Синтетические каучуки. Производство каучука: описание технологии изготовления Применение синтетических каучуков

Промышленность полимерных материалов (полимеров)

Это главная отрасль нефтехимии (производство синтетических смол, пластмасс, химических волокон, синтетического каучука), где начальные стадии технологического процесса привязаны к источникам сырья, а последующая переработка ориентируется на потребителя и потому может осуществляться в других регионах.

Изменения в технологии и сырьевой базе химии полимеров (переход от ранее использовавшихся отходов переработки древесного и сельскохозяйственного сырья на нефть и газ), развитие трубопроводного транспорта привели к существенным сдвигам в географии отрасли.

Вырабатывается углеводородное нефтегазовое сырье на нефтеперерабатывающих и газобензиновых заводах, основная часть которых сконцентрирована в европейской части страны. Они размещаются в районах добычи нефти и газа (Поволжье, Урал, Северный Кавказ, Западная Сибирь) или ориентируются на потребителя, располагаясь на трассах и в конечных пунктах магистральных нефте- и газопроводов (Ярославль, Рязань, Москва, Нижний Новгород, Омск, Тобольск и др.).

В химии полимеров выделяют несколько направлений.

Производство синтетических смол и пластических масс наиболее крупное направление химической промышленности, которое исторически сложилось в Центральном (Москва, Владимир), Приволжском (Казань, Дзержинск, Уфа), Уральском (Нижний Тагил, Салават, Екатеринбург), Сибирском (Тюмень, Кемерово, Новосибирск), Северо- Западном (Санкт-Петербург), Южном (Волгоградская, Ростовская области и Краснодарский край), Северо-Кавказском (Ставропольский край) федеральных округах.

Крупнейший российский производитель синтетических смол и пластмасс – ОАО "Уралхимпласт", основные производственные мощности которого находятся в Нижнем Тагиле (Свердловская область). Холдинг занимает ключевые позиции на рынках многих видов товаров химической продукции.

Отдельные технологически зависимые предприятия отрасли обычно являются монопольными поставщиками и потребителями полуфабрикатов и связаны продуктопро- водами, например "Саянскхимпласт" и Ангарский завод полимеров (этилен), "Казаньоргсинтез" и "Нижнекамск нефтехим" (этилен), "Каустик" (Стерлитамак) и "Салаватнефтеоргсинтез" (этилен).

Промышленность химических волокон и нитей, которые бывают искусственными и синтетическими, требует большого количества сырья, материалов, топлива и воды. Искусственные волокна из природных полимеров служат для производства ацетата и вискозы. Предприятия по их выпуску расположены в Балаково, Рязани, Твери, Санкт-Петербурге, Красноярске, восстанавливается завод в г. Шуя (Ивановская область).

Комбинаты по изготовлению синтетических волокон (капрон, лавсан) работают в Курске, Саратове, Волжском. Совместное производство искусственных и синтетических волокон находится в городах Клин, Серпухов, Энгельс, Барнаул. Основное количество химических волокон (более 2/3) вырабатывается в европейской части страны, ориентируясь на размещение текстильной промышленности.

Производство синтетического каучука

Каучук как сырье используется для изготовления шин (65–70%) и резинотехнических изделий (около 25%).

Предприятия по производству синтетического каучука первоначально возникли на основе использования этилового спирта из пищевого сырья – картофеля, зерна (города Ярославль, Ефремов, Воронеж, Казань), затем гидролизного спирта (Красноярск). Начиная с 1960-х гг. они перешли на углеводородное сырье, получаемое при переработке нефти, попутных нефтяных газов и природного газа. Основные регионы производства синтетического каучука – Поволжье (Тольятти, Нижнекамск, Казань), Урал (Стерлитамак), юг Сибири (Омск, Красноярск). Суммарная мощность заводов синтетического каучука в стране оценивается более чем в 2 млн т, а его производство в 2011 г. составило 1,4 млн т.

Ведущей компанией на рынке синтетических каучуков является "СИБУР", на долю которой приходится свыше 2/5 их производства в России. Компания объединяет крупнейших производителей синтетического каучука – ООО "Воронежсинтезкаучук", ООО "Тольяттикаучук" и ОАО "Красноярский завод синтетического каучука".

Производство синтетического каучука приближено к центрам шинного и резинотехнического производства. Существуют целые комплексы взаимосвязанных производств: нефтепереработка – синтетический каучук – шинное производство (Омск, Ярославль); гидролиз древесины – этиловый спирт – синтетический каучук – производство шин (Красноярск).

Наибольшее развитие химический комплекс получил в четырех федеральных округах: Приволжском (доля округа в общем объеме производства химического комплекса РФ составляет 44%), Центральном (24%), Сибирском (11%) и Южном (10%).

