Формула каучука

Формула каучука

Каучуки – природные или синтетические продукты полимеризации некоторых диеновых углеводородов с сопряженными связями. Важнейшими физическими свойствами каучуков являются эластичность (способность восстанавливать форму) и непроницаемость для воды и газов.

Каучуки – это эластичные высокомолекулярные материалы (эластомеры), из которых методом вулканизации (нагреванием с серой) получают резину.

Особенно важное значение имеют получаемые из непредельных углеводородов полимеры, в том числе искусственные каучуки. Все каучуки делятся на натуральные и синтетические, последние в свою очередь в зависимости от вещества, используемого для синтеза, делятся на бутадиеновый, изопреновый и хлорпреновый каучуки.

Натуральный каучук или гуттаперча

Натуральный каучук получают из латекса – млечного сока гевеи. Чтобы заставить его вытекать, на коре дерева делают V-образные надрезы. Со здорового дерева латекс можно собирать в течение 30 лет. Индейцы назвали его «кау чу», т.е. «слезы дерева».

Сбор ка­у­чу­ка с рас­те­ния гевея

Натуральный (природный) каучук по химическому составу представляет собой высокомолекулярный непредельный углеводород состава (С5Н8)n, где n составляет 1000—3000 единиц. При нагревании без доступа воздуха каучук распадается с образованием диенового углеводорода – 2-метилбутадиена-1,3 или изопрена.

Каучук, в котором все элементарные звенья находятся или в цис- , или в транс-конфигурации, называется стереорегулярным.

Видеофильм «Натуральный каучук»

Натуральный каучук – это стереорегулярный полимер, в котором молекулы изопрена соединены друг с другом по схеме 1,4- присоединения с цис-конфигурацией полимерной цепи:

цис-полиизопрен (каучук)

В природных условиях натуральный каучук образуется не путем полимеризации изопрена, а другим, более сложным способом.

Молекулярная масса натурального каучука колеблется в пределах от 7·10 4 до 2,5·10 6 .

Транс-полимер изопрена также встречается в природе в виде гуттаперчи:

Цис-форма более эластична, т.к. легко скручивается в клубок.

Транс-форма менее эластична, т.к. макромолекулы более вытянуты.

Важнейшее физическое свойство каучука – эластичность, т.е способность обратимо растягиваться под действием даже небольшой силы. Другое важное свойство – непроницаемость для воды и газов. Основной недостаток каучука – чувствительность к высоким и низким температурам. При нагревании каучук размягчается и теряет эластичнсть, а при охлаждении становится хрупким и также теряет эластичность.

Эти недостатки можно преодолеть, если нагреть каучук вместе с серой. Этот процесс называется вулканизацией каучука.

Синтетические каучуки

Первый синтетический каучук, полученный по методу С.В. Лебедева при полимеризации дивинила под действием металлического натрия, представлял собой полимер нерегулярного строения со смешанным типом звеньев 1,2- и 1,4-присоединения:

В пятидесятые годы отечественные ученые осуществили каталитическую стереополимеризацию диеновых углеводородов и получили стереорегулярный каучук (структурные звенья и функциональные группы расположены в пространстве в определенном порядке), близкий по свойствам к натуральному каучуку.

В настоящее время в промышленности выпускают каучук, в котором содержание звеньев изопрена, соединенных в положении 1,4, достигает 99%, тогда как в натуральном каучуке они составляют 98%.

Кроме того, в промышленности получают синтетические каучуки на основе других мономеров – например, изобутилена, хлоропрена, и натуральный каучук утратил свое монопольное положение.

Учебный фильм «Каучук»

Учебный фильм «Каучук»

Вулканизация каучуков

Для улучшения качества натуральных и синтетических каучуков их превращают в резину.

Резина – это вулканизированный каучук с наполнителем (сажа). Суть процесса вулканизации состоит в том, что атомы серы присоединяются к линейным (нитевидным) молекулам каучука по месту двойных связей и как бы сшивают эти молекулы друг с другом дисульфидными мостиками, образуя трехмерный сетчатый полимер:

В результате вулканизации липкий и непрочный каучук превращается в упругую и эластичную резину. Резина прочнее каучука и более устойчива к изменению температуры.

