Бутадиеновый каучук: понятие, формула, синтез и применение

Бутадиеновый каучук – это современный синтетический материал, отличающийся доступностью производства и вариативностью химических, физических и технических качеств. Поэтому эти синтетические каучуки невероятно востребованы в современной промышленности: по объему мировых поставок они уступают лишь бутадиен-стирольным каучукам. Рассмотрим основные характеристики бутадиеновых каучуков.

• Бутадиеновые каучуки – что это?
• Понятие и химическая природа
  • Бутадиеновый каучук формула
  • Исходное вещество, сырье для синтеза бутадиенового каучука
  • Как получают бутадиеновый каучук из этилового спирта, схема
• Синтез стереорегуляторного каучука
• Способ получения нестереорегуляторного каучука СКВ (СКБ)
  • Как маркируется СКВ
• Свойства бутадиенового каучука и получаемых из него резин
• Применение и сферы использования

Бутадиеновые каучуки – что это?

По химической природе такие каучуки являются именно полимерами, мономером которых служит бутадиен.

Понятие и химическая природа

Следует понимать, что бутадиеновый каучук является не отдельным веществом, но представляет собой группу продуктов сополимеризации бутадиена −1,3 и стирола или метилстирола. Бутадиеновые каучуки сегодня - это наиболее распространенный тип каучуков общего назначения. Синтез осуществляется в эмульсии по свободно-радикальному механизму.

Средняя молекулярная масса современных бутадиеновых каучуков колеблется от 40 до 250 тысяч атомных единиц. 

Химические свойства бутадиеновых каучуков по большей части обусловлены наличием двойных связей в цепи. Они реагируют с галогенами: бромом, хлором, кроме того, с веществами, имеющими достаточно свободных галогенных атомов.

Бутадиеновые каучуки растворяются в ароматических и алифатических углеводородах, их хлорпроизводных, циклогексане.

Также бутадиеновые каучуки могут быть подвергнуты гидрированию водородом, растворенным в углеводородах, при условии нахождения в среде комплексных катализаторов. Каучуки могут присоединять тиолы, реагировать по механизмам эпоксидирования, циклизации и др.

Бутадиеновый каучук формула

Физические характеристики бутадиеновых каучуков

Все бутадиеновые каучуки являются полностью аморфными полимерами. Свойства полимеров различаются в зависимости от содержания связанного стирола: при повышении количества стирола увеличивается плотность, температура стеклования и диэлектрические характеристики.

Каучук растворим в алифатических и ароматических углеводородах, хлороформе, четырёххлористом углероде, сероуглероде.

Плотность бутадиеновых каучуков в среднем составляет от 900 до 920 кг/куб. м.

Вулканизаты из бутадиен-стирольных каучуков значительно меньше сохраняют прочность при растяжении. По сравнению с вулканизатами из натурального каучука бутадиеновые вулканизаты характеризуются менее высокой эластичностью, более высокими механическими потерями и повышенным теплообразованием. 

Чтобы компенсировать низкую прочность при растяжении ненаполненных резин (вулканизатов) из бутадиен-стирольных каучуков применяются активные наполнители. Например, в качестве наполнителя может выступать технический углерод различных марок. Для получения белых и цветных резин применяются светлые усилители: тонкодисперсная кремнекислота (белая сажа), высокоактивная окись алюминия и др.

Синтезирование бутадиенового каучука

Бутадиеновый каучук получают путем реакции полимеризации бутадиен в растворе органического соединения, например толуола, олефинов и т.д. Бутадиен полимеризуются по непрерывной технологии в цепи следующих друг за другом связанных между собой реакторов в течение нескольких часов. Примерно 90% мономера превращается в итоге в полимер.

Исходное вещество, сырье для синтеза бутадиенового каучука

Бутадиеновый каучук получают путем синтеза из природных сельскохозяйственных материалов или нефтегазов.

• Природное с/х сырье. На территории России в качестве таких материалов используют зерно и картофель. В процессе брожения этих продуктов получают этиловый спирт, который становится исходным сырьем при производстве такого вещества, как бутадиен-1.3. Для получения бутадиенового каучука этот компонент подвергают полимеризации. Ниже представлена схема получения бутадиенового каучука из этилового спирта.

