Из чего делают каучук и резину

Каучук, говоря сухим языком, это полимер, натурального происхождения, в основании которого лежит полиизопрен. После проведения операции вулканизации из него получают резину.

Натуральный каучук применяют при изготовлении покрышек, амортизирующих устройств, санитарных и гигиенических предметов.

История открытия натурального каучука

Человечество знает это сырье достаточно давно, по крайней мере, южноамериканские инки еще до прибытия на материк Христофора Колумба играли в мяч, сделанный из обработанного латекса.

Этот материал добывался из сока дерева под названием Гевея. Изначально он обладает белым цветом, но с течением времени, он начинает твердеть и менять цвет на темно-коричневый или черный.

Индейцы уже в те времена применяли его для изготовления тканей, обуви, емкостей для переноса и хранения воды и, конечно, использовали шарики, сделанные из этого материала, для развлечения.

Но предметы, изготовленные из натурального качества в теплую погоду, начинали прилипать, а в холодную становились очень хрупкими.

После того, как испанские моряки привезли натуральный каучук привезли в Старый свет, прошло более 300 лет, прежде чем его начали рассматривать, но как диковинный материал, а как сырье для производства разного типа продукции.

Предпринимались разные попытки изготовления обуви и одежды и, как правило, все кончалось неудачей. Это длилось до 1839 года, пока ученый Чарльз Гудьир (Charles Goodyear) не открыл процесс вулканизации каучука. На основании результатов ранее проведенных исследований, он провел эксперимент – на каучук нанес слой серы и положил на разогретую печь. Результатом такого эксперимента стало появление первого в мире образца резины. Этот процесс назвали вулканизацией.

История открытия натурального каучука

Изобретение процесса вулканизации привело к массовому внедрению натурального каучука. Уже с середины XIX века процесс производства изделий из резины принял массовый характер и того сырья, которое добывали из гевеи стало не хватать, не смотря на то, на острове Ява, Суматра были основаны плантации на котором выращивали это растение.

Таким образом, перед химиками встала задача по получению материала, способного заменить натуральное сырье. На решение этой задачи ушел целый век. В процессе, проводившихся исследований, которые проводились во многих странах, стало ясно, что для получения заменителя необходимо устранить следующие проблемы:

1. Синтезировать изопрен из других материалов.
2. Осуществить полимеризацию полученного изопрена.
3. Выявить вещества, способные оставить распад каучука.

Лишь в тридцатых годах ХХ века ученые смогли создать установку по промышленному производству синтетического каучука. Кстати, сложно переоценить вклад отечественных ученых в решение задач по производству синтетического каучука.

Для синтеза искусственного сырья был использован дивинил, получаемый из спирта. То есть натуральный и синтетический каучук, производят на основе разных веществ.

Процесс производства натурального каучука

Производство натурального сырья основано на коагуляции латекса, так называют сок, выделяемый каучуконосами. Другими словами, в процессе производства, происходит укрупнение частиц мелкого размера, содержащихся в латексе в более крупные.

Получение натурального каучука

Как уже отмечалось, латекс, в том или ином виде содержится во многих растениях, прием он может находиться в корневой системе и стебле, такой каучук называют паренхимным, тот, который, содержится в листьях называют хлоренхимным, а тот, который находят в млечном соке называют латексным или латекс.

Практически весь натуральный каучук добывают из деревьев. С момента начала промышленной добычи этого сырья ни одно растение не превзошло гевею. Она изначально росла в Южной Америке и до сих пор из нее добывают 96% натурального продукта в мировой экономике. Млечный сок, который несет в себе латекс начинают добывать из этого растения с момента достижения им 12 лет. Одно дерево может выдать от 3 до 7,5 кг продукта в год. Как только дерево перестает выделять сок, его удаляют с плантации и отправляют на переработку.

Латекс состоит из:

• воды до 70%;
• натурального каучука – 25 – 70%;
• протеина и натуральных минералов 1 – 2 %.