В химической индустрии получили широкое развитие процессы территориальной концентрации и комбинирования производства. Крупнейшие химические узлы сформировались в ряде регионов страны: в республиках Татарстан и Башкортостан, Алтайском, Пермском и Красноярском краях, Тульской, Тюменской, Ярославской, Нижегородской, Волгоградской, Самарской, Кемеровской и Иркутской областях, что, с одной стороны, в значительной степени способствовало социально-экономическому развитию этих регионов, но с другой – существенно обострило в них экологическую обстановку и качество жизни населения. Ведь химический комплекс является крупным загрязнителем окружающей среды: по сбросу загрязненных сточных вод он занимает 2-е место (по общему объему выбросов вредных веществ в атмосферу – 10-е место) среди отраслей промышленности.

За последние полвека химическая промышленность прошла непростой путь: от бурного развития в 1950–1980-х гг., когда в отрасли был создан значительный производственный потенциал, до упадка в конце 1980-х гг., когда темпы капитального строительства резко снизились, а в 1990-е гг. инвестиции в отрасль практически прекратились.

Сегодня позиции России на мировом рынке химических товаров существенно различаются для разных товарных групп. Так, по производству минеральных удобрений отечественная химическая промышленность – один из мировых лидеров: ей принадлежит 3-е место. По объему производства синтетических каучуков Россия занимает 4-е место в мире (10% мирового производства), но по производству полипропиленов только 13-е место (1–2%), а нефтехимической продукции – 19-е место (1%). Выпуск многих прогрессивных видов химической продукции, даже необходимых для самой российской экономики, незначителен или вовсе отсутствует.

В то же время производство продукции относительно глубокой переработки в целом стагнировало, что привело к захвату российского рынка иностранными производителями, в результате чего с начала 2000-х гг. Россия превратилась в нетто-импортера химической продукции.

Будущее химической промышленности России тесным образом связано с перспективами развития мирового рынка химической продукции. По оценке экспертов, к 2030 г. он может превысить 4 трлн долл., что обусловлено ростом населения планеты. С учетом сложившихся тенденций среднегодовой рост оборота химической продукции прогнозируется до 2030 г. для Китая на уровне 13%, Индии – 11, России – 5, Европейского союза (ЕС) – 4, США – 3%. В это время основным направлением развития химии будет создание качественно новых высокотехнологичных материалов. Решение этой задачи и структурная модернизация отраслей химического комплекса связаны с деятельным участием государства в реализации приоритетов, провозглашенных им в Концепции социально-экономического развития России до 2020 года.

В настоящее время основными факторами, сдерживающими развитие отрасли, являются: недостаточная инвестиционная активность; ограничение доступа российской химической продукции на рынки отдельных зарубежных стран; высокая доля импортозависимости от поставок химической продукции; несоответствие имеющейся транспортной инфраструктуры экспортному потенциалу отрасли; рост цен (тарифов) на продукцию (услуги) субъектов естественных монополий, который будет сдерживать темпы роста производства азотных удобрений, аммиака, пластмасс и повлечет рост цен на них; недостаточные темпы внедрения инновационных технологий с использованием химической продукции в смежных областях (строительство, ЖКХ, автомобилестроение и др.).

Главная цель Стратегии развития химической и нефтехимической промышленности России до 2015 года, утвержденной приказом Минпромэнерго России от 14 марта 2008 г. № 119, и проекта "План развития газо- и нефтехимии России на период до 2030 года" (Плане-2030), разрабатываемого Минэнерго России, – повышение конкурентоспособности и объемов выпуска разнообразной химической продукции российскими предприятиями, прежде всего – на основе создания и внедрения ресурсосберегающих технологий.

Развитие мощностей отечественной нефтегазохимии в Плане-2030 предполагается осуществлять в рамках шести кластеров: Волжского, Западно-Сибирского, Каспийского,

Восточно-Сибирского, Дальневосточного и Северо-Западного. Они создаются вблизи источников сырья и рынков сбыта. Функционирование кластеров предполагает активное взаимодействие предприятий всей нефтехимической производственной цепочки, включая производителей конечной продукции, органов местного управления, научных институтов, вузов.

В 2015 г. доля химической промышленности в ВВП должна увеличиться с 1,7 до 3%. При этом объемы производства должны вырасти в три-четыре раза, а доля продуктов высокого передела возрасти с 30 до 70% при соответствующем сокращении доли сырья. Всего в нефтехимическую и химическую отрасли в рамках стратегии планируется вложить около 4 трлн руб., включая расходы на НИОКР. Однако в стратегии больше внимания следует уделять и мерам, направленным на экологизацию химического производства, внедрение инновационных технологий и ресурсосбережению.

В стратегии определены основные направления структурной перестройки отрасли на основе государственной поддержки: стимулирование инновационной и инвестиционной активности; осуществление таможенно-тарифной политики с целью защиты отечественного товаропроизводителя на внутреннем и внешнем рынках; проведение инвестиционных преобразований для более эффективного управления химическим комплексом РФ; совершенствование российского законодательства с целью создания благоприятных условий для развития химического сектора экономики.

