Натуральный и синтетический каучук: формула и применение

История открытия

Это вещество известно человечеству много сотен лет. Известно, что инки и майя изготавливали резиновые мячи для игр с мячом. Археологи нашли их при раскопках, и их возраст достиг 900 лет.

Европейцы узнали об этом материале намного позже. Колумб в 1493 году на Гаити увидел туземцев, играющих с резиновым мячом.

Когда испанцы подняли их, они обнаружили, что жевательная резинка была липкой и тяжелой, а от нее пахло дымом. Для изготовления таких шаров местные жители собирали из гевеи млечный сок. Вынимали шарики и давали продукту загустеть.

Использование необычного материала этим не ограничилось. Индейцы делали из него калоши. Хотя они не пропускали воду, на жаре они начали таять и прилипать к ногам. Если эта обувь была удлиненной, ее никогда не сжимали до прежнего размера.

Колумб привез образцы каучука в Европу, но там долгое время не удавалось изготовить предметы, аналогичные тем, что использовали индейцы.

В течение двух столетий этот материал оставался диковинкой, пока в 1730 году британский химик Джозеф Пристли не обнаружил, что ластик может стирать то, что было написано карандашом. В 1791 году английский бизнесмен Сэмюэл Пил получил патент на изобретенный им метод изготовления рабочей одежды водонепроницаемой с помощью резины. Начиная с 1820 года во Франции на основе этого материала научились делать подвязки для женщин и подтяжки для мужчин. Для этого использовались резиновые нити, которые переплетались с тканью.

Британский ученый Чарльз Макинтош высказал идею, что слой резины можно поместить между слоями ткани и таким образом получить водостойкий материал для изготовления плащей. В 1823 году началось производство такой одежды. К сожалению, такой плащ не выдерживал ни холода, ни жары. В первом случае он застыл, а во втором пополз.

Ученые начали искать способы сделать резиновый материал, лишенный вышеупомянутых недостатков. Американский изобретатель Чарльз Гудиер решил эту проблему в 1839 году, добавив серу в каучук.

Оказалось, что если положить на плиту обтянутую резиной тряпку, а затем нанести слой серы и нагреть, то полученный материал будет лишен этих недостатков.

Обогащение каучука серой получило название вулканизации. В результате была получена резина, которую начали активно использовать. В 1919 году насчитывалось около 40 тысяч различных видов резиновых изделий.

Что отличает резину от резины, так это следующее:

• резина имеет высокий уровень эластичности, прочности, устойчивости к неблагоприятным воздействиям;
• каучук ценен прежде всего не своими характеристиками, а тем, что он является сырьем для производства резины.

Вы знаете, в каком городе в России производят каучук? Это Ярославль. Завод работает с 1932 года.

Физико-химические свойства каучука

Этот материал представляет собой эластичную массу, изначально полученную из гевеи. Со временем молочный сок сворачивается и образует вязкий материал. Чтобы этого не произошло, добавляют гидросульфид натрия или формалин.

Свежевыжатый сок каучука (латекс) характеризуется следующими свойствами:

1. Удельный вес составляет 0,9794 (при содержании каучука 35 г на 100 куб. См).
2. При температуре 30 градусов Цельсия вязкость колеблется от 12 до 15.
3. Размер резиновых частиц 0,5-5 мкм. В 1 куб. См сока их количество достигает 200 миллионов.

Каучук — это полимер ненасыщенного углеводорода. Его химическая формула следующая: (C5H8) n — изопреновый полимер. Молекулярная масса этого вещества 15-30 тысяч. После проведения исследований ученые обнаружили, что каучук сделан из полимера 2-метилбутадиена.

Натуральный каучук

99% этого материала получают из дерева гевеи. Для этого в коре делаются надрезы в виде буквы V. Внизу перпендикулярно поверхности устанавливается бороздка, по которой сок постепенно стекает в установленную внизу чашу. Отток латекса (сока гевеи молочного цвета) длится полтора часа.

Содержание жевательной резинки в нем может быть разным. Зависит от:

• возраст дерева, с которого собирают сок;
• важен состав почвы, в которой растет кануна;
• период года, в котором происходит сбор;
• какая была погода в тот момент;
• время и качество выполненных гравюр;
• другие особенности коллекции латекса.

