Бутадиеновый каучук: формула, способы получения, свойства и применение
Химической промышленностью в наше время производится несколько видов каучуков. Одним из самых востребованных при этом является бутадиеновый. Каучук этой разновидности имеет множество достоинств. Но конечно, есть у него и некоторые недостатки.
Немного истории
Натуральный каучук в Европу, как известно, был привезен из Америки Христофором Колумбом. Обнаружил это интересное вещество великий мореплаватель на острове Гаити. Местные индейцы делали из него плотные мячи для игр.
В первое время каучук в Европе, к сожалению, никого особо не заинтересовал. Однако позднее это вещество стало применяться довольно-таки широко. К примеру, во Франции из него делали подтяжки для штанов. В Англии с использованием каучука шили водонепроницаемые пальто.
В 1839 г. американский исследователь Чарльз Гурдер впервые сделал из этого материала резину. Хотя до этого изобретатель и пытался найти новые методы использования каучука, получилось у него это совершенно случайно. Однажды Гурдер чисто механически положил пластинку исследуемого материала на печку поверх уже находившегося там куска серы. Так впервые и получился материал с интересными свойствами, в последующем названный резиной.
Необходимость синтезирования каучука
Добывают каучук в Америке из дерева гевеи. В Европе и России эта тропическая культура, к сожалению, не растет. Природных источников получения резины в Северном полушарии попросту нет. Именно поэтому в конце XIX — начале XX века в России и Европе встала острая потребность синтеза искусственного каучука для получения резины, которая к тому времени уже была широко распространена и использовалась повсеместно.
Виды искусственного каучука
Со временем было создано множество технологий получения этого нужного материала. Видов каучука на настоящий момент существует несколько. К примеру, химической промышленностью выпускаются такие его типы, как винилпиридиновый, фторсодержащий, вспененный, кремнийорганический. Но наиболее востребованным является все же бутадиеновый. Каучук именно этой разновидности и был когда-то впервые получен искусственно (в 1932 году группой инженеров под руководством А. Лебедева).
Как делают
Гевей в нашей стране нет. Однако для получения синтетического каучука также используются природные материалы. В основном это зерно и картофель. Сбраживая эти с/х продукты, получают этиловый спирт. Последний служит исходным сырьем при производстве такого вещества, как бутадиен-1.3. Для получения каучука этот компонент подвергают полимеризации.
Исходное вещество
Представляет собой 1.3-бутадиен бесцветный газ, формула которого выглядит следующим образом: СН2=СН—СН=СН2. По-другому его называют дивинил. По сути, бутадиен-1.3 — это ненасыщенный углеводород, представитель группы диеновых. Характерной особенностью этого газа, помимо всего прочего, является очень неприятный запах.
Полимеризация бутадиена для получения собственно каучука производится на стереоскопических катализаторах. Сама реакция протекает с присоединением молекул друг с другом в 1,4 или 1,2 положении.
Физические характеристики
Для синтеза конечного продукта применяют обычно содержащий более 99% основного вещества бутадиен. Бутадиеновый каучук же отличается такими техническими характеристиками:
вязкость по Муни — 30-35;
температура вулканизации — 140-160 С;
плотность — 900-920 кг/м;
основной агент вулканизации — сера;
наполнители при вулканизации — технический углерод;
пластификаторы — минеральные масла.
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.
Бутадиеновый каучук: формула
Получать этот материал можно, таким образом, с использованием разных катализаторов. Формула бутадиенового каучука выглядит в любом случае следующим образом:
nCH 2 = СН – СН = CH 2 ® (– СН 2 – СН = СН – СН 2 – ) n, где n может принимать значения в несколько тысяч.
Способ получения нестереорегуляторного каучука СКВ
Изготавливают такой материал, как уже упоминалось, путем полимеризации бутадиена в присутствии металлического натрия. Длится эта процедура несколько часов при давлении в 0.9 МПа и температуре 50-60 С.
Улучшают свойства полученного каучука путем дополнительной обработки в вакуумсмесителе для удаления летучих веществ. Далее к материалу добавляют стеариновую кислоту и противостаритель. На заключительном этапе каучук обрабатывают на рафинировочных пальцах. Это позволяет придать материалу большую однородность и очистить его от разного рода жестких ненужных включений.
В зависимости от того, какой будет выбран зазор на рафинированных пальцах, можно получить брикетированный или вальцованный каучук. Упаковывают полученный материал в прорезиненные мешки. Иногда последние также пропитывают нитролаком.
