Загрузка...Физические свойства синтетического каучука
главная > справочник > химическая энциклопедия:
Каучуки синтетические (СК), синтетические полимеры, способные перерабатываться в резину путем вулканизации. Составляют основную массу эластомеров.
Классификация. Обычно приняты классификация и наименование каучуков синтетических по мономерам. использованным для их получения (изопреновые, бутадиеновые, бутадиен-стирольные и т.п.), или по характерной группировке (атомам) в основной цепи или(и) боковых группах (напр., полисульфидные, уретановые, кремнийорг., фторкаучуки.
Каучуки синтетические подразделяют также по др. признакам, например, по содержанию наполнителей — на ненаполненные и наполненные каучуки. по мол. массе (консистенции) и выпускной форме — на твердые, жидкие (см. Жидкие каучуки)и порошкообразные. Часть каучуков синтетических выпускают в виде водных дисперсий -латексов синтетических. Особая группа каучуков синтетических – термоэластопласты. По областям применения каучуки синтетические разделяют на каучуки общего и спец. назначения (см. табл.). К первым относят каучуки синтетические с комплексом достаточно высоких техн. свойств (прочностью, эластичностью, износостойкостью, усталостной выносливостью и др.), пригодные для массового изготовления широкого круга изделий, ко вторым — каучуки, одно или неск. свойств которых обеспечивают выполнение специфических требований к изделиям и их работоспособность часто в экстремальных условиях эксплуатации.
Свойства. Каучуки синтетические — аморфные или сравнительно слабо кристаллизующиеся полимеры с высокой гибкостью и относительно малым межмолекулярным взаимодействием цепей, что обусловливает их высокую конформационную подвижность в широком интервале температур. Характеристикой подвижности цепей может служить температура стеклования каучуков. Ее значения в значит, мере определяют комплекс их деформационных и прочностных свойств. Ненасыщенные каучуки синтетические присоединяют Н2, галогены, тиолы, карбоновые и тиокислоты, нитрозосоед., глиоксаль, хлораль. эпоксидируются надкислотами. циклизуются под действием кислот, сшиваются серой. пероксидами, малеиновым ангидридом. динитрозосоединениями. Хим. свойства таких каучуков синтетических определяются содержанием и положением двойных связей. природой и положением заместителей (боковых групп). Насыщенные каучуки синтетические значительно менее активны. Их хим. свойства определяются прочностью связей в основной цепи и типом боковых групп. Окисление под действием О2 и О3, ускоряющееся при воздействии света и нагревании, вызывает деструкцию и структурирование (сшивание) каучуков синтетических Для защиты от окисления в них вводят антиоксиданты в кол-ве 0,15-2,0% по массе. Гарантийный срок хранения каучуков синтетических составляет обычно 0,5-2 г. Термостойкость каучуков синтетических выше, чем натуральных каучуков. Наиболее термостойки каучуки с неорг. основной цепью (напр., кремнийорганические) и фторкаучуки. Под действием ионизирующих излучений большинство каучуков синтетических сшивается; бутилкаучук и полиизобутилен. содержащие в цепи четвертичные атомы С, деструктируются.
Большинство каучуков синтетических менее склонно к механодеструкции, чем натуральные каучуки. Современные марки каучуков синтетических не требуется подвергать пластикации. Ненасыщенные каучуки обычно вулканизуют с применением серных вулканизующих систем, насыщенные-орг. пероксидами, ионизирующими излучениями и др.
Получение и применение. Полимеризация — основной метод получения каучуков синтетических из диенов и олефинов. Поликонденсацией синтезируют главным образом полисульфидные, уретановые и некоторые др.
По технологии оформлению процессы можно разделить на эмульсионные и растворные. Первые осуществляют, как правило, под влиянием инициаторов радикальных. вторые — в присутствии ионных катализаторов полимеризации.
Наиболее распространенные мономеры для производства каучуков синтетических — бутадиен, изопрен, стирол, a-метилстирол, хлоропрен, изобутилен, этилен, пропилен, акрилонитрил.
