Качественный состав натурального каучука. Каучук натуральный
Каучуки — натуральные или синтетические материалы, характеризующиеся эластичностью, водонепроницаемостью и электроизоляционными свойствами, из которых путём специальной обработки получают резину. Природный каучук получают из жидкости молочно-белого цвета, называемой латексом, — млечного сока каучуконосных растений.
Натуральный каучук получают коагуляцией млечного сока (латекса) каучуконосных растений. Основной компонент каучука — углеводород полиизопрен (91-96%). Природный каучук встречается в очень многих растениях, не составляющих одного определённого ботанического семейства. В зависимости от того, в каких тканях накапливается каучук, каучуконосные растения делят на:
Таким образом, может быть интересно инвестировать в долгосрочную перспективу для восстановления экономики автомобильного сектора. От мифического материала до повседневного объекта. Синтез синтетических эластомеров из углеводородов позволил в 20-м веке получить большое количество материалов подходит для самых разных целей, в первую очередь для производства шин. Природные камеди получают из растительных секретов из разных семейств. Самым известным является эластичный каучук, который имеет особенность восстановить первоначальную форму после деформирования.
Паренхимные — каучук в корнях и стеблях;
Хлоренхимные — каучук в листьях и зелёных тканях молодых побегов.
Латексные — каучук в млечном соке.
Травянистые латексные каучуконосные растения из семейства сложноцветных (кок-сагыз, крым-сагыз и другие), произрастающие в умеренной зоне, в том числе в южных республиках, содержащие каучук в небольшом количестве в корнях, промышленного значения не имеют.
Среди других шин: резина, которая жирная, нерастворимая в воде, гуммиарабик, загуститель и лаковая резина, используемые для полировки и лакирования предметов. Это родное дерево Амазонки высотой около 30 м, из которой получен каучук. До колонизации американские аборигены воздействовали на кору деревьев с наклонными разрезами и собирали в терракотовых чашах рушительную нефть из эмульсии молоко отделяли каучуковым коагуляционным каучуком для горячего, сухого или кипячения. Синтетические каучуки, более подходящие синтетические эластомеры, вместо этого получают из нефтепродуктов.
Что такое синтетический каучук? Это - синтетические полимеры, способные перерабатываться в резину путем вулканизации, составляют основную массу эластомеров. В каком из городов производят каучук в России? Например, в Тольятти, Красноярске.
Синтетический каучук - высокополимерный, каучукоподобный материал. Его получают полимеризацией или сополимеризацией бутадиена, стирола, изопрена, неопрена, хлорпрена, изобутилена, нитрила акриловой кислоты. Подобно натуральным каучукам, синтетические имеют длинные макромолекулярные цепи, иногда разветвленные, со средним молекулярным весом, равным сотням тысяч и даже миллионам. Полимерные цепи в синтетическом каучуке в большинстве случаев имеют двойные связи, благодаря которым при вулканизации образуется пространственная сетка, получаемая при этом резина, приобретает характерные физико-механические свойства.
Это длинные углеводородные цепи, к которым связаны обычные, химические группы и атомы, например хлор. Различные типы резины получают путем смешивания в различных пропорциях синтетических каучуков и натурального каучука. В шинах правильная смесь может решить судьбу Формулы Гран-при. В общем, мягкие смеси, которые имеют высокий процент натурального каучука, подходят для зимы: они дают больше приверженности, но потребляют больше, вместо этого, твердые соединения, с более высоким процентом синтетических каучуков, лучше сопротивляться теплу.
Обычно приняты классификация и наименование каучуков по мономерам, использованным для их получения (изопреновые, бутадиеновые и т. д.) или по характерной группировке (атомам) в основной цепи или боковых группах (уретановые, полисульфидные и др.) Синтетические каучуки также подразделяют по признакам, например, по содержанию наполнителей (наполненные и ненаполненные), по молекулярной массе (консистенции) и выпускной форме (твердые, жидкие, порошкообр.). Часть синтетических каучуков выпускают в виде водных дисперсий - синтетических латексов. Особую группу каучуков составляют - термоэластопласты.
Однако латекс оставался твердым или смягчающим материалом в зависимости от времени года. Он также изобрел машины для переработки отходов, для производства эластичной проволоки и для резки листового каучука, которые затем можно было бы комбинировать для нагрева. Шотландский промышленник Чарльз Макинтош обнаружил, что каучук, растворенный в лигроине, может быть распространен непосредственно на ткань, что делает его водонепроницаемым.
С тех пор автомобильная промышленность увеличила спрос на резину, которая стала сделкой века. Большой спрос стимулировал усилия по добыче нефти для синтеза из нефти. Требования войны подтолкнули немцев к огромным усилиям по воспроизведению веществ в лаборатории, равных веществам из натурального каучука. Исследование шин ускорилось после японской атаки на Перл-Харбор, что ознаменовало начало американо-японского конфликта что затрудняло поставку натурального каучука с Востока. Шины должны проходить специальные операции: жевать, где продукт мягкий и вязкий; соединение, в котором синтетические и натуральные смолы смешивают с различными ингредиентами, которые повышают их устойчивость и замедляют старение, каландрирование, для производства листов, например, в случае шин, экструзии, трубчатых или прокладок для светильников; вулканизация, самый важный процесс, где добавляется сера между 2, 5% для мягких шин и 50% для твердых.
