Где применяется натуральный каучук. История каучука. История открытия натурального каучука

Происхождение названия

Слово «каучук» происходит от двух слов языка тупи-гуарани: «кау» - дерево, «учу» - течь, плакать. «Каучу» - сок гевеи, первого и самого главного каучуконоса. Европейцы прибавили к этому слову всего одну букву.

Получение натурального каучука

Натуральный каучук получают коагуляцией млечного сока (латекса) каучуконосных растений. Основной компонент каучука - углеводород полиизопрен (91-96%).

Хотя у мира есть огромный аппетит к новой резине, мы также производим огромное количество резиновых отходов, особенно из отброшенных шин для автомобилей, и это становится важным сырьем в своем собственном праве. Хотя некоторые из них восстанавливаются, а другие чтобы сделать низкосортный агрегат, который можно использовать для полов в таких вещах, как детские игровые площадки, более половины из них потрачены впустую. Производители резины в последнее время обратили свое внимание на переработку шин по-разному, делая все от ковриков и спортивных сумм от мыши до подошв обуви и автомобильных компонентов.

Распространение каучуконосов

Природный каучук встречается в очень многих растениях, не составляющих одного определённого ботанического семейства. В зависимости от того, в каких тканях накапливается каучук, каучуконосные растения делят на:

паренхимные - каучук в корнях и стеблях;
хлоренхимные - каучук в листьях и зелёных тканях молодых побегов;
латексные - каучук в млечном соке.

Травянистые латексные каучуконосные растения из семейства сложноцветных (кок-сагыз, крым-сагыз и другие), произрастающие в умеренной зоне, в том числе в южных республиках, содержащие каучук в небольшом количестве в корнях, промышленного значения не имеют.
Среди травянистых растений России есть всем знакомые одуванчик, полынь и молочай, которые тоже содержат млечный сок.

Фото: половина резины используется в автомобильных шинах, а сотни миллионов ежегодно тратятся впустую. Он окрашен в черный цвет, потому что он изготовлен из твердой вулканизированной резины. Резина - натуральный полимер изопрена. Это линейный, 1, 4-аддитивный полимер изопрена. Натуральный каучук обладает эластичными свойствами, и он подвергается длительному обратному расширению, даже если к нему применена относительно небольшая сила. Поэтому он также известен как эластомер.

С ее рецензиями она стремится сделать каждую сложную концепцию химии простой, простой для озадаченных умов. Натуральный каучук получают из латекса, который представляет собой коллоидный раствор каучука в воде. Индонезия, Малайзия, Шри-Ланка, Южная Америка и Индия имеют богатый ресурс натурального каучука.

Промышленное значение имеют латексные деревья, которые не только накапливают каучук в большом количестве, но и легко его отдают; из них наиважнейшее - гевея бразильская (Hevea brasiliensis), дающая по разным оценкам от 90 до 96% мирового производства натурального каучука.

Сырой каучук из других растительных источников обычно засорён примесями смол, которые должны быть удалены. Такие сырые каучуки содержат гуттаперчу - продукт некоторых тропических деревьев семейства сапотовых (Sapotaceae).

Чтобы понять структуру резины, мы сосредоточимся на структуре изопрена. Изопрен представляет собой сопряженный диен, содержащий двойные связи в альтернативном положении. Изопрен подвергается свободнорадикальной полимеризации, такой как замещенный этилен. Изопрен полимеризуется с получением полиизопренового полимера, простого алкена, имеющего каждую единицу, все еще содержащую одну двойную связь.

Теперь, полимеризация изопрена может следовать либо из двух путей; либо цис-полимеризации, либо трансполимеризации. Резина, образованная из цис-полимеризации, называется цис-полиизопреном или натуральным каучуком. Аналогично, резина, полученная из транс-полимеризации, называется синтетической резиной.

В течение Второй мировой войны (1939-1945) по экономическим причинам были культивированы другие, нетропические источники каучука: гуайуль (guayule) мексиканского происхождения, а также одуванчик кок-сагыз (Taraxatum kok- saghyz), произрастающий на территории Западного Туркестана.

