Каучук натуральный
Кауч у к натур а льный, полимер растительного происхождения, вулканизацией которого получают резину. Каучук натуральный относится к группе эластомеров — высокомолекулярных соединений, обладающих способностью к большим обратимым деформациям при комнатной и более низких температурах (см. также Высокоэластическое состояние). Каучук натуральный содержится в млечном соке (латексе) каучуконосных растений; отдельные включения каучука имеются также в клетках коры и листьев этих растений. Добывают каучук натуральный главным образом из латекса бразильской гевеи, которая произрастает на плантациях в тропических странах. Крупнейший производитель каучука натурального — Малайзия (свыше 40% мирового производства).
Термин «каучук» происходит от названия «каучу», которым жители Бразилии обозначали продукт, добываемый из гевеи, растущей на берегах р. Амазонки («кау» — дерево, «учу» — течь, плакать). Историю каучука натурального ведут обычно с 1738, когда французский исследователь Ш. Кондамин представил в АН в Париже образцы каучука, изделия из него и описание способов добычи в странах Южной Америки. Промышленное применение каучука натурального оказалось возможным после открытия процесса вулканизации (Ч. Гудьир — США, 1839; Т. Гэнкок — Великобритания, 1843). Основные данные о строении каучука натурального были получены в 70-х гг. 19 в. и позднее Г. Бушарда, Г. Штаудингером, немецким учёным К. Гарриесом. Обширные исследования вулканизации каучука натурального принадлежат Б. В. Бызову, Б. А. Догадкину, И. И. Остромысленскому, американскому учёному Э. Х. Фармеру и др. Исследованию физических свойств и разработке теории эластичности каучука натурального посвящены работы советских учёных А. П. Александрова, В. А. Каргина, П. П. Кобеко, американских исследователей Е. Гута, Л. Р. Г. Трелоара, Ф. Т. Уолла и др.
При получении каучука натурального латекс извлекают подсочкой коры деревьев; из латекса каучук выделяют коагуляцией с помощью муравьиной, щавелевой или уксусной кислоты. Образующийся рыхлый сгусток (коагулюм) промывают водой и прокатывают на вальцах для получения листов, которые сушат и обычно коптят в камерах, наполненных дымом. Копчение придаёт каучуку натуральному устойчивость против окисления и действия микроорганизмов.
В соответствии с «Международным стандартом по качеству и упаковке натурального каучука» (1969) каучук натуральный подразделяют на 8 международных типов, включающих 35 международных сортов. Основные типы каучуков натуральных — рифлёный смокед-шит (продукт светло-янтарного цвета — «копчёный лист») и светлый креп (продукт светло-кремового цвета, перед выделением которого в латекс вводят специальные отбеливающие вещества, например бисульфит натрия; каучук натуральный этого типа копчению не подвергают). Качество каучука натурального международных типов и сортов оценивают на основании внешнего осмотра и сравнения с эталоном. Существует также классификация каучуков натуральных по техническим стандартам, в которых регламентируется содержание примесей в каучуке. Наряду с каучуком натуральным общего назначения выпускают каучуки специальных типов, например с улучшенными технологическими или механическими свойствами, изготовляемые в порошкообразной выпускной форме, и др. Ведутся обширные опытные и исследовательские работы как в направлении улучшения качества каучука натурального, так и повышения продуктивности каучуконосов.
Основная составная часть каучука натурального — углеводород каучука (91—96%), который рассматривают как полиизопрен (C5H8) n. Каучук натуральный содержит также 2,2—3,8% белков и аминокислот, 1,5—4,0% веществ, извлекаемых ацетоном (так называемый ацетоновый экстракт — олеиновая, стеариновая, линолевая кислоты, каротин и др.), соединения металлов переменной валентности — меди (до 0,0008%), марганца (до 0,001%), железа (до 0,01%), песок и некоторые др. примеси. Каучуки натуральные относятся к стереорегулярным полимерам; 98—100% звеньев изопрена в его макромолекуле присоединены в положении 1,4 цис:
Молекулярная масса каучука натурального 1 400 000 — 2 600 000, содержание двойных связей в макромолекуле 95—98,5% от теоретического значения. Плотность каучука натурального 0,91—0,92 г/см 3 , показатель преломления 1,5191, температура стеклования от —70 до —72 °С, удельная теплоёмкость 1,880 кдж/(кг . К)[0,449 кал/(г . °С)], теплопроводность 0,14 вт/(м . К) [0,12 ккал/(м . ч . °С)], диэлектрическая проницаемость при частоте 1 кгц 2,37—2,45, удельная электропроводность 25,7 . 10 –18 ом –1. см –1 .