Чтобы натуральный каучук можно было использовать, он должен пройти следующие процессы:

1. Сначала выполняется отжим. Необходимо удалить с латекса лишнюю влагу.
2. После этого получившиеся полоски наматывают на палочку и сушат на плите.
3. Полоски укладывают в один слой и оставляют на солнце.
4. Теперь осталось сдержать дым.

Полученная таким образом резина может служить сырьем для производства резины.

Сок добывают с тех деревьев, которым уже 12 лет. В год можно получить от 3 до 5,5 кг латекса.

Состав латексного раствора:

• до 70% воды;
• содержание каучука в различных случаях колеблется от 25% до 70%;
• содержание других химических веществ, в том числе белков, не превышает 1-2%.

Синтетический каучук и его основные виды

Бутадиеновый каучук используется в производстве автомобильных камер и шин. По эксплуатационным, физическим и химическим свойствам продукция намного лучше натуральных материалов.

Одна из его особенностей — способность безопасно удерживать воздух. Превосходит аналогичный по качеству натуральный материал примерно в 10 раз. Химия позволила создать материалы, которые по своим характеристикам значительно превосходят натуральный каучук.

Еще одна область применения — производство эбонита или химически стойкой резины.

Хлоропреновый каучук поставляется потребителям в светло-желтой массе. Отличительные качества продукции:

• высокая стойкость к возгоранию и температурным воздействиям;
• невосприимчив к озону, низким температурам и другим атмосферным воздействиям;
• обладает высокой адгезией к тканям, металлам и другим материалам.

Материал под действием растяжения способен кристаллизоваться. Это качество увеличивает его стойкость к характеристикам.

Материал на основе этиленпропилена используется там, где требуется ударопрочная резина.

Кремнийорганические каучуки обладают большей устойчивостью к температурному и химическому воздействию, истиранию. Этот материал газонепроницаем.

Дивиниловый каучук используется для создания прокладок в установках высокого давления.

Получение синтетического каучука

Когда каучук стал широко использоваться в промышленности, возникла острая нехватка натурального каучука для его производства. Эта ситуация поставила перед учеными задачу синтезировать искусственный материал с такими же физическими и химическими свойствами.

Получение синтетического каучука методом Лебедева

Завод по получению этого материала впервые был пущен в эксплуатацию в 30-е годы прошлого века.

Синтетический каучук состоит из дивинила, который извлекается по реакции разложения спирта. Мономер синтетического каучука — изопрен. Материал получен в результате полимеризации.

Основные типы синтетических каучуков

Классификация синтетических каучуков основана на исходном мономере. Наиболее часто используемые примеры в отрасли:

• полибутадиен. Ненасыщенный, легко отверждаемый и обладающий высокой износостойкостью. Но из-за отсутствия эластичности в основном используется в смеси с другими эластомерами;
• бутилкаучук. Не истирает и не пропускает газ. Устойчив к любым растворителям, кроме минеральных масел;
• этилен. Не пропускает тепло, свет и газ. Проявляет стойкость к спиртам, кислотам и щелочам;
• полиизопрен. По химическому составу идентичен натуральному, но не содержит примесей.

Где содержится? Получение натурального каучука:

Для натуральных каучуков сырьем является молочный сок некоторых растений, производящих латекс (белая жидкость с особыми свойствами). Сам латекс является довольно распространенным компонентом растений и встречается у представителей резиновых растений различных ботанических групп.

Встречается в разных частях растений. Поэтому они (т.е растения) классифицируются следующим образом:

1 решетка, когда вещество накапливается в молочном соке,

2 хлоренхимный: вещество накапливается в молодых побегах и зеленых листьях,

3 паренхиматозный: вещество накапливается в корнях и стеблях,

4. Латексные травянистые растения семейства сложноцветных — кок-сагыз, крым-сагыз и другие, у которых каучук в небольших количествах накапливается в подземных органах. Эти установки не используются в производстве технической резины.

Каучуковые деревья растут в основном в районе экватора, не удаляясь от него более чем на 10 ° к северу и югу, т.е это пояс шириной 1300 км, который называется «резиновый пояс». Именно здесь выращивают каучуковые деревья для промышленного использования в мировом масштабе. В основном натуральный каучук получают из латекса бразильского тропического дерева гевеи. Для этого на коре дерева, достигшего 5-летнего возраста, делают V-образные надрезы. В среднем с дерева гевеи получается 2-3 кг каучука.