Синтетические каучуки представляют собой полимеры, способные перерабатываться в резину с помощью вулканизации. Их появлению предшествовал дефицит натурального каучука и растущий спрос на эластомеры. В настоящее время на рынке присутствует огромное количество марок синтетических каучуков различных по свойствам и назначению. Условно их можно разделить на два больших класса: каучуки общего и специального назначения.

Синтетический каучук общего назначения применяется в производстве автомобильных шин и деталей, уплотнительных колец и других изделиях широкого потребления. Как правило, каучуки общего назначения сочетают в себе большое количество свойств, что делает их более универсальными по сравнению с каучуками специального назначения. Однако узкая сфера применения того или иного синтетического полимера объясняется идеальной балансировкой его рецептуры с целью достижения необходимых свойств.

Получение синтетического каучука происходит путем полимеризации мономеров, полученных из фракций сырой нефти. В зависимости от среды протекания реакции, различают четыре вида полимеризации: жидкофазная, эмульсионная, газофазная и растворная. От способа производства каучука напрямую зависят его свойства. Например, бутадиен-стирольный синтетический каучук, занимающий более 50% рынка производства синтетических каучуков, благодаря его внедрению в автопромышленность, производится путем высокотемпературной эмульсионной полимеризации. Этот способ позволяет добиться оптимальных физический свойств того или иного типа резиновых изделий. Производство синтетического каучука напрямую зависит от используемых мономеров: бутадиен, стирол, изопрен, пропилен, бензол, изопрен, этилен. Их сочетание и способ полимеризации определяет конечные свойства каучука, а также его назначение.

В сравнении с природным каучуком его синтетический аналог является более выгодным и перспективным материалом. Во-первых, он более универсален. Современные способы производства позволяют получить материал, обладающий оптимальными свойствами для той или иной сферы применения. Кроме того, производство синтетических каучуков обходится гораздо дешевле.

В последние годы синтетические каучуки нашли широкое применение не только в автомобильной промышленности, но и в звуко-, тепло-, гидро- и воздухоизоляции зданий, а также в производстве пневматической, гидравлической, медицинской и вакуумной технике. Кроме того, этот материал широко используется в ракетостроении в качестве полимерной основы для производства твердого ракетного топлива с порошком аммиачной селитры в качестве наполнителя.

осуществляется из синтетического спирта на базе продуктов нефте- и газопереработки, лесной промышленности, карбида кальция. Из каучука делают шины и разнообразные резиновые изделия.

Основные центры производства синтетического каучука :

Воронеж;

Ефремов;

Ярославль;

Красноярск;

Стерлитамак;

Тольятти и др.

Наиболее крупные шинные заводы :

. Московский,

Нижнекамский,

Уральский,

Кировский,

Барнаульский,

. Воронежский и др.

Производство синтетических смол и пластмасс. Сырьем для производства пластмасс - полиэтилена, полипропилена, поли­стирола, термопластов являются продукты нефте- и газопере­работки, уголь, попутный газ, частично древесина.

Предприятия находятся :

В Москве;

Владимире;

Санкт-Петербурге;

Волгограде;

Нижнем Тагиле;

Тюмени и др.

Производство химических волокон и нитей. Химические волок­на и нити подразделяются на искусственные, получаемые в ре­зультате химической переработки природных полимеров (цел­люлозы), и синтетические, вырабатываемые из синтетических полимеров (сырьем являются продукты нефте- и газоперера­ботки. Факторы размещения - топливный и водный.

Центры производства :

Балаково;

Барнаул;

Красноярск и др.

Производство химических волокон и нитей имеет очень боль­шое значение для России как страны с развитой текстильной промышленностью, но одновременно и с крайне ограниченной природной сырьевой базой для производства тканей.

Микробиологическая промышленность производит :

Кормовые дрожжи;

Аминокислоты;

Витамины;

Ферментные препараты;

Антибиотики;

Препараты для защиты растений от вредителей и болезней и пр.

Производство базируется на использовании углеводородного сырья и сырья растительного происхождения, перерабатывае­мого с помощью микроорганизмов. Для данного производства характерна высокая материалоемкость, сырьевой фактор явля­ется ведущим в размещении. Основные иентры микробиологиче­ской промышленности :

Нижний Новгород;

Красноярск;

Архангельск;

Волгоград.

4. Основные предприятия химико-фармацевтической промышлен­ности расположены в Москве, Московской области, Санкт-Петербурге. В настоящее время ряд отечественных лекарств не выдерживает конкуренции с зарубежными, которые в массо­вом порядке импортируются в Россию. Это экономически подрывает отечественное производство лекарств.

