Виды каучука в химии

Виды каучука в химии

Водо- и газонепроницаемость. По эластичности уступает природному каучуку. В производстве кабелей, обуви, принадлежностей быта

По износоустойчивости и эластичности превосходит природный каучук. В производстве шин.

По эластичности и износоустойчивости сходен с природным каучуком. В производстве шин

Устойчив к воздействиям высоких температур, бензинов и масел. В производстве кабелей, трубопроводов для перекачки бензина, нефти.

Характерна газонепроницаемость, но недостаточная жароустойчивость. В производстве лент для транспортёров, автокамер.

Одно дерево бразильской гевеи в среднем, до недавнего времени, было

способно давать лишь 2-3 кг каучука в год; годовая производительность

одного гектара гевеи до Второй Мировой войны составляла 300—400 кг технического каучука. Такие объёмы натурального каучука не удовлетворяли растущие потребности промышленности. Поэтому возникла необходимость получить синтетический каучук. Замена натурального каучука синтетическим даёт огромную экономию труда.

Первый синтетический каучук, был получен по методу С.В. Лебедева из спирта:

при полимеризации дивинила под действием металлического натрия, представлял собой полимер нерегулярного строения со смешанным типом звеньев 1,2- и 1,4-присоединения:

В присутствии органических пероксидов (радикальная полимеризация) также образуется полимер нерегулярного строения со звеньями 1,2- и 1,4- присоединения. Каучуки нерегулярного строения характеризуются невысоким качеством при эксплуатации. Избирательное 1,4-присоединение происходит при использовании металлорганических катализаторов (например, бутиллития C₄H₉Li, который не только инициирует полимеризацию, но и определенным образом координирует в пространстве присоединяющиеся молекулы диена):

Реакция получения каучуков реакцией полимеризации:

Реакция получения каучуков реакцией сополимеризации:

Для практического использования каучуки превращают в резину.

Резина – это вулканизованный каучук с наполнителем (сажа). Суть процесса вулканизации заключается в том, что нагревание смеси каучука и серы приводит к образованию трехмерной сетчатой структуры из линейных макромолекул каучука, придавая ему повышенную прочность. Атомы серы присоединяются по двойным связям макромолекул и образуют между ними сшивающие дисульфидные мостики:

Сетчатый полимер более прочен и проявляет повышенную упругость – высокоэластичность (способность к высоким обратимым деформациям).

В зависимости от количества сшивающего агента (серы) можно получать сетки с различной частотой сшивки. Предельно сшитый натуральный каучук – эбонит (более 30% S ) – не обладает эластичностью и представляет собой твердый материал.

Состав, свойства и основные виды каучуков

Каучук — это эластичный полимерный материал, по­лучаемый коагуляцией (свертыванием, сгущением) ла­текса каучуконосных растений (натуральный каучук) или полимеризацией различных мономеров (синтетиче­ские каучуки).

Натуральный каучук получают из млечного сока тропического дерева гевеи бразильской или из других растений, где он содержится в виде отдельных включе­ний в клетках коры или листьев. Однако производство каучука из таких растений экономически нецелесооб­разно.

Латекс извлекают подсочкой гевеи, достигшей пяти­летнего возраста. Одно дерево дает в среднем 2—3 кг каучука в год.

Для получения каучука латекс подвергают желати­нированию (свертыванию), добавляют муравьиную или уксусную кислоту, промывают водой и прокатывают в листы, которые затем коптят.

Натуральный каучук подразделяют на 8 типов, включающих 35 сортов.

Наиболее ценным и распространенным типом нату­рального каучука является смокед-шит (копченый лист), изготавливаемый в виде более или менее прозрачных листов янтарного цвета с рифленой поверхностью.

Менее распространенный тип — светлый креп. При его получении к млечному соку перед желатинировани­ем добавляют для отбелки бисульфит натрия. Листы такого каучука непрозрачны, имеют кремовый оттенок.

Наименее ценный тип — пара-каучук, добываемый из дикорастущей гевеи старинным кустарным способом.

