Уравнения для всех видов каучуков

Каучук — виды, получение и применение

В наше время почти любая область жизнедеятельности предполагает применение каучука. Это производство шин, кабеля, труб, строительный и отделочный материал, его используют в обувной, медицинской и других областях промышленности. Но что же такое «каучук», каковы виды каучука и как его получают?

Еще в конце 15 века индейцы Северной Америки из сока дерева гевеи научились получать каучук, который использовали при изготовлении обуви и других вещей. При надрезе коры гевеи происходило выделение капель молочно-белого сока – латекса. Этот сок индейцы назвали «слезы дерева», что звучит как кау-учу. Отсюда и название – каучук.

Открытие Америки Христофором Колумбом способствовало распространению чудесного материала в Европу, где путем проб и ошибок впервые получили резину. С появлением автомобильной промышленности в 20 веке спрос на резину, а, значит, и на каучук стал расти. В то время стоимость изделий из каучука была очень высокой. Это связано с тем, что в год с одного дерева гевеи можно получит всего 1—2 кг каучука, а на производство, например, шин требовалось в 50 больше.

Вскоре возникла нехватка, дефицит получаемого из сока гевеи каучука (натуральный каучук). Ученые занялись поиском решений этой проблемы. И, наконец, в 20-е годы 20 века русский учёный С.В. Лебедев получил первый синтетический каучук путем полимеризации 1,3-бутадиена (дивинила) на натриевом катализаторе. Позже натриевый катализатор заменили катализатором Циглера-Натта (Al(C₂H₅)₃∙TiCl₄), что дало возможность получения полибутадиена и полиизопрена — синтетического каучука, обладающего нужными свойствами эластичности и прочности. Синтетический каучук стал настолько популярен, что к концу 20 века почти полностью вытеснил натуральный каучук.

Виды каучука

В настоящее время получают различные виды каучука. Все синтетические каучуки принято классифицировать на:

• Каучуки общего назначения. Используются в массовом производстве таких изделий, как шины, транспортерные ленты, резиновая обувь и т.п., в которых реализуется такое свойство резины как эластичность:

1. Бутадиеновый (СКД; СКБ)
2. Изопреновый (СКИ)
3. Хлоропреновый (наирит)
4. Бутадиен-стирольный (CKC, CKMC)
5. Этиленпропиленовый (СКЭП, СКЭПТ)
6. Бутилкаучук (БК) и др.

• Каучуки специального назначения.Применяеются в производстве изделий, обладающих не только эластичностью, но и стойкостью к воздействию различных агрессивных сред, тепло- и морозостойкостью и другими уникальными свойствами. Синтетических:

1. Бутадиен-нитрильный (СКН)
2. Полисуль­фидный (тикол)
3. Кремнийорганический (CKT)
4. Уретановый (СКУ)
5. Фторосодержащий (СКФ)
6. Винилпиридиновый, метил­винилпиридиновый (МБП) и др.

Сравнительная характеристика и область применения каучуков представлены в таблице, а получение некоторых из них описано в разделе Свойства и получение алкадиенов:

Виды и область применения каучуков:

Вулканизация каучука

Важное практическое значение имеет вулканизированный продукт – резина. Вулканизация каучука представляет собой специально обработанную смесь каучука и серы при воздействии температуры. Линейные молекулы каучука в местах двойных связей сшиваются атомами серы, образуя дисульфидные мостики.. Такой продукт имеет трехмерную структуру и обладает повышенной прочностью, эластичностью, изностойкостью и другими полезными свойствами. При массовой доле серы 1-5 % — продукт эластичный, мягкий; 30% — жесткий, твердый (эбонит).

Состав резины

• Каучук натуральный или синтетический
• Вулканизирующий агент – сера, тиурам , селен, перекиси, ионизирующая радиация.
• Ускорители вулканизации — полисульфиды, оксиды свинца, магния
• Антиоксиданты (вещества замедляющие скорость старения резины) — альдоль, неозон Д, парафин, воск)
• Пластификаторы (вещества, улучшающие эластичность резины) — пара­фин, вазелин, стеариновую кислоту, битумы, дибутилфталат, рас­тительные масла. Их массовая доля составляет 8—30 % от массы каучука.
• Наполнители активные и неактивные. Активные наполнители — кремнекислота, оксид цинка; неактивные наполнители — мел, тальк, барит
• Регенерат (продукт переработки старых резиновых изделий и отходов резинового производства).
• Красители — минеральные или органические красящие вещества.

Назначение будущего изделия, условий его эксплуатации, технических требований к нему и т.д. определяет выбор каучука и состава резиновой смеси.

Производство изделий из резины включает этапы смешения каучука с ингредиентами в смесителях, изготовления полуфабрикатов и их раскроя, сборки заготовок изделия при помощи сборочного оборудования и вулканизацию изделий в прессах, котлах, автоклавах и др.

Уравнения для всех видов каучуков

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.

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

этилен, этенполиэтиленпропилен, пропенполипропиленстирол, винилбензолполистирол, поливинилбензолвинилхлорид, хлористый винил, хлорэтилен, хлорэтенполивинилхлорид (ПВХ)тетрафторэтилен (перфторэтилен)тефлон, политетрафторэтиленизопрен (2-метилбутадиен-1,3)изопреновый каучук (натуральный)бутадиен-1,3 (дивинил)бутадиеновый каучук, полибутадиен-1,3

хлоропреновый каучук

бутадиенстирольный каучук

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).