Каучуконосы лучше всего произрастают не далее 10° от экватора на север и юг. Поэтому эта полоса шириной 1300 километров по обе стороны от экватора известна как «каучуковый пояс». Дело в том, что для каучуконосов требуется очень тёплый и влажный климат и плодородная почва. Развитие автомобильной промышленности значительно повысило потребности в резине и, соответственно, в каучуке. Поэтому появились новые плантации гевей: молодые деревца из Южной Америки посадили в Малайзии, на Шри-Ланке и в Индонезии. Они отлично прижились и дают большой урожай.

Наблюдая структуру природного каучука, мы можем заключить, что в этой структуре нет полярной группы. В результате этого межмолекулярные силы притяжения являются слабыми силами Вандерваля притяжения. Эти силы притяжения еще более ослаблены из-за цис-конфигурации всех двойных связей, что не позволяет тесного взаимодействия полимерных цепей. Таким образом, натуральный каучук не имеет прямой цепи, но имеет свернутую структуру. В результате этого он приобретает упругое свойство.

Свойства образовавшейся таким образом резины определяются природой замещающих групп. Например, полихлоропрен уступает каучуку по некоторым свойствам, но превосходит по своей устойчивости к маслам органические растворители. Эти различия обусловлены различием в характере их мономеров: изопрена и хлоропрена.

Сбор латекса и производство натурального каучука

Это высокое стройное дерево может достигать 45 метров в высоту при 2,5-2,8 м в обхвате. Родиной гевеи является бассейн Амазонки - великой водной магистрали. Отсюда вывозился первый каучук в Европу.

Каучук в гевее содержится в млечном соке - латексе, распределённом в млечных каналах, которые образуют в стволе концентрические кольца.

Синтетический каучук был получен путем свободнорадикальной полимеризации изопрена. Полученная таким образом резина имеет всю конфигурацию. В результате синтетический каучук имеет очень регулярную зигзагообразную цепь, которая не может быть растянута. Неопрен представляет собой полимер хлоропрена. Он также известен как Полихлоропрен. Хлоропрен, необходимый для этого процесса, синтезируется из винилацетилена, который выполняет добавление Марковикова в кислой среде для получения хлоропрена. Полученный хлоропрен подвергается полимеризации с получением неопрена.

Латекс состоит из мельчайших частичек жидкости, твёрдых частиц и других примесей. Только около 33% латекса составляет каучук, 66% вода и около 1% другие вещества.

Для сбора латекса с деревьев на коре делается диагональный остроугольный надрез, вершиной угла направленный вниз, затем надрез расширяют до 0,3-0,5 от окружности ствола. Из надреза выделяется латекс и стекает в небольшую чашу. С каждого надреза получается около 30 мл латекса. После этого обычно на следующий день ниже первоначального надреза обдирается тонкая полоска коры, чтобы получить новый сок. Когда надрезы достигают поверхности земли, ствол оставляют в покое, чтобы он смог восстановить кору на дереве перед новой подсочкой. На 1 гектаре высаживается около 250 деревьев, в год с 1 гектара получают около 450 кг сухого необработанного каучука. Со специально выведенных высокоурожайных деревьев можно получить 2225 кг с гектара в год, были разработаны опытные деревья с урожайностью до 3335 кг с гектара в год.

Хотя для этого процесса не требуется никаких конкретных катализаторов, но полимеризация становится быстрее в присутствии кислорода или пероксида. Примечание. Полимеризация хлоропрена в 700 раз быстрее, чем изопрен. Он используется при изготовлении шлангов, прокладок, ботинок, пробок, конвейерных лент и печатных роликов и т.д. он также используется в качестве изолятора.

Он используется для изготовления напольной плитки, компонентов обуви, изоляции кабелей и т.д.

Это очень жесткая и хорошая замена натурального каучука.
Он обладает высокой устойчивостью к истиранию.
Он имеет высокую несущую способность.
Он используется для изготовления автомобильных шин.

Тиокол получают путем сополимеризации 1, 2-дихлорэтана с тетрасульфидом натрия в присутствии гидроксида магния.