Некоторые виды синтетических каучуков (например полизобутилен, силиконовый каучук) представляют собой полностью предельные соединения, поэтому для их вулканизации применяют органические перекиси, амины и др. вещества. Отдельные виды синтетических каучуков по ряду технических свойств превосходят натуральный каучук.
По области применения синтетические каучуки разделяют на каучуки общего и специального назначения. К каучукам общего назначения относят каучуки с комплексом достаточно высоких технических свойств (прочность, эластичность и др.), пригодных для массового изготовления широкого круга изделий. К каучукам специального назначения относят каучуки с одним или несколькими свойствами, обеспечивающими выполнение специальных требований к изделию и иго работоспособности в часто экстремальных условиях эксплуатации.
Атомы серы вставляются в «мост»между двумя цепями молекул, образуя «уникальную»структуру сшитых полимеров. Однако вулканизация резины вызывает проблемы для окружающей среды, потому что обработанные таким образом материалы трудно перерабатывать и деградировать очень медленно.
Рынок резины всегда бросался на многих людей и был причиной преступлений и калеков всего населения. По оценкам, в конце девятнадцатого века каждая тонна резины стоила жизни семи коренных народов. В Италии жевательная резинка была введена американскими солдатами в конце Второй мировой войны.
Каучуки общего назначения: изопреновые, бутадиеновые, бутадиенстирольные и др.
Каучуки специального назначения: бутилкаучук, этиленпропиленовые, хлорпреновые, фторкаучуки, уретановые и др. Многие не знают, что в СССР выпускали хлоропреновый каучук и задаются вопросом - в каком из городов производят каучук сейчас? К сожалению, хлоропреновый каучук выпускали в Армении на заводе Наирит, который уже несколько лет, как остановлен.
Свойства и применения шины, уже известные в доколумбовые времена для коренных народов Южной Америки и описанные Колумбом и другими европейскими исследователями, в течение долгого времени в значительной степени игнорировались. Это подтвердило научный интерес к этому веществу и его свойствам. Нестабильность свойств резины, в частности сильная зависимость механических и упругих свойств от температуры и общих внешних условий, по-прежнему остается основным недостатком этого вещества. Резиновые изделия, по сути, стали жесткими и хрупкими зимой и липкими и вонючими летом.
В технике из каучуков изготовляют шины для автотранспорта, самолётов, велосипедов; каучуки применяют для электроизоляции, а также производства промышленных товаров и медицинских приборов.
1. Натуральный каучук
Каучук существует столько лет, сколько и сама природа. Окаменелые остатки каучуконосных деревьев, которые были найдены, имеют возраст около трёх миллионов лет. Первое знакомство европейцев с натуральным каучуком произошло пять веков назад, а в США вещи из каучука стали популярными в 1830-х годах, резиновые бутылки и обувь, сделанные южноамериканскими индейцами, продавались в больших количествах. В 1839 году Американский изобретатель Чарльз Гудьир (Charles Goodyear) обнаружил, что нагревание каучука с серой устраняет его неблагоприятные свойства. Он положил на печь кусок покрытой каучуком ткани, на которую был нанесён слой серы. Через некоторое время он обнаружил кожеподобный материал — резину. Этот процесс был назван вулканизацией. Открытие резины привело к широкому её применению: к 1919 году было выпущено на рынок уже более 40 000 различных изделий из резины.
Вулканизованная резина обладает большей устойчивостью к изменениям температуры, истиранию, химикатам и электричеству, чем необработанные вещества. Как только химическая структура натурального каучука известна, другие вещества обладают такими же свойствами, и термин «смола» распространяется на все натуральные и искусственные продукты, имеющие одинаковое эластичное поведение. Это макромолекулы, состоящие из длинных полимерных цепей, более или менее покрытых и случайно распределенных, которые, если они расширены, возобновляют свою первоначальную форму.
Природные каучуконосы
Слово «каучук» происходит от двух слов языка тупи-гуарани: «кау» — дерево, «учу» — течь, плакать. «Каучу» — сок гевеи, первого и самого главного каучуконоса. Европейцы прибавили к этому слову всего одну букву. Среди травянистых растений России есть всем знакомые одуванчик, полынь и молочай, которые тоже содержат млечный сок.
Натуральный и синтетический каучук в сыром состоянии не используются, потому что их механические и эластичные свойства являются плохими. Однако, изменяя их структуру, объединяя цепи, получается более стабильная трехмерная структура, которая сохраняет эластичность в гораздо более широком диапазоне. Полиизопрен имеет структуру, показанную на рисунке.
