10клас

 

Тема уроку. Синтетичні каучуки, гума. Склад, властивості, використання

СИНТЕТИЧНІ КАУЧУКИ. СКЛАД,ВЛАСТИВОСТІ, ВИКОРИСТАННЯ

Каучуки синтетичні — це синтетичні полімери, які, подібно до каучуку натурального, можуть бути перероблені на гуму.

Батьківщина каучуку — Центральна й Південна Америка. По берегах річки Амазонки, у вологих спекотних тропіках росте незвичайне дерево — бразильська гевея. Сік дерева гевеї тубільці назвали «каучук» (від індіанських слів: cao — «дерево» і ohu — «текти», «плакати»), тобто «сльози дерева». У першій половині XVIII ст. зразки каучуку потрапили до Європи. Однак новий матеріал мав великий недолік: він зберігав свої корисні властивості (еластичність, водонепроникність) лише у вузькому інтервалі температур. Але після відкриття Ч. Гуд’їром (1839) і Т. Генкоком (1843) процесу вулканізації потреба в каучуку різко зросла. Щоб сучасний автомобіль вийшов з воріт заводу, потрібно 250 кг каучуку; на кожен літак у середньому витрачається 600 кг, а на обладнання великого військового корабля — майже 70 т каучуку.

Англійський хімік М. Фарадей у 1826 р. визначив склад каучуку (C₅H₈)n. Згодом було встановлено, що макромолекули каучуку утворені молекулами ізопрену.

Бурхливий розвиток автомобільної промисловості, особливо після винаходу 1888 р. гумових пневматичних шин, поставило перед хіміками завдання виробництва не натурального, а синтетичного каучуку.

До початку ХХ ст. було розроблено вже чимало способів одержання дієнових вуглеводнів і перетворення їх на полімери, які почали називати синтетичними каучуками.

Перший завод з виробництва синтетичного каучуку було зведено в м. Леверкузені (Німеччина) 1916 р. Тут під дією металевого натрію полімеризували 2,3-диметил-1,3-бутадієн.

Новий продукт одержав назву «метилкаучук».

Перший синтетичний каучук за своїми споживчими якостями значно поступався каучуку натуральному. Вироби з нього, як і колись боялися високих і низьких температур, а автомобільні покришки стиралися в десятки разів швидше. Крім цього, він був набагато дорожчий. Тож через два роки роботи завод у м. Леверкузені було закрито.

Першим синтетичним каучуком, що пройшов випробування «практикою», став бутадієновий каучук (СКБ), одержаний у Радянському Союзі за методом С. В. Лебедєва. У зв’язку з цим відомий американський винахідник Т. Едісон писав: «Звістка про те, що Совєти досягли успіхів у виробництві синтетичного каучуку, неймовірна. Цього аж ніяк не можна зробити. Скажу більше, це повідомлення — неправда. З власного мого досвіду й досвіду інших зрозуміло, що навряд чи можливо одержати синтетичний каучук узагалі, особливо в Росії». А тим часом на Казанському заводі СК-4 та інших споріднених підприємствах (у Ярославлі, Воронежі, Єфремові) встигли виробити сотні тисяч тонн цієї продукції. З перших кілограмів продукції, одержаної на дослідному заводі в 1931 р., було виготовлено шину. її поставили на автомобіль, на якому їздив Лебедєв, і вона вірою і правдою прослужила 16 тис. км пробігу.

Ціла низка подій вплинула на винахід синтетичного каучуку: індустріальна революція, прогрес у моторобудуванні, дві світові війни, зростання попиту на каучук і дефіцит натурального каучуку спровокували світовий попит на еластомери. Синтетичні каучуки стали необхідною альтернативою натуральному каучуку й надали додаткових властивостей виробам.

Наразі на ринку наявна значна розмаїтість каучуків — за властивостями й характеристиками. Але в найбільш загальному вигляді їх можна поділити на два великі сегменти: каучуки загального призначення й каучуки спеціального призначення.

Синтетичні каучуки

Каучуки загального призначення	Каучуки спеціального призначення
Бутадієн-стирольний каучук	Хлоропреновий каучук
Бутадієн-метил-стирольний каучук	Бутадієн-нітрильний каучук
Полібутадієновий каучук	Галогеновані ізобутілени
Бутилкаучук	Уретани
Етиленпропіленовий каучук	Силікони
Етиленпропілендієновий каучук	Полісульфідні каучуки
Цис-1,4-поліізопреновий каучук

 

Каучуки загального призначення використовуються в тих виробах, у яких важлива власне природа гуми й немає якихось особливих вимог до готового виробу.  Каучуки спеціального призначення мають більш вузьку сферу застосування й використовуються для надання гумовотехнічному виробу (шинам, ременям, взуттєвій підошві тощо) заданої властивості, наприклад зносостійкості, маслостійкості, морозостійкості, підвищеного зчеплення з мокрою дорогою та ін. Найчастіше один каучук сполучає в собі кілька властивостей, тому підбор каучуків у рецептурі гумовотехнічного виробу для певних сфер використання є ретельною і цілеспрямованою роботою технологів.