Полученный латекс растягивают, разбавляют водой и подвергают коагуляции путём обработки кислотой, чтобы частицы каучука в латексе сцепились друг с другом. Затем производят протягивание между валками, придавая листам толщину 0,25 дюйма (?0,6 см), полученные листы высушивают путём обдувания сухим тёплым воздухом или дымом, и отправляют на погрузку.

Примечание: Тиокол также известен как полисульфидный каучук. Прочность на растяжение немного меньше, чем у натурального каучука. Он отличается от вулканизированной резины. Мягкость натурального каучука увеличивается с увеличением температуры, а хрупкость увеличивается при низкой температуре.

Поэтому идеальная температура для использования резины составляет 283 - 335 К, где сохраняется ее эластичность. Другими свойствами, которые снижают качество натурального каучука, являются. Свойства натурального каучука можно улучшить с помощью процесса, называемого вулканизацией. В отсутствие катализатора процесс вулканизации медленный. Для ускорения скорости вулканизации добавляется некоторая добавка, такая как оксид цинка.

Физические и химические свойства натурального каучука

Натуральный каучук - аморфное, способное кристаллизоваться твёрдое тело.
Природный необработанный (сырой) каучук - белый или бесцветный углеводород.

Он не набухает и не растворяется в воде, спирте, ацетоне и ряде других жидкостей. Набухая и затем растворяясь в жирных и ароматических углеводородах (бензине, бензоле, эфире и других) и их производных, каучук образует коллоидные растворы, широко используемые в технике.
Натуральный каучук однороден по своей молекулярной структуре, отличается высокими физическими свойствами, а также технологическими, то есть, способностью обрабатываться на оборудовании заводов резиновой промышленности.

Особенно важным и специфическим свойством каучука является его эластичность (упругость) - способность каучука восстанавливать свою первоначальную форму после прекращения действия сил, вызвавших деформацию.

Каучук - высокоэластичный продукт, обладает при действии даже малых усилий обратимой деформацией растяжения до 1000%, а у обычных твёрдых тел эта величина не превышает 1%. Эластичность каучука сохраняется в широких температурных пределах, и это является характерным его свойством. Но при долгом хранении каучук твердеет.
При температуре жидкого воздуха –195°C он жёсткий и прозрачный; от 0 ° до 10 °C - хрупкий и уже непрозрачный, а при 20 °C - мягкий, упругий и полупрозрачный. При нагреве свыше 50 °C он становится пластичным и липким; при температуре 80 °C натуральный каучук теряет эластичность; при 120 °C - превращается в смолоподобную жидкость, после застывания которой уже невозможно получить первоначальный продукт. Если поднять температуру до 200-250 °C, то каучук разлагается с образованием ряда газообразных и жидких продуктов.

Разница между вулканизированной резиной и натуральным каучуком

Новый или вулканизированный каучук имеет свойства, которые прямо противоположны натуральному каучуку.

Вулканизированная резина обладает отличной эластичностью.
Низкая склонность к поглощению воды.
Она устойчива к действию органических растворителей.
Она устойчива к воздействию окислителей.

Вулканизированная резина - улучшенная форма натурального каучука.

В вулканизированном каучуке серные мостики вводят либо на их реакционноспособные аллильные участки, либо в месте двойной связи. Наличие двойной связи в молекуле каучука делает ее очень реакционной, поскольку она обеспечивает аллильный водород, что позволяет образовывать поперечные связи между различными цепями. Наличие этих поперечных связей увеличивает прочность, прочность и твердость резины. Из-за присутствия серовых мостов отдельные цепи больше не могут скользить друг над другом, а заперты вместе в молекуле гигантского размера.

Каучук - хороший диэлектрик, он имеет низкую водо- и газопроницаемость.