Полиизопрен, который составляет около 94% натурального каучука, связан с жирными кислотами, белками с другими веществами стабилизирующего агента. Естественный каучук становится мягким для нагрева и, следовательно, имеет плохие механические свойства, поскольку длинные полимерные цепи связаны друг с другом только слабыми силами притяжения, которые минимизируются термическим перемешиванием. Вулканизация позволяет вводить среди длинных молекул связи из-за серосодержащих мостиков.
Промышленное значение имеют латексные деревья, которые не только накапливают каучук в большом количестве, но и легко его отдают; из них наиважнейшее — гевея бразильская (Hevea brasiliensis), дающая по разным оценкам от 90 до 96% мирового производства натурального каучука.
Сырой каучук из других растительных источников обычно засорён примесями смол, которые должны быть удалены. Такие сырые каучуки содержат гуттаперчу — продукт некоторых тропических деревьев семейства сапотовых (Sapotaceae).
Полимеризация изопрена происходит при высоких температурах и в присутствии катализаторов. Получение синтетического каучука осуществляют путем сополимеризации, то есть путем отверждения смеси бутадиена вместе с моноолефином. Сополимер отделяют от эмульсии путем подкисления, такого как латекс натурального каучука.
Полибутадиен - это бутадиеновый полимер, который используется при полимеризации автомобильных шин. В добавление 1. 4 вместо этого образуются два разных цис - и транс-изомера: цис 1, 4-полибутадиен и транс-1, 4-полибутадиен. Механизм полимеризации зависит от условий реакции и, в частности, от используемых катализаторов. Образование мостов из-за наличия двойных связей объясняет эластичность полимера.
Каучуконосы лучше всего произрастают не далее 10° от экватора на север и юг. Поэтому эта полоса шириной 1300 километров по обе стороны от экватора известна как «каучуковый пояс». Здесь каучук добывается и поступает для продажи во все страны мира.
Физические и химические свойства натурального каучука
Натуральный каучук — аморфное, способное кристаллизоваться твёрдое тело.
Другой синтетический каучук - это то, что можно получить путем отверждения хлоропрена в присутствии катализаторов Циглера-Натта. Он похож на пористую резину, основными характеристиками которой являются эластичность, сопротивление сдвигу и раздавливанию, устойчивость к старению и нагрев, а также инертны ко многим химикатам.
Приход резины в Европу
Типы и характеристики, связанные с резиной
Синтетическая ароматическая резина. Обратите внимание на грамматическое использование. «ластик для стирания» и «ластик для стирания». Резиновые изделия присутствуют в нашей повседневной жизни: шины, автомобильные компоненты, промышленные шланги, напольные покрытия, пищевые продукты, медицинские изделия и клеи - все это резиновые изделия, которые можно найти практически в любом месте.Природный необработанный (сырой) каучук — белый или бесцветный углеводород.
Он не набухает и не растворяется в воде, спирте, ацетоне и ряде других жидкостей. Набухая и, затем, растворяясь в жирных и ароматических углеводородах (бензине, бензоле, эфире и других) и их производных, каучук образует коллоидные растворы, широко используемые в технике.
Как правило, каждый год производится, продается и потребляется двадцать пять миллионов тонн натурального и синтетического каучука. Натуральный каучук представляет собой цис-полиизопрен, существующий в природе. В образце из натурального каучука около 94% состоит из полиизопрена, а остальные смолы и натуральные белки и небольшие количества золы, примесей и воды. Смолы и белки вместе с цис-полиизопрен дают природные каучуки уникальные свойства.
Западная Африка также приобретает все большее значение как производитель натурального каучука. Первоначально натуральный каучук работал в визуальных сортах, таких как ребристые копченые листы или копченые полосатые буквы, номера от 1 до 5, а также сырые и светло-коричневые шины.
Натуральный каучук однороден по своей молекулярной структуре, отличается высокими физическими свойствами, а также технологическими, то есть, способностью обрабатываться на оборудовании заводов резиновой промышленности.
Особенно важным и специфическим свойством каучука является его эластичность (упругость) — способность каучука восстанавливать свою первоначальную форму после прекращения действия сил, вызвавших деформацию. Каучук — высокоэластичный продукт, обладает при действии даже малых усилий обратимой деформацией растяжения до 1000%, а у обычных твёрдых тел эта величина не превышает 1%. Эластичность каучука сохраняется в широких температурных пределах, и это является характерным его свойством. Но при долгом хранении каучук твердеет.
В Малайзии, около 50 лет назад, была внедрена технически специфицированная резиновая схема для предоставления потребителям измеримых данных о свойствах резины. Синтетический каучук получают путем полимеризации мономеров, которые обычно представляют собой стирол и бутадиен, с получением стиролбутадиенового каучука и полибутадиеновой смолы. Другие типы синтетического каучука: Бутилкаучук, более правильно названный изопреновый изопреновый каучук, который может быть модифицирован атомами галогена, такими как хлор или бром, для получения хлорбутила и бромбутила, известных как алобутилы и нитрильный каучук.