Натуральный каучук представляет собой полимер изопрена. Его плотность 910—920 кг/м 3 , морозостой­кость (температура стеклования) — 70°C, теплостой­кость +200°C. В воде, спирте, ацетоне, жирных кисло­тах практически не растворяется и не набухает. Раство­рим ib бензине, бензоле, толуоле, ксилоле, сероуглероде. Растяжение натурального каучука сопровождается вы­делением, сжатие — поглощением тепла. Необратимая часть теплового эффекта — причина нагрева натураль­ного каучука и резин, изготавливаемых на его основе. Так, температура массивных резиновых шин при боль­ших скоростях может достигать +200°C.

Взаимодействие натурального каучука с кислородом, озоном и другими окисляющими агентами приводит к его старению, т. е. снижению пластичности, повыше­нию хрупкости, появлению трещин.

Широкое использование натурального каучука на­чалось с 1839 г., когда была открыта его способность вулканизироваться, т. е. превращаться в резину.

В настоящее время основная масса натурального ка­учука перерабатывается в резину. Кроме этого, он ис­пользуется для получения клеев и лаков (растворы в бензине, бензоле, хлороформе, сероуглероде), как за­менитель гуттаперчи, в качестве присадки к смазочным маслам, для производства пластмасс, прочной упаковки для пищевых продуктов и других целей.

Синтетический каучук с 30-х годов нынешнего столе­тия вытесняет натуральный. Это обусловлено более вы­сокими качественными характеристиками последних и экономической эффективностью их производства, широ­кой доступностью и дешевизной используемого сырья, а также растущими потребностями, удовлетворить ко­торые за счет натурального каучука не представляется возможным.

Однако производство и потребление натурального каучука по-прежнему перспективно. Это объясняется тем, что синтетический каучук не может использоваться без добавок натурального, особенно для получения ре­зиновых технических изделий максимальной прочности, твердости, эластичности и износостойкости, а также ис­черпанием запасов нефти и ее удорожанием (для про­изводства современной шины необходимо 30 л нефти, в том числе 20 л—в качестве сырья и 10 л — в каче­стве энергетического топлива). Альтернативой этому является доказанная возможность использования в ка­честве сырья для производства синтетических каучуков угля.

Теоретические основы промышленной разработки синтетических каучуков были заложены в основном вы­дающимися отечественными учеными A. M. Бутлеровым, И. Л. Кондаковым, И. И. Остромысленским, A. E. Фа­ворским и др. Особенно большое значение имели иссле­дования С. В. Лебедева, послужившие основой промыш­ленного производства синтетических каучуков.

Первый в мире опытный завод по выпуску бутадие­нового синтетического каучука был пущен в СССР в 1933 г. В соответствии с решениями XXVII съезда КПСС в 1990 г. выпуск синтетических каучуков должен соста­вить 2,7—2,9 млн. т.

Отечественный каучук выпускается общего и специ­ального назначения. Его ассортимент насчитывает более 30 типов, включающих свыше 220 марок.

К синтетическим каучукам общего назначения отно­сятся бутадиеновые (СКД; СКБ), бутадиен-стирольные (CKC, CKMC), изопреновые (СКИ), этилен-пропилено­вые (СКЭП, СКЭПТ), хлоропреновые (наирит), бутил-каучук (БK) и др.

К синтетическим каучукам специального назначения принадлежат бутадиен-нитрильные (СКП), полисуль­фидные, кремнийорганические (CKT), уретановые (СКУ), фторосодержащие (СКФ), силоксановые, метил­винилпиридиновые (МБП) и др.

Бутадиеновые (дивиниловые) каучуки выпускаются стерео регулярные (СКД) и нестереорегулярные (СКБ). Их плотность 900—920 кг/м 3 , температура стеклования —52°C. -122°C.

Более прочными, эластичными, износо- и морозостой­кими являются стереорегулярные бутадиеновые каучуки. Они применяются для изготовления шин, транспортерных лент, износо- и морозостойких изде­лий.

Нестереорегулярные бутадиеновые каучуки используются в производстве технических и бытовых резиновых изделий. Однако ввиду низкого предела проч­ности при растяжении и невысокой морозостойкости их выпуск резко снижается.

Бутадиен-стирольные (дивинил-стирольные) каучуки являются важнейшими каучуками общего назначения. Их плотность 900—990 кг/м 3 . Отличаются стойкостью к ионизирующему излучению и кислотам.