Крупнотоннажные производства каучуков синтетических — непрерывные технологические процессы, осуществляемые в батареях (каскадах) реакторов емкостью 15-20 м 3 каждый, снабженных интенсивными перемешивающими устройствами и рубашками, через которые циркулирует хладагент. Тепло может отводиться и за счет испарения мономера или растворителя. Полученные каучуки синтетические выделяют из эмульсии или раствора, подвергают сушке, брикетированию (обычно масса брикета
30 кг) и упаковке. Перспективно производство каучуков в сыпучей (порошкообразной или гранулированной) форме, что позволяет резко снизить энергозатраты при их переработке и автоматизировать процесс изготовления резиновых смесей. Контроль выпускаемых каучуков синтетических ведется по их мол. параметрам, составу, пластоэластич. свойствам, вулканизационным характеристикам смесей и физ.-мех. показателям резин в стандартных рецептах.
Из каучуков синтетических изготовляют свыше 50000 разл. изделий. Основные области применения: шины, РТИ, резиновая обувь, изоляция проводов и кабелей и др. (см. также табл.).
Каучуки синтетические впервые получен Г. Бушарда в 1879 при обработке изопрен. (продукта сухой перегонки НК) соляной кислотой. Крупное пром. производство каучуков синтетических — натрийбутадиенового (СКБ) -осуществлено впервые в СССР в 1932 по способу С. В. Лебедева. В 1985 мировое производство каучуков синтетических достигло 12 млн. т/год; их производят 29 стран, в т. ч. (тыс. т): США — 2026, Япония — 1158, Франция — 544, ФРГ — 448, Великобритания -270, Бразилия — 266; СССР занимает по объему производства каучуков синтетических первое место в мире. В 80-е гг. доля каучуков синтетических в общем балансе каучуков составила
Лит.: Соболев В. М., Бородина И. В., Промышленные синтетические каучуки, М., 1977; Догадкин Б. А., Донцов А. А., Шершнсв В. А., Химия эластомеров. 2 изд., М., 1981; Синтетический каучук, под ред. И. В. Гармонова, 2 изд.. Л., 1983. © Б. Д. Бабицкий. Ф. Е. Куперман.
Физические свойства синтетического каучука
Сейчас каучук является одним из наиболее важных полимеров. По мере развития техники роль его все больше возрастает. В настоящее время ассортимент резиновых изделий составляет свыше 40 тыс. наименований.
Натуральный каучук.
Натуральный каучук содержится в млечном соке некоторых тропических деревьев—каучуконосов. В настоящее время практически весь натуральный каучук добывают из деревьев гевеи. Добываемый из деревьев-каучуконосов млечный сок (латекс) содержит в среднем 55-60% воды и 35-40% каучука в виде мелких глобул. Для выделения каучука латекс обрабатывают уксусной или муравьиной кислотой, в результате чего происходит коагуляция (слипание) глобул каучука.
По химическому составу натуральный каучук представляет собой смесь высокомолекулярных непредельных углеводородов. Исследования показали, что основной частью натурального каучука являются звенья изопрена.
Длинные молекулы натурального каучука беспорядочно свернуты в клубки и непрерывно изменяют форму.
Этим и объясняется его высокая эластичность, по при — 60 °С прекращается беспорядочное движение молекул, каучук теряет свою эластичность и становится хрупким.
По внешнему виду натуральный каучук представляет собой упругое смолоподобное вещество светло-коричневого цвета. Он хорошо растворяется во многих органических растворителях: углеводородах (предельных и ароматических), в простых и сложных эфирах и т. д. В спиртах и минеральных маслах набухает. При 120°С он размягчается, а при дальнейшем нагревании переходит в коричневую смолоподобную жидкость. При 250 °С разлагается с выделением газообразных и жидких продуктов, главным образом изопрена, дипептена. Каучук не проводит электрического тока, газонепроницаем, что дает возможность применять материалы, приготовленные на его основе, в электрической и радиотехнической аппаратуре.