При температуре жидкого воздуха -195°C он жёсткий и прозрачный; от 0 ° до 10 °C — хрупкий и уже непрозрачный, а при 20 °C — мягкий, упругий и полупрозрачный. При нагреве свыше 50 °C он становится пластичным и липким; при температуре 80 °C натуральный каучук теряет эластичность; при 120 °C — превращается в смолоподобную жидкость, после застывания которой уже невозможно получить первоначальный продукт. Если поднять температуру до 200—250 °C, то каучук разлагается с образованием ряда газообразных и жидких продуктов.
Существует также синтетическая версия натурального каучука, называемая полиизопреном. Сегодня синтетический каучук производится во всем мире, а основными странами-производителями являются Китай, США, Япония, Республика Корея и Германия. Применение натурального и синтетического каучука включает широкий спектр продуктов, включая новые и регенерированные шины, клеи, клейкие ленты и этикетки, настилы, промышленные шланги, прокладки, резиновые металлические компоненты, антивибрационные компоненты, фармацевтические препараты и стоматологические изделия, такие как латексные перчатки, презервативы, катетеры и многие другие.
Каучук — хороший диэлектрик, он имеет низкую водо- и газопроницаемость. Каучук не растворяется в воде, щёлочи и слабых кислотах; в этиловом спирте его растворимость небольшая, а в сероуглероде, хлороформе и бензине он сначала набухает, а уж затем растворяется. Легко окисляется химическими окислителями, медленно — кислородом воздуха. Теплопроводность каучука в 100 раз меньше теплопроводности стали.
Соевые бобы, рис, кукуруза, ель из цитрусовой кожуры и некоторые лепестки одуванчика. Они не являются ингредиентами восточного рецепта, но сырье, которое в течение нескольких лет относится к этой части, является частью смеси экологических шин. Проблемы с поставкой натурального каучука и воздействия синтетического каучука на окружающую среду фактически стимулировали исследования других систем, чтобы получить то, что является ключевым компонентом шин, производство которых поглощает 70% от общего объема.
В последние годы проблема производства натурального каучука становится все более актуальной: перед лицом растущего мирового спроса возникают трудности с поставками, которые необходимо искать с одной стороны в замене части плантаций Хевеа пальмами масло для биотопливной промышленности, а с другой - в заражении, которое поражает вал шины. Болезнь, вызванная бактерией, которая атакует корни и приводит к смерти растения, трудно обнаружить, и нет другого лечения, кроме удаления пораженной части, а затем химическая обработка.
Наряду с эластичностью, каучук ещё и пластичен — он сохраняет форму, приобретённую под действием внешних сил. Пластичность каучука, проявляющаяся при нагревании и механической обработке, является одним из отличительных свойств каучука. Так как каучуку присущи эластические и пластические свойства, то его часто называют пласто-эластическим материалом.
При охлаждении или растяжении натурального каучука наблюдается переход его из аморфного в кристаллическое состояние (кристаллизация). Процесс происходит не мгновенно, а во времени. При этом в случае растяжения каучук нагревается за счёт выделяющейся теплоты кристаллизации. Кристаллы каучука очень малы, они лишены чётких граней и определённой геометрической формы.
При температуре около -70 °C каучук полностью теряет эластичность и превращается в стеклообразную массу.
Вообще все каучуки, как и многие полимерные материалы, могут находиться в трёх физических состояниях: стеклообразном, высокоэластическом и вязкотекучем. Высокоэластическое состояние для каучука наиболее типично.
Каучук легко вступает в химические реакции с целым рядом веществ: кислородом (O2), водородом (H2), галогенами (Cl2, Br2), серой (S) и другими. Эта высокая реакционная способность каучука объясняется его ненасыщенной химической природой. Особенно хорошо реакции проходят в растворах каучука, в которых каучук находится в виде молекул сравнительно крупных коллоидных частиц.
Почти все химические реакции приводят к изменению физических и химических свойств каучука: растворимости, прочности, эластичности и других. Кислород и, особенно, озон, окисляют каучук уже при комнатной температуре. Внедряясь в сложные и большие молекулы каучука, молекулы кислорода разрывают их на более мелкие, и каучук, деструктурируясь, становится хрупким и теряет свои ценные технические свойства. Процесс окисления лежит также в основе одного из превращений каучука — перехода его из твёрдого в пластичное состояние.
Состав и строение натурального каучука
Натуральный (природный) каучук (НК) представляет собой высокомолекулярный непредельный углеводород, молекулы которого содержат большое количество двойных связей; состав его может быть выражен формулой (C5H8)n (где величина n составляет от 1000 до 3000); он является полимером изопрена.
Природный каучук содержится в млечном соке каучуконосных растений, главным образом, тропических (например, бразильского дерева гевея). Другой природный продукт — гуттаперча — также является полимером изопрена, но с иной конфигурацией молекул.