Бутадиен-стирольные — CKC (бутадиен-метилстирольные—CKMC) каучуки выпускаются марок CKC-10 (CKMC-10), СКС-30 (СКМС-30), СКС-50 (СКМС-50), СКМС-30 APKM и др., где цифра — содержание связан­ного стирола, %, А — низкотемпературная полимериза­ция (около +5°C), К — применение канифольного эмульгатора, M — маслонаполненный каучук.

С повышением содержания стирола увеличивается прочность каучука при растяжении, сопротивление раз­рыву, снижается температура хрупкости, однако умень­шается эластичность и износостойкость.

Бутадиен-стирольные каучуки применяются в произ­водстве автомобильных покрышек и камер, масло-, бен­зо-, светоозоностойких и газонепроницаемых резиновых технических изделий.

Изопреновые синтетические каучуки (СКИ-30, СКИ-30В) обладают высокой прочностью, эластичностью, низким теплообразованием, хорошим сопротивлением старению, стойкостью к воде и спиртам. Однако не стой­ки к действию кислот, щелочей, хлороформа, толуола, склонны к кристаллизации при растяжении (при темпе­ратуре свыше 0°C) или без растяжения (при темпера­туре ниже 0°C). Их плотность 910—920 кг/м 3 , темпера­тура стеклования —70°C.

Изопреновые синтетические каучуки применяются вместо натуральных в производстве шин, изделий шир­потреба, транспортерных лент, изоляции кабелей и в других целях.

Этилен-пропиле новые каучуки обладают высокой эластичностью и прочностью, сочетающимися с хорошей озоно-, морозо- и теплостойкостью, устойчивостью к дей­ствию органических растворителей, кислот и щелочей, отличными диэлектрическими характеристиками. Их плотность 850—870 кг/м 3 , температура стеклования —55. —70°C.

Этилен-пропиленовые каучуки применяются для изо­ляции проводов и кабелей (СКЭП), в производстве хи­мически стойких шлангов, уплотнителей и других рези­новых технических изделий.

Хлоропреновый каучук (наирит) отличается высокой эластичностью и прочностью на разрыв, истирание и удар, стойкостью к разрастанию порезов и действию многократных деформаций, масло-, бензо-, озоно- и теп­лостойкостью, негорючестью. Однако у него относитель­но высокая плотность (1200—1240 кг/м 3 ), повышенная кристаллизуемость при низких температурах и недо­статочная морозостойкость (температура стеклования -40°C).

Наирит используется главным образом в производст­ве конвейерных лент, ремней, рукавов, оболочки прово­дов и кабелей, защитных покрытий, а также клеев и ла­тексов.

Бутилкаучук, обладает низкой газопроницаемостью, стойкостью к действию воды, спиртов, эфиров, дихлорэтана, нитробензола, озона, кислорода, света и тепла. Его плотность 920 кг/м 3 .

Бутилкаучук применяется в производстве шин, про­резиненных тканей и резиновых технических изделий, стойких к действию высоких температур и агрессивных сред.

Бутадиен-нитральные (дивинил-нитрильные) каучуки обладают высокими бензо-, масло- и теплостойкостью (до +150°C), а также плотностью (940—1020 кг/м 3 ). Они выпускаются марок СКН-18, СКН-26, СКН-40, CKTH, где цифра — содержание связанного акрилонит­рила, %, T — повышенная теплостойкость. С увеличени­ем содержания связанного акрилонитрила повышается прочность, износо-, масло- и бензостойкость каучуков, однако ухудшается эластичность и морозостойкость. Бу­тадиен-нитрильные каучуки применяются в качестве пластификатора в производстве пластмасс, а также для изготовления масло- и бензостойких резиновых техни­ческих изделий.

Полисульфидный каучук (тиокол) выпускается в твердом и жидком состоянии. Обладает стойкостью к растворителям, озону, кислороду, солнечному свету, хорошей газо-, влагонепроницаемостью, статичностью при хранении. Его плотность 127—160 кг/м 3 , температу­ра стеклования —23. —57°C. Тиокол используется для изготовления герметиков, масло- и бензостойких уплот­нителей и рукавов, а также для гуммирования резер­вуаров для хранения топлива. Резины, изготовляемые на его основе, отличаются невысокими механическими свойствами.

