Из чего состоит каучук

1. латекс (концентрация каучука в молочном соке).

Высокомолекулярный углеводород (C₅H₈)_n, цис-полимер изопрена; содержится в млечном соке (латексе) гевеи, кок-сагыза (разновидность одуванчика) и других растений. Растворим в углеводородах и их производных (бензин, бензол, хлороформ, дисульфид углерода и т.д.). Натуральный каучук почти не набухает и растворим в воде, спирте, ацетоне. Натуральный каучук поглощает кислород, как только достигает комнатной температуры, что приводит к окислительному повреждению (старению каучука) и, следовательно, к снижению его прочности и эластичности. Натуральный каучук разлагается при температуре выше 200 °C, образуя низкомолекулярные углеводороды. При взаимодействии натурального каучука с серой, хлоридом серы, органическими пероксидами (вулканизация) образуются длинные макромолекулярные связи через атомы серы, образующие решетчатые структуры. Это придает каучуку высокую эластичность в широком диапазоне температур. Натуральный каучук перерабатывается в резину. В сыром виде используется не более 1 % добытого натурального каучука (резиновый клей). Более 60 % натурального каучука используется в производстве автомобильных шин.

Синтетические каучуки

Первым синтетическим каучуком, имеющим промышленное значение, был полибутадиен (дивиниловый каучук), полученный синтезом по методу С. В. Лебедева (анионная полимеризация жидкого бутадиена в присутствии натрия).

В Германии натрий-бутадиеновый каучук нашел довольно широкое применение под названием ‘Buna’.

Изопреновые каучуки — синтетические каучуки, получаемые путем полимеризации изопрена в присутствии катализаторов, таких как металлический литий, пероксидные соединения. В отличие от других синтетических каучуков, изопреновые каучуки, как и натуральный каучук, обладают высокой адгезией и несколько меньшей эластичностью.

Сегодня большинство производимых каучуков — это сополимеры стирол-бутадиена или стирол-бутадиен-акрилонитрила.

Резиновые материалы с гетероатомами в качестве заместителей или имеющие их, часто характеризуются высокой стойкостью к растворителям, топливу и маслам, устойчивостью к воздействию солнечного света, но имеют более низкие механические свойства. Хлоропреновый (неопреновый) каучук, полимеры 2-хлорбутадиена, является наиболее широко производимым и используемым гетерозамещенным каучуком.

В ограниченных масштабах производятся и используются тиоколы — полисульфидные каучуки, получаемые поликонденсацией дигалогенированных алканов (1,2-дихлорэтан, 1,2-дихлорпропан) и полисульфидов щелочных металлов.

Первой страной, начавшей крупномасштабное производство синтетического каучука, был СССР (в 1931 году) [1][2] . В 1932 году завод ‘Красный треугольник’ начал производство синтетического каучука.

7 июля 1932 года был введен в эксплуатацию Ярославский завод СК-1, на котором была получена первая в мире промышленная партия натрий-бутадиенового каучука. В 1932 году в СССР было создано три крупных завода по производству синтетического каучука: СК-1 в Ярославле, СК-2 в Воронеже (открыт осенью 1932 года) и СК-3 в Ефремове (открыт в 1933 году).

Каучук: история открытия

Если бы мы спросили индейцев, что такое каучук, они бы ответили, что это слезы деревьев. Это дословный перевод термина с древнего языка тупи-гуарани. До открытия Америки европейцы никогда не слышали об этом чудесном материале. Именно в Новом Свете они впервые встретили мячи, обувь и другие изделия из этого гибкого и прочного материала.

Дело в том, что уникальное каучуковое дерево, которое является источником каучука, растет только на экваторе, в небольшой полосе шириной 1 500 км. Так называемое бразильское дерево гуава содержит много латекса и может быть легко дозировано для человека.

В наших широтах одуванчик, чертополох и полынь имеют похожий млечный сок. Однако ни его количество, ни качество не позволяют делать из него жвачку. Поэтому только древние народы американского континента были хорошо знакомы с этим материалом.История открытия каучука связана с эпохой географических открытий.

