Каучук: что это за материал, его свойства и применение

Каучук – это материал, который имеет многогранное хозяйственное и промышленное применение в современном мире. Однако под этим названием скрывается целая группа веществ с похожими свойствами, как полимеров, так и мономеров. Рассмотрим детально типы каучука и его свойства, а также способы его получения.

• Что такое каучук?
  • Физические свойства каучука
  • Химические свойства каучука
• Каучук и резина: сходства и отличия
• Вулканизация каучуков
• Натуральный каучук
  • История открытия натурального каучука
  • Как добывают каучук: природные каучуконосы
  • Состав и строение натурального каучука
  • Важнейшие виды натурального каучука
  • Процесс производства натурального каучука
  • Промышленное применение натурального каучука
• Синтетический каучук
  • Формула, состав и строение синтетического каучука
  • Виды синтетических каучуков
  • Производство синтетического каучука
  • Промышленное применение синтетического каучука

Что такое каучук?

Физические свойства каучука

Натуральный каучук — аморфное, способное кристаллизоваться твердое тело. Каучук, как и большая часть полимеров, в зависимости от температуры может быть в одном из трех состояний:

• высокоэластичном
• вязкотекучем
• стеклообразном

При обычных температурных условиях каучук высокоэластичен. Его основные физические свойства таковы:

• Плотность. 910-920 кг/м3.
• Цвет. Чистый каучук – это бесцветное высокомолекулярное соединение. Однако сырье натурального каучука или синтетические каучуки в своем многообразии редко бывают прозрачными. Цвет каучуковых веществ бывает от белого до черного; а также желтоватого, кремового, коричневого, красноватого и серого оттенков. Обилие цветов объясняется примесями или степенью окисления материала.
• Упругость.  Каучук состоит из макромолекул, свернутых в клубки. При приложении определенной силы клубки разматываются и вещество тянется, проявляя способность восстанавливать форму после деформации. Сжатие натурального каучука сопровождается поглощением, растяжение – выделением тепла.
• Вязкость. Каучук меняет агрегатное состояние при 120 °С — превращается в вязкую жидкость, размягчается и теряет эластичность, превращаясь в очень липкое и вязкое вещество.
• Хрупкость и стеклование. При охлаждении до - 70 °C каучук становится хрупким и теряет эластичность. При хранении на воздухе каучуки постепенно теряют эластичность вследствие окисления по кратным связям.
• Запах. Натуральный каучук имеет сладковато-приторный запах, синтетический каучук запаха не имеет. При плавлении и горении каучука ощущается резкий запах.

Интересно. Натуральный каучук обладает белым молочным цветом, поэтому до того как стали использовать синтетический каучук шины обладали белым цветом.

Химические свойства каучука

Натуральный каучук является линейным полимером: продуктом полиприсоединения изопрена. Он однороден по своей молекулярной структуре.

В натуральном каучуке содержится 91-96% углеводорода полиизопрена (C5H8)n, а также белки и аминокислоты, жирные кислоты, каротин, небольшие количества солей меди, марганца, железа и прочие примеси.

Полиизопрен натурального каучука является стереорегулярным полимером. Практически все звенья изопрена 98-100% в макромолекуле присоединены в цис-1,4-положении.

Наличие двойных связей в макромолекулах каучуков обусловливает возможность существования их геометрических изомеров, что сказывается на свойствах каучуков: цис-форма по сравнению с транс-формой обладает большей эластичностью. В макромолекулах цис-изомеров все метиленовые группы расположены строго по одну сторону от двойных связей, а в транс-изомерах — по разные.

• Молекула натурального каучука может содержать 20-40 тыс. элементарных звеньев
• молекулярная масса: от 1 400 000-2 600 000, он
• нерастворим в воде, зато хорошо растворяется в большинстве органических растворителей: в углеводородах (бензин, бензол, толуол) и их хлорпроизводных (хлороформ).