Как маркируется СКВ
Итак, как получить бутадиеновый каучук нестереорегуляторный, мы выяснили. Теперь давайте посмотрим, как маркируется эта разновидность материала. Пластичность получаемого методом полимеризации нестереорегуляторного каучука СКВ может варьироваться в пределах 0.1-0.66. Исходя из этого, и маркируется материал. К примеру, каучук 40 будет иметь пластичность 0.36-0.4. Также маркировка материала содержит такие сведения, как:
использованный способ полимеризации;
Буквы в маркировке материала обозначают:
с — стрежневая полимеризация;
к — брикетированный материал;
Из каучука СКВ, маркированного буквой «д», получают резины с повышенными диэлектрическими свойствами. Материал, на этикетке которого присутствует «э», предназначен для изготовления баллонных и эбонитовых изделий. Буква «щ» в маркировке каучука означает то, что его можно использовать для изготовления резины, соприкасающейся с пищевыми продуктами.
Синтез стереорегуляторного материала
Изначально разновидность СКВ использовалась очень широко. Однако с изобретением технологии изготовления стереорегуляторного каучука, применение ее значительно сократилось. Дело в том, что стереорегулятрный бутадиеновый каучук отличается большей эластичностью и имеет лучшие технические характеристики.
Совершенствование процессов изготовления материала привело к получению новых его форм с улучшенными свойствами. Стереорегуляторный бутадиеновый каучук — полимер, изготавливать который можно с использованием комплексных катализаторов (СКД) или литиевых (СКДЛ).
Делают такие материалы по непрерывной схеме и с минимальными затратами ручного труда. При производстве наиболее распространенной разновидности СКД полимеризация производится в специальной батарее в присутствии комплексного катализатора при температуре 25-30 С и давлении 1 МПа. Общее время изготовления каучука этой разновидности составляет 4-8 часов.
На одном из этапов материал дополнительно обрабатывается в вакуумоиспарителе. Здесь к полимеризату добавляется антиоксидант. Далее материал проходит процедуру водной дегазации. Остатки растворителя от каучука отделяют путем обработки паром.
Поставляются на рынок стереорегуляторные бутадиеновые каучуки обычно в брикетах по 30 кг, завернутых в полиэтиленовую пленку.
Сферы использования
Таким образом, имеет очень даже хорошие бутадиеновый каучук свойства. И применение его поэтому оправдано при изготовлении самой разной эластичной продукции. Каучуки нестереорегуляторные бутадиеновые чаще всего используются при производстве:
резин пищевых, морозостойких, кислотощелочестойких;
эбонитовых и асбестовых изделий.
Стереорегуляторные материалы этого типа используют при изготовлении:
шин для автомобилей;
подошв обуви и перчаток;
транспортерных лент для элеваторов, предприятий легкой и тяжелой промышленности;
изоляторов для электрических проводов и кабелей;
резиновых изделий с высокой динамичной износостойкостью;
К безусловным преимуществам этого каучука относят его нетоксичность и отсутствие неприятного запаха. Поэтому очень часто такой материал применяют также для изготовления изделий, используемых в медицине и пищевой промышленности.
Как получают резину
Чаще всего для производства этого материала используются стереорегуляторные каучуки. Для получения резины в них добавляют обычно, как уже упоминалось, технический углерод. Изготавливается резина методом вулканизации. Бутадиеновый каучук, формула которого была представлена выше, в сравнении с некоторыми другими разновидностями, имеет ряд недостатков:
низкую когезионную прочность;
плохую адгезию к металлу.
Резиновые смеси на их основе дают сильную усадку. Поэтому в процессе производства такой материал часто смешивают с изопреновыми, стирольными и другими видами каучуков.
Список тематических статей
Бутадиеновые каучуки
Понятие и химическая природа
Также к бутадиеновым каучукам (БК) относят высокомолекулярные соединения, имеющие следующие наименования, торговые марки и аббревиатуры: акрилодивиниловые каучуки, полибутадиены, СКД, СКДЛ и прочие обозначения полимера 1,3-бутадиена. По химической природе такие каучуки являются именно полимерами, мономером которых служит бутадиен.
Самые распространенные и наиболее используемые бутадиеновые каучуки стерео-регулярного строения макромолекул, они синтезируются в растворе по каталитическому механизму с участием катализаторов Циглера-Натта, также возможно применение литий-органических катализаторов.
Знаменитый каучук СКВ, который был впервые в мире получен в 1932 году советским химиком Лебедевым производился из этилового спирта по технологии основанном на использовании металлического натрия в качестве катализатора. В современной промышленности производство по этому методу уступило место более современным и эффективным технологиям.