Каучук является реакционноспособным веществом. Он взаимодействует с водородом, галогенами, галогеиводородами, нитро- и нитрозосоединениями и т. д. Особенно активно воздействуют на каучук кислород и другие окислители.
При взаимодействии каучука с хлором наряду с реакцией присоединения протекает реакция замещения. Образующийся хлоркаучук химически устойчив и растворим в бензине, но при нагревании до 70°С размягчается, а при 180-200°С разлагается с выделением хлористого водорода НС1. Хлоркаучук широко используют для производства химически стойких лаков и красок, стойких клеев и т. п.
Окисление каучука протекает автокаталитически. На скорость окисления оказывает большое влияние присутствие солей меди, железа, марганца, кобальта, которые ускоряют реакцию окисления. Озоном каучук окисляется более энергично, чем кислородом воздуха, при этом образуются озонид каучука и оксиозонид каучука.
Различные перекиси воздействуют на каучук аналогично атмосферному кислороду, только более энергично.
Из всех видов каучуков натуральный каучук наиболее пожароопасен, он имеет сравнительно низкую температуру воспламенения (129°С). Разложение каучука при температуре выше 250 С С, сопровождающееся выделением различных газообразных продуктов, способствует образованию взрывоопасных концентраций продуктов разложения и при определенных условиях может повлечь за собой взрыв.
При горении каучук плавится и растекается, образуя подвижную среду, способствующую распространению пожара и затрудняющую процесс тушения пожара. Температура горения каучука зависит от условий протекания горения и может достигать 1500-1700°С. Пламя — яркое, коптящее, характеризуется большим тепловым излучением.
Натуральный каучук широко применяют в автомобилестроении, авиастроении, в военной технике. Большое количество натурального каучука используют в производстве шин для самолетов, больших грузовых автомо-
билей, работающих под большими нагрузками.
Синтетические каучуки.
Быстрое развитие техники во второй половине XIX столетия потребовало больше каучука. Это заставило исследователей заняться изысканием методов получения синтетического каучука. Выделяющуюся роль в исследованиях по синтезу каучуков сыграли работы русских и советских ученых: А. М. Бутлерова, А. Е. Фаворского, Б. 3. Вызова, С. В. Лебедева и др. Они показали, что каучук можно получить не только из изопрена, но и из других диеновых углеводородов.
Синтетические каучуки имеют следующие преимущества по сравнению с натуральными:
1. Производство синтетического каучука может быть организовано в любых масштабах; оно не зависит от климатических условий.
2. Синтетический каучук можно получать с заранее заданными свойствами.
3. Производство синтетического каучука более экономично, чем натурального.
К недостаткам синтетического каучука относится малая клейкость, пониженная эластичность и низкая прочность по сравнению с натуральными каучуками.
Основным сырьем для получения синтетических каучуков служат нефтяные газы, гидролизный и синтетический этиловый спирт, ацетилен. Процесс производства синтетических каучуков сводится к получению каучукогенов (низкомолекулярных непредельных соединений) и их полимеризации.
Из каучукогенов наибольшее применение имеют:
— бутадиен (дивинил), который является основным каучукогеном, получаемым из бутана, этанола, ацетилена и т. д.;
— изопрен, получаемый из крекинг-газов;
— диметилбутадиен, получаемый из ацетона;
— хлоропрен, получаемый из ацетилена и хлора;
— изобутилен, получаемый из продуктов каталитического крекинга нефти;
— стирол, получаемый конденсацией бензола и этилена в присутствии А1С13;
— нитрил акриловой кислоты, получаемый каталитическим дегидрированием этиленциангидрина.
Натрийбутадиеновый каучук (СКБ). Этот каучук является пластичным продуктом с плотностью 890 — 920 кг/м 3 , диэлектрической проницаемостью 2,8, температурой стеклования от — 48 до — 73 °С. Химические свойства натрийбутадиенового каучука аналогичны свойствам натурального. Он реагирует с бромом.