Наполненные активной сажей каучуки в виде резин используют для изготовления автомобильных шин и других резиновых изделий.

В зависимости от количества сшивающего агента (серы) можно получать сетки с различной частотой сшивки.

Для вулканизации каучука берётся немного серы 2 – 3 % от общей массы. Если добавить к каучуку более 30 % серы, то она присоединится по линии разрыва почти всех π–связей и образуется предельно сшитый натуральный каучук – эбонит, который не обладает эластичностью и представляет собой твердый материал.

Наиболее массовое применение каучуков — это производство резин для автомобильных, авиационных и велосипедных шин.

Из каучуков изготавливаются специальные резины огромного разнообразия уплотнений для целей тепло- звуко- воздухо- гидроизоляции разъёмных элементов зданий, в санитарной и вентиляционной технике, в гидравлической, пневматической и вакуумной технике.

Каучуки применяют для электроизоляции, производства медицинских приборов и средств контрацепции.

В ракетной технике синтетические каучуки используются в качестве полимерной основы при изготовлении твёрдого ракетного топлива, в котором они играют роль горючего, а в качестве наполнителя используется порошок селитры (калийной или аммиачной) или перхлората аммония, который в топливе играет роль окислителя.

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.

БЫСТРО

SEO оптимизация

адаптивная верстка

Ремонт в регионах

  1. Главная
  2. Строительство
  3. Строительные вяжущие
  4. Каучук

Товарный каучук добывается почти исключительно (св. 98%) из плантационной бразильской гевеи, из млечного сока (латекса) деревьев, достигших не менее чем 5-летнего возраста.

Извлекаемый подсечкой, латекс гевеи содержит 34—37% каучука, находящегося в виде частиц (глобул) диаметром 0,1—0,6 р.

В среднем одно дерево даёт в год 2—3 кг каучука.

Основная масса латекса перерабатывается на месте, сырой каучук, который выпускается в виде прозрачных листов янтарного цвета, известных под названием «смокед шит» (копчёный лист), «белый креп» и др.

Товарные типы каучука содержат 93—94% каучука.

Чистый натуральный каучук представляет собой высокомолекулярный углеводород состава: химическая формула каучука — (С5Н8)n.

Основной структурной группировкой в полимерной молекуле натурального каучука является изопентенная (изопреновая группа) в цис-изомерной форме :

Средний молекулярный вес 150000—500000, что соответствует длина цепи 10000—40000 А при поперечном сечении 1,5—2,0 А.

Эти размеры и форма молекул определяют его физические и механические свойства, наиболее характерную и важную особенность — высокую эластичность.

Мягкие вулканизаторы способны обратимо растягиваться более чем на 1000% и имеют при этом сопротивление при разрыве до 350 кг на 1 см2 исходного сечения.

Высокая эластичность может проявляться только в определенном температурном интервале, около —70° каучук становится хрупким, а выше +80° — он начинает плавиться.

Каучук растворяется в жирных и ароматических углеводородax и их производных, образуя вязкие растворы, которые применяются в качестве клея.

В воде, спирте, ацетоне и т. п. ассоциированных жидкостях каучук практически не набухает и не растворяется.

Как ненасыщенное соединение реагирует с водородом, галогенами, галоидоводородом, серой, кислородом и др. веществами.

Почти все химические реакции каучука приводят изменению растворимости, прочности, эластичности др. физических и механических свойств.

Читайте также  Чем можно заменить пластмассовый дюбель

Особенно важно взаимодействие каучука с окисляющими агентами, в частности с кислородом, присоединение которого проходит уже при комнатной температуре.

Реакция с кислородом лежит в основе технологических операций пластикации, а также процесса старения резины.

При взаимодействии с серой происходит вулканизация, приводящая к превращению каучука в резину, обладающую более высокими техническими свойствами, чем сырой.

Основная масса добываемого каучука используется для производства автомобильных и авиационных шин. Из каучука производят также хирургические перчатки и др. изделия.