Для получения каучука, экстрагированного из бразильской гевеи, молочный сок (латекс) подвергают процессу коагуляции или гелеобразования, добавляют уксусную или муравьиную кислоту, затем промывают водой, раскатывают в листы и коптят.

История создания.

Исследованиями в области производства синтетического каучука на рубеже ХIХ и ХХ веков занимались многие научные лаборатории по всему миру. Этому способствовал не только стремительный рост потребления натурального каучука, но и географические факторы. Страны далекие от т.н. «Резиновые пояса» — экваториальная зона, попала в зависимость от импорта.

Впервые каучукоподобное вещество было получено в 1879 г французским химиком Ж. Бушаром при обработке изопрена (2-метилбутадиен-1,3) соляной кислотой. Русский химик И. Кондаков (Юрьев) синтезировал эластичный полимер из диметилбутадиена в 1901 году. Первые промышленные партии синтетического каучука — диметилового каучука — были произведены на основе разработок Кондакова в 1916 году в Германии. Было получено около 3000 тонн синтетического каучука, из которого делались ящики для подводных батарей, но диметиловый каучук не получил широкого распространения и его производство было остановлено.

Основоположником первого в мире крупномасштабного производства синтетического каучука по праву считается русский ученый С.В. Лебедев, посвятивший значительную часть своей научной деятельности проблеме полимеризации диенов. Впервые синтетический бутадиеновый каучук он получил в 1910 году. А кандидатская диссертация Лебедева, посвященная изучению кинетики полимеризации дивинила (бутадиена-1,3) и его производных, была удостоена премии Российской академии наук в 1914 году. Лебедев вернулся к процессу полимеризации бутадиена в 1932 году, когда правительство СССР объявило конкурс на развитие промышленного производства синтетического каучука. Лебедев и его сотрудники успешно разработали экономичный и эффективный метод. Было предложено использовать металлический натрий в качестве катализатора полимеризации бутадиена, и полимер, полученный этим методом, называется натрий-бутадиеновый каучук. Настоящим прорывом стал одностадийный способ получения бутадиена из этилового спирта на смешанном цинк-алюминиевом катализаторе:

2CH3CH2OH ® 2H2O + CH2 = CH — CH = CH2 + H2

В условиях аграрного Советского Союза того времени использование этанола, полученного из растительного сырья, в качестве исходного продукта значительно удешевило производство.

Благодаря трудам Лебедева в 1932 году в Советском Союзе было начато крупномасштабное промышленное производство синтетического каучука — впервые в мире (следующей была Германия, которая начала производство синтетического каучука только в 1936 году). Значение этого события трудно переоценить: возможность оснастить бытовую технику шинами собственного производства сыграла важную роль в победе над фашистской Германией.

С 1932 по 1990 год СССР занимал первое место в мире по производству синтетического каучука. И сегодня Россия сохраняет позиции экспортера мирового значения. Около половины продукции остается на внутреннем рынке. Основными потребителями синтетического каучука являются шинные заводы, и около 40 процентов каучука предназначено для широкого спектра резинотехнических изделий (более 50 000), наиболее важными из которых являются технические мягкие резиновые изделия, подошвы для обуви, конвейерные ленты и т.д.шланги и шланги всех видов, электроизоляция, герметики, клеи, краски на латексной основе и т д

Физические и химические свойства

Физические свойства:

• бесцветное соединение с высокой молекулярной массой;
• эластичность (способность восстанавливать форму после деформации);
• меняет агрегатное состояние при 120 ° С — превращается в вязкую жидкость;
• при охлаждении теряет эластичность и становится хрупким;
• плохо проводит электрический ток;
• имеет низкую проницаемость для воды и газов;
• имеет низкую теплопроводность.

Химические свойства:

Хорошо растворяется в жирных и ароматических углеводородах. Сам полимер и его растворы реагируют с:

• водород;
• кислород и озон (окисление);
• галогены;
• серый.

Последняя реакция называется вулканизацией и помогает предотвратить негативные изменения при нагревании резины. Если вы подвергнете его воздействию температуры вместе с серой, полиизопреновые цепи соединятся дисульфидными мостиками, и в результате получится резина, более прочный материал.