В отличие от натурального каучука при окислении кислородом натрийбутадиеновый каучук становится твердым и жестким; под действием света изменяет линейную структуру на сетчатую, в связи с этим он превращается в нерастворимый полимер. По отношению к растворителям ведет себя так же, как и натуральный каучук, но не набухает в метаноле, этаноле, ацетоне и анилине. Растворим в бензоле и углеводородах жирного ряда и их галогенпроизводных. Растворы каучука носят характер коллоидных.
Каучук горюч, горит ярким коптящим пламенем. Теплота сгорания 45360 кДж/кг, температура горения 1550-1560°С, температура воспламенения 220°С, температура самовоспламенения 352 °С, склонен при определенных условиях к химическому самовозгоранию.
СКБ являются каучуками общего назначения и применяются в резиновой, кабельной, обувной и других отраслях промышленности. Из них изготавливают мягкие и эбонитовые изделия, резиновую обувь, наружные оболочки различных кабелей и т. д. Резины из СКВ при содержании сажи до 60% имеют предел прочности 13-16 МПа, относительное удлинение до 600%, хорошо сопротивляются тепловому старению и многократным де-
формациям.
Хлоропреновые каучуки. Хлоропреновыми каучуками называются полимеры хлоропрена с другими мономерами, получаемыми полимеризацией. Хлоропрен обладает высокой полимеризационной активностью. Скорость его полимеризации в сотни раз превышает скорость полимеризации изопрена. В результате полимеризации образуются полимеры, лучшим из которых по своим техническим свойствам является пластичный и растворимый -полимер.
Наирит со временем твердеет даже при обычных температурах, но при механических и тепловых нагрузках его эластичные свойства восстанавливаются. Плотность его 1230 кг/м 3 , диэлектрическая проницаемость 6,87. Наирит хорошо обрабатывается на обычном оборудовании резиновых заводов и не требует специальной пластификации. Сырые смеси обладают хорошей клейкостью. Каучуки типа наирит в основном горючи.
Резины на основе наирита — свето- и озоностойки, хорошо сопротивляются истиранию, некоторые из них не горючи и имеют повышенную маслостойкость (не набухают в маслах).
Наирит предназначен для широкого применения в резиновой и кабельной промышленности. Из наирита изготавливают ремни, транспортные ленты, рукава, формовые изделия, наружные оболочки кабелей, специальные озоно- и маслостойкие изделия. В кабельной промышленности в производстве защитных оболочек для морских кабелей 1 т наирита заменяет 6 т свинца.
Каучуки синтетические
Синтетические полимеры, которые, подобно каучуку натуральному (См. Каучук натуральный), могут быть переработаны в резину (См. Резина) (см. также Высокоэластическое состояние, Эластомеры).
Все К. с. делят обычно на каучуки общего и специального назначения (см. табл.). Первые применяют в производстве изделий, в которых реализуется основное свойство резин — высокая эластичность при обычных температурах (шины, транспортёрные ленты, обувь и др.), вторые — в производстве таких изделий, которые должны обладать стойкостью к действию растворителей, масел, кислорода, озона, тепло-и морозостойкостью (т. е. способностью сохранять высокоэластические свойства в широком диапазоне температур) и др. специфическими свойствами. Классификация К. с. по областям их применения в известной мере условна, т. к. многие каучуки обладают комплексом свойств, позволяющим применять их как каучуки общего и специального назначения. С др. стороны, к некоторым изделиям общего назначения иногда предъявляют специального требования. Так, выпускают морозостойкие шины, масло- и бензостойкую резиновую обувь и др. Разработаны полимеры, называют термоэластопластами (См. Термоэластопласты), в которых сочетаются свойства эластомеров и термопластичных полимеров; благодаря этому они могут быть переработаны в резиновые изделия, минуя стадию вулканизации (См. Вулканизация). Особые группы К. с.: водные дисперсии каучуков (Латексы); жидкие каучуки (Олигомеры, отверждающиеся с образованием резиноподобных материалов); наполненные каучуки (смеси К. с. с наполнителями или пластификаторами, изготовляемые при получении К. с.).