Кремнийорганические каучуки (CKT, СКТФ, СКТФВ, СКТФТ, CKTB) представляют собой прозрачный желе­образный продукт плотностью 960—980 кг/м 3 , темпера­турой стеклования 130°C. По морозостойкости и элек­троизоляционным свойствам превосходят все син­тетические каучуки. Физиологически инертны. Они применяются в качестве электроизоляционного и герме­тизирующего материала, в медицинской и авиационной промышленности, а также для изготовления резиновых технических изделий, эксплуатируемых при температу­рах -100. +250°C.

Уретановые каучуки (СКУ-7, СКУ-8, СКУ-50, СКУ-ПФ, СКУ-ПФЛ) выпускаются твердые (вальцуемые и термоэластопласты) и жидкие (литьевые) плотностью 930—1260 кг/м 3 , температура стеклования —44°C. Их особенностью являются устойчивость к действию масел, топлив, растворителей, ультрафиолетового и ионизиру­ющего излучений, озона, а также высокая удельная энергия когезии, благодаря чему резины на их основе отличаются уникальной прочностью и сопротивлением истиранию. Уретановые каучуки используются для изго­товления массивных шин, конвейерных лент, уплотните­лей, амортизаторов, искусственной кожи, подошв обуви, основы ковровых изделий.

Фторосодержащие каучуки (СКФ-26, СКФ-32, СКФ-260, СКФ-460) отличаются высокой термостойкостью (до +250°C и выше), устойчивостью к действию многих агрессивных сред и к тепловому старению. Они негорю­чи, стабильны при хранении, нетоксичны. Их плотность 180—186 кг/м 3 , температура стеклования —20°C. Фтор-каучуки являются дорогостоящим материалом и приме­няются для изготовления уплотнительных деталей, ис­пользуемых в химической промышленности, авиацион­ной и космической технике.

Что такое каучук

Каучук — это эластичная масса, основное сырье для изготовления резиновых изделий. Каучук получают из растений или синтетическим способом. Почти весь каучук, появляющийся на мировом рынке, получается путем подсочки и собирания вытекающего латекса (млечного сока) из гевеи. В коре ствола делаются косые надрезы, ниже которых подставляют чашечки, куда стекает латекс. Процесс вытекания латекса продолжается примерно 1,5 часа.

Для предохранения от преждевременного свертывания к латексу прибавляют формалин, гидросернистый натрий и тому подобные. Содержание каучука в латексе зависит от многих обстоятельств: от возраста деревьев, от свойств почвы, от времени года, от времени подсочки, от погоды, от чистоты подсочки и так далее.

Удельный вес латекса (при содержании 35 г в 100 см 3 ) — 0,9794. При этом вязкость свежего латекса при 30 градусах Цельсия равна 12—15 (по сравнению с вязкостью воды). При хранении латекса вязкость понижается; в присутствии аммиака она уменьшается почти вдвое. Концентрация у свежего латекса водородных ионов — от 5,8 до 6,4; при хранении она падает; самостоятельное свертывание латекса наступает при концентрации водородных ионов в 4,8—5,6.

Разность потенциалов между окружающей жидкостью и поверхностью частиц (латекс с аммиаком) равна 35 m V. Размер каучуковых частиц изменяется от 0,5 до 5 мк. В латексе с 35% каучука количество капель в 1 см 3 составляет около 200 млн. Капли каучука находятся в броуновском движении. Частицы каучука в латексе бывают различной формы. Мелкие частицы в латексе гевеи имеют вид шариков, более крупные — грушевидны, а самые крупные кроме того имеют хвостообразные отростки.

Эластомерный синтетический каучук

Где применяют каучук и резину

Каучук и изделия из него имеют огромное значение в промышленности и в повседневной жизни. В чистом виде каучук применяется очень редко и в основном находит применение в виде резины. Сейчас резиновые изделия встречаются практически на каждом шагу, но до XVIII века каучук не мог найти себе применения. Его применение началось с изобретения школьной принадлежности — гуммиластик, который использовали для того чтобы стирать карандашные надписи. Ученым и изобретателям понравился эластичный материал и далее были изобретены подтяжки и резиновые нити. Сумасшедшую популярность каучук получил после изобретения шотландца Ч. Макинтоша. Он проложил тонкий пласт каучука между слоями ткани и получил таким образом непромокаемую ткань. Плащи из такого материала стали называть по имени изобретателя — макинтошами. Однако дальнейшие попытки найти применение каучуку не приводили к успеху. Изделия из каучука трескались на холоде, а на жаре плавились, источая ужасный запах. Так и забыли бы мы этот удивительный материал, если бы не любознательность американского изобретателя Чарлза Гудьира.