Каучуки — натуральные или синтетические материалы, характеризующиеся эластичностью, водонепроницаемостью и электроизоляционными свойствами, из которых путём специальной обработки получают резину. Природный каучук получают из жидкости молочно-белого цвета, называемой латексом, — млечного сока каучуконосных растений.

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

Что такое синтетический каучук? Это - синтетические полимеры, способные перерабатываться в резину путем вулканизации, составляют основную массу эластомеров. В каком из городов производят каучук в России? Например, в Тольятти, Красноярске.

Синтетический каучук - высокополимерный, каучукоподобный материал. Его получают полимеризацией или сополимеризацией бутадиена, стирола, изопрена, неопрена, хлорпрена, изобутилена, нитрила акриловой кислоты. Подобно натуральным каучукам, синтетические имеют длинные макромолекулярные цепи, иногда разветвленные, со средним молекулярным весом, равным сотням тысяч и даже миллионам. Полимерные цепи в синтетическом каучуке в большинстве случаев имеют двойные связи, благодаря которым при вулканизации образуется пространственная сетка, получаемая при этом резина, приобретает характерные физико-механические свойства.

Обычно приняты классификация и наименование каучуков по мономерам, использованным для их получения (изопреновые, бутадиеновые и т. д.) или по характерной группировке (атомам) в основной цепи или боковых группах (уретановые, полисульфидные и др.) Синтетические каучуки также подразделяют по признакам, например, по содержанию наполнителей (наполненные и ненаполненные), по молекулярной массе (консистенции) и выпускной форме (твердые, жидкие, порошкообр.). Часть синтетических каучуков выпускают в виде водных дисперсий - синтетических латексов. Особую группу каучуков составляют - термоэластопласты.

Некоторые виды синтетических каучуков (например полизобутилен, силиконовый каучук) представляют собой полностью предельные соединения, поэтому для их вулканизации применяют органические перекиси, амины и др. вещества. Отдельные виды синтетических каучуков по ряду технических свойств превосходят натуральный каучук.

По области применения синтетические каучуки разделяют на каучуки общего и специального назначения. К каучукам общего назначения относят каучуки с комплексом достаточно высоких технических свойств (прочность, эластичность и др.), пригодных для массового изготовления широкого круга изделий. 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.

Каучуки общего назначения: изопреновые, бутадиеновые, бутадиенстирольные и др.

Каучуки специального назначения: бутилкаучук, этиленпропиленовые, хлорпреновые, фторкаучуки, уретановые и др. Многие не знают, что в СССР выпускали хлоропреновый каучук и задаются вопросом - в каком из городов производят каучук сейчас? К сожалению, хлоропреновый каучук выпускали в Армении на заводе Наирит, который уже несколько лет, как остановлен.

В технике из каучуков изготовляют шины для автотранспорта, самолётов, велосипедов; каучуки применяют для электроизоляции, а также производства промышленных товаров и медицинских приборов.

1. Натуральный каучук

Каучук существует столько лет, сколько и сама природа. Окаменелые остатки каучуконосных деревьев, которые были найдены, имеют возраст около трёх миллионов лет. Первое знакомство европейцев с натуральным каучуком произошло пять веков назад, а в США вещи из каучука стали популярными в 1830-х годах, резиновые бутылки и обувь, сделанные южноамериканскими индейцами, продавались в больших количествах. В 1839 году Американский изобретатель Чарльз Гудьир (Charles Goodyear) обнаружил, что нагревание каучука с серой устраняет его неблагоприятные свойства. Он положил на печь кусок покрытой каучуком ткани, на которую был нанесён слой серы. Через некоторое время он обнаружил кожеподобный материал — резину. Этот процесс был назван вулканизацией. Открытие резины привело к широкому её применению: к 1919 году было выпущено на рынок уже более 40 000 различных изделий из резины.

Природные каучуконосы

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. Среди травянистых растений России есть всем знакомые одуванчик, полынь и молочай, которые тоже содержат млечный сок.

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).

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». Здесь каучук добывается и поступает для продажи во все страны мира.

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.

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.

Вообще все каучуки, как и многие полимерные 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.

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, соответствует диаметру одной молекулы. 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 С 5 Н 8 , 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.

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. Можно считать, что макромолекулы каучука образованы молекулами изопрена. Существуют подобные полимеры, которые не проявляют такой эластичности, какую имеет каучук. Чем же объясняется это его особое свойство?

Молекулы каучука, хотя и имеют линейное строение, не вытянуты в линию, а многократно изогнуты, как бы свёрнуты в клубки. При растягивании каучука такие молекулы распрямляются, образец каучука от этого становится длиннее. При снятии нагрузки, вследствие внутреннего теплового движения, звенья молекулы возвращаются в прежнее свёрнутое состояние, размеры каучука сокращаются. Если же каучук растягивать с достаточно большой силой, то произойдёт не только выпрямление молекул, но и смещение их относительно друг друга — образец каучука может порваться.