Применение натурального каучука в других отраслях

Помимо шин и резины, натуральный каучук используется для производства различных других продуктов, таких как лакокрасочные материалы, клеи, адгезивы, напольные покрытия, шланги, конвейерные ленты, приводные ремни, амортизаторы, электроизоляционные материалы. Натуральный каучук также используется в строительной индустрии для модификации бетона и других строительных смесей.

Многие продукты, которые ежедневно используются в домашних условиях, сделаны из этого типа резины. Эти предметы включают канцелярские товары, игрушки, некоторую мебель, противозачаточные средства, обувь, текстиль и одежду. Поскольку резина не растворяется в воде, слабых кислотах и ​​щелочах, ее активно используют для изготовления перчаток. Латексные перчатки производятся различного назначения: бытового, строительного и медицинского.

Натуральный каучук — очень ценное вещество. Потребовалось много времени и усилий, чтобы понять, как использовать его наиболее выгодным и выгодным образом. Но эти усилия не потрачены зря, о чем свидетельствуют многочисленные отрасли и применения натурального каучука.

Природный каучук

Гевея дает человечеству свой драгоценный сок. Его использование постоянно менялось.

Свойства материала

Многие ученые усердно пытались найти решение. Например, шотландский химик Макинтош предложил вставить силиконовый слой между тканями.

Он был настолько необычным, настолько простым в использовании, что началась настоящая резиновая стрела. Плащи названы в честь химика. Водонепроницаемая верхняя одежда завоевала любовь многих людей. Вскоре после этого был изобретен способ носить на обуви неуклюжие бесформенные «галоши.

Особым свойством, которое привлекает человека в резине, является ее эластичность. Но мы уже говорили, что при определенных условиях это свойство исчезает.

Эластичность — это необычное свойство материала возвращаться к своей первоначальной форме во время внешней деформации.

Каучук, свойства и характеристики, получение и применение

Каучук — это натуральный или синтетический продукт полимеризации некоторых сопряженных диеновых углеводородов.

Что такое резина?

Натуральный каучук, характеристики и свойства

Где это держится? Получите натуральный каучук

Химическая структура натурального каучука и его состав

Виды и виды натурального каучука

Синтетический каучук, виды, его свойства, производство

Использование натурального и синтетического каучука

Вулканизация каучука

Вулканизированный продукт — резина — имеет большое практическое значение. Вулканизация каучука — это специально обработанная смесь каучука и серы под воздействием температуры. Линейные молекулы каучука в точках двойных связей сшиваются атомами серы, образуя дисульфидные мостики. Такой продукт имеет трехмерную структуру и обладает повышенной прочностью, эластичностью, износостойкостью и другими полезными свойствами. При массовой доле серы 1-5% изделие эластичное, мягкое; 30% — твердый, твердый (эбонит).

Синтетические каучуки (СК). Классификация, получение и применение.

В настоящее время выпускается широкий ассортимент синтетических каучуков, различающихся по составу и расходным свойствам. Каучуки обычно классифицируют и называют по названию мономеров, используемых для их получения (изопрен, бутадиеновые каучуки), или по характерной группе атомов, составляющих их состав (полисульфид, кремнийорганический и т.д.).

Основным методом производства синтетических каучуков является полимеризация диенов и алкенов. Наиболее часто используемые мономеры для производства каучуков — это бутадиен, изопрен, стирол, хлоропрен, изобутен, этилен, акрилонитрил и т.д.

Полисульфид, полиуретан и некоторые другие каучуки синтезируются путем реакции поликонденсации. По областям применения их принято делить на каучуки общего и специального назначения. Каучуки общего назначения обладают набором свойств, позволяющих использовать их для производства широкого спектра изделий, требующих главного свойства каучуков: высокой эластичности при нормальных температурах (шины, конвейерные ленты, обувь и т.д.). Каучуки специального назначения должны обладать свойствами, обеспечивающими эксплуатационные характеристики продукта в определенных, часто экстремальных условиях: стойкость к растворителям, маслам, кислороду, озону, термостойкость и морозостойкость (то есть способность сохранять высокую эластичность в широком диапазоне температур) и другие специфические свойства. Существуют специальные группы синтетических каучуков, такие как водные дисперсии каучуков — латексы; жидкие камеди — твердеющие олигомеры; каучуки с наполнителем — это смеси каучука с наполнителями или пластификаторами.

