Натуральный каучук

КАУЧУКИ

Каучуки – высокомолекулярные соединения, имеющие огромное техническое значение, служащие основой для производства разнообразных резиновых изделий.

Каучуки делят на два больших класса:

– натуральный каучук (НК)

– синтетический каучук (СК): бутадиеновый, изопреновый, бутадиенстирольный, бутадиеннитрильный и др.

Натуральный каучук – природный непредельный полимер (С₅ Н₈) _n с молекулярной массой от 15 000 до 500 000, содержащийся в млечном соке некоторых тропических деревьев (гевеи бразильской и др.) и растениях (кок-сагыз, тау-сагыз, гваюла).

Гуттаперчу также дают тропические растения, например Palaquium gutta, Mimusops balata, Achras Sapota. Последнее является основным источником чикла, служащего для приготовления жевательной резинки. Чикл – это смесь гуттаперчи и тритерпенолов. «Балата», полученная из Mimusops balata, по своей структуре идентична с гуттаперчей – родственным каучуку полиизопреном.

Поскольку каучук не растворяется в воде, в тканях растений он находится в коллоидно-диспергированной форме. Частицы каучука стабилизированы слоем электрически заряженного белка или липида.

Строение и свойства каучука и гуттаперчи

Млечный сок каучуконосных деревьев называют латексом. Латекс гевеи содержит 20–60 % каучука и небольшие количества белков, углеводов, фосфолипидов и солей.

Анализ хорошо промытых, переосажденных и высушенных фракций каучука указывает на то, что все они имеют один и тот же состав, а именно (С₅ Н₈) _n, различаясь лишь числом n.

Каучук – высокоэластичное аморфное вещество, он размягчается при нагревании и кристаллизуется при очень низких температурах.

Путем сравнения рентгенограмм растянутого каучука и гуттаперчи было установлено, что каучук представляет цис- полиизопрен, а гуттаперча – транс -изомер:

СН₃

− СН₂ СН₂ С=СН СН₂ СН₂ −

С=СН С Н₂ СН₂ С=СН

СН₃ СН₃

1,4- цис -полиизопрен 0,816 нм

Молекула натурального каучука имеет спиральное строение с периодом идентичности 0,816 нм и содержит более тысячи изопреновых остатков. Натуральный каучук стереорегулярен.

СН₃ СН₂ −…

СН₃ СН₂ С=С

С=С СН₂ Н

…− СН₂ Н

0,48 нм

1,4- транс -полиизопрен

Период идентичности молекулы гуттаперчи составляет 0,48 нм. Молекула короче и менее эластична.

цис- Изомерия каучука, то есть изгибание цепи в одну и ту же сторону относительно двойной связи, приводит к тому, что цепи не могут вытягиваться в одну линию и кристаллизоваться с такой же легкостью, как в случае транс- конфигурации гуттаперчи. Последняя, хоть и имеет тот же химический состав, что и каучук, но представляет собой жесткое вещество с очень слабо выраженной эластичностью.

Ненасыщенность делает каучуки весьма реакционноспособными. Каучук может гидрироваться, присоединять серу, галогены, хлороводород. На воздухе мало подвергается действию кислорода, но взаимодействует с его аллотропной модификацией – О₃ (озонируется):

−СН₂ −С(СН₃)=СН−СН₂ −СН₂ −С(СН₃)=СН−СН₂ …− + О₃ ®

О О О О

® …−СН₂ −С−О−СН−СН₂ −СН₂ −С−О−СН−СН₂ −… + Н₂ О ®

СН₃ СН₃

® −СН₂ −С=О + ОНС−СН₂ −СН₂ −С=О + ОНС−СН₂ −…

СН₃ СН₃

левулиновый альдегид

Вулканизация каучука

С практической точки зрения чрезвычайно важно улучшать технические и химические свойства каучука. Сырой каучук быстро размягчается, на него оказывает влияние свет и кислород, особенно озон. В результате свойства такого каучука из-за естественного и искусственного старения ухудшаются. Следует также учитывать, что для некоторых целей сырой каучук вообще непригоден. Поэтому значительные усилия прилагаются для улучшения свойств каучука.

В 1839 году американец Чарлз Гудьир открыл реакцию, которая позже легла в основу получения огромных количеств резины, которая является не чем иным, как соединением каучука с серой.

Данный процесс позже был назван вулканизацией каучука, так как жар и сера – главные факторы отверждения каучука – были атрибутами римского бога Вулкана. Это изобретение положило начало резиновой промышленности.

Вулканизация – технологический процесс резинового производства, при котором каучук превращается в резину. Сущность реакции вулканизации – соединение макромолекул каучука поперечными связями в пространственную вулканизационную сетку.

С исходным материалом смешивают целый ряд веществ в зависимости от того, какой конечный продукт необходимо получить. Например, каучук для покрышек содержит около 3 % серы, 4 % оксида цинка и 40–50 % сажи (наполнитель), небольшое количество стеариновой кислоты, смолы (мягчитель) и т. д. Это делается для улучшения смешиваемости компонентов. Для улучшения стабильности каучука прибавляется антиокислитель. Затем смеси придают нужную форму и смешивают при нагревании до определенной высокой температуры. При производстве высокоэластичных изделий, например хирургических перчаток, сажа не добавляется.

Нет сомнений, что сера и оксид цинка, реагируя с цепями, образуют связи следующих типов:

C−S−C, или C−S−S−C, или C−S−Zn−S−C

Образование этих связей происходит лишь за счет определенного небольшого числа двойных связей. Так как серу добавляют в количестве не более 1,5–3 %, то ненасыщенность каучука сохраняется.

1–1,5 % серы высокоэластичная резина

1,5–3,5 % серы резина для шин

20–30 % серы эбонит

С увеличением количества серы (поперечных связей) прочность и твердость материала увеличивается, но уменьшается эластичность, так как усиливается прочное химическое взаимодействие между цепями, уменьшается доля слабых межмолекулярных взаимодействий между цепями.

Способы вулканизации

1. Серная вулканизация каучуков, имеющих двойные связи, при 140–160 °С (горячая вулканизация).

2. Холодная вулканизация в S₂ Cl₂ (хлористая сера).

3. Пероксидная вулканизация каучуков на основе диенов и других соединений.

4. Радиационная.

5. Фотовулканизация.

6.Термовулканизация бутадиеновых каучуков при t = 190–200 °С без реагентов.

В настоящее время производство натурального каучука составляет лишь 3 800 000 тонн, в то время как общая потребность в эластомерах составляет более 13 000 000 тонн.

Дата добавления: 2014-12-08