Длинную молекулу каучука можно было бы наблюдать непосредственно при помощи современных микроскопов, но это не удаётся, так как цепочка слишком тонка: диаметр её, соответствует диаметру одной молекулы. Если макромолекулу каучука растянуть до предела, то она будет иметь вид зигзага, что объясняется характером химических связей между атомами углерода, составляющими скелет молекулы.
Звенья молекулы каучука могут вращаться не беспрепятственно в любом направлении, а ограниченно — только вокруг одинарных связей. Тепловые колебания звеньев заставляют молекулу изгибаться, при этом концы её в спокойном состоянии сближены.
При растяжении каучука концы молекул раздвигаются и молекулы ориентируются по направлению растягивающего усилия. Если устранить усилие, вызвавшее растяжение каучука, то концы его молекул вновь сближаются и образец принимает первоначальную форму и размеры.
Молекулу каучука можно представить себе как круглую, незамкнутую пружину, которую можно сильно растянуть, разведя её концы. Освобождённая пружина вновь принимает прежнее положение. Некоторые исследователи представляют молекулу каучука в виде пружинящей спирали. Качественный анализ показывает, что каучук состоит из двух элементов — углерода и водорода, то есть, относится к классу углеводородов.
Первоначально принятая формула каучука была С 5 Н 8 , но она слишком проста для такого сложного вещества как каучук. Определение молекулярной массы показывает, что она достигает нескольких сот тысяч (150 000 — 500 000). Каучук, следовательно, природный полимер.
Экспериментально доказано, что в основном макромолекулы натурального каучука состоят из остатков молекул изопрена, а сам натуральный каучук — природный полимер цис-1,4-полиизопрен.
Молекула натурального каучука состоит из нескольких тысяч исходных химических групп (звеньев), соединённых друг с другом и находящихся в непрерывном колебательно-вращательном движении. Такая молекула похожа на спутанный клубок, в котором составляющие его нити местами образуют правильно ориентированные участки.
Основной продукт разложения каучука — углеводород, молекулярная формула которого однозначна с простейшей формулой каучука. Можно считать, что макромолекулы каучука образованы молекулами изопрена. Существуют подобные полимеры, которые не проявляют такой эластичности, какую имеет каучук. Чем же объясняется это его особое свойство?
Молекулы каучука, хотя и имеют линейное строение, не вытянуты в линию, а многократно изогнуты, как бы свёрнуты в клубки. При растягивании каучука такие молекулы распрямляются, образец каучука от этого становится длиннее. При снятии нагрузки, вследствие внутреннего теплового движения, звенья молекулы возвращаются в прежнее свёрнутое состояние, размеры каучука сокращаются. Если же каучук растягивать с достаточно большой силой, то произойдёт не только выпрямление молекул, но и смещение их относительно друг друга — образец каучука может порваться.
2. Синтетический каучук
В России не было известно природных источников для получения натурального каучука, а из других стран каучук к нам не завозился, а что такое синтетический каучук тогда ещ не знали. И вот, 30 декабря 1927 г. 2 кг дивинилового каучука было получено путем полимеризации 1,3-бутадиена под действием натрия. С 1932 г. было начато промышленное производство 1,3-бутадиена, а из 1,3-бутадиена — производство каучука.
Сырьём для синтеза бутадиена служит этиловый спирт. Получение бутадиена основано на реакциях дегидрирования и дегидратации спирта. Эти реакции идут одновременно при пропускании паров спирта над смесью соответствующих катализаторов.Бутадиен очищают от не прореагировавшего этилового спирта, многочисленных побочных продуктов и подвергают полимеризации.
Для того чтобы заставить молекулу мономера соединиться друг с другом, их необходимо предварительно возбудить, то есть привести их в такое состояние, когда они становятся способными, в результате раскрытия двойных связей, к взаимному присоединению. Это требует затраты определённого количества энергии или участия катализатора.
При каталитической полимеризации катализатор не входит в состав образующегося полимера и не расходуется, а выделяется по окончанию реакции в своём первоначальном виде. В качестве катализатора синтеза бутадиенового каучука С. В. Лебедев выбрал металлический натрий, впервые применённый для полимеризации непредельных углеводородов русским химиком А. А. Кракау.
Отличительной особенностью процесса полимеризации является то, что при этом молекулы исходного вещества или веществ соединяются между собой с образованием полимера, не выделяя при этом каких-либо других веществ.
Важнейшие виды синтетического каучука
Вышерассмотренный бутадиеновый каучук (СКБ) бывает двух видов: стереорегулярный и нестереорегулярный. Стереорегулярный бутадиеновый каучук применяют главным образом в производстве шин (которые превосходят шины из натурального каучука по износостойкости), нестереорегулярный бутадиеновый каучук — для производства, например, кислото- и щелочестойкой резины, эбонита.