До начала 30-х гг. 20 в. резиновая промышленность базировалась чти исключительно на натурально каучуке. В 1956 уд. вес в общем сырьевом балансе мировой резиновой промышленности составлял — 60%.

В 2017 году, по данным ANRPC, в мире было произведено 13,3 миллиона тонн натурального каучука, что на 6,8% больше, чем в предыдущем году. В то же время объемы потребления увеличились только на 1,4% до 12,9 миллиона тонн. На долю членов ANRPC приходится 90% от всех поставок каучука в мире.

Среди товаров из синтетических эластомеров лидирует резина для шин транспортных средств. Стоит подчеркнуть использование медицинских пластырей. Каучук соединили с лекарственными веществами и получили удобное, безвредное средство. Но самым важным открытием стала имплантация органов человека:

  • трахеи;
  • сердца;
  • сосудов;
  • суставов;
  • нижних и верхних конечностей.

Каждый человек имеет личный опыт применения одежды, автомобильных покрышек или изоляции проводов.

Разновидности

Подразделяется бутадиеновый каучук на два основных типа:

Первую разновидность материала выпускают в виде брикетов. Получают стереорегуляторные каучуки:

с помощью катализаторов Циглера-Натта (никелевого, кобальтового и титанового типов);

В молекулах таких каучуков имеется не менее 85% мономерных групп. Нестереорегуляторные материалы делают в присутствии щелочных металлов. Чаще всего это металлический натрий. Именно такой материал (СКВ) и был получен когда-то впервые А. Лебедевым.

Применение

Основное применение каучуков – производство резины для шин. Также материал используется для изготовления:

  • тепло-, электро-, звуко-, гидроизоляционных материалов;
  • твёрдого ракетного топлива;
  • уплотнителей;
  • клея;
  • лаков;
  • эластичных лент;
  • напольных покрытий;
  • шлангов;
  • перчаток;
  • обуви;
  • игрушек;
  • мебели;
  • ластиков.

Рис. 3. Резиновые изделия.

Синтетические каучуки

Первый патент на процесс получения бутадиенового синтетического каучука с использованием натрия в качестве катализатора полимеризации был выдан в Англии в 1910 году. Первое маломасштабное производство синтетического каучука по технологии сходной с описанной в английском патенте имело место в Германии во время Первой мировой войны. Производство бутадиена в России началось в 1915 году по технологии, разработанной И.И. Остромысленским, позднее эмигрировавшим в США. В СССР работы по получению синтетического каучука были продолжены Б. В. Бызовым и С. В. Лебедевым, в 1928 году разработавшим советскую промышленную технологию получения бутадиена. Коммерческое производство синтетического каучука началось в 1919 году в США (Thiokol), и к 1940 году в мире производилось более 10 его марок. Основными производителями были США, Германия и СССР [1] . В СССР производство синтетического каучука было начато на заводе СК-1 в 1932 году по методу С. В. Лебедева (получение из этилового спирта бутадиена с последующей анионной полимеризацией жидкого бутадиена в присутствии натрия) [2] . Прочность на разрыв советского синтетического каучука составляла около 2 000 psi (для натурального каучука этот показатель составляет 4 500 psi, для Неопрена, производство которого было начато компанией Du Pont (США) в 1931 году — 4 000 psi). В 1941 году в рамках поставок по программе ленд-лиза СССР получил более совершенную технологию получения синтетического каучука [1] .

В Германии бутадиен-натриевый каучук нашёл довольно широкое применение под названием «Буна» [de] .

Синтез каучуков стал значительно дешевле с изобретением катализаторов Циглера — Натта.

Изопреновые каучуки — синтетические каучуки, получаемые полимеризацией изопрена в присутствии катализаторов — металлического лития, перекисных соединений. В отличие от других синтетических каучуков изопреновые каучуки, подобно натуральному каучуку, обладают высокой клейкостью и незначительно уступают ему в эластичности.

В настоящее время большая часть производимых каучуков является бутадиен-стирольными или бутадиен-стирол-акрилонитрильными сополимерами.