Интересно, что существует природный геометрический изомер каучука – гуттаперча. Малоэластичная гуттаперча представляет собой транс-1,4-полиизопрен.

Каучук и резина: сходства и отличия

Резина – это эластичное вещество, получаемое из каучука путем вулканизации. Исходно природные каучуки слишком уязвимы к перепаду температур. Сырье удалось стабилизировать  только в XIX веке в Европе (см. Вулканизация каучуков), хотя есть отдельные  сведения о том, что жители Мезоамерики умели стабилизировать млечный сок каучуконосов еще в XV веке.

По степени вулканизации резина разделяется на:

• мягкая (1–3 % серы);
• полутвердая;
• твердая (более 30 % серы);
• эбонит (высоко-вулканизированный каучук с большим содержанием серы, 30%-50%).

Эбонит в отличие от других резин не проявляет высокой эластичности при обычных температурах и больше поход на твердую пластмассу.

От натуральных каучуков резина отличается большей химической и температурной стойкостью.

Сравнительные свойств каучуков и резин

• Плотность около 1200 кг/м3;
• Модуль упругости при малых деформациях E=1–10 МПа;
• коэффициент Пуассона μ=0,4–0,5;
• соотношение модуля упругости E и модуля сдвига G: E = 3 G;

Вулканизация каучуков

Вулканизация – это процесс объединения длинных макромолекулярных связей в натуральном каучуке, в результате которого каучук становится эластичным в широком температурном диапазоне. Для осуществления данного процесса природный каучук  объединяют с серой, хлористой серой, органическими пероксидами. Возможна радиационная вулканизация.  Но самым популярным способом остается серная вулканизация. Атомы серы служат связующим звеном для образования устойчивых сетчатых структур. Ускорителями вулканизации могут быть некоторые химические соединения, например 2-меркаптобензтиазол и некоторые его производные. Вулканизации обычно подвергают смесь каучука с различными добавками, придающими резине необходимые свойства, и наполнителями, снижающими стоимость резины (сажа, мел).

Вулканизация – очень эффективный метод противодействия хрупкости и затвердеванию каучуков. Сам процесс был открыт практически случайно: в 1839 году американский изобретатель Чарльз Нельсон Гудьеар (Гудьир, Goodyear) бросил в почти погасший камин кусок каучука, смешанный с серой. Итог оказался поразительным – новое вещество, полученное в результате постепенного нагревания, стало эластичным и прочным, устойчивым и к морозу, и к жаре. До этого момента Гудьеар потратил огромное количество средств и сил на смешивание каучука с разными веществами в надежде улучшить его свойства – в течении пяти лет он смешивал каучук со всем подряд: от химических веществ до оливкового масла и даже супа. Его финальный успех принес ему славу – ведь  именно новый материал, изобретенный Гудьеаром и запатентованный в 1844 году, принято называть резиной, а открытый им процесс – вулканизацией каучука. Его имя спустя десятилетия стало маркой надежных автопокрышек (Goodyear Tire and Rubber Company).

Натуральный каучук

Натуральный (или природный) каучук – это сок некоторых растений, каучуконосов, среди которых есть травы, деревья и лианы.

Природный каучук часто отождествляют с латексом. Латекс – это эмульсия дисперсных полимерных частиц в водном растворе: в природе встречается в виде млечного сока разных растений. Но товарный латекс на основе натурального каучука (ЛН) может быть только один: концентрированный и стабилизированный млечный сок бразильской гевеи. В таком латексе методом центрифугирования или отстаивания искусственно увеличено содержание сухого вещества до 75 % (в то время как в исходном соке содержится в среднем около 40%).

История открытия натурального каучука

С тех пор каучук стал неотъемлемой частью промышленного производства во всем мире.