Вскоре предприимчивые европейцы научились выращивать его в промышленных масштабах и распространили уникальное сырье по всему миру. Более того, каучук был синтезирован в 1839 году. Ученый Чарльз Гудьир попробовал нагреть его серой и получил еще более прочный и удобный материал. Процесс был назван вулканизацией, и резиновые изделия быстро завоевали планету.

Каучук: свойства

Каковы свойства натурального каучука? Этот полимер абсолютно уникален и меняет свои свойства в зависимости от температуры окружающей среды. Он может быть высокоэластичным, жидким или даже стеклообразным.

В диапазоне температур 20-30°C материал характеризуется следующими свойствами

• эластичность и эластичностью. Резиновое изделие можно растянуть на 1000%, и даже по истечении этого времени оно быстро возвращается в исходное состояние. Это качество теряется только после очень длительного хранения;
• мягкость при комнатной температуре и пластичность при нагревании. Если для работы с материалом выбраны правильные условия, то форма, полученная при термообработке, может быть сохранена;
• непроницаемость к электричеству, теплу, газам и воде. Это свойство делает использование каучука очень удобным во всех сферах. Изделия из нее имеют длительный срок хранения и мало подвержены влиянию окружающей среды.

Поэтому ни один из ранее известных материалов не может сравниться с резиной, не говоря уже о конкуренции с ней.

Вулканизация резины

Вулканизация — это процесс скрепления длинных макромолекулярных связей в натуральном каучуке, что делает его эластичным в широком диапазоне температур. Для осуществления этого процесса натуральный каучук соединяют с серой, хлоридом серы и органическими пероксидами. Возможна также радиационная вулканизация. Однако серная вулканизация остается самым популярным методом. Атомы серы действуют как связующие вещества, образуя стабильные решетчатые структуры. Некоторые химические вещества, такие как 2-меркаптобензотиазол и некоторые его производные, могут ускорять вулканизацию. Вулканизация обычно включает в себя смешивание каучука с различными добавками для придания резине нужных свойств и наполнителями для снижения стоимости резины (сажа, мел).

Вулканизация — очень эффективный метод борьбы с хрупкостью и затвердеванием резин. Сам процесс был открыт почти случайно: в 1839 году американский изобретатель Чарльз Нельсон Гудиер (Goodyear, Goodyear) бросил комок каучука, смешанного с серой, в почти погасший камин. Результат был поразительным — новое вещество, полученное путем постепенного нагревания, стало гибким и прочным, устойчивым как к морозу, так и к жаре. К этому моменту компания Goodyear потратила много денег и энергии на смешивание каучука с другими веществами в надежде улучшить его свойства — в течение пяти лет она смешивала каучук со всем, от химикатов до оливкового масла и даже супа. Его конечный успех принес ему славу — именно новый материал, изобретенный Гудьиром и запатентованный им в 1844 году, принято называть резиной, а открытый им процесс — вулканизацией резины. Спустя десятилетия его имя стало торговой маркой для надежных шин (Goodyear Tire and Rubber Company).

Натуральный каучук

Натуральный каучук — это сок некоторых растений, caoutchoucnoseНекоторые из них включают травы, деревья и лианы.

Натуральный каучук часто приравнивают к латексу. Латекс — это эмульсия дисперсных полимерных частиц в водном растворе: в природе он встречается в виде молочного сока различных растений. Однако существует только один коммерческий латекс на основе натурального каучука (NRL): концентрированный и стабилизированный млечный сок бразильского растения гуава. Путем центрифугирования или отстаивания содержание сухого вещества в латексе искусственно увеличивается до 75% (в исходном соке содержится в среднем около 40%).

История открытия натурального каучука

С тех пор каучук стал незаменимым ингредиентом в промышленном производстве по всему миру.

Как получают каучук: натуральные каучуковые деревья

Самыми известными из всех каучуковых деревьев являются деревья рода Gevea, в частности Gevea brazilica. Сок этого дерева является полукаучуковым. На втором месте — каучуковый фикус (также известный как эластичный фикус Ficus elastica). На третьем месте — несколько видов одуванчиков (кок-сагыз, тау-сагыз, крым-сагыз). Одуванчики содержат натуральный каучук в своих корневищах, содержание которого может достигать 15 % от их сухого веса. Максимальное количество каучука в кок-сагызе составляет 27,55 %.