Применение каучука

В чистом виде этот материал используется редко. В большинстве случаев его используют как основу для производства резины.

После того, как каучук был завезен в Европу, до 18 века каучук считался лишь одной из заморских диковинок. Эластичность и водоотталкивающие свойства позволили использовать материал для производства обуви и одежды, не пропускающих воду, однако его плохие характеристики препятствовали ее распространению.

После открытия вулканизации резины, которая позволила производить резину, использование нового материала стало очень распространенным. Постепенно качество резины улучшилось, и из нее стали производить большое количество различных изделий.

Включены примеры:

• шины;
• резиновые игрушки для детей;
• туфли;
• одежда;
• электроизоляция для проводов;
• конвейеры;
• медицинское оборудование;
• защитные резиновые перчатки.

Сейчас трудно назвать область человеческой жизни, где бы не использовался каучук.

Натуральный каучук продолжает использоваться и сегодня. Их делают из покрышек, амортизаторов и некоторых средств санитарии.

Химическое строение натурального каучука и его состав. Формула каучука:

Натуральный каучук — это полимерный ненасыщенный углеводород с большим количеством двойных связей. Его универсальная химическая формула выглядит так: (C5H8) n, где степень полимеризации (n) составляет 1000-3000 единиц. Мономер натурального каучука называется изопреном.

Химический анализ натурального каучука показывает, что он состоит только из углерода и водорода. Это позволяет отнести его к углеводородам. Это подтверждается первичной формулой жевательной резинки. Молекулярная масса отдельных единиц может превышать полмиллиона граммов на моль. Таким образом, натуральный каучук представляет собой натуральный полимер изопрена, а точнее цис-1,4-полиизопрен.

Если мы представим себе молекулу каучука, которая не является атомарно тонкой, ее можно будет увидеть под микроскопом из-за того, что она очень длинная. А если ее максимально растянуть, получится отличная зигзагообразная линия. Это связано с типом углеродных связей.

Из-за того, что в изопрене чередуются одинарные и двойные связи, части молекулы могут вращаться только вокруг одинарных связей. И в результате таких колебаний молекула постоянно изгибается и даже в состоянии покоя сближает ее концы.

Молекулы натурального каучука похожи на почти круглые пружины, что позволяет им легко и сильно растягиваться и расти, когда концы разделены.

История создания

Исследованиями в области производства синтетического каучука на рубеже ХIХ и ХХ веков занимались многие научные лаборатории по всему миру. Этому способствовал не только стремительный рост потребления натурального каучука, но и географические факторы. Страны далекие от т.н. «Резиновые пояса» — экваториальная зона, попала в зависимость от импорта.

Впервые каучукоподобное вещество было получено в 1879 г французским химиком Ж. Бушаром при обработке изопрена (2-метилбутадиен-1,3) соляной кислотой. Русский химик И. Кондаков (Юрьев) синтезировал эластичный полимер из диметилбутадиена в 1901 году. Первые промышленные партии синтетического каучука — диметилового каучука — были произведены на основе разработок Кондакова в 1916 году в Германии. Было получено около 3000 тонн синтетического каучука, из которого делались ящики для подводных батарей, но диметиловый каучук не получил широкого распространения и его производство было остановлено.

Основоположником первого в мире крупномасштабного производства синтетического каучука по праву считается русский ученый С.В. Лебедев, посвятивший значительную часть своей научной деятельности проблеме полимеризации диенов. Впервые синтетический бутадиеновый каучук он получил в 1910 году. А кандидатская диссертация Лебедева, посвященная изучению кинетики полимеризации дивинила (бутадиена-1,3) и его производных, была удостоена премии Российской академии наук в 1914 году. Лебедев вернулся к процессу полимеризации бутадиена в 1932 году, когда правительство СССР объявило конкурс на развитие промышленного производства синтетического каучука. Лебедев и его сотрудники успешно разработали экономичный и эффективный метод. Было предложено использовать металлический натрий в качестве катализатора полимеризации бутадиена, и полимер, полученный этим методом, называется натрий-бутадиеновый каучук. Настоящим прорывом стал одностадийный способ получения бутадиена из этилового спирта на смешанном цинк-алюминиевом катализаторе:

2CH3CH2OH ® 2H2O + CH2 = CH — CH = CH2 + H2

В условиях аграрного Советского Союза того времени использование этанола, полученного из растительного сырья, в качестве исходного продукта значительно удешевило производство.