2. Синтетический каучук

В России не было известно природных источников для получения натурального каучука, а из других стран каучук к нам не завозился, а что такое синтетический каучук тогда ещ не знали. И вот, 30 декабря 1927 г. 2 кг дивинилового каучука было получено путем полимеризации 1,3-бутадиена под действием натрия. С 1932 г. было начато промышленное производство 1,3-бутадиена, а из 1,3-бутадиена — производство каучука.

Сырьём для синтеза бутадиена служит этиловый спирт. Получение бутадиена основано на реакциях дегидрирования и дегидратации спирта. Эти реакции идут одновременно при пропускании паров спирта над смесью соответствующих катализаторов.Бутадиен очищают от не прореагировавшего этилового спирта, многочисленных побочных продуктов и подвергают полимеризации.

Для того чтобы заставить молекулу мономера соединиться друг с другом, их необходимо предварительно возбудить, то есть привести их в такое состояние, когда они становятся способными, в результате раскрытия двойных связей, к взаимному присоединению. Это требует затраты определённого количества энергии или участия катализатора.

При каталитической полимеризации катализатор не входит в состав образующегося полимера и не расходуется, а выделяется по окончанию реакции в своём первоначальном виде. В качестве катализатора синтеза бутадиенового каучука С. В. Лебедев выбрал металлический натрий, впервые применённый для полимеризации непредельных углеводородов русским химиком А. А. Кракау.

Отличительной особенностью процесса полимеризации является то, что при этом молекулы исходного вещества или веществ соединяются между собой с образованием полимера, не выделяя при этом каких-либо других веществ.

Важнейшие виды синтетического каучука

Вышерассмотренный бутадиеновый каучук (СКБ) бывает двух видов: стереорегулярный и нестереорегулярный. Стереорегулярный бутадиеновый каучук применяют главным образом в производстве шин (которые превосходят шины из натурального каучука по износостойкости), нестереорегулярный бутадиеновый каучук — для производства, например, кислото- и щелочестойкой резины, эбонита.

В настоящее время химическая промышленность производит много различных видов синтетических каучуков, превосходящих по некоторым свойствам натуральный каучук. Кроме полибутадиенового каучука (СКБ), широко применяются сополимерные каучуки — продукты совместной полимеризации (сополимеризации) бутадиена с другими непредельными соединениями, например, со стиролом (СКС) или с акрилонитрилом (СКН). В молекулах этих каучуков звенья бутадиена чередуются со звеньями соответственно стирола и акрилонитрила.

Бутадиен-стирольный каучук отличается повышенной износостойкостью и применяется в производстве автомобильных шин, конвейерных лент, резиновой обуви.

Бутадиен-нитрильные каучуки — бензо- и маслостойкие, и поэтому используются, например, в производстве сальников.

Винилпиридиновые каучуки — продукты сополимеризации диеновых углеводородов с винилпиридином, главным образом бутадиена с 2-метил-5-винилпиридином.

Резины из них масло-, бензо- и морозостойки, хорошо слипаются с различными материалами. Применяются, в основном, в виде латекса для пропитки шинного корда.

В России разработано и внедрено в производство получение синтетического полиизопренового каучука (СКИ), близкого по свойствам к натуральному каучуку. Резины из СКИ отличаются высокой механической прочностью и эластичностью. СКИ служит заменителем натурального каучука в производстве шин, конвейерных лент, резин, обуви, медицинских и спортивных изделий.

Кремнийорганические каучуки, или силоксановые каучуки, применяются в производстве оболочек проводов и кабелей, трубок для переливания крови, протезов (например, искусственных клапанов сердца) и др. Жидкие кремнийорганические каучуки — герметики.

Полиуретановый каучук используется как основа износостойкости резины.

Хлоропреновые каучуки — полимеры хлоропрена (2-хлор-1,3-бутадиена) — по свойствам сходны с натуральным каучуком, в резинах применяются для повышения атмосферо-, бензо- и маслостойкости.

Находит свое применение вспененный каучук. Вспениванию подвергаются различные виды каучуков. Существует и неорганический синтетический каучук — полифосфонитрилхлорид.

3. Резина

Вулканизация каучука

Натуральные и синтетические каучуки используются преимущественно в виде резины, так как она обладает значительно более высокой прочностью, эластичностью и рядом других ценных свойств. Для получения резины каучук вулканизируют. Многие учёные работали над вулканизацией каучука. Только получив качественную резину, они до конца поняли что такое синтетичесий каучук.

Современная технология резинового производства осуществляется по следующим этапам:

1. Изготовление полуфабрикатов:

Развеска каучуков и ингредиентов;

Пластикация каучука;

Прорезинивание тканей, каландрирование, шприцевание;

Раскрой прорезиненных тканей и резиновых листов, сборка изделий из полуфабрикатов.

2. Вулканизация, после которой из сырых резиновых смесей получают готовые резиновые изделия.