Каучук добывают различными методами. Самый старый метод, который используется и сегодня, — это метод косого глаза. Он предполагает сбор млечного сока деревьев (латекса) путем срезания коры. Процесс сбора длительный, так как соки вязкие и собираются медленно. Из латекса каучук коагулируют органическими кислотами, промывают водой и скатывают в листы, которые сушат и коптят дымом. Копчение защищает каучук от окисления и воздействия микроорганизмов. Добыча каучука из корней растений одуванчика-шалфея производилась иначе — растения собирали, сушили и перерабатывали в целлюлозу. Этот метод был популярен в Советском Союзе как альтернатива труднодоступному латексу, получаемому из гевеи.

Промышленное применение

Наиболее распространенным практическим применением натурального каучука является производство резины. Этот процесс основан на реакции вулканизации, разработанной еще в 19 веке. Для получения каучука к сырью добавляются различные компоненты, образующие длинные молекулы, соединенные между собой поперечными связями. Такая структура придает резине способность сжиматься и растягиваться практически при любой температуре. Продукт вулканизации, резина предназначена для использования в различных отраслях промышленности. Она используется для производства шин и внутренних труб для всех колесных машин. Кроме того, резина является основой различных уплотнений, используемых для тепло-, гидро- и звукоизоляции. Незаменима она и в медицине, особенно при производстве перчаток и презервативов. Кроме того, многие изделия из нее используются в медицинских приборах и оборудовании. Резина также используется в ракетной промышленности. Она используется в качестве основы для производства твердого ракетного топлива. В частности, она используется в качестве топлива, где наполнителем является порошок селитры, а окислителем — перхлорат аммония.

В 1969 году вступил в силу стандарт, регулирующий свойства этого природного продукта. Он делит всю резину на восемь типов, включающих 35 классов. К основным из них относятся:

Качество натурального каучука оценивается путем осмотра и сверки с контрольным образцом. Кроме того, каучук классифицируется в соответствии с техническими стандартами и правилами. Они регулируют количество допустимых примесей. Помимо натурального каучука, производители выпускают целый ряд продуктов с различными параметрами обработки и механическими свойствами, которые могут выпускаться в различных формах, например, в виде порошка. Компании, производящие это сырье, постоянно проводят исследования, направленные на улучшение качества натурального каучука и повышение его эксплуатационных характеристик. Одним из видов каучука является гуттаперча, которую иногда называют балата. Ее добывают в Малайзии. Гуттаперча менее эластична. Это объясняется тем, что она имеет другую макромолекулярную структуру. Этот вид каучука использовался в начале 20 века для изоляции морских кабелей связи. Следует отметить, что этот полимер не нашел широкого применения в промышленности. В настоящее время он используется в производстве жевательной резинки. Он также используется стоматологами для изготовления пломб. Еще одно применение гуттаперчи — изготовление мячей для гольфа.

Введение

На самом деле промышленное производство синтетического сырья заняло у ученых и производителей около века. Каучук был синтезирован во второй половине XIX века. Но технология производства, необходимое оборудование были разработаны только в 20 веке. Все необходимое оборудование для производства синтетического каучука было внедрено русским ученым С.В. Лебедев. С тех пор ученые-химики, производственники приложили много усилий для усовершенствования этого сырья, разработки новых марок этого сырья и т.д.