Каучук стоек к действию воды; хорошо растворим в бензоле, толуоле, ксилоле, бензине, четырёххлористом углероде, хлороформе, сероуглероде, циклогексане. При температурах выше 10 °С каучук натуральный аморфен. Длительное хранение при более низких температурах или растяжение при комнатной температуре вызывают частичную кристаллизацию каучука натурального. К числу ценных свойств каучука натурального относится его высокая когезионная прочность (см. Когезия). Этим свойством обусловлена в значительной степени незаменимость каучука натурального в производстве некоторых деталей шин. Технологический недостаток каучука натурального, связанный с его высокой молекулярной массой, — необходимость пластикации (см. Пластикация каучуков) перед введением ингредиентов резиновой смеси.
Наиболее распространённый вулканизующий агент для каучука натурального — сера; в качестве ускорителей вулканизации применяют 2-меркаптобензтиазол (каптакс), его сульфенамидные производные (например, сантокюр), дибензтиазолилдисульфид (альтакс), тетраметилтиурамдисульфид (тиурам) и др. Возможны также радиационная вулканизация каучука натурального и вулканизация с помощью органических перекисей или алкилфеноло-формальдегидных смол.
Кристаллизация каучука натурального обусловливает высокую прочность при растяжении резин на его основе. При введении активных наполнителей прочность резин изменяется незначительно, но существенно повышаются некоторые др. механические свойства (см. табл.). Резины из каучука натурального характеризуются хорошей эластичностью, износо- и морозостойкостью и высокими динамическими свойствами, но низкой стойкостью к действию растворителей, масел, а также меньшей, чем у некоторых синтетических каучуков, тепло- и атмосферостойкостью.
Каучук
Каучук – природный или синтетический эластичный материал, из которого путём нагревания с серой (вулканизации) получают резину. Каучуки широко используются в повседневной жизни.
Строение и получение
Каучук – диеновый полимер. Структурная и молекулярная формула каучука зависят от вида материала. Природный каучук получают из густого млечного сока – латекса – гевеи, кастиллоа, маниота, сапиума и других растений. Такой каучук является полимером изопрена (2-метилбутадиен-1,3) и имеет формулу (C5H8)n, где n=1000-3000.
Рис. 1. Гевея.
Искусственный каучук был получен в 1932 году методом Лебедева. Сначала получают дивинил (бутадиен-1,3) с формулой (C4H6)n из этилового спирта:
С помощью полимеризации дивинила получают бутадиеновый каучук:
Рис. 2. Молекулы каучука.
Современная промышленность получает синтетические каучуки из разных алкадиенов. В зависимости от используемого сырья выделяют изопреновый, бутадиеновый, этилен-пропиленовый, хлоропреновый и другие виды каучука.
Свойства
Каучук обладает полезными для применения свойствами: эластичностью (упругостью) и водонепроницаемостью. Каучуки хорошо гнутся, растягиваются и задерживают влагу на поверхности.
Каучуки сохраняются в аморфном состоянии долгое время. Однако агрегатное состояние может меняться в зависимости от температуры:
- 0-10°C – хрупкий, непрозрачный;
- 20°C – мягкий, упругий, полупрозрачный;
- 50°C – пластичный, липкий;
- 80°C – непластичный;
- 120°C – смолистый, жидкий;
- 200-250°C – газообразный (выделяется смесь газов).
При долгом хранении на холоде материал необратимо теряет свойства: твердеет, становится неэластичным и ломким.
Каучуки обладают диэлектрическими свойствами и низкую проницаемость воды и газов. Материал не растворяется в воде, слабых кислотах, щелочах. Растворяется после разбухания в бензине, бензоле, сероуглероде и хлороформе.
Молекулы каучука имеют линейное строение, но при этом не вытянуты в прямую линию, а изогнуты, образуя свёрнутые клубки. При растяжении материала молекулы распрямляются, чем объясняется эластичность каучука.
Применение
Основное применение каучуков – производство резины для шин. Также материал используется для изготовления:
- тепло-, электро-, звуко-, гидроизоляционных материалов;
- твёрдого ракетного топлива;
- уплотнителей;
- клея;
- лаков;
- эластичных лент;
- напольных покрытий;
- шлангов;
- перчаток;
- обуви;
- игрушек;
- мебели;
- ластиков.
Что мы узнали?
Из урока химии 10 класса узнали о строении, свойствах и применении каучуков. Каучук – природный или синтетический материал, обладающий эластичностью. Натуральные каучуки получают из латекса – вязкого сока некоторых тропических деревьев. Промышленным путём производится из алкадиенов, в частности из изопрена. Впервые синтетический каучук был получен в 1932 году. В зависимости от температуры меняются физические свойства. Чем ниже температура, тем хрупче материал. Из каучуков изготавливают резину.