Из смеси каучука с серой, наполнителями (особенно важным наполнителем служит сажа) и другими веществами формуют нужные изделия и подвергают их нагреванию. При этих условиях атомы серы присоединяются к двойным связям макромолекул каучука и «сшивают» их, образуя дисульфидные «мостики». В результате образуется гигантская молекула, имеющая три измерения в пространстве — как бы длину, ширину и толщину. Такой каучук (резина) будет, конечно, прочнее невулканизированного.

Меняется и растворимость полимера: каучук, хотя и медленно, растворяется в бензине, резина лишь набухает в нём. Если к каучуку добавить больше серы, чем нужно для образования резины, то при вулканизации линейные молекулы окажутся «сшитыми» в очень многих местах, и материал утратит эластичность, станет твёрдым — получится эбонит. До появления современных пластмасс эбонит считался одним из лучших изоляторов.

Вулканизированный каучук имеет большую прочность и эластичность, а также большую устойчивость к изменению температуры, чем невулканизированный каучук; резина непроницаема для газов, устойчива к царапанию, химическому воздействию, жаре и электричеству, а также показывает высокий коэффициент трения скольжения с сухими поверхностями и низкое — с увлажнёнными.

Ускорители вулканизации улучшают свойства вулканизаторов, сокращают время вулканизации и расход основного сырья, препятствуют перевулканизации. В качестве ускорителей используются неорганические соединения (оксид магния MgO, оксид свинца PbO и другие) и органические: дитиокарбаматы (производные дитиокарбаминовой кислоты), тиурамы (производные диметиламина), ксантогенаты (соли ксантогеновой кислоты) и другие.

Активаторы ускорителей вулканизации облегчают реакции взаимодействия всех компонентов резиновой смеси. В основном, в качестве активаторов применяют оксид цинка ZnO.

Антиокислители (стабилизаторы, противостарители) вводят в резиновую смесь для предупреждения «старения» каучука.

Наполнители — повышают физико-механические свойства резин: прочность, износостойкость, сопротивление истиранию. Они также способствуют увеличению объёма исходного сырья, а, следовательно, сокращают расход каучука и снижают стоимость резины. К наполнителям относятся различные типы саж (технический углерод), минеральные вещества (мел CaCO3, BaSO4, гипс, тальк, кварцевый песок SiO2).

Пластификаторы (смягчители) — вещества, которые улучшают технологические свойства резины, облегчают её обработку (понижают вязкость системы), обеспечивают возможность увеличения содержания наполнителей. Введение пластификаторов повышает динамическую выносливость резины, сопротивление «стиранию». В качестве пластификаторов используются продукты переработки нефти (мазут, гудрон, парафины), вещества растительного происхождения (канифоль), жирные кислоты (стеариновая, олеиновая) и другие.

Прочность и нерастворимость резины в органических растворителях связаны с её строением. Свойства резины определяются и типом исходного сырья. Например, резина из натурального каучука характеризуется хорошей эластичностью, маслостойкостью, износостойкостью, но в то же время мало устойчива к агрессивным средам; резина из каучука СКД имеет даже более высокую износостойкость, чем из НК. Бутадиен-стирольный каучук СКС способствует повышению износостойкости. Изопреновый каучук СКИ определяет эластичность и прочность резины на растяжение, а хлоропреновый — стойкость её к действию кислорода.

В каком из городов выпускают каучук и когда началось его производство? В России первое крупное предприятие-производитель в резиновой промышленности было основано в Петербурге в 1860 году, впоследствии названное «Треугольником» (с 1922 года — «Красный треугольник»). За ним были основаны и другие российские заводы резиновых изделий (РТИ): «Каучук» и «Богатырь» в Москве, «Проводник» в Риге и другие.

Применение резины в промышленных товарах

Каучук имеет огромное народнохозяйственное значение. Чаще всего его используют не в чистом виде, а в виде резины. Резиновые изделия применяют в технике для изоляции проводов, изготовления различных шин, в военной промышленности, в производстве промышленных товаров: обуви, искусственной кожи, прорезиненной одежды, медицинских изделий.

Резина — высокоэластичное, прочное соединение, но менее пластичное, чем каучук. Она представляет собой сложную многокомпонентную систему, состоящую из полимерной основы (каучука) и различных добавок.

Наиболее крупными потребителями резиновых технических изделий являются автомобильная промышленность и сельскохозяйственное машиностроение. Степень насыщенности резиновыми изделиями — один из основных признаков совершенства, надёжности и комфортабельности массовых видов машиностроительной продукции. В составе механизмов и агрегатов, современных автомобиля и трактора имеются сотни наименований и до тысячи штук резиновых деталей, причём одновременно с увеличением производства машин возрастает их резиноёмкость.

Виды резины и их применение

В зависимости от структуры резину делят на непористую (монолитную) и пористую.