Как добывают каучук: природные каучуконосы

Известнее всего такой каучуконос как деревья рода Гевея, в частности Гевея бразильская. Сок этого дерева на половину состоит из каучуковых веществ. На втором месте стоит фикус каучуконосный (он же фикус эластичный Ficus elastica). На третьем месте расположились несколько разновидностей одуванчиков (кок-сагыз, тау-сагыз, крым-сагыз). Одуванчики содержат природный каучук в корневищах, его количество достигает 15 % в сухом весе. Максимальное количество каучука в кок-сагызе доходит до 27,55 %.

Добыча каучука ведется разными способами. Древнейший и используемый по сей день способ – способ подсечки. Это сбор млечного сока с деревьев (латекса) с помощью надрезов на коре. Процесс сбора длительный, потому как сок обладает вязкостью и собирается медленно. Из латекса каучук коагулируют органическими кислотами, промывают водой и прокатывают в листы, которые сушат и коптят дымом. Копчение предохраняет каучук от окисления и действия микроорганизмов. Добыча каучука из корней растений семейства одуванчиков-сагыз осуществлялась иначе – растения собирались, высушивались и перерабатывались в массе. Этот способ был популярен в Советском Союзе как альтернатива труднодоступному латексу из гевеи.

Сегодня ведущие мировые производители натурального каучука – страны так называемого «пояса каучука», расположенные в экваториальной зоне Юго-Восточной Азии (Таиланд, Индонезия, Малайзия, Вьетнам, Китай).

Состав и строение натурального каучука

Натуральный (природный) каучук  представляет собой высокомолекулярный непредельный углеводород, молекулы которого содержат большое количество двойных связей.

Состав его может быть выражен формулой (C5H8)n (где величина n составляет от 1000 до 3000); он является полимером изопрена.

Первоначально принятая формула каучука была С5Н8, но она слишком проста для такого сложного вещества как каучук. Определение молекулярной массы показывает, что она достигает нескольких сот тысяч (150 000 — 500 000). Каучук, следовательно, природный полимер.

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.

Процесс производства натурального каучука

Природный каучук получают из млечного сока растений, жидкости молочно-белого цвета с резким запахом, называемой латексом.  Латекс методом коагуляции трансформируют в сырье.

Сырье натурального каучука сушат в естественных условиях и немного коптят для предотвращения гниения.

Для промышленных объемов получения сырья каучуконосные деревья высаживаются в плантации.

Промышленное применение натурального каучука

Несмотря на повсеместное производство синтетических каучуков, натуральный каучук и латекс по-прежнему пользуется огромным спросом – его производство растет из года в год.

Вот несколько примеров промышленного применения каучука:

• Химическая промышленность. Латекс используется как реагент-флокулянт при обогащении полезных ископаемых. Латекс благодаря своим свойствам способствует слипанию мелких частиц дисперсных систем в более крупные агрегаты с образованием коагуляционных структур. Коагуляция ведёт к выпадению из коллоидного раствора осадка или к застудневанию.
• Шинная промышленность. Натуральный каучук незаменим при производстве крупногабаритных шин, способных выдерживать нагрузки до 75 тонн.
• Станкостроение. Натуральный каучук применяется при изготовлении конвейерных лент высокой мощности
• Медицинское оборудование. Латекс используется для производства тонкостенных высокопрочных мелких изделий.

Синтетический каучук

Cинтетические каучуки – это группа эластичных веществ, получаемых в результате реакции полимеризации и сополимеризации диеновых углеводородов с сопряженными двойными связями. Синтез каучука стал необходимостью в связи с недостатком сырья натурального каучука. Путем вулканизации синтетические каучуки также могут быть переработаны в резину.

История открытия синтетического каучука

Производство синтетических каучуков стало крайней необходимостью с ростом промышленности. Начало этому направлению дали опыты Майкла Фарадея по исследованию химического состава и структуры каучука и синтезу его из нерастительного сырья. Синтетический каучук был открыт в 1879 французский химиком Г. Бушарда. Он обработал изопрен (2-метилбутадиена-1,3) соляной кислотой и получил вещество со свойствами каучука.