Каучук не растворяется в воде, щёлочи и слабых кислотах; в этиловом спирте его растворимость небольшая, а в сероуглероде, хлороформе и бензине он сначала набухает, а уж затем растворяется.
Легко окисляется химическими окислителями, медленно - кислородом воздуха.
Теплопроводность каучука в 100 раз меньше теплопроводности стали.
Наряду с эластичностью, каучук ещё и пластичен - он сохраняет форму, приобретённую под действием внешних сил. Пластичность каучука, проявляющаяся при нагревании и механической обработке, является одним из отличительных свойств каучука. Так как каучуку присущи эластические и пластические свойства, то его часто называют пласто-эластическим материалом.
При охлаждении или растяжении натурального каучука наблюдается переход его из аморфного в кристаллическое состояние (кристаллизация). Процесс происходит не мгновенно, а во времени. При этом в случае растяжения каучук нагревается за счёт выделяющейся теплоты кристаллизации. Кристаллы каучука очень малы, они лишены чётких граней и определённой геометрической формы.

При температуре около –70 °C каучук полностью теряет эластичность и превращается в стеклообразную массу.

Примечание: Количество серы, используемое для процесса вулканизации, определяет степень твердости или вязкости резины. 5%. Используется для производства резиновой резины, 20-25%. Для производства эбонита используется сера. 30% серы используется для изготовления резинового корпуса для батарей.

Синтетический каучук представляет собой искусственную резину, которая производится на заводах-изготовителях, синтезируя их из нефти и других полезных ископаемых. Синтетический каучук в основном представляет собой полимер или искусственный полимер. Он обладает свойством преодолевать эластичную растяжимость или деформацию под действием напряжения, но может также вернуться к прежнему размеру без постоянной деформации. Эта страница посвящена различным типам синтетических каучуков. Однако, прежде чем понимать типы синтетического каучука, желательно узнать о видах резины, доступных в современном мире.

Вообще все каучуки, как аморфные материалы, могут находиться в трёх физических состояниях: стеклообразном, высокоэластическом и вязкотекучем.

Высокоэластическое состояние для каучука наиболее типично.

Каучук легко вступает в химические реакции с целым рядом веществ: кислородом (O2), водородом (H2), галогенами (Cl2, Br2), серой (S) и другими. Эта высокая реакционная способность каучука объясняется его ненасыщенной химической природой. Особенно хорошо реакции проходят в растворах каучука, в которых каучук находится в виде молекул сравнительно крупных коллоидных частиц.

Почти все химические реакции приводят к изменению физических и химических свойств каучука: растворимости, прочности, эластичности и других. Кислород и, особенно, озон, окисляют каучук уже при комнатной температуре. Внедряясь в сложные и большие молекулы каучука, молекулы кислорода разрывают их на более мелкие, и каучук, деструктурируясь, становится хрупким и теряет свои ценные технические свойства.
Процесс окисления лежит также в основе одного из превращений каучука - перехода его из твёрдого в пластичное состояние.

Типы резины - Типы резины

Каковы химические типы в синтетическом каучуке

Что привело к разработке синтетической резины. Поиски синтетических материалов, которые могут быть заменены природными веществами, давно стали проблемой для химиков. Тем не менее, эти продукты были произведены в относительно небольших масштабах.

Напротив, натуральный каучук был товаром огромного экономического и военного значения. Автомобильная промышленность быстро развивалась до любого размера. Современная нация не могла надеяться защищаться без резины. В строительстве военного самолета использовалась половина тонны резины; танк требовал около одной тонны и броненосец, 75 тонн. Каждому военнослужащему требовалось 32 фунта резины для обуви, одежды и оборудования.

Натуральный каучук однороден по своей молекулярной структуре, отличается высокими физическими свойствами, а также технологическими, то есть, способностью обрабатываться на оборудовании заводов резиновой промышленности.

Особенно важным и специфическим свойством каучука является его эластичность (упругость) - способность каучука восстанавливать свою первоначальную форму после прекращения действия сил, вызвавших деформацию. Каучук - высокоэластичный продукт, обладает при действии даже малых усилий обратимой деформацией растяжения до 1000%, а у обычных твёрдых тел эта величина не превышает 1%. Эластичность каучука сохраняется в широких температурных пределах, и это является характерным его свойством. Но при долгом хранении каучук твердеет.