Средняя молекулярная масса современных бутадиеновых каучуков колеблется от 40 до 250 тысяч атомных единиц.
Получение
Бутадиеновый каучук получают путем реакции полимеризации бутадиен в растворе органического соединения, например толуола, олефинов и т.д. Бутадиен полимеризуются по непрерывной технологии в цепи следующих друг за другом связанных между собой реакторов в течение нескольких часов. Примерно 90% мономера превращается в итоге в полимер.
Рис.1. Схема синтеза
После того, как реакция синтеза обрывается, проводят дезактивации катализатора, внесение в систему антиоксидантов и промывку полученного полимерного раствора. После этого готовый каучук выделяют из реакционной смеси, отделяют от воды, сушат, нарезают в брикеты и пакуют.
Отметим, что в еще растворенный каучук можно внести масла и дисперсию техуглерода. Это бывает нужно для улучшения тех или иных технологических свойств продукта.
Свойства каучука и получаемых из него резин
Бутадиеновые каучуки растворяются в ароматических и алифатических углеводородах, их хлорпроизводных, циклогексане. Плотность БК обычно равна от 900 до 920 кг/куб. м.
Химические свойства бутадиеновых каучуков по большей части обусловлены наличием двойных связей в цепи. Они реагируют с галогенами: бромом, хлором, кроме того, с веществами, имеющими достаточно свободных галогенных атомов.
Также бутадиеновые каучуки могут быть подвергнуты гидрированию водородом, растворенным в углеводородах, при условии нахождения в среде комплексных катализаторов. Каучуки могут присоединять тиолы, реагировать по механизмам эпоксидирования, циклизации и др.
Вулканизируются бутадиеновые, как и многие другие, каучуки в основном при помощи элементарной серы, кроме нее возможно использование тетраметилтиурамдисульфида, органических перекисей и некоторых термореактивных смол. Наполняют получившуюся резину техническим углеродом, высокодисперсным оксидом кремния, мелом или каолином. Пластифицируют резины минеральными маслами в композиции с углеводородами различных типов.
Главным преимуществом вулканизатов или резин из бутадиеновых и некоторых других типов каучуков обладают именно стереорегулярные каучуки – это отличные эластические и износостойкие свойства.
Наилучшие комплексы полезных свойств получаются в случае применения композиций бутадиеновых и прочих каучуков с последующей вулканизацией смесей. Так можно добиться повышенных прочностных характеристик, сопротивления раздиру, отличных эластических характеристик и износостойкости.
Вулканизаты таких каучуков обладают хорошей газопроницаемостью. Морозостойкость таких вулканизатов зависит от их способности кристаллизоваться при понижении температуры. Существуют специальные способы улучшения показателя морозостойкости.
Применение
Вулканизаты бутадиеновых каучуков являются резинами общего назначения, из которых налажено массовое производство шин, резино-технических изделий, обувных компонентов, изоляции проводов и кабелей и т.п. Интересно использование БК при выпуске ударопрочного полистирола для дальнейшей переработки в пластмассовые изделия.
Некоторые марки бутадиенового каучука подходят для производства антифрикционных деталей, напольных покрытий, товаров для дома и т.д.
4.2.4. Высокомолекулярные соединения. Реакции полимеризации и поликонденсации. Полимеры. Пластмассы, волокна, каучуки.
Высокомолекулярными соединениями (ВМС) называют соединения с молекулярной массой более 10000.
Практически все высокомолекулярные вещества являются полимерами.
Полимеры — это вещества, молекулы которых состоят из огромного числа повторяющихся структурных звеньев, соединенных между собой химическими связями.
Полимеры могут быть получены с помощью реакций, которые можно разделить на два основных типа: это реакции полимеризации и реакции поликонденсации.
Реакции полимеризации
Реакции полимеризации — это реакции образования полимера путем объединения огромного числа молекул низкомолекулярного вещества (мономера).
Количество молекул мономера ( n ), объединяющихся в одну молекулу полимера, называют степенью полимеризации.
В реакцию полимеризации могут вступать соединения с кратными связями в молекулах. Если молекулы мономера одинаковы, то процесс называют гомополимеризацией, а если различны — сополимеризацией.
Примерами реакций гомополимеризации, в частности, является реакция образования полиэтилена из этилена:
Примером реакции сополимеризации является синтез бутадиен-стирольного каучука из бутадиена-1,3 и стирола:
Полимеры, получаемые реакцией полимеризации, и исходные мономеры
Мономер
Получаемый из него полимер
Структурная формула
Варианты названия
Структурная формула
Варианты названия
Реакции поликонденсации
Реакции поликонденсации — это реакции образования полимеров из мономеров, в ходе которых, помимо полимера, побочно образуется также низкомолекулярное вещество (чаще всего вода).