Для добычи латекса на стволе растения выполняют надрез в виде буквы V, из него добывают порядка 45- 60 г сырья. Добытое молочко сливают в один большой поддон. В нем добытое сырье отстаивают длительное время, и тут происходит реакция получения натурального каучука.

V-образный надрез на стволе дерева Гевея

Через определенное время молочко становится плотной массой, которую в последствии пропускают через валковый пресс. Это необходимо для избавления от лишней влаги. В итоге такой обработки образуется плотный брикет. На завершающем этапе, полученный полуфабрикат проходит сушку, и масса меняет цвет с белого на темный.

После сушки, полуфабрикаты готовят к отправке на предприятия по переработке натурального каучука. На них полученное сырье проходит операцию вулканизации каучука и происходит синтез готовой продукции – резины.

Промышленная революция, свершившаяся на рубеже XIX – XX веков вызвала рост потребности в каучуке. Это привело к тому, что стали появляться новые плантации и кроме Южной Америки гевею стали выращивать в Малайзии, во Вьетнаме и пр.

Производительность одного гектара плантации составляет порядка 1 – 2 тн каучука в год.

Промышленное применение

Самое массовое использование природного каучука на практике — это изготовление резины. В основе этого процесса лежит реакция вулканизации, разработанная еще в XIX веке.

Для получения резины, в сырье добавляют различные компоненты, способствующие образования длинномерных молекул, соединенных между собой поперечными связями. Такое строение и обеспечивает резине возможность сжатия и растяжения практически при любой температуре.

Промышленное применение натурального каучука

Продукт вулканизации – резина предназначается для применения различных отраслях. Е применяют для производства покрышек и камер для любой техники, работающей на колесном ходу.

Кроме того, каучук служит основой для производства различных уплотнений применяемых для работ по тепло-,гидро- и звукоизоляции. Без него не может обойтись и медицина, в частности при производстве перчаток, презервативов. Кроме того, множество изделий из него применяют в медицинских приборах и оборудовании.

Каучук применяют и в такой отрасли как ракетная. Его используют как основу для производства твердого топлива для ракет. В частности он используется как топливо, а наполнителем выступает порошок селитры, а окислителем выступает перхлорат аммония.

Важнейшие виды натурального каучука

В 1969 году вступил в действие стандарт, регламентирующий качества природного продукта. В нем весь каучук разделен на 8 типов, состоящих из 35 сортов. К основным можно отнести:

• рифленый смокед-шит, иногда его называют копченый лист;
• светлый креп, он имеет светло-кремовый цвет и множество других.

Качество природного каучука оценивают по результатам осмотра и верификации его с эталонным образцом. Кроме этого, применяется классификация каучука в соответствии с техническими нормами и правилами. В них нормируются количества допустимых примесей.

Формы натурального каучука

Кроме природного каучука предприятия — изготовители проивзодят целую гамму продукции с разными технологическими параметрами и механическими характеристиками они могут быть произведены в различной форме, например, в порошкообразной форме. Компании-производители этого сырья постоянно ведут исследования в части улучшения качества природного каучука и роста отдачи каучуконосов.

Одна из разновидностей каучука – это гуттаперча, иногда ее называют балата. Ее добывают в Малайзии. Гуттаперча отличаеться меньшей эластичностью. Это вызвано тем, что она имеет другое строение макромолекул. Эту разновидность каучука в начале ХХ века использовалась для изоляции морских кабелей связи. Надо отметить, что этот полимер не нашел массового использования в промышленности. В наши дни ее применяют для изготовления жевательной резинки. Кроме этого ее применяют дантисты, для приготовления пломб. Еще одно применение гуттаперчи – изготовление мячей для гольфа.

Сорта марки RSS

Это изделие состоит из каучука, который обработали коагуляцией и просушенных при помощи дыма. После просушки, листы разделяют на три основных сорта. Сорт RSS1- это самый чистый продукт, но самым распространенным принято считать RSS3. Самым чистым сортом является RSS1, однако наиболее распространенным является RSS3. Сорта этой группы применяют тогда, когда необходимо максимально твердое сырье. Каучук этой марки идет на изготовление покрышек, облицовку стен и пр. Вместе с тем, эта марка считается самой трудной для обработки.

