Проекты участников финального этапа НТТМ-2017

← К списку проектов

Проект
Новая промышленная технология модификации каучука
НТТМ-2017-1463 | Категория II

Автор:

Сухарева Ксения Валерьевна

Михайлов Игорь Анатольевич

Научный руководитель:
Андриасян Юрик Оганесович
Организация:
ФГБОУ ВПО «РЭУ им. Г.В. Плеханова»,
Москва
Цель работы
Основная цель проекта заключается в разработке одностадийного способа получения галоидированного каучука, отвечающего современным требования по промышленной безопасности за счет отсутствия в технологическом процессе газообразных хлорирующих агентов, а также повышения рентабельности производства за счет сокращения стадийности производства, снижение затрат на электроэнергию, элиминирование из производственного цикла дополнительных стадий (дегазация, рекуперация и др.)
Обзор предметной области
В мировой практике на данный момент единственным реализованным в промышленности способом получения галоидированного бутилкаучука является жидкофазное (растворное) галоидирование бутилкаучука молекулярными галогенами. Хлорбутилкаучук получают химической модификацией бутилкаучука в бензине газообразным хлором по следующей схеме
• приготовление раствора бутилкаучука;
• приготовление газообразной смеси хлора и азота;
• хлорирование;
• нейтрализация и отмывка хлорбутилкаучука;
• стабилизация;
• дегазация;
• рекуперация растворителя;
• сушка и упаковка каучука.
Литературный анализ показал, что всевозможные усовершенствования описанной выше технологии заключались в основном в замене газообразного галогена на галогенсодержащие органические соединения, что, по сути, не способствовало существенному упрощению технологии. Таким образом, растворная технология получения хлорсодержащих каучуков представляет собой процесс, состоящий из множества стадий и не соответствующий современным требованиям по экологической безопасности производства. Кроме того процессы галогенирования бутилкаучука по растворной технологии связаны с исключительно сильной коррозией, поэтому вся реакционная аппаратура и коммуникации, находящиеся в контакте с хлором, эмалированы или выполнены из неметаллических материалов.
Принимая во внимание недостатки существующей в настоящее время технологии получения хлорсодержащих каучуков была разработаны альтернативная технология получения хлорсодержащих каучуков. Ее отличительная особенность – простота осуществления основного процесса получения хлорсодержащего каучука и его экологическая безопасность.
Проект относится к новаторскому течению в направлении механохимической модификации и механохимии полимеров. В рамках работы впервые были получены резины по новой технологии механохимической галоидной модификации каучуков. Проведено комплексное исследование свойств разработанных материалов и выявление факторов, определяющих их прочностные характеристики и стойкость к агрессивным средам. Механохимическая галоидная модификация является перспективным направлением в получении новых галогенсодержащих эластомерных материалов в твердой фазе, не имеющих серийно выпускаемых аналогов. Технология основана на твердофазной модификации исходных каучуков хлорсодержащими органическими модификаторами, являющимися экологически безопасными в процессе осуществления галоидной модификации.
В основу представляемой технологии модификации каучуков положен принципиально новых подход, основанный на механохимическом инициировании процесса. Метод механохимической инициации не применялся другими исследовательскими группами для галогенирования эластомеров.
На основании практических наработок по получению хлорсодержащих каучуков ХБК (хлорированный бутилкаучук) и ХЭПДК (хлорированный этиленпропилендиеновый каучук) на смесительном оборудовании составлен временный технологический регламент на их производство.
На данный момент запатентованы способы получения эластомерных композиций для шинного производства на основе каучука ХБК и каучука ХЭПДК: Патент RU 2365606; Патент RU 2296770; Патент RU 2296782.