Гудьир посвятил множество лет в поисках избавления каучука от отрицательных качеств. Для этого он добавлял в чистый каучук всё что было под рукой: песок, соль, перец… И наконец, сера, добавленная в каучук, привела изобретателя к успеху! Он заметил, что при добавлении серы к каучуку образуется новый материал, который обладает приемлемой прочностью и температурной устойчивостью, сохраняя при этом свою эластичность. Полученный материал был назван резиной, а процесс получения резины — вулканизацией каучука.

Свойства нового материала стали объектом пристального изучения многих ученых и достаточно скоро и процесс вулканизации и само качество резины были значительно улучшены, что положило начало настоящему резиновому буму! Сейчас невозможно назвать ни одной отрасли промышленности и народного хозяйства, где бы не применялась резина. Из резины делают обувь, игрушки, автомобильные шины, электроизоляцию, конвейерные ленты, латексные перчатки и многое-многое другое!

Применение каучука в производстве автомобильных шин

Синтетический каучук

Бурное развитие мировой автомобильной промышленности, авиации, военной техники привело к тому, что каучука добываемого в природе и предназначенного для производства резины, стало катастрофически не хватать. Плантации, разбросанные по всему миру стали не в состоянии обеспечить потребности промышленности. И тогда, во многом благодаря российским ученым на рынок вышел синтетический каучук.

Введение

На самом деле, к промышленному производству синтетического сырья ученые и производственники шли порядка ста лет. Каучук был синтезирован во второй половине XIX века. Но технология производства, необходимое оборудование разработали только в ХХ веке. Все необходимое для производства синтетического каучука было представлено С.В. Лебедевым, российским ученым.

С тех пор, ученые – химики, производственники приложили немало сил для совершенствования этого сырья, разработки новых марок этого сырья и пр.

Виды синтетических каучуков

За время с момента организации промышленного производства синтетического каучука прошло почти сто лет. И специалисты в области органической химии за это время разработали и внедрили в производство большое количество видов этого сырья. Ниже приведен небольшой список.

Виды синтетического каучука

Виды синтетического каучука

Каучук бутадиеновый – основная область его применения это производство шин и камер. Параметры этой продукции выполненной из бутадиенового сырья существенно выше чем изделий этого класса но изготовленных из природного (натурального) качества. Кроме автомобильной промышленности бутадиеновый каучук применяют для производства химически стойкой резины и эбонита.

Бутилкаучук обладает уникальной способностью по удержанию воздуха. Именно это обеспечило его преимущества перед другими материалами при изготовлении покрышек, камер, диафрагм и пр. На основании многократных испытаний, проводимых на заводах по производству покрышек и можно утверждать, что камеры, изготовленные из этого сорта синтетического каучука, удерживают давление воздуха в 8 – 10 раз больше, чем аналогичные изделия, выполненные из природного каучука. Бутилкаучук отличается от природного еще и тем, что стойко воспринимает воздействие озона, не реагирует на действие к маслам разного типа (животному, растительному), но вместе с тем, этот материал необходимо оградить от контактов с минеральными маслами.

Если сравнивать параметры прочности, то натуральный продукт выигрывает с существенным отрывом. Между тем, этот материал обладает низкой скоростью вулканизации, плохая адгезия к металлическим поверхностям. Быстрое нагревание при знакопеременных деформациях и в довершение, низкая эластичность при нормальной температуре и влажности.

Полихлоропреновый каучук или хлоропреновый, как иногда его называют, поставляется потребителю в виде светло-желтой массы. К основным свойствам этого материала можно отнести:

• стойкость к воздействию огня;
• адгезия к тканям, металлу и многим другим материалам;
• невосприимчивость к действию озона, атмосферных явлений, в частности, к низким температурам.

Хлоропреновый каучук под воздействием растяжения кристаллизуется. Это его свойство, позволяет резинам, произведенным на его основе показывать высокие прочностные характеристики.