Производители натурального каучука руководствуются в своей работе нормативами TSR- Technically Specified Rubber – Технические Специализированные Каучуки. Эти нормы вступили в силу более 40 лет назад.

Этот нормативный документ регламентирует требования по качеству природного каучука, а также метода контроля каждого из существующих сортов продукции. В этом же документе предусмотрена единая система упаковки. Готовую продукцию укладывают в кипы в плотную полиэтилен. Вес такой кипы не должен превышать 35 кг. Готовые кипы, в количестве 36 штук, помещают на европоддон и обматывают пленкой. Вес такого поддона составляет 1260 кг.

В TSR внесены сорта природного каучука:

• TSR CV сорт каучука со стабильной вязкостью;
• TSR L сорт обладающей светлой окраской;
• TSR 5, 10, 20 марки каучука синтезированного в результате коагуляции.

Все производители, которые производят и поставляют натуральный каучук, должны в обязательном порядке принять и следовать точным нормам для отдельных сортов продукции. В странах, где расположены самые крупные плантации, и мощности по производству каучука разработали и внедрили собственные нормы, на основании TSR, так в Индонезии работают нормы SIR, в Таиланде STR.

Сравнительные свойств каучуков и резин

Натуральный и синтетические каучуки нашли свое применение во многих отраслях промышленности, изделия из этих материалов мы каждый день видим на своей кухне или гараже. Проведем попытку сопоставления применяемости натурального и синтетического каучуков.

Основанием натурального каучука служит полиизопрен. Вулканизация позволяет изготавливать высококачественную резину, применяемую для изготовления покрышек, амортизационных устройств, предметов гигиены и санитарии.

Каучуки марки БСК (бутадиен-стирольные) тоже применяют для производства покрышек и камер для транспортных средств на колесном ходу. Кроме того из нее производят материалы, которые будут работать в условиях повышенной истираемости, например, ленты для конвейеров или подошвы для обуви. Еще один тип синтетических каучуков – изопреновый. Их применяют для изготовления спортивного инвентаря.

Кремнийорганические каучуки применяют для производства уплотнителей, иллюминаторов, трубопроводных систем для транспортировки воздуха с разной температурой. Свойства этого синтетического материала позволяют его использовать для работы с маслами, топливом и пр. Кроме этого, этот материал биоинертен, то есть не вступает в контакт с биологическими объектами и это позволяют его использовать для применения его для производства искусственных органов, например, эндопротезов.

Разработка и внедрение в серийное производство искусственных заменителей привело к расширению использования этих материалов в промышленности, строительстве и быту. Особенно это важно, потому что, многие параметры синтетических заменителей превосходят характеристики натуральных, например, стойкость к износу или воздействию УФ излучения.

Но это не означает, что работы по производству и исследованию натуральных каучуков прекращены. Практически все компании, производящие натуральный продукт постоянно продолжают работы по его совершенствованию, модификации и повышению отдачи каучукового молочка с существующих плантаций. Дело в том, что у натурального сырья есть определенные свойства, которые недоступны для синтетических аналогов.

Мировой кризис 2008 года, природные катаклизмы в азиатском и южноамериканских регионах привели к снижению производства натурального каучука на 4%, но с течением времени его производство восстановилось и постоянно, но с разным ускорением, стремится в верх. Среди мировых лидеров по потреблению этого продукта можно назвать КНР – свыше 4 000 тыс. тонн в год, Индию – свыше 1 000, но более 70% из этого объема приходится на долю натурального продукта.

Состав и строение натурального каучука

Природный каучук – это высокомолекулярный углеводород. Его молекулы содержат, так называемые двойные связи, обеспечивающие этому материалу химические свойства каучука

Состав природного каучука может быть описан формулой (C5H8)n, где n может равняться числу от 1000 до 3000. Эта формула говорит о том, что натуральный продукт – это изопрен.