По данному проекту имеется значительный научный задел в виде ряда статей в журналах, индексируемых в базах Scopus и Web of Science. Данный проект был представлен на конгрессе по интеллектуальной собственности EXPOPRIORITY'2014 в рамках международного форума «Интеллектуальная собственность - XXI век» 21 апреля 2014 г., ЦВК «Экспоцентр», Москва VI Всероссийский и XI Московский Фестиваль науки, 7-9 октября 2016 г, ЦВК «Экспоцентр» X Международный биотехнологический форум-выставка «РосБиоТех-2016», 1-3 ноября 2016 г. ЦВК «Экспоцентр».
На данный момент проект является резидентом акселератора Банка Хоум Кредит и Фонда iVenturer.
Описание результатов проекта
В ходе работы над данным проектом были:
1. Исследованы процессы, протекающие при термомеханохимической переработке каучуков общего назначения (ЭПК, БК, ЭПДК, СКИ-3, СКС, СКМС, СКД), в отсутствие галоидсодержащего модификатора с целью определения температурно-временных диапазонов их обработки,оказывающих влияние на интенсивность протекания механодеструкционных процессов; изучено влияния этих процессов, проявляющихся в изменении молекулярной массы и содержания гель-фракции каучуков, на свойства резиновых смесей и резин, полученных на их основе с привлечением стандартных методик для определения этих характеристик.
2. На основании результатов, полученных при осуществлении первого этапа, была проведена галоидная механохимическая модификация эластомеров с различными по химической структуре галогенсодержащими модификаторами с применением двухроторного резиносмесителя закрытого типа.
3. Проведены структурные исследования хлорсодержащих каучуков, полученных посредством механохимической модификации с помощью современных физико-химических методов. Для этой цели были привлечены следующие методы
- ИК-Фурье спектроскопия (ИК-Фурье спектрометр Spectrum 100, Perkin Elmer)
- Теплофизические характеристики образцов (дифференциальный сканирующий калориметр DSC polyma - 214);
- Термогравиметрический анализ (дериватографе NETZSCH TG -209 F 1 Iris);
- Спектроскопия электронного парамагнитного резонанса (метод парамагнитного зонда (ЕМХ Bruker)) - Количественное определение содержания хлора и брома методом Шенигера (меркуриметрическим методом).
- Количественное определение фтора методом масс-спектрометрии.
4. Проведены исследования свойств эластомерных композиций на основе галоидмодифицированных каучуков. Полученные композиции были исследованы для установления их физико-механических и эксплуатационных параметров: реологические, пластоэластические вулканизационные характеристики резиновых смесей, а также воздействие температуры, агрессивных газовых и жидких сред, включая кислород, озон, воду, водные растворы кислот, щелочей, органических растворителей и воздействие микроорганизмов. Для данных работ было использовано следующее оборудование:
- Пластограф типа «Brabender» - для получения смесевых композиций;
- Обогреваемые полимерные вальцы ВК-6 - для получения смесевых композиций;
- Двухшнековый микроэкструдер Rheoscam, Scamex - для получения смесевых композиций методом экструзии;
- Ручной гидравлический пресс ПРГ-10 с электронным блоком для нагрева плит - для получения пленочных образцов композиций;
- Аналитические весы KERN ALT 220-4M;
- Разрывная машина GPU-0,5 DLC- для определения механических характеристик образцов;
В результате обработки, анализа и обобщения результатов, проведенных экспериментально-практических и расчетных исследований, были описаны и систематизированы данные, позволяющие подготовить данную технологию к ее непосредственному внедрению.
Реализация проекта обеспечивается научно-техническим потенциалом проекта, в частности возможностью апробации разрабатываемой технологии в условиях реального производства, в том числе на предприятиях ОАО «НИИЭМИ», ОАО «НИИРП», «ФНПЦ «Прогресс», высококвалифицированными и опытными сотрудниками, а также высоким уровнем материально-технической базой, соответствующей современным международным стандартам.