Непористую резину изготовляют на основе бутадиенового каучука. Она отличается высоким сопротивлением истиранию. Срок износа подошвенной резины в 2—3 раза превышает срок износа подошвенной кожи. Предел прочности резины при растяжении меньше, чем натуральной кожи, но относительное удлинение при разрыве во много раз превышает удлинение натуральной подошвенной кожи. Резина не пропускает воду и практически в ней не набухает.

Резина уступает коже по морозостойкости и теплопроводности, что снижает теплозащитные свойства обуви. И, наконец, резина является абсолютно воздухо- и паронепроницаемой. Непористая резина бывает подошвенная, кожеподобная, и транспарентная. Обычную непористую резину применяют для изготовления формованных подошв, накладок, каблуков, полукаблуков, набоек и других деталей низа обуви.

Пористые резины применяют в качестве подошв и платформ для весенне-осенней и зимней обуви.

Кожеподобная резина — это резина для низа обуви, изготовленная на основе каучука с высоким содержанием стирола (до 85%). Повышенное содержание стирола придаёт резинам твёрдость, вследствие чего возможно снижение их толщины до 2,5—4,0 мм при сохранении хороших защитных функций. Эксплуатационные свойства кожеподобной резины сходны со свойствами натуральной кожи. Она обладает высокой твёрдостью и пластичностью, что позволяет создавать след обуви любой формы. Кожеподобная резина хорошо окрашивается при отделке обуви. Она имеет высокую износостойкость благодаря хорошему сопротивлению истиранию и устойчивости к многократным изгибам.

Срок носки обуви с подошвой из кожеподобной резины составляет 179—252 дня при отсутствии выкрашивания в носовой части. Недостатком этой резины являются невысокие гигиенические свойства: высокая теплопроводность и отсутствие гигроскопичности и воздухонепроницаемости.

Кожеподобную резину выпускают трёх разновидностей: непористой структуры с плотностью 1,28 г/см3, пористой структуры, имеющую плотность 0,8-0,95 г/см3, и пористой структуры с волокнистым наполнителем, плотность которых не выше 1,15 г/см3. Пористые резины с волокнистыми наполнителями называются «кожволон». Эти резины по внешнему виду сходны с натуральной кожей. Благодаря волокнистому наполнителю повышаются их теплозащитные свойства, они отличаются лёгкостью, эластичностью, хорошим внешним видом. Кожеподобные резины применяют в качестве подошвы и каблука при изготовлении летней и весенне-осенней обуви клеевого метода крепления.

Транспарентная резина — это полупрозрачный материал с высоким содержанием натурального каучука. Отличается высоким сопротивлением истиранию и твёрдостью, по износостойкости превосходит все виды резин. Транспарентные резины выпускают в виде формованных подошв (вместе с каблуками), с глубоким рифлением на ходовой стороне. Разновидностью транспорентной резины является стиронип, который содержит большее количество каучука. Сопротивление многократному изгибу у стиронипа в три с лишним раза выше, чем у обычных непористых резин. Стиронип применяется при изготовлении обуви клеевого метода крепления.

Резина пористой структуры имеет замкнутые поры, объём которых в зависимости от вида резины колеблется от 20 до 80 % её общего объёма. Эти резины имеют ряд преимуществ по сравнению с непористыми резинами: повышенные мягкость, гибкость, высокие амортизационные свойства, упругость. Недостатком пористых резин является способность давать усадку, а также выкрашиваться в носочной части при ударах. Для повышения твёрдости пористых резин в их состав вводят полистирольные смолы.

В настоящее время освоено производство новых видов пористых резин: порокрепа и вулканита. Порокреп отличается красивым цветом, эластичностью, повышенной прочностью. Вулканит — пористая резина с волокнистыми наполнителями, обладающая высокой износостойкостью, хорошей теплозащитностью. Пористые резины применяют в качестве подошв для весенне-осенней и зимней обуви.

Объявления о покупке и продаже оборудования можно посмотреть на

Обсудить достоинства марок полимеров и их свойства можно на

Зарегистрировать свою компанию в Каталоге предприятий

Бурное развитие мировой автомобильной промышленности, авиации, военной техники привело к тому, что каучука добываемого в природе и предназначенного для производства резины, стало катастрофически не хватать. Плантации, разбросанные по всему миру стали не в состоянии обеспечить потребности промышленности. И тогда, во многом благодаря российским ученым на рынок вышел синтетический каучук.

Введение

На самом деле, к промышленному производству синтетического сырья ученые и производственники шли порядка ста лет. Каучук был синтезирован во второй половине XIX века. Но технология производства, необходимое оборудование разработали только в ХХ веке. Все необходимое для производства синтетического каучука было представлено С.В. Лебедевым, российским ученым.

С тех пор, ученые – химики, производственники приложили немало сил для совершенствования этого сырья, разработки новых марок этого сырья и пр.