Большой вклад в развитие производства синтетического каучука  внесли русские химики: в 1901 году И. Кондаков синтезировал эластичный полимер из диметилбутадиена, после чего были выпущены промышленные партии синтетического каучука (диметилкаучука). Однако широкого распространения диметилкаучук не получил и его производство было прекращено.

Первое в мире крупномасштабное производство синтетического каучука было запущено благодаря деятельности русского химика С.В. Лебедева. В 1910 он впервые получил синтетический бутадиеновый каучук и натрий-бутадиеновый каучук. Лебедевым и его сотрудниками был успешно разработан недорогой и эффективный метод: одностадийный способ получения бутадиена из этилового спирта на смешанном цинкалюминиевом катализаторе: 2CH3CH2OH ® 2H2O + CH2=CH-CH=CH2 + H2. Натрий-бутадиеновый каучук получается, если в качестве катализатора полимеризации бутадиена использовать металлический натрий.

Формула, состав и строение синтетического каучука

Синтетический каучук получают путем полимеризации стирола, неопрена, бутадиена, изобутилена, хлоропрена, нитрила акриловой кислоты.

Реакция получения каучука зависит от выбранного метода производства. Например, при методе сополимеризации, в котором используют не один, а два разных мономера, бутадиен-стирольный каучук получают сополимеризацией бутадиена со стиролом по реакции:

Меняя соотношение мономеров, можно получать каучуки с различными свойствами.

Виды синтетических каучуков

Классификация каучуков по мономерам, использованным для их получения:

• Изопреновый;
• Бутадиеновый;
• Бутадиен-метилстирольный;
• Бутилкаучук (изобутилен-изопреновый сополимер);
• Этилен-пропиленовый (этилен-пропиленовый сополимер);
• Бутадиен-нитрильный (бутадиен-акрилонитрильный сополимер);
• Хлоропреновый (поли-2-хлорбутадиен);
• Силоксановый.

Классификация каучуков  по характерной группировке (атомам) в основной цепи или боковых группах

• Уретановые,
• Полисульфидные.

Синтетические каучуки также подразделяют по признакам, например, по содержанию наполнителей (наполненные и ненаполненные), по молекулярной массе (консистенции) и выпускной форме (твердые, жидкие, порошкообразные). Часть синтетических каучуков выпускают в виде водных дисперсий – синтетических латексов. Особую группу каучуков составляют – термоэластопласты.

По области применения синтетические каучуки разделяют на:

• Каучуки общего назначения. Это каучуки с комплексом достаточно высоких технических свойств (прочность, эластичность и др.), пригодных для массового изготовления широкого круга изделий.
• Каучуки специального назначения. К каучукам специального назначения относят каучуки с одним или несколькими свойствами, обеспечивающими выполнение специальных требований к изделию и иго работоспособности в часто экстремальных условиях эксплуатации.

Производство синтетического каучука

Промышленное применение синтетического каучука

Применение синтетических каучуков поистине огромно.Каучуки и резины применяются во всех промышленных отраслях.

Благодаря своим высоким химическим и физическим свойствам, а также возможностью модификации вещества под конкретные производственные нужды, каучуки широко используются в машиностроении  и в электротехнике, сельском хозяйстве и медицине, химической промышленности и в строительстве.

Чаще всего один каучук сочетает в себе несколько свойств, поэтому подбор каучуков в рецептуре резино-технического изделия для определенных областей является тщательной работой технологов соответствующей отрасли.

Спецкаучуки применяются в резино-технической промышленности в гораздо меньших количествах по сравнению с каучуками общего назначения. Области применения каучуков общего назначения и специального назначения также имеют различия.

Смотрите также по теме «Каучук: что это за материал, его свойства и применение»:

• Бутадиеновый каучук: понятие, формула, синтез и применение