовление дисперсий серы, оксида цинка и КЦ осуществляли на шаровой мельнице марки KM1MLW (ГОСТ 10141-91).
Для приготовления дисперсии СБ древесную муку (ГОСТ 16361-87) и кофейный жмых (ТУ 15.33.30.190-001-83883095-2009) измельчали на роторно-ножевой лабораторной мельнице марки Stegler LM-250. Для отбора фракции мельче 100 мкм проводили ситовое фракционирование на вибрационном сите марки L&Y 8411 (ГОСТ Р 51568-99). Приготовление дисперсии СБ осуществляли на гомогенизаторе марки FSH-2A.
На втором этапе получали ПКМСБ. В латекс эластомера БНК вводились дисперсии ингредиентов, м.ч. на 100 м.ч. латекса БНК по содержа-
нию сухих веществ:
Латекс БНК по содержанию сухих веществ 100
Дисперсия серы..............................................1,5
Дисперсия оксида цинка................................2,5
Дисперсия КЦ................................................1,0
Дисперсия СБ ................................................5-25
После введения ингредиентов ПКМСБ оставляли для вызревания на 24 ч при температуре 15-25°С с целью перераспределения частиц эмульгатора между компонентами дисперсии.
Таблица 2
Рецептуры коагулянтов для получения маканых изделий, % масс.
Наименование Компоненты
Этиловый спирт Уксусная кислота Хлорид кальция (безводный)
Коагулянт №1 85 15 —
Коагулянт №2 — — 26
Коагулянт №3 13 — 21
Важной технологической стадией получения маканых изделий, влияющей на их качество, является коагулянтное отложение латексного геля на поверхности форм, правильный выбор коагулянта играет при этом решающее значение. В ходе исследования применяли коагулянты различной природы и состава, приготовленные в соответствии с табл. 2, % масс. Внешний вид
Внешний вид маканых пленок (без СБ), полученных с применением коагулянтов:
а - № 1; б - № 2; в - № 3
полученных маканых пленок (без стимулятора биоразложения, СБ) представлен на рисунке.
Маканные пленки, полученные с применением коагулянтного отложения, оценивали по прочностным характеристикам, установленным в соответствии с ГОСТ Р 54553-2011 на разрывной машине ИР 5113 («Точприбор», г. Иваново) при скорости растяжения 250 мм/мин.
Результаты и их обсуждение
Выбор сополимера латекса БНК в качестве матрицы обусловлен его гипоаллергенностью, высокой масло- и бензостойкостью [8]. Применение отечественного сырья делают возможным организацию производства на территории России без дополнительных логистических затрат в рамках импортозамещения.
Выбор компонентов ПКМСБ обусловлен успешной их апробацией при создании полимерных композитов различного назначения в широком спектре исследований, в том числе в работах [9-12].
Летучий коагулянт обязывает производителя использовать взрывопожаробезопасную аппаратуру, ускорять процесс макания в коагулянт/ латекс по причине быстрого испарения компонентов коагулянта с поверхности форм [7]. С другой стороны, он позволяет получать пленки с меньшим количеством дефектов, обеспечивает более быстрое образование латексного геля на формах, что уменьшает время технологических операций макания. При использовании коагулянта №1 (табл.2) латексный гель образуется на формах фрагментарно, однако с них не сползает. Пленки имели множество дефектов (см. рисунок).
Водный коагулянт на основе хлорида кальция предпочтителен с точки зрения противопожарной безопасности, низкой стоимости компонентов [7]. В работе определено, что оптимальная температура коагулянта на водной основе лежит в пределах 70-80С. При этом нивелируются его недостатки: обеспечивается равномерное отложение латексного геля, более быстрое высыхание коагулянта. При использовании коагулянта №2 латексный гель образует неравномерное покрытие. У готового изделия наблюдается большое количество дефектов: трещины, наплывы, разрывы (см. рисунок).
Водно-спиртовой коагулянт (коагулянт №3) обладает всеми преимуществами водного. При этом нет необходимости его нагрева, позволяет более равномерно покрыть формы латексным гелем без дефектов, гель не сползает с форм, слой геля требуемой толщины. Образованные полимерные пленки мягкие на ощупь, легко снимаются с форм, эластичные. Цвет пленок варьиру-
ется от темно-коричневого до бежевого (см. рисунок).
Для оценки релевантности разработанной рецептуры ПКМСБ определялась прочность при разрыве (£р, МПа), а также относительного удлинения (е, %) образцов полимерных пленок на его основе при использовании коагулянта № 3 (табл. 3).
Таблица 3
Результаты определения прочностных характеристик эластомерных пленок
Стимулятор биоразложения (СБ) Количество СБ, % масс. Образцы без компостирования
е, % V МПа
Древесная мука 5 500 21,0
10 500 18,7
15 400 14,4
20 400 12,8
25 400 11,6
Кофейный жмых 5 500 22,1
10 500 17,1
15 500 14,6
20 400 11,3
25 400 7,5
Без СБ — 400 14,7
Образцы полимерных пленок содержащие СБ (древесную муку или кофейный жмых), имели хорошие прочностные показатели. При содержании стимулятора в составе 5-10 м.ч. пленки превосходили по прочности не только контрольные образцы без наполнителя, но и образцы сравнения — диагностические нитрильные перчатки по ГОСТ Р 32337-2013 (£р = 15 МПа, е = 500%). Таким образом, введение в ПКМ дисперсии СБ до 10-15 м.ч. на 100 м.ч. латекса БНК по содержанию сухих веществ приводит к улучшению прочностных характеристик изделий на его основе по сравнению с образцами, полученными на основе материала без наполнителей, а увеличение наполнения приводит к снижению прочностных характеристик изделий, что коррелирует с результатами, полученными в работе [13].