Благодаря трудам Лебедева в 1932 году в Советском Союзе было начато крупномасштабное промышленное производство синтетического каучука — впервые в мире (следующей была Германия, которая начала производство синтетического каучука только в 1936 году). Значение этого события — сложное переоснащение отечественной техники шинами собственного производства сыграло важную роль в победе над фашистской Германией.

С 1932 по 1990 год СССР занимал первое место в мире по производству синтетического каучука. И сегодня Россия сохраняет позиции экспортера мирового значения. Около половины продукции остается на внутреннем рынке. Основными потребителями синтетического каучука являются шинные заводы, и около 40 процентов каучука предназначено для широкого спектра резинотехнических изделий (более 50 000), наиболее важными из которых являются технические мягкие резиновые изделия, подошвы для обуви, конвейерные ленты и т.д.шланги и шланги всех видов, электроизоляция, герметики, клеи, краски на латексной основе и т д

Строение макромолекул, формула

Каучук — высокомолекулярный углеводород с химической формулой (C5H8) n. Конструктивно макромолекула каучука состоит из углеродной цепи, обернутой в шарик. Мономер — изопрен. Если компоненты вытянуты, а не скручены из-за того, что все мономерные звенья в цепи находятся в транс-конфигурации, то полимер представляет собой геометрический изомер каучука — гутаперка.

В макромолекулах каучука происходит чередование двойных связей в цис-конфигурации с разными одинарными связями. Эта структура делает его цепи гибкими и объясняет его свойства скручивания и растяжения под действием приложенной силы.

Примеры некоторых синтетических каучуков

Среди каучуков общего назначения по-прежнему широко используются бутадиеновые СКД. (стереорегулярный 1,4-цис-полибутадиен)

и изопреновые каучуки (1,4-цис-полиизопрен.

Они обладают высокой прочностью, эластичностью, износостойкостью и невысокой стоимостью, что обуславливает их широкое использование при производстве различных резинотехнических изделий. Для изменения расходных свойств каучуков широко используется сополимеризация: диен полимеризуется с добавлением алкена. Этот полимер состоит из двух различных типов элементарных единиц. Таким сополимером является еще один распространенный СК — стирол-бутадиеновый каучук (SCS),

который используется не только при производстве резинотехнических изделий, но и является основой латексных и латексных строительных эмульсионных красок.

Бутилкаучук (БК) — сополимер 2-метилпропена с небольшим количеством изопрена –

уже относится к каучукам специального назначения, поскольку обладает высокой устойчивостью к различным воздействиям, поэтому применяется для электроизоляции, антикоррозионных и жаропрочных покрытий.

Полихлоропреновые каучуки (наирит, неопрен) –

один из самых давно известных типов синтетического каучука, разработанный DuPont в 1930-х годах. Они обладают высокой устойчивостью к маслу, газу и озону. Использование акрилонитрилбутадиенового каучука (СКН) также связано с высокой устойчивостью к маслу, бензолу и теплу.

Высокая прочность на разрыв и устойчивость к различным воздействиям полиуретанов определяют их различные области применения: от искусственной кожи для производства обуви до производства износостойких покрытий, клеев и герметиков.

Фторэластомеры, сополимеры фторированных или частично фторированных алкенов, «работают» в экстремальных условиях. Высокая термостойкость, инерция к воздействию агрессивных сред — растворителей, кислот, сильных окислителей, негорючесть, устойчивость к УФ-лучам позволяет использовать эти уникальные вещества для работы при высоких температурах, в агрессивных средах для изоляции проводов и антикоррозийной защиты проводов оборудование.

А вот кремнийорганические каучуки — полиорганосилоксаны –

помимо устойчивости к жаре и морозу и высоких электроизоляционных свойств, они обладают еще и физиологической инерцией, которая определяет их использование в продуктах питания и медицинских изделиях.