Шины были необходимы для всех видов транспортных средств и самолетов. Американская резиновая промышленность стала крупнейшей и самой технологически развитой в мире. С. чтобы приступить к осуществлению программы по замене этого существенного материала быстро и в очень больших масштабах. Была реальная опасность, что война будет потеряна, если американские ученые и технологи не смогут заменить почти миллион тонн натурального каучука синтетическим заменителем в течение 18 месяцев.

Для работы этого промышленного и научного чуда правительство США объединило свои силы с резиновыми компаниями, молодой нефтехимической промышленностью и университетскими исследовательскими лабораториями. Результирующая программа синтетического каучука была замечательным научно-техническим достижением.

При температуре жидкого воздуха –195°C он жёсткий и прозрачный; от 0 ° до 10 °C - хрупкий и уже непрозрачный, а при 20 °C - мягкий, упругий и полупрозрачный. При нагреве свыше 50 °C он становится пластичным и липким; при температуре 80 °C натуральный каучук теряет эластичность; при 120 °C - превращается в смолоподобную жидкость, после застывания которой уже невозможно получить первоначальный продукт. Если поднять температуру до 200-250 °C, то каучук разлагается с образованием ряда газообразных и жидких продуктов.

Последствия для резиновой промышленности оказались постоянными. Натуральный каучук известен веками. Он получен в основном из латекса каучукового дерева, которое является родным для Южной Америки. Его вскоре назвали «резиной». Первым основным применением для резины была ткань с воздушным шаром, ткань покрыта каучуком, растворенным в скипидаре.

Несмотря на то, что резина захватила воображение публики, возникли проблемы. Резина зимой сильно замерзла, а летом она растаяла. Именно Чарльз Гудиер обнаружил способ вылечить натуральный каучук, чтобы сделать его более полезным. Этот процесс, вулканизация, сделал резину более устойчивой к изменениям температуры и ускорила рост резиновой промышленности.

Каучук - хороший диэлектрик, он имеет низкую водо- и газопроницаемость.

Каучук не растворяется в воде, щёлочи и слабых кислотах; в этиловом спирте его растворимость небольшая, а в сероуглероде, хлороформе и бензине он сначала набухает, а уж затем растворяется.

Легко окисляется химическими окислителями, медленно - кислородом воздуха.

Ранние исследования в синтетической каучуке

Однако Бушардат получил изопрен из натурального каучука; первый по-настоящему синтетический каучук был сделан Уильямом Тилденом три года спустя. Тильден получил изопрен, растрескивая скипидар, но процесс его превращения в резину занял несколько недель.

Метиловый каучук был изготовлен в больших масштабах во время Первой мировой войны, когда блокада остановила импорт натурального каучука в Германию. Потому что метил каучук был дорогой и низшей имитацией, производство было прекращено на войне. Их работа включала дегидрирование, реакцию, которая удаляет атомы водорода из молекул углеводородов.

Теплопроводность каучука в 100 раз меньше теплопроводности стали.

Наряду с эластичностью, каучук ещё и пластичен - он сохраняет форму, приобретённую под действием внешних сил. Пластичность каучука, проявляющаяся при нагревании и механической обработке, является одним из отличительных свойств каучука. Так как каучуку присущи эластические и пластические свойства, то его часто называют пласто-эластическим материалом.

Открытие катализаторов для ускорения реакции наряду с процедурами очистки и модификациями процесса позволило широкомасштабное производство бутадиена. Фарбеном и через Совместную американскую исследовательскую компанию обменяла техническую информацию о синтетическом каучуке и других разработках. Их коллективные технические знания были значительными для успешного результата программы синтетического каучука.

Семона, создали экспериментальную установку на 100 фунтов в день для сополимеризации бутадиена с метилметакрилатом для производства резина для применения в шинах. Консервация, регенерация и накопление запасов не могут заполнить пробел в потреблении каучука. Ситуация стала еще более критической, поскольку потребность в резине для военных усилий увеличилась. Комптон, президент Массачусетского технологического института. В замечательно короткое время одного месяца комитет Баруха сформулировал свои рекомендации, два из которых были важны для решения каучукового кризиса: назначение резин-директора, который имел бы полный контроль над поставкой и использованием резины, и строительство и эксплуатация 51 завода для производства мономеров и полимеров, необходимых для производства синтетического каучука.