В настоящее время химическая промышленность производит много различных видов синтетических каучуков, превосходящих по некоторым свойствам натуральный каучук. Кроме полибутадиенового каучука (СКБ), широко применяются сополимерные каучуки — продукты совместной полимеризации (сополимеризации) бутадиена с другими непредельными соединениями, например, со стиролом (СКС) или с акрилонитрилом (СКН). В молекулах этих каучуков звенья бутадиена чередуются со звеньями соответственно стирола и акрилонитрила.
Бутадиен-стирольный каучук отличается повышенной износостойкостью и применяется в производстве автомобильных шин, конвейерных лент, резиновой обуви.
Бутадиен-нитрильные каучуки — бензо- и маслостойкие, и поэтому используются, например, в производстве сальников.
Винилпиридиновые каучуки — продукты сополимеризации диеновых углеводородов с винилпиридином, главным образом бутадиена с 2-метил-5-винилпиридином.
Резины из них масло-, бензо- и морозостойки, хорошо слипаются с различными материалами. Применяются, в основном, в виде латекса для пропитки шинного корда.
В России разработано и внедрено в производство получение синтетического полиизопренового каучука (СКИ), близкого по свойствам к натуральному каучуку. Резины из СКИ отличаются высокой механической прочностью и эластичностью. СКИ служит заменителем натурального каучука в производстве шин, конвейерных лент, резин, обуви, медицинских и спортивных изделий.
Кремнийорганические каучуки, или силоксановые каучуки, применяются в производстве оболочек проводов и кабелей, трубок для переливания крови, протезов (например, искусственных клапанов сердца) и др. Жидкие кремнийорганические каучуки — герметики.
Полиуретановый каучук используется как основа износостойкости резины.
Хлоропреновые каучуки — полимеры хлоропрена (2-хлор-1,3-бутадиена) — по свойствам сходны с натуральным каучуком, в резинах применяются для повышения атмосферо-, бензо- и маслостойкости.
Находит свое применение вспененный каучук. Вспениванию подвергаются различные виды каучуков. Существует и неорганический синтетический каучук — полифосфонитрилхлорид.
3. Резина
Вулканизация каучука
Натуральные и синтетические каучуки используются преимущественно в виде резины, так как она обладает значительно более высокой прочностью, эластичностью и рядом других ценных свойств. Для получения резины каучук вулканизируют. Многие учёные работали над вулканизацией каучука. Только получив качественную резину, они до конца поняли что такое синтетичесий каучук.
Современная технология резинового производства осуществляется по следующим этапам:
1. Изготовление полуфабрикатов:
Развеска каучуков и ингредиентов;
Пластикация каучука;
Прорезинивание тканей, каландрирование, шприцевание;
Раскрой прорезиненных тканей и резиновых листов, сборка изделий из полуфабрикатов.
2. Вулканизация, после которой из сырых резиновых смесей получают готовые резиновые изделия.
Из смеси каучука с серой, наполнителями (особенно важным наполнителем служит сажа) и другими веществами формуют нужные изделия и подвергают их нагреванию. При этих условиях атомы серы присоединяются к двойным связям макромолекул каучука и «сшивают» их, образуя дисульфидные «мостики». В результате образуется гигантская молекула, имеющая три измерения в пространстве — как бы длину, ширину и толщину. Такой каучук (резина) будет, конечно, прочнее невулканизированного.
Меняется и растворимость полимера: каучук, хотя и медленно, растворяется в бензине, резина лишь набухает в нём. Если к каучуку добавить больше серы, чем нужно для образования резины, то при вулканизации линейные молекулы окажутся «сшитыми» в очень многих местах, и материал утратит эластичность, станет твёрдым — получится эбонит. До появления современных пластмасс эбонит считался одним из лучших изоляторов.
Вулканизированный каучук имеет большую прочность и эластичность, а также большую устойчивость к изменению температуры, чем невулканизированный каучук; резина непроницаема для газов, устойчива к царапанию, химическому воздействию, жаре и электричеству, а также показывает высокий коэффициент трения скольжения с сухими поверхностями и низкое — с увлажнёнными.
Ускорители вулканизации улучшают свойства вулканизаторов, сокращают время вулканизации и расход основного сырья, препятствуют перевулканизации. В качестве ускорителей используются неорганические соединения (оксид магния MgO, оксид свинца PbO и другие) и органические: дитиокарбаматы (производные дитиокарбаминовой кислоты), тиурамы (производные диметиламина), ксантогенаты (соли ксантогеновой кислоты) и другие.
Активаторы ускорителей вулканизации облегчают реакции взаимодействия всех компонентов резиновой смеси. В основном, в качестве активаторов применяют оксид цинка ZnO.
Антиокислители (стабилизаторы, противостарители) вводят в резиновую смесь для предупреждения «старения» каучука.
Наполнители — повышают физико-механические свойства резин: прочность, износостойкость, сопротивление истиранию. Они также способствуют увеличению объёма исходного сырья, а, следовательно, сокращают расход каучука и снижают стоимость резины. К наполнителям относятся различные типы саж (технический углерод), минеральные вещества (мел CaCO3, BaSO4, гипс, тальк, кварцевый песок SiO2).