Важнейшие промышленные синтетические каучуки
Наиболее распространённые способы получения К. с. — эмульсионная и стереоспецифическая Полимеризация. При полимеризации возможно регулирование молекулярной массы каучуков. Это позволяет исключить при переработке К. с. энергоёмкую стадию пластикации (см. Пластикация каучуков). Технологические процессы получения К. с. (в большинстве случаев непрерывные) включают также стадии выделения каучука из дисперсий или растворов (например, коагуляцией (См. Коагуляция) или осаждением), очистку каучука от остатков катализаторов, эмульгаторов и др. примесей, сушку, брикетирование и упаковку каучука. Важнейшие Мономеры для синтеза каучуков — Бутадиен, Изопрен, Стирол и др. — получают главным образом из попутных нефтяных газов и газов Крекинга; например, бутадиен может быть получен каталитическим дегидрированием н-бутана. Кроме этих мономеров, применяют также Акрилонитрил, фторолефины, некоторые Кремнийорганические соединения и др.
Успешное решение проблемы промышленного синтеза каучука относится к числу наиболее значительных достижений науки и техники 20 в. Синтез каучука в крупном заводском масштабе впервые в мире был осуществлен в 1932 в СССР по способу, разработанному С. В. Лебедевым: полимеризацией на металлическом натрии 1,3-бутадиена, полученного из этилового спирта, был синтезирован натрий-бутадиеновый каучук СКВ. В 1938 было организовано промышленное производство бутадиен-стирольных каучуков в Германии, в 1942 — крупное производство К. с. в США. К 1972 К. с. выпускали более чем в 20 странах. СССР по объёму производства К. с. занимает одно из ведущих мест.
Мировое производство К. с. возрастает быстрыми темпами. Так, если в 1950 доля К. с. в общем объёме производства натурального и синтетического каучуков в капиталистических странах составляла около 22%, в 1960 около 48%, то к 1971 она возросла до
3 млн. т натурального каучука). Интенсивный рост выпуска К. с. объясняется значительно более низкой себестоимостью производства наиболее массовых каучуков общего назначения (в частности, бутадиен-стирольных) по сравнению с себестоимостью производства натурального каучука, а также невозможностью использования натурального каучука в некоторых изделиях специального назначения — тепло-, масло-, бензостойких и др. К относительному сокращению потребления натурального каучука привело также создание бутадиеновых и изопреновых стереорегулярных К. с., оказавшихся конкурентоспособными с натуральным каучуком в производстве некоторых шин, например для легковых автомобилей, и др. изделий.
Номенклатура резиновых изделий, изготовляемых на основе К. с., насчитывает около 50 тыс. наименований. Наиболее крупный потребитель К. с. — шинная промышленность (более 50% общего объёма потребления К. с.). Технический прогресс в различных отраслях промышленности выдвигает перед промышленностью К. с. задачу создания каучуков, в которых должны сочетаться высокая термостойкость, стойкость к действию ионизирующих излучений, масло- и бензостойкость и др. Эта задача может быть, в частности, решена путём синтеза каучуков из мономеров, содержащих неорганические элементы — бор, фосфор, азот, фтор, кремний. О свойствах и применении К. с. см. также Акрилатные каучуки, Бутадиен-нитрильные каучуки, Бутадиеновые каучуки, Бутадиен-стирольные каучуки, Бутилкаучук, Винилпиридиновые каучуки, Изопреновые каучуки, Карбоксилатные каучуки, Кремнийорганические каучуки, Полисульфидные каучуки, Уретановые каучуки, Фторкаучуки, Хлоропреновые каучуки, Хлорсульфированный полиэтилен, Этилен-пропиленовые каучуки.
Лит.: Уитби Г. С. [ред.], Синтетический каучук, пер. с англ., М. — Л., 1957; Литвин О. Б., Основы технологии синтеза каучуков, М., 1972; «Журнал Всесоюзного химического общества им. Д. И. Менделеева», 1968, т. 13, № 1 (номер посвящен резиновой промышленности); Кирпичников П. А., Аверко-Антонович Л. А., Аверко-Антонович Ю. А., Химия и технология синтетического каучука, Л., 1970; Справочник резинщика. Материалы резинового производства, М., 1971.