Предприятие химического производства каучука

Предприятия химической промышленности выпускают множество типов синтетических каучуков, причем некоторые из них превосходят натуральные. Широкое применение получили так называемые сополимерные соединения, получение при совместной реакции бутадиена и с ненасыщенными соединениями, например, такими как стирольный каучук СКС.

Ведя речь о сырье искусственного происхождения нельзя забывать и таком веществе как латекс синтетический. Это, по сути, раствор искусственного каучука и других полимерных веществ, например, полистирола.

Латексы синтетические применяют для изготовления клеев, водоэмульсионных красок. Их применяют и в строительстве при создании полимербетона.

Формула строения

Каждый вид синтетического каучука имеет свою химическую формулу

Молекулы изопрена CH2=C(CH3)-CH=CH2 2-метилбутадиен-1,3;

бутадиеновый CH2=CH-CH=CH2 бутадиен-1,3;

дивиниловый CH2=CH-CH=CH2 бутадиен-1,3

Хлоропреновый CH2=C(Cl)-CH=CH2 2-хлорбутадиен-1,3

Бутадиен-стирольный состоит из молекул CH2=CH-CH=CH2 бутадиен-1,3 и C6H5- CH=CH2 стирол

Свойства и применение

Свойства синтетического каучука во многом превышают основные параметры натурального продукта. Так, его плотность меньше плотности воды и поэтому он спокойно плавает.

Химические свойства синтетического каучука позволяют ему не растворяться в воде, именно это позволяет его использовать для изготовления покрытий не проницаемых для воды. Это свойство позволяет их использовать для шитья одежды, спортивного инвентаря и пр. Такие вещества как бензин, бензол растворяют каучуки. Это свойство позволяет их применять для производства клеевых составов. Каучук – это диэлектрик, которые широко применяют для создания изоляторов силового и слаботочного оборудования. Каучуки обладают гибкостью, прочностью, и повышенной стойкость к истиранию. Кроме этого каучуки сохраняют свои свойства при циклических деформациях.

Применение синтетического каучука

Синтетические каучуки подразделяют на общие и специальные. К общим относят:

• изопреновые;
• бутадиен-стирольные и пр.

Их основные свойства – морозостойкость, высокая износостойкость. Кроме этого они обладают высокой масло бензо- и озоностойкостью.

Бутадиеновые каучуки(ПБ), иногда их называют дивиниловыми, относят к материалам общего назначения. Их применяют для изготовления проекторных и обкладочных резин для шин (каркаса, боковины и пр.). Этот материал применяют для производства материалов, применяемых в кабельной промышленности, инструмента для абразивной обработки металла и других материалов, антифрикционных изделий.

Сырье на основании этилен — пропилена используют для создания ударопрочных полимеров, шин для велосипедов, тканей с водоотталкивающими свойствами, конвейерных лент для работы в термически сложных условиях.

Фторокремнийорганические каучуки (фторсиликоны или фторкаучки). Особенностью этих материалов – это сочетание стойкости к действию температуры, как низкой, так и высокой и различным агрессивным средам. Кроме того, сырье этого класса отличается стойкостью к истиранию, воздействию открытого пламени. Он не пропускает газы. Его диэлектрические свойства позволяют его применять для создания изоляции, как для силовых кабелей, так и слаботочной аппаратуры. Это сырье применяют для производства материалов, применяемых для гумирования емкостей, предназначенных для транспортировки агрессивных веществ.

Еще одно важное свойство этих материалов – стойкость к радиации.

Отличия искусственного материала от природного заключаются в том, что при получении синтетического сырья применяют множество сополимеров и химических элементов, которые добавляют новые характеристики этому материалу.

Устойчивый спрос на синтетический каучук привел к появлению целой отрасли, которая задействована на производстве этого сырья. На рынке этого сырья отмечается постоянный рост спроса на эту продукцию. Лидером по потреблению синтетического сырья можно считать самую динамично, развивающуюся экономику мира – китайскую. Динамика рынка показывает, что после кризисных явлений 2008 – 2009 года, и падения спроса на эту продукцию в пределах 4%, на сегодня прирост сбыта составляет до 7%, от прошлогоднего уровня.

Среди стран, которые лидируют по производству синтетического сырья надо назвать КНР, РФ, США и ряд других.