Синтетичні каучуки загального призначення застосовують для виготовлення виробів, у яких реалізується головна властивість гум — висока еластичність за звичайних температур (шини, транспортерні стрічки, взуття та ін.), спеціального призначення — у виготовленні таких виробів, які повинні мати стійкість до дії розчинників, масел, кисню, озону, тепло- й морозостійкість (тобто здатність зберігати високоеластичні властивості в широкому діапазоні температур) та інші специфічні властивості.

Класифікація синтетичних каучуків за галузями їх застосування умовна, адже багато які з каучуків характеризуються комплексом властивостей, що дозволяють застосовувати їх як каучуки загального і спеціального призначення. Виробляють морозостійкі шини, масло- й бензостійке гумове взуття тощо. розроблені полімери називають термоеластопластами, у яких сполучаються властивості еластомерів і термопластичних полімерів. Завдяки цьому їх можна переробити на гумові вироби, минаючи стадію вулканізації. Особливі групи синтетичних каучуків: водні дисперсії каучуків (латекси); рідкі каучуки (олігомери, що тверднуть з утворенням гумоподібних матеріалів); наповнені каучуки (суміші з наповнювачами або пластифікаторами, виготовлені під час одержання каучуку).

Найпоширеніші способи одержання синтетичних каучуків — емульсійна й стереоспецифічна полімеризація. Під час полімеризації можливе регулювання молекулярної маси каучуків. Це дозволяє виключити з переробки каучуків енергоємну стадію пластифікації. Технологічні процеси одержання синтетичного каучуку (у більшості випадків — безперервні) включають також стадії виділення каучуку з дисперсій або розчинів (наприклад, коагуляцією або осадженням), очищення каучуку від залишків каталізаторів, емульгаторів та інших домішок, сушіння, брикетування й упакування каучуку. Найважливіші мономери для синтезу каучуків — бутадієн, ізопрен, стирол та ін. — одержують переважно із супутніх нафтових газів і газів крекінгу; наприклад, бутадієн можна одержати шляхом каталітичного дегідрування н-бутану. Крім цих мономерів, застосовують також акрилонітрил, флуоролефіни, деякі силіційорганічні сполуки та ін.

Успішне розв’язання проблеми промислового синтезу каучуку належить до найбільш значних досягнень науки й техніки ХХ ст. Синтез каучуку в заводському масштабі вперше у світі було здійснено 1932 р. у СРСР за способом, розробленим С. В. Лебедєвим: полімеризацією на металевому натрії 1,3-бутадієну, одержаного з етилового спирту, було синтезовано натрій-бутадієновий каучук СКВ. 1938 р. було організовано промислове виробництво бутадієн-стирольних каучуків у Німеччині, 1942 р. — велике виробництво в США. До 1972 р. синтетичний каучук виробляли більш ніж у двадцяти країнах.

Номенклатура гумових виробів, виготовлених на основі синтетичних каучуків, нараховує близько 80 тис. найменувань. Найбільший споживач — шинна промисловість (понад 80 % загального обсягу споживання каучуку). Технічний прогрес у різних галузях промисловості висуває перед промисловістю завдання створення каучуків, у яких мають сполучатися висока термостійкість, стійкість до дії іонізуючих випромінювань, масло- і бензостійкість та ін. Ці завдання можуть бути розв’язані, зокрема, шляхом синтезу каучуків з мономерів, що містять неорганічні елементи — Бор, Фосфор, Нітроген, Флуор, Силіцій.

Властивості синтетичних каучуків визначають галузі їх застосування. Створення рецептури гумовотехнічного виробу супроводжується підбором різних видів каучуків, наповнювачів, пом’якшувачів та ін. Правильне поєднання всіх компонентів у рецептурі дозволяє одержати гумовотехнічний виріб із заданими властивостями. розглянемо головні властивості каучуків загального призначення.

Домашнє завдання

І.Підготувати повідомлення (на вибір) про властивості та використання:

1. Бутадієн-стирольний каучук

2. Полібутадієновий каучук

3. Бутилкаучук

 4. Етиленпропіленові каучуки.

ІІ. Відповісти на питання

1. Поясніть, чому натуральний і синтетичний каучуки нестійкі до дії брому?

2. Назвіть сфери застосування каучуків.

3. Чим відрізняються каучуки від гуми? Чому каучук еластичний і термопластичний, а гума не термопластична, але зберігає високу еластичність?