Пластификаторы (смягчители) — вещества, которые улучшают технологические свойства резины, облегчают её обработку (понижают вязкость системы), обеспечивают возможность увеличения содержания наполнителей. Введение пластификаторов повышает динамическую выносливость резины, сопротивление «стиранию». В качестве пластификаторов используются продукты переработки нефти (мазут, гудрон, парафины), вещества растительного происхождения (канифоль), жирные кислоты (стеариновая, олеиновая) и другие.
Прочность и нерастворимость резины в органических растворителях связаны с её строением. Свойства резины определяются и типом исходного сырья. Например, резина из натурального каучука характеризуется хорошей эластичностью, маслостойкостью, износостойкостью, но в то же время мало устойчива к агрессивным средам; резина из каучука СКД имеет даже более высокую износостойкость, чем из НК. Бутадиен-стирольный каучук СКС способствует повышению износостойкости. Изопреновый каучук СКИ определяет эластичность и прочность резины на растяжение, а хлоропреновый — стойкость её к действию кислорода.
В каком из городов выпускают каучук и когда началось его производство? В России первое крупное предприятие-производитель в резиновой промышленности было основано в Петербурге в 1860 году, впоследствии названное «Треугольником» (с 1922 года — «Красный треугольник»). За ним были основаны и другие российские заводы резиновых изделий (РТИ): «Каучук» и «Богатырь» в Москве, «Проводник» в Риге и другие.
Применение резины в промышленных товарах
Каучук имеет огромное народнохозяйственное значение. Чаще всего его используют не в чистом виде, а в виде резины. Резиновые изделия применяют в технике для изоляции проводов, изготовления различных шин, в военной промышленности, в производстве промышленных товаров: обуви, искусственной кожи, прорезиненной одежды, медицинских изделий.
Резина — высокоэластичное, прочное соединение, но менее пластичное, чем каучук. Она представляет собой сложную многокомпонентную систему, состоящую из полимерной основы (каучука) и различных добавок.
Наиболее крупными потребителями резиновых технических изделий являются автомобильная промышленность и сельскохозяйственное машиностроение. Степень насыщенности резиновыми изделиями — один из основных признаков совершенства, надёжности и комфортабельности массовых видов машиностроительной продукции. В составе механизмов и агрегатов, современных автомобиля и трактора имеются сотни наименований и до тысячи штук резиновых деталей, причём одновременно с увеличением производства машин возрастает их резиноёмкость.
Виды резины и их применение
В зависимости от структуры резину делят на непористую (монолитную) и пористую.
Непористую резину изготовляют на основе бутадиенового каучука. Она отличается высоким сопротивлением истиранию. Срок износа подошвенной резины в 2—3 раза превышает срок износа подошвенной кожи. Предел прочности резины при растяжении меньше, чем натуральной кожи, но относительное удлинение при разрыве во много раз превышает удлинение натуральной подошвенной кожи. Резина не пропускает воду и практически в ней не набухает.
Резина уступает коже по морозостойкости и теплопроводности, что снижает теплозащитные свойства обуви. И, наконец, резина является абсолютно воздухо- и паронепроницаемой. Непористая резина бывает подошвенная, кожеподобная, и транспарентная. Обычную непористую резину применяют для изготовления формованных подошв, накладок, каблуков, полукаблуков, набоек и других деталей низа обуви.
Пористые резины применяют в качестве подошв и платформ для весенне-осенней и зимней обуви.
Кожеподобная резина — это резина для низа обуви, изготовленная на основе каучука с высоким содержанием стирола (до 85%). Повышенное содержание стирола придаёт резинам твёрдость, вследствие чего возможно снижение их толщины до 2,5—4,0 мм при сохранении хороших защитных функций. Эксплуатационные свойства кожеподобной резины сходны со свойствами натуральной кожи. Она обладает высокой твёрдостью и пластичностью, что позволяет создавать след обуви любой формы. Кожеподобная резина хорошо окрашивается при отделке обуви. Она имеет высокую износостойкость благодаря хорошему сопротивлению истиранию и устойчивости к многократным изгибам.
Срок носки обуви с подошвой из кожеподобной резины составляет 179—252 дня при отсутствии выкрашивания в носовой части. Недостатком этой резины являются невысокие гигиенические свойства: высокая теплопроводность и отсутствие гигроскопичности и воздухонепроницаемости.
Кожеподобную резину выпускают трёх разновидностей: непористой структуры с плотностью 1,28 г/см3, пористой структуры, имеющую плотность 0,8-0,95 г/см3, и пористой структуры с волокнистым наполнителем, плотность которых не выше 1,15 г/см3. Пористые резины с волокнистыми наполнителями называются «кожволон». Эти резины по внешнему виду сходны с натуральной кожей. Благодаря волокнистому наполнителю повышаются их теплозащитные свойства, они отличаются лёгкостью, эластичностью, хорошим внешним видом. Кожеподобные резины применяют в качестве подошвы и каблука при изготовлении летней и весенне-осенней обуви клеевого метода крепления.