Прошло почти столетие с тех пор, как было налажено промышленное производство синтетического каучука. И за это время специалисты по органической химии разработали и внедрили большое количество видов этого сырья. Ниже приведен небольшой список. Виды синтетического каучука Бутадиеновый каучук в основном используется в производстве шин и камер. Изделия из бутадиенового каучука имеют значительно более высокие эксплуатационные характеристики по сравнению с изделиями того же сорта, но изготовленными из натурального каучука. Бутадиеновый каучук также используется в производстве химически стойкой резины и эбонита. Бутадиеновый каучук обладает уникальной способностью удерживать воздух. Именно это дало ему такое преимущество перед другими материалами при производстве шин, трубок, мембран и т.д. На основании многократных испытаний, проведенных на шинных заводах, можно сделать вывод, что камеры, изготовленные из этого вида синтетического каучука, способны удерживать давление воздуха в 8-10 раз выше, чем аналогичные изделия из натурального каучука. Бутилкаучук отличается от натурального каучука тем, что он озоноустойчив и не реагирует на различные масла (животные, растительные), но в то же время материал необходимо беречь от контакта с минеральными маслами. При сравнении параметров прочности натуральный продукт выигрывает со значительным отрывом. Между тем, этот материал характеризуется низкой скоростью вулканизации, плохой адгезией к металлическим поверхностям. Быстрое нагревание при переменных нагрузках и, наконец, низкая эластичность при нормальной температуре и влажности. Полихлоропреновый каучук, или, как его иногда называют, хлоропрен, поставляется потребителю в виде светло-желтой пасты. К основным свойствам этого материала относятся:

Структурная формула.

Каждый тип синтетического каучука имеет свою химическую формулу Молекулы изопрена CH2=C(CH3)-CH=CH2 2-метилбутадиен-1,3; Бутадиен CH2=CH-CH=CH2 бутадиен-1,3 Дивинил CH2=CH-CH=CH2 бутадиен-1,3 Хлоропрен CH2=C(Cl)-CH=CH2 2-хлорбутадиен-1,3 Бутадиенстирол состоит из молекул CH2=CH-CH=CH2 бутадиен-1,3 и C6H5- CH=CH2 стирол

Свойства синтетического каучука намного выше, чем у натурального. Например, его плотность ниже, чем у воды, поэтому он надежно плавает. Химические свойства синтетического каучука позволяют ему быть нерастворимым в воде, поэтому его можно использовать для производства водонепроницаемых покрытий. Это свойство делает его пригодным для пошива одежды, спортивного оборудования и т.д. Такие вещества, как бензин и бензол, растворяют каучуки. Это свойство позволяет использовать их в производстве клеев. Резина — это диэлектрический материал, который широко используется для изоляторов в силовом и слаботочном оборудовании. Они гибкие, прочные и обладают высокой стойкостью к истиранию. Кроме того, каучуки сохраняют свои свойства при циклических деформациях. Синтетические каучуки делятся на общие и специальные. Виды каучуков общего назначения следующие:

Их основными свойствами являются морозостойкость, высокая стойкость к истиранию. Кроме того, они обладают высокой стойкостью к воздействию масла и озона. Бутадиеновый каучук (БК), иногда называемый дивиниловым каучуком, относится к категории каучуков общего назначения. Он используется в производстве проекционных резин и вставок для шин (каркасов, боковин и т.д.). Материал используется в производстве материалов, применяемых в кабельной промышленности, инструментов для абразивной обработки металла и других материалов и антифрикционных изделий.

Сырье на основе пропилен-этилена используется для производства ударопрочных полимеров, велосипедных шин, тканей с гидрофобными свойствами, конвейерных лент для термически жестких сред. Фторсиликоновые каучуки (фторсиликоны или фторкаучуки). Особенностью этих материалов является сочетание устойчивости к воздействию температуры, как низкой, так и высокой, и различных агрессивных сред. Кроме того, сырье этого класса устойчиво к истиранию и воздействию открытого пламени. Оно непроницаемо для газов. Диэлектрические свойства позволяют использовать его для изоляции как силовых кабелей, так и слаботочного оборудования. Это сырье используется для производства материалов для гумификации емкостей, предназначенных для транспортировки агрессивных веществ. Еще одно важное свойство этих материалов — устойчивость к радиации. Разница между синтетическим и натуральным сырьем заключается в том, что синтетическое сырье производится с использованием ряда сополимеров и химических элементов, которые придают материалу новые свойства. Устойчивый спрос на синтетический каучук привел к появлению целой отрасли, занимающейся производством этого сырья. На рынке этого сырья наблюдается устойчивый рост спроса на эту продукцию. Лидером по потреблению синтетического сырья можно считать самую быстрорастущую экономику мира — Китай. Динамика рынка показывает, что после кризисных явлений 2008-2009 годов и падения спроса на эту продукцию на 4%, сегодня рост продаж достиг 7% от уровня прошлого года.