Каучуки с гетероатомами в качестве заместителей или имеющими их в своём составе часто характеризуются высокой стойкостью к действию растворителей, топлив и масел, устойчивостью к действию солнечного света, но обладают худшими механическими свойствами. Наиболее массовым в производстве и применении каучуками с гетерозаместителями являются хлоропреновые каучуки (неопрен) — полимеры 2-хлорбутадиена.

В ограниченном масштабе производятся и используются тиоколы — полисульфидные каучуки, получаемые поликонденсацией дигалогеналканов (1,2-дихлорэтана, 1,2-дихлорпропана) и полисульфидов щелочных металлов.

Основные типы синтетических каучуков:

  • Изопреновый
  • Бутадиеновый
  • Бутадиен-метилстирольный
  • Бутилкаучук (изобутилен-изопреновый сополимер)
  • Этилен-пропиленовый (этилен-пропиленовый сополимер)
  • Бутадиен-нитрильный (бутадиен-акрилонитрильный сополимер)
  • Хлоропреновый (поли-2-хлорбутадиен)
  • Силоксановый
  • Фторкаучуки
  • Тиоколы

Наиболее массовое применение каучуков — это производство резин для автомобильных, авиационных и велосипедных шин.

Из каучуков изготавливаются специальные резины огромного разнообразия уплотнений для целей тепло- звуко- воздухо- гидроизоляции разъёмных элементов зданий, в санитарной и вентиляционной технике, в гидравлической, пневматической и вакуумной технике.

Каучуки применяют для электроизоляции, производства медицинских приборов и средств контрацепции.

В ракетной технике синтетические каучуки используются в качестве полимерной основы при изготовлении твёрдого ракетного топлива, в котором они играют роль горючего, а в качестве наполнителя используется порошок селитры (калийной или аммиачной) или перхлората аммония, который в топливе играет роль окислителя.

Каучук: виды и применение

Два основных вида данного материала — это природный и синтетический каучук. Последний в свою очередь сегодня представлен широким разнообразием подвидов. Всё дело в том, что не так-то просто выращивать специальные деревья и добывать их млечный сок. На это также требуется много времени. Поэтому с момента знакомства с каучуком ученые начали искать способы производства его искусственных заменителей.

Первой молекулой, на основе которой ученым удалось создать синтетический аналог каучука, стал 1,3-бутадиен. Полученный дивиниловый каучук по свойствам оказался очень похож на натуральный. Резина, полученная после его вулканизации, также была прочной, пластичной и эластичной. Из нее начали изготавливать обувь, шины, ленты для конвейеров и медицинские изделия.

Духи, одеколон и туалетная вода: в чем разница, как выбрать

По аналогичному принципу ученые разработали также бутадиен-стирольный, бутадиен-нитрильный, винилпиридиновый и изопреновый каучук. Свойства каждого нового полимера несколько отличались и позволяли расширить области их применения.

Далее ассортимент каучуков расширился за счет введения в структуру молекул новых фрагментов, а именно появился:

  • кремнийорганический каучук. Из него изготавливают трубки для переливания крови, искусственные сердечные клапаны, а также кабель и провода;
  • полиуретановый каучук. Необходим для получения износостойкой резины;
  • фторсодержащий каучук. В отличие от природного аналога не разрушается даже при температуре выше 200 °C;
  • хлоропреновый каучук. Устойчив к действию окислителей и большинства растворителей.

Также сегодня известны неорганический, вспененный каучук и многие другие виды.

Что касается применения, то синтетические каучуки, наряду с натуральными, широко используются в производстве резины. Последняя важна в изготовлении обуви и одежды, искусственной кожи, медицинских изделий, военных деталей, шин для автомобилей, изоляционных материалов и многого другого. К примеру, сегодня модным украшением стал каучуковый браслет.

Читайте также  Чертежи для лазерной резки

Бразильский маникюр: что это такое, особенности, как сделать

Природа приготовила для человека много загадок. Их понимание всегда выводило цивилизацию на новый уровень. Так произошло и с каучуком. Ученым удалось не только исследовать уникальный материал, но и создать его искусственные аналоги, а вместе с тем — индустрию резиновых изделий.