В реакции поликонденсации вступают соединения, в состав молекул которых входят какие-либо функциональные группы. При этом реакции поликонденсации по тому, один используется мономер или больше, аналогично реакциям полимеризации делятся на реакции гомополиконденсации и сополиконденсации.
К реакциям гомополиконденсации относятся:
* образование (в природе) молекул полисахарида (крахмала, целлюлозы) из молекул глюкозы:
* реакция образования капрона из ε-аминокапроновой кислоты:
К реакциям сополиконденсации относятся:
* реакция образования фенолформальдегидной смолы:
* реакция образования лавсана (полиэфирного волокна):
Материалы на основе полимеров
Пластмассы
Пластмассы — материалы на основе полимеров, которые способны под действием нагревания и давления формоваться и сохранять заданную форму после охлаждения.
Помимо высокомолекулярного вещества в состав пластмасс входят также и другие вещества, однако основным компонентом все же является полимер. Благодаря своим свойствам он связывает все компоненты в единую целую массу, в связи с чем его называют связующим.
Пластмассы в зависимости от их отношения к нагреванию делят на термопластичные полимеры (термопласты) и реактопласты.
Термопласты — вид пластмасс, способных многократно плавиться при нагревании и застывать при охлаждении, благодаря чему возможно многоразовое изменение их изначальной формы.
Реактопласты — пластмассы, молекулы которых при нагревании «сшиваются» в единую трехмерную сетчатую структуру, после чего изменить их форму уже нельзя.
Так, например, термопластами являются пластмассы на основе полиэтилена, полипропилена, поливинилхлорида (ПВХ) и т.д.
Реактопластами, в частности, являются пластмассы на основе фенолформальдегидных смол.
Каучуки
Каучуки — высокоэлластичные полимеры, углеродный скелет которых можно представить следующим образом:
Как мы видим, в молекулах каучуков имеются двойные C=C связи, т.е. каучуки являются непредельными соединениями.
Каучуки получают полимеризацией сопряженных диенов, т.е. соединений, у которых две двойные C=C связи, разделены друг от друга одной одинарной С-С связью.
Так например, особо зарекомендовавшими себя мономерами для получения каучуков являются:
В общем виде (с демонстрацией только углеродного скелета) полимеризация таких соединений с образованием каучуков может быть выражена схемой:
Таким образом, исходя из представленной схемы, уравнение полимеризации изопрена будет выглядеть следующим образом:
Весьма интересным является тот факт, что впервые с каучуком познакомились не самые продвинутые в плане прогресса страны, а племена индейцев, у которых промышленность и научно-технический прогресс отсутствовали как таковые. Естественно, индейцы не получали каучук искусственным путем, а пользовались тем, что давала им природа: в местности, где они проживали (Южная Америка), произрастало дерево гевея, сок которого содержит до 40-50% изопренового каучука. По этой причине изопреновый каучук называют также натуральным, однако он может быть получен и синтетическим путем.
Все остальные виды каучука (хлоропреновый, бутадиеновый) в природе не встречаются, поэтому всех их можно охарактеризовать как синтетические.
Однако каучук, не смотря на свои преимущества, имеет и ряд недостатков. Так, например, из-за того что каучук состоит из длинных, химически не связанных между собой молекул, его свойства делают его пригодным для использования только в узком интервале температур. На жаре каучук становится липким, даже немного текучим и неприятно пахнет, а при низких температурах подвержен затвердеванию и растрескиванию.
Технические характеристики каучука могут быть существенно улучшены его вулканизацией. Вулканизацией каучука называют процесс его нагревания с серой, в результате которого отдельные, изначально не связанные друг с другом, молекулы каучука «сшиваются» друг с другом цепочками из атомов серы (полисульфидными «мостиками»). Схему превращения каучуков в резину на примере синтетического бутадиенового каучука можно продемонстрировать следующим образом:
Волокна
Волокнами называют материалы на основе полимеров линейного строения, пригодные для изготовления нитей, жгутов, текстильных материалов.
Классификация волокон по их происхождению
Искусственные волокна (вискозу, ацетатное волокно) получают химической обработкой уже существующих природных волокон (хлопка и льна).
Синтетические волокна получаются преимущественно реакциями поликонденсации (лавсан, капрон, нейлон).
http://e-plastic.ru/slovar/b/bytadienovue_kaychyki/
http://scienceforyou.ru/teorija-dlja-podgotovki-k-egje/polimery