• Нефтяные газы. Синтез бутадиенового каучука достигается за счет дегидрирования бутана и бутилена, выделяемого из нефтегазов. Ниже представлена схема получения бутадиенового каучука из нефтегазов.

Как получают бутадиеновый каучук из этилового спирта, схема

Как получают бутадиеновый каучук из нефтегазов, схема

Синтез стереорегуляторного каучука

К стереорегулярным каучукам относятся такие соединения, в молекулах которых не меньше 85% мономерных групп. К ним относятся бутадиеновые каучуки, получаемые с помощью комплексных катализаторов Циглера-Натта ко­бальтового, никелевого и титанового типов, а также каучук, получаемой с помощью литий-органического катализатора.

Главное преимущество стереорегулярных каучуков – это отличные эластические и износостойкие свойства.

Способ получения нестереорегуляторного каучука СКВ (СКБ)

Нестереорегулярный и натрий-бутадиеновый каучук (СКВ), был впервые в мире получен в 1932 году советским химиком Лебедевым. Лебедев и его сотрудники предложили производить синтетический каучук из этилового спирта по революционно простой технологии. В синтезе каучука используется металлический натрий в качестве катализатора. Технология оказалась настолько успешной, что долгое время нестереорегулярный натрий-бутадиеновый каучук (СКБ) оставался самым распространенным в мире промышленным синтетическим каучуком.

Процесс получения СКВ связан с полимеризацией бутадиена, которая длится несколько десятков часов при температуре 50-60 С и максимальном давлении в полимеризаторе 0,9 МПа. Итоговый характеристики продукта СКВ таковы:

• цвет желтый с зеленоватым или коричневатым оттенком;
• по пластичности материал неоднородный, содержит примеси;
• легко окисляется.

Для улучшения технических свойств каучука его обрабатывают в вакуумсмесителе, очищают механически в несколько стадий и добавляют противостаритель. В итоге каучук выходит в виде тонкого однородного листа. Так получается рафинированный каучук.

В современной промышленности производство по этому методу уступило место более современным и эффективным технологиям.

Как маркируется СКВ

Каучуки СКВ бывают двух типов, которые зависят от способа полимеризации:

• стержневой,
• бесстержневой.

Марки каучука обозначают числом, соответствующим пластичности. Например, пластичность каучука марки 40 составляет 0,36—0.40.

Буквы в маркировке каучука добавляются для обозначения способа полимеризации, метода обработки, содержания мягчителей и назначения каучука к числовому обозначению марки каучука:

б – бесстержневая полимеризация;
в – пальцопанный;
д – повышенные диэлектрические свойства;
к  – брекированный;
р – рафинированный;
с – стержневая полимеризация;
щ – для резиновых изделий для пищевых продуктов;
э – предназначенный для эбонитовых и баллонных изделий.

Каталитической полимеризацией бутадиена в присутствии калия получают каучук СКВ, отличающийся повышенной морозостойкостью.

Полимеризацией бутадиена бесстержневым способом в присутствии лития в качестве катализатора получают каучук СКБМ. Этот каучук обладает еще более высокой морозостойкостью, чем СКВ.

Свойства бутадиенового каучука и получаемых из него резин

Бутадиеновые каучуки для улучшения последующих свойств объединяют в комплексы с другими веществами и каучуками с последующей вулканизацией смесей. Так можно добиться повышенных технических и физических характеристик.
Вулканизаты таких каучуков обладают хорошей газопроницаемостью. Морозостойкость таких вулканизатов зависит от их способности кристаллизоваться при понижении температуры. Существуют специальные способы улучшения показателя морозостойкости. 

Применение и сферы использования

Вулканизаты бутадиеновых каучуков являются резинами общего назначения. Они находят очень широкое применение в различных отраслях промышленности:

• Шинная промышленность;
• Станкостроение (конвейерные ленты, транспортеры);
• Резинотехническая промышленность;
• Производство кабелей и электроизоляции;
• Обувная промышленность (обувные компоненты, подошвы);
• Пищевая промышленность (производство жевательной резинки).

Также бутадиеновые каучуки и их производные задействованы в массовом производстве хозяйственных товаров (напольные покрытия, линолеум, товары для дома) и бытовых инструментов.

Смотрите также по теме «Бутадиеновый каучук: понятие, формула, синтез и применение»:

• Каучук: что это за материал, его свойства и применение