Основная ценность проекта заключается в следующем:
1)Сокращение количества стадий (с 6 применяемых в настоящее время до 2)
2)Себестоимость 1 тонны хлорированного каучука (ХБК), полученного по предлагаемой технологии составляет 50 000 тыс. руб, что в сравнении с 1 тонной хлорированного ХБК фирмы ExxonMobil (350 000 тыс. руб) в 7 раза ниже.
3) Простота технологического цикла и доступность исходного сырья и необходимого оборудования
4) При применении каучуков ХБК и ХЭПДК (полученных по предлагаемой технологии) в деталях пневматических шин повышается: сопротивление истиранию в 3 раза, динамическая выносливость в 2 раза, коэффициент сцепления с мокрым дорожным покрытием на 20%, а также такие показатели как газонепроницаемость, озоностойкость, сопротивление разрастанию трещин. Впервые при производстве не используется газообразные галогены и органические растворители, во всех аналогичных технологиях по хлорированию и фторированию каучуков эти компоненты обязательно используются.

Хлорбутилкаучук, полученный по технологии галоидной модификации, обладает всеми ценными свойствами бутилкаучука: газонепроницаемостью, озоностойкостью, стойкостью к атмосферным воздействиям, свето-, тепло- и химической стойкостью, отличной стойкостью к раздиру, истиранию, и многократным деформациям, хорошими гистерезисными и диэлектрическими свойствами. Вследствие хлорирования повышается скорость вулканизации, появляется способность к совулканизации с другими эластомерами, увеличивается теплостойкость резин вследствии образования термостабильных поперечных связей, снижаются остаточные деформации при сжатии, улучшаются динамические свойства резин в жестких условиях эксплуатации
Описание применимости
В настоящее время потребность в резиновых материалах, которые обладают сложным комплексом специфических свойств, постоянно растёт и выпускаемые в настоящее время каучуки просто не могут ее удовлетворить. В связи с этим возрастает и потребность в освоении новых технологий их производства связи с тем что в ближайшее время не возможно производства каучуков с принципиально новыми свойствами, то основным направлением в области синтеза свойств становится химическая модификация серийно выпускаемых каучуков.
Исходя из того, что исходное сырье в виде синтетических каучуков в основном является импортируемым сырьем, то удешевление производства хлорированных каучуков, а так же резин и резиновых составов на их основе при применение используемой сейчас технологии не представляется возможным. Таким образом наша технология способна не только удешевить весь процесс производства, но также и улучшить свойства конечных изделий из каучуков, полученных по нашей технологии модификации.

Конечным потребителем проекта являются шинные заводы и заводы резинотехнических изделий (РТИ). Новая технология даст возможность заводам РТИ, не использующим в своем производстве дорогостоящее сырье, такое как хлорированный и фторированный бутилкаучук, с легкостью перейти на него, за счет чего расширить ассортимент выпускаемой продукции.
Новая технология готова к внедрению на заводы, работающие на стандартном смесительном оборудовании. Кроме того переход предприятий на новую технологию не будет сопряжен с закупкой нового технологического оборудования или профпереориентацией персонала.

Снижение себестоимости хлорированного бутилкаучука по сравнению с серийно выпускаемыми обеспечивается значительным снижение издержек производства возможно за счет сокращения стадийности производства, повышение энергоэффективности предприятия, отсутствия необходимости в затратах на рекуперацию растворителя, газообразного хлора.
В разработанной технологии отсутствуют стадии, связанные с повышенной производственной опасностью, а именно применению газообразных хлорирующих реагентов, относящихся к 2 классу опасности (высокоопасные вещества). Вместо них используются хлорирующие агенты (хлорпарафины), относящиеся к малоопасным трудногорючим, пожаро-взрывобезопасным веществам, не требующим особых мер предосторожности (4 класс опасности). Таким образом, достигается высокий уровень безопасности производственного цикла как для персонала, так и для окружающей среды.

Эксплуатационные и технологические характеристики материалов, полученных по нашей технологии, по имеющимся на данный момент данным обладают не только не худшими, а по большинству позиций гораздо лучшими показателями, чем хлорированные каучуки выпускаемые на заводе ОАО «Нижнекамскнефтехим» по стандартной технологии.

Наиболее перспективным является применение галоидированных каучуков, полученных по технологии механохимической галоидной модификации, в деталях пневматических шин, при производстве резинотканевых материалов для создания оболочечных конструкций, а так же в различных резинотехнических изделиях (приводные ремни, транспортерные ленты и др.)

На данным момент создано малое инновационное предприятие (ООО "Галоэластомеры"). Достигнута договоренность на выпуск опытной партии по заказу завода "Курскрезинотехника", а также ведутся переговоры с АО "Петрошина"
Дальнейшее развитие проекта
По разработанной технологии возможно получение не только хлор-, но и фтор- , бромсодержащих составов, обладающих целым комплексом разнообразных свойств, обеспечивающих применение данных составов в различных областях промышленности. В рамках научно-исследовательской работы над проектом ведутся исследования в таких направлениях исследований как: механохимическая галоидная модификация эластомеров под воздействием давления набухания и поверхностная механохимическая галоидная модификация резин. На данный момент уже поданы заявки на получение патентов по данным направлениям и ведутся работы по поиску инвесторов для развития направлений. Таким образов исследования в данных направления обеспечивают дальнейшее развитие проекта и расширение сферы его применимости. Для дальнейшего развития проекта необходимы дополнительные инвестиции для аренды производственной линии для выпуска партии хлорированного бутилкаучука.

Информация предоставлена участником конкурса. Организаторы конкурса не несут ответственности за содержание информации о проекте.

← К списку проектов




Список всех проектов финального этапа с датами защиты

 

© Всероссийский конкурс научно-технического творчества молодежи НТТМ

E-mail: info@konkurs-nttm.ru