Каучук
Каучу́ки — натуральные или синтетические эластомеры, характеризующиеся эластичностью, водонепроницаемостью и электроизоляционными свойствами, из которых путём вулканизации получают резины и эбониты.
Природный каучук
Высокомолекулярный углеводород (C5H8)n, цис- полимер изопрена; содержится в млечном соке (латексе) гевеи, кок-сагыза (разновидности одуванчика) и других растений. Растворим в углеводородах и их производных (бензине, бензоле, хлороформе, сероуглероде и т. д.). В воде, спирте, ацетоне натуральный каучук практически не набухает и не растворяется. Уже при комнатной температуре натуральный каучук присоединяет кислород, происходит окислительная деструкция (старение каучука), при этом уменьшается его прочность и эластичность. При температуре выше 200 °C натуральный каучук разлагается с образованием низкомолекулярных углеводородов. При взаимодействии натурального каучука с серой, хлористой серой, органическими пероксидами (вулканизация) происходит соединение через атомы серы длинных макромолекулярных связей с образованием сетчатых структур. Это придает каучуку высокую эластичность в широком интервале температур. Натуральный каучук перерабатывают в резину. В сыром виде применяют не более 1 % добываемого натурального каучука (резиновый клей). Более 60 % натурального каучука используют для изготовления автомобильных шин. В промышленных масштабах натуральный каучук производится в Индонезии, Малайзии, Вьетнаме.
Синтетические каучуки
Первым синтетическим каучуком, имевшим промышленное значение, был полибутадиеновый (дивиниловый) каучук, производившийся синтезом по методу С. В. Лебедева (анионная полимеризация жидкого бутадиена в присутствии натрия), однако из-за невысоких механических качеств нашёл ограниченное применение.
В Германии бутадиен-натриевый каучук нашёл довольно широкое применение под названием «Буна».
Изопреновые каучуки — синтетические каучуки, получаемые полимеризацией изопрена в присутствии катализаторов — металлического лития, перекисных соединений. В отличие от других синтетических каучуков изопреновые каучуки, подобно натуральному каучуку, обладают высокой клейкостью и незначительно уступают ему в эластичности.
В настоящее время большая часть производимых каучуков является бутадиен-стирольными или бутадиен-стирол-акрилонитрильными сополимерами.
Каучуки с гетероатомами в качестве заместителей или имеющими их в своём составе часто характеризуются высокой стойкостью к действию растворителей, топлив и масел, устойчивостью к действию солнечного света, но обладают худшими механическими свойствами. Наиболее массовым в производстве и применении каучуками с гетерозаместителями являются хлоропреновые каучуки (неопрен) — полимеры 2-хлорбутадиена.
В ограниченном масштабе производятся и используются тиоколы — полисульфидные каучуки, получаемые поликонденсацией дигалогеналканов (1,2-дихлорэтана, 1,2-дихлорпропана) и полисульфидов щелочных металлов.
Первой страной, наладившей масштабное производство синтетического каучука, стал СССР. В 1931 году был построен опытный завод в Ленинграде. 7 июля 1932 года был запущен первый промышленный завод по производству синтетического каучука — ярославский СК-1; в этот день была получена первая в мире промышленная партия синтетического (натрий-бутадиенового) каучука. В 1932 году в СССР строились три крупных завода по производству синтетического каучука: СК-1 в Ярославле, СК-2 в Воронеже (запущен осенью 1932 года) и СК-3 в Ефремове (запущен в 1933 году). В 1932 году начал производить синтетический каучук завод «Красный Треугольник». В 1961 на Куйбышевском заводе СК (ныне Тольяттикаучук) впервые в промышленном масштабе получили дивинил-альфа-метилстирольный каучук. Здесь его стали делать по новой технологии – не из пищевого сырья, а из нефтехимических продуктов. В 1964 году на заводе впервые в мире в промышленном масштабе получили изопреновый каучук, аналогичный натуральному каучуку. В 1982 году в Тольятти стали выпускать новую для страны марку — бутилкаучук.
Основные типы синтетических каучуков:
- Изопреновый
- Бутадиеновый каучук
- Бутадиен-метилстирольный каучук
- Бутилкаучук (изобутилен-изопреновый сополимер)
- Этилен-пропиленовый (этилен-пропиленовый сополимер)
- Бутадиен-нитрильный (бутадиен-акрилонитрильный сополимер)
- Хлоропреновый (поли-2-хлорбутадиен)
- Силоксановый каучук
- Фторкаучуки
- Тиоколы
Промышленное применение
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.