Сферы и области применения синтетического каучука. Где применяется синтетический каучук.
После изобретения процесса вулканизации начался настоящий «каучуковый бум». Люди стали производить всевозможные товары из натурального каучука, а спрос на них рос с огромной скоростью. Несмотря на то, что существовали огромные плантации дерева Гевеи, натурального каучука уже не хватало. Поэтому появилась необходимость создать каучук химическим способом.
История создания синтетического каучука
Над созданием синтетического каучука работали многие ученые мира. Такое внимание к созданию этого вида каучука росло не только из-за нехватки Гевеи, но и потому что многие страны были зависимы от импорта натурального каучука. Вещества каучукоподобной природы впервые удалось получить в 1879 году, но они не нашли своего применения в больших масштабах, как того требовалось.
Лишь в 1910 году русский ученый Сергей Лебедев смог создать бутадиеновый каучук, применяемый в промышленных целях. На данный момент существует немалое количество разных видов синтетического каучука. Все они различаются по технологии производства и свойствам, то есть сферы и области применения синтетических каучуков тоже разные.
Применение синтетических каучуков общего назначения
Как было сказано ранее, существует не один вид синтетического каучука, а несколько. Все они делятся на две большие группы – общего и специального назначения. Разберем сперва те, что относятся к первой группе. Каучуки общего назначения обычно не должны иметь какие-то особенные свойства, например, повышенную износостойкость, морозостойкость, особую прочность, так как используются для производства товаров общего характера, для которых вышеперечисленные свойства, по сути, не нужны. Также может быть такое, что каучук уже имеет какие-то свойства, достаточные для изготовления определенного товара за счет своей технологии производства. Рассмотрим все это на примерах.
К каучукам общего назначения относят бутадиен – стирольный каучук, этиленпропиленовый каучук, бутилкаучук, полибутадиеновый каучук и другие. Бутадиен – стирольный каучук превосходит натуральный каучук по показателям износостойкости, водонепроницаемости, прочности, но уступает по показателям морозостойкости. Он применяется в шинной промышленности, резиново – технической, обувной и кабельной. Помимо этого, этот вид каучука активно применяется в строительной сфере для производства красок и строительного латекса.
Весьма интересным синтетическим каучуком является бутилкаучук. Он используется в шинной промышленности для производства автомобильных камер и диафрагм, так как хорошо удерживает воздух и долго сохраняет его исходное давление, тем самым повышает срок эксплуатации шин. Помимо этого бутилкаучук применяется в кабельной промышленности для изготовления изоляции кабелей и электропроводов, для производства химически стойких перчаток, спортивных мячей, конвейерных лент, доильных аппаратов и даже твердого ракетного топлива.
Применение синтетических каучуков специального назначения
Сферы и области применения синтетических каучуков специального назначения не такие обширные, так как предназначены для придания конкретного свойства изделию резиново – технической промышленности. Например, шинам особой морозостойкости, обувной резиновой подошве высокой износостойкости. К таким каучукам относят хлоропреновый каучук, бутадиен – нитрильный, полисульфидные каучуки и другие.
Хлоропреновый каучук характеризируется высокой устойчивостью к действию высоких температур, а также масел и бензина. Это обуславливает его применение в кабельной и нефтяной промышленности. Так как бутадиен – нитрильный каучук стойкий к агрессивным средам и действию внешний неблагоприятных факторов, его активно используют для производства защитных покрытий, резиновых изделий (стойких к бензину и маслам), токопроводящих резин. Также его используют в обувной, нефтяной и полиграфической промышленности.
Стоит отметить, что синтетический каучук не уступает по свойствам натуральному каучуку, а даже превосходит его в этом. Подробнее об истории создания, свойствах и сферах применения натурального каучука Вы можете узнать из нашей статьи «Сферы и области применения натурального каучука».