Выводы
Разработанный ПКМСБ может быть использован для производства маканых изделий, при этом состав материала может быть выбран индивидуально под требования к характеристикам соответствующего изделия (например, перчаток, напальчников, воздушных шаров и т.д.). Установлено, что применение водно-спиртового раствора хлорида кальция в качестве коагулянта более предпочтительно для получения маканых изделия высокого качества. Оценка прочностных характеристик образцов полимерных пленок на основе ПКМСБ подтверждает
перспективность материала для производства маканых изделий.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Zhang K., Hamidian A.H., Tubic A., Zhang Y, Fang J.K.H., Wu C., Lam P.K.S. Understanding plastic degradation and microplastic formation in the environment: A review. Environmental Pollution. 2021. V. 274. p. 14. DOI: 10.1016/j. envpol.2021.116554.
Geyer R., Jambeck J.R., Law K.L. Production, use, and fate of all plastics ever made. Science Advances. 2017. V. 3, no. 7, p. 5. DOI: 10.1126/sciadv.1700782.
Rumetshofer T., Fischer J. Information-Based Plastic Material Tracking for Circular Economy — A Review. Polymers. 2023. V. 15, no. 7, pp. 22. DOI: 10.3390/ polym15071623.
Иринина О.И., Суханова КА. Экологичная посуда и упаковка для продукции массового питания: реалии и перспективы // Сервис Plus. 2020. Т. 14. № 3. С. 65-75. DOI: 10.24411/2413-693X-2020-10308.
Goel V., Luthra P., Kapur G.S. et al. Biodegradable/Bio-plastics: Myth and realities. // Journal of polymers and the environment. Springer. 2021. No. 29, p. 26. DOI: 10.1007/ s10924-021-02099-1.
Pat. WO no. O2014036279A1. 2014. Brian Hugh Moseley, Mary Elaine Turner, Neil Douglas Redpath. Biodegradable compositions, methods and uses thereof.
Технология переработки латексов / Под ред. Трофимовича Д.П., Берестнева В.А. Москва: Научтехлитиздат. — 2003. — 372 с.
Cherezova E.N., Karaseva Y.S., Momzyakova K.S. Hydrophilic Rubber Based on Butadiene-Nitrile Rubber and Phytogenic Powdered Cellulose // Polymer Science. Series D. 2022. V. 15, pp. 118-121. DOI: 10.1134/S1995421222010075.
De Brito E.B., Tienne L.G.P., Cordeiro S.B., Marques M.F.V. Development of polypropylene composites with green coffee cake fibres subjected to water vapor explosion // Waste and biomass valorization. 2020. V. 11, p. 13. DOI: 10.1007/ s12649-019-00929-x.
Dominic M., Joseph R., Begum P.M.S. et al. Cellulosic bionanocomposites based on acrylonitrile butadiene rubber and Cuscuta reflexa: adjusting structure-properties balance for higher performance // Cellulose. 2021. V. 28. P. 21. DOI: 10.1007/s10570-021-03958-9.
Технология резины: рецептуростроение и испытания / Под ред. Дика Дж. С. пер. с англ. под ред. Шершенева В.А. Cанкт-Петербург.: Научные основы и технологии. — 2010. — 620 c.
Rajesh B.R., Shibulal G.S. Chandra A.K. Naskar K. Compounding and Vulcanization // Advances in Elastomers. I. 2013. V. 11, pp. 83-135. DOI: 10.1007/978-3-642-20925-3_4.
Maslowski M, Aleksieiev A., Miedzianowska J., Strzelec K. Potential application of peppermint (Mentha piperita L.), german chamomile (Matricaria chamomilla L.) and yarrow (Achillea millefolium L.) as active fillers in natural rubber biocomposites // International Journal of Molecular Sciences. 2021. V. 22, no. 14, p. 25. DOI: 10.3390/ijms22147530.
информация об авторах/information about the authors
Дмитриев Кирилл Евгеньевич, аспирант кафедры химическая технология биологически активных веществ и полимерных композитов, Ярославский государственный технический университет (150023, Ярославль, Московский проспект, 84).
E-mail: kirill1998d@gmail.com
Dmitriev Kirill E., postgraduate of the department of chemical technology of biologically active substances and polymer composites, Yaroslavl State Technical University (84, Moskovsky Prospekt, Yaroslavl, 150023, Russia).
E-mail: kirill1998d@gmail.com
Коротнева Ирина Сергеевна, к.х.н., доцент кафедры химическая технология биологически активных веществ и полимерных композитов, Ярославский государственный технический университет (150023, Ярославль, Московский проспект, 84).
E-mail: korotnevais@ystu.ru
Korotneva Irina S., Cand. Sci. (Chem.), associate professor of the department of chemical technology of biologically active substances and polymer composites, Yaroslavl State Technical University (84, Moskovsky Prospekt, Yaroslavl, 150023, Russia).
E-mail: korotnevais@ystu.ru
Шамина Александра Олеговна, магистрант кафедры химическая технология биологически активных веществ и полимерных композитов, Ярославский государственный технический университет (150023, Ярославль, Московский проспект, 84).
E-mail: shaminaalexandra10@yandex.ru
Shamina Alexandra O., student of the department of chemical technology of biologically active substances and polymer composites, Yaroslavl State Technical University (84, Moskovsky Prospekt, Yaroslavl, 150023, Russia). E-mail: shaminaalexandra10@yandex.ru