При охлаждении или растяжении натурального каучука наблюдается переход его из аморфного в кристаллическое состояние (кристаллизация). Процесс происходит не мгновенно, а во времени. При этом в случае растяжения каучук нагревается за счёт выделяющейся теплоты кристаллизации. Кристаллы каучука очень малы, они лишены чётких граней и определённой геометрической формы. При температуре около –70 °C каучук полностью теряет эластичность и превращается в стеклообразную массу.

Вообще все каучуки, как аморфные материалы, могут находиться в трёх физических состояниях: стеклообразном, высокоэластическом и вязкотекучем. Высокоэластическое состояние для каучука наиболее типично.

Каучук легко вступает в химические реакции с целым рядом веществ: кислородом (O2), водородом (H2), галогенами (Cl2, Br2), серой (S) и другими. Эта высокая реакционная способность каучука объясняется его ненасыщенной химической природой. Особенно хорошо реакции проходят в растворах каучука, в которых каучук находится в виде молекул сравнительно крупных коллоидных частиц.

Почти все химические реакции приводят к изменению физических и химических свойств каучука: растворимости, прочности, эластичности и других. Кислород и, особенно, озон, окисляют каучук уже при комнатной температуре. Внедряясь в сложные и большие молекулы каучука, молекулы кислорода разрывают их на более мелкие, и каучук, деструктурируясь, становится хрупким и теряет свои ценные технические свойства. Процесс окисления лежит также в основе одного из превращений каучука - перехода его из твёрдого в пластичное состояние.

Состав и строение натурального каучука

Натуральный (природный) каучук (НК) 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:

Как видно из этой схемы, при полимеризации изопрена раскрываются обе его двойные связи, а в элементарном звене полимера двойная связь возникает на новом месте - между атомами углерода 2 и 3.

Природный каучук содержится в млечном соке каучуконосных растений, главным образом, тропических (например, бразильского дерева гевея).

Другой природный продукт - гуттаперча - также является полимером изопрена, но с иной конфигурацией молекул.

Длинную молекулу каучука можно было бы наблюдать непосредственно при помощи современных микроскопов, но это не удаётся, так как цепочка слишком тонка: диаметр её, соответствующий диаметру одной молекулы, составляет примерно 2∙10-10 м. Если макромолекулу каучука растянуть до предела, то она будет иметь вид зигзага, что объясняется характером химических связей между атомами углерода, составляющими скелет молекулы.

Звенья молекулы каучука могут вращаться не беспрепятственно в любом направлении, а ограниченно - только вокруг одинарных связей. Тепловые колебания звеньев заставляют молекулу изгибаться, при этом концы её в спокойном состоянии сближены.

При растяжении каучука концы молекул раздвигаются и молекулы ориентируются по направлению растягивающего усилия. Если устранить усилие, вызвавшее растяжение каучука, то концы его молекул вновь сближаются и образец принимает первоначальную форму и размеры.

Молекулу каучука можно представить себе как круглую, незамкнутую пружину, которую можно сильно растянуть, разведя её концы. Освобождённая пружина вновь принимает прежнее положение. Некоторые исследователи представляют молекулу каучука в виде пружинящей спирали.

Качественный анализ показывает, что каучук состоит из двух элементов - углерода и водорода, то есть, относится к классу углеводородов. Первоначально принятая формула каучука была C5H8, 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.

Экспериментально доказано, что в основном макромолекулы натурального каучука состоят из остатков молекул изопрена, а сам натуральный каучук - природный полимер цис-1,4-полиизопрен. Структурная формула его такова:

Молекула натурального каучука состоит из нескольких тысяч исходных химических групп (звеньев), соединённых друг с другом и находящихся в непрерывном колебательно-вращательном движении. Такая молекула похожа на спутанный клубок, в котором составляющие его нити местами образуют правильно ориентированные участки.

Основной продукт разложения каучука - углеводород, молекулярная формула которого однозначна с простейшей формулой каучука. Это изопрен (2-метил-1,3-бутадиен):