Транспарентная резина — это полупрозрачный материал с высоким содержанием натурального каучука. Отличается высоким сопротивлением истиранию и твёрдостью, по износостойкости превосходит все виды резин. Транспарентные резины выпускают в виде формованных подошв (вместе с каблуками), с глубоким рифлением на ходовой стороне. Разновидностью транспорентной резины является стиронип, который содержит большее количество каучука. Сопротивление многократному изгибу у стиронипа в три с лишним раза выше, чем у обычных непористых резин. Стиронип применяется при изготовлении обуви клеевого метода крепления.
Резина пористой структуры имеет замкнутые поры, объём которых в зависимости от вида резины колеблется от 20 до 80 % её общего объёма. Эти резины имеют ряд преимуществ по сравнению с непористыми резинами: повышенные мягкость, гибкость, высокие амортизационные свойства, упругость. Недостатком пористых резин является способность давать усадку, а также выкрашиваться в носочной части при ударах. Для повышения твёрдости пористых резин в их состав вводят полистирольные смолы.
В настоящее время освоено производство новых видов пористых резин: порокрепа и вулканита. Порокреп отличается красивым цветом, эластичностью, повышенной прочностью. Вулканит — пористая резина с волокнистыми наполнителями, обладающая высокой износостойкостью, хорошей теплозащитностью. Пористые резины применяют в качестве подошв для весенне-осенней и зимней обуви.
Натуральный каучук содержится в млечном соке (латексе) каучуконосных растений; отдельные включения каучука имеются также в клетках коры и листьев этих растений. Натуральный каучук получают из латекса бразильской гевеи (Hevea brasiliensis), которая произрастает на плантациях в тропических странах. В Африке натуральный каучук добывают также из фикуса (Ficus elastica). Основная составная часть натурального каучука (91-96%) - это природный высокомолекулярный непредельный углеводородный биополимер полиизопрен (С 5 Н 8) n , (где n = 1000-3000), состоящий из повторяющихся звеньев 1,4-цис-изопрена и имеющий стереорегулярное строение. В макромолекулах натурального каучука, обладающих высокой гибкостью, 98-100% звеньев изопрена присоединены в положении 1,4 цис. Структурная формула 1,4-цис-полиизопрена: [-СН 2 С(СН 3)=СНСН 2 -] n .
Молекулярная масса натурального каучука составляет 1400-2600 тысяч единиц. В состав натурального каучука помимо каучукового углеводорода входят белковые вещества и аминокислоты (2-3%), смолы (2-3%), соединения металлов переменной валентности, вода (до 1%). Состав и количество содержащихся в натуральном природном каучуке некаучуковых примесей оказывают большое влияние на его физико-химические свойства и поведение при технологической обработке. Природный необработанный (сырой) каучук представляет собой белое или бесцветное вещество; жесткое и прозрачное при низких температурах, хрупкое и непрозрачное при температурах от 0 до 10 °C; мягкое, упругое и полупрозрачное при 20 °C. При нагреве до температуры 120 °C каучук превращается в смолоподобную жидкость, после застывания которой уже нельзя получить первоначальный продукт. При температурах выше 200-300 °С наблюдается пиролиз : натуральный каучук разлагается с образованием низкомолекулярных углеводородов.
Натуральный каучук - аморфный материал, он кристаллизуется при охлаждении (при температурах от -50 до 20 °С), причем максимальная скорость кристаллизации наблюдается при температуре -25 °С, а также при деформировании (например, при растяжении при комнатной температуре). Плотность натурального каучука 910-920 кг/м 3 ; температура стеклования от -69 до -74 °С; максимальная степень кристалличности 30-40%; температура плавления кристаллической фазы 15-40 °С (зависит от условий кристаллизации). Натуральный каучук не растворяется и практически не набухает в воде, спирте и ацетоне. Он хорошо растворяется в углеводородах и их производных (в бензоле , толуоле , ксилоле , бензине , четыреххлористом углероде, хлороформе, сероуглероде, циклогексане) с образованием коллоидных растворов. Каучук легко окисляется химическими окислителями, а также вступает в химические реакции с водородом, галогенами, серой.
Под действием ультрафиолетового и других ионизирующих излучений натуральный каучук деструктируется. В результате окислительной деструкции (старении каучука), которая происходит при комнатной температуре, уменьшаются его прочность и эластичность. Каучук - высокоэластичный пластичный материал, сохраняющий эластичность в широком интервале температур. Ценным свойством натурального каучука является его высокая когезионная прочность. Резины из натурального каучука эластичны, износостойки и морозостойки, характеризуются высокими динамическими свойствами, но не устойчивы к действию растворителей и масел, и менее, чем некоторые синтетические каучуки, теплостойки и атмосферостойки. Однако они устойчивы к действию большинства кислот, щелочей и растворов солей. Резины из натурального каучука используют в производстве шин, амортизаторов, изделий санитарии и гигиены.