Состав и строение натурального каучука

Молекула этого материала имеет большую длину, но даже с использованием современных электронных оптических устройств полностью ее рассмотреть не удается. Диаметр каучуковой молекулы равен диаметру одной молекулы. Если ее растянуть до определенного предела, то молекула примет зигзагообразную формулу. Это обеспечивают атомы углерода, которые являются основой этой молекулы. Именно способность этого материала возвращаться в исходное положение обеспечивает такие качества, как прочность и эластичность.

Растяжение каучука приводит к тому, что его молекулы раздвигаются в направлении, приложенного усилия. Если от него избавиться, то молекулы вернуться в первоначальное состояние.

Другими словами, молекулы природного сырья представляют собой пружину и ее можно растянуть до некоего предела. Основной компонент каучука – углеводород, состоящий из атомов углерода и водорода.

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

Эластомеры (натуральные или синтетические каучуки) – природные или синтетические высокомолекулярные вещества, отличающиеся от других высокомолекулярных соединений своей эластичностью.

Молекулы эластомеров представляют собой скрученные в клубки цепи углеродных атомов. При растяжении цепи вытягиваются, а при снятии внешней нагрузки – скручиваются. Этим объясняется эластичность каучуков.

Таблица. Важнейшие виды синтетических каучуков

Водо- и газонепроницаемость. По эластичности уступает природному каучуку. В производстве кабелей, обуви, принадлежностей быта

По износоустойчивости и эластичности превосходит природный каучук. В производстве шин.

По эластичности и износоустойчивости сходен с природным каучуком. В производстве шин

CH ₂= C( Cl ) – CH = CH 2

Устойчив к воздействиям высоких температур, бензинов и масел. В производстве кабелей, трубопроводов для перекачки бензина, нефти.

Характерна газонепроницаемость, но недостаточная жароустойчивость. В производстве лент для транспортёров, автокамер.

Одно дерево бразильской гевеи в среднем, до недавнего времени, было

способно давать лишь 2-3 кг каучука в год; годовая производительность

одного гектара гевеи до Второй Мировой войны составляла 300—400 кг технического каучука. Такие объёмы натурального каучука не удовлетворяли растущие потребности промышленности. Поэтому возникла необходимость получить синтетический каучук. Замена натурального каучука синтетическим даёт огромную экономию труда.

Первый синтетический каучук, был получен по методу С.В. Лебедева из спирта:

при полимеризации дивинила под действием металлического натрия, представлял собой полимер нерегулярного строения со смешанным типом звеньев 1,2- и 1,4-присоединения:

В присутствии органических пероксидов (радикальная полимеризация) также образуется полимер нерегулярного строения со звеньями 1,2- и 1,4- присоединения. Каучуки нерегулярного строения характеризуются невысоким качеством при эксплуатации. Избирательное 1,4-присоединение происходит при использовании металлорганических катализаторов (например, бутиллития C₄H₉Li, который не только инициирует полимеризацию, но и определенным образом координирует в пространстве присоединяющиеся молекулы диена):

Реакция получения каучуков реакцией полимеризации:

Реакция получения каучуков реакцией сополимеризации:

Для практического использования каучуки превращают в резину.

Резина – это вулканизованный каучук с наполнителем (сажа). Суть процесса вулканизации заключается в том, что нагревание смеси каучука и серы приводит к образованию трехмерной сетчатой структуры из линейных макромолекул каучука, придавая ему повышенную прочность. Атомы серы присоединяются по двойным связям макромолекул и образуют между ними сшивающие дисульфидные мостики:

Сетчатый полимер более прочен и проявляет повышенную упругость – высокоэластичность (способность к высоким обратимым деформациям).

В зависимости от количества сшивающего агента (серы) можно получать сетки с различной частотой сшивки. Предельно сшитый натуральный каучук – эбонит (более 30% S ) – не обладает эластичностью и представляет собой твердый материал.

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.

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.