Виды синтетических каучуков

За время с момента организации промышленного производства синтетического каучука прошло почти сто лет. И специалисты в области органической химии за это время разработали и внедрили в производство большое количество видов этого сырья. Ниже приведен небольшой список.

Каучук бутадиеновый – основная область его применения это производство шин и камер. Параметры этой продукции выполненной из бутадиенового сырья существенно выше чем изделий этого класса но изготовленных из природного (натурального) качества. Кроме автомобильной промышленности бутадиеновый каучук применяют для производства химически стойкой резины и эбонита.

Бутилкаучук обладает уникальной способностью по удержанию воздуха. Именно это обеспечило его преимущества перед другими материалами при изготовлении покрышек, камер, диафрагм и пр. На основании многократных испытаний, проводимых на заводах по производству покрышек и можно утверждать, что камеры, изготовленные из этого сорта синтетического каучука, удерживают давление воздуха в 8 – 10 раз больше, чем аналогичные изделия, выполненные из природного каучука. Бутилкаучук отличается от природного еще и тем, что стойко воспринимает воздействие озона, не реагирует на действие к маслам разного типа (животному, растительному), но вместе с тем, этот материал необходимо оградить от контактов с минеральными маслами.

Если сравнивать параметры прочности, то натуральный продукт выигрывает с существенным отрывом. Между тем, этот материал обладает низкой скоростью вулканизации, плохая адгезия к металлическим поверхностям. Быстрое нагревание при знакопеременных деформациях и в довершение, низкая эластичность при нормальной температуре и влажности.

Полихлоропреновый каучук или хлоропреновый, как иногда его называют, поставляется потребителю в виде светло-желтой массы. К основным свойствам этого материала можно отнести:

• стойкость к воздействию огня;
• адгезия к тканям, металлу и многим другим материалам;
• невосприимчивость к действию озона, атмосферных явлений, в частности, к низким температурам.

Хлоропреновый каучук под воздействием растяжения кристаллизуется. Это его свойство, позволяет резинам, произведенным на его основе показывать высокие прочностные характеристики.

Предприятия химической промышленности выпускают множество типов синтетических каучуков, причем некоторые из них превосходят натуральные. Широкое применение получили так называемые сополимерные соединения, получение при совместной реакции бутадиена и с ненасыщенными соединениями, например, такими как стирольный каучук СКС.

Ведя речь о сырье искусственного происхождения нельзя забывать и таком веществе как латекс синтетический. Это, по сути, раствор искусственного каучука и других полимерных веществ, например, полистирола.

Латексы синтетические применяют для изготовления клеев, водоэмульсионных красок. Их применяют и в строительстве при создании полимербетона.

Формула строения

Каждый вид синтетического каучука имеет свою химическую формулу

Молекулы изопрена CH2=C(CH3)-CH=CH2 2-метилбутадиен-1,3;

бутадиеновый CH2=CH-CH=CH2 бутадиен-1,3;

дивиниловый CH2=CH-CH=CH2 бутадиен-1,3

Хлоропреновый CH2=C(Cl)-CH=CH2 2-хлорбутадиен-1,3

Бутадиен-стирольный состоит из молекул CH2=CH-CH=CH2 бутадиен-1,3 и C6H5- CH=CH2 стирол

Свойства и применение

Свойства синтетического каучука во многом превышают основные параметры натурального продукта. Так, его плотность меньше плотности воды и поэтому он спокойно плавает.

Химические свойства синтетического каучука позволяют ему не растворяться в воде, именно это позволяет его использовать для изготовления покрытий не проницаемых для воды. Это свойство позволяет их использовать для шитья одежды, спортивного инвентаря и пр. Такие вещества как бензин, бензол растворяют каучуки. Это свойство позволяет их применять для производства клеевых составов. Каучук – это диэлектрик, которые широко применяют для создания изоляторов силового и слаботочного оборудования. Каучуки обладают гибкостью, прочностью, и повышенной стойкость к истиранию. Кроме этого каучуки сохраняют свои свойства при циклических деформациях.

Синтетические каучуки подразделяют на общие и специальные. К общим относят:

• изопреновые;
• бутадиен-стирольные и пр.

Их основные свойства – морозостойкость, высокая износостойкость. Кроме этого они обладают высокой масло бензо- и озоностойкостью.

Бутадиеновые каучуки(ПБ), иногда их называют дивиниловыми, относят к материалам общего назначения. Их применяют для изготовления проекторных и обкладочных резин для шин (каркаса, боковины и пр.). Этот материал применяют для производства материалов, применяемых в кабельной промышленности, инструмента для абразивной обработки металла и других материалов, антифрикционных изделий.

Сырье на основании этилен — пропилена используют для создания ударопрочных полимеров, шин для велосипедов, тканей с водоотталкивающими свойствами, конвейерных лент для работы в термически сложных условиях.

Фторокремнийорганические каучуки (фторсиликоны или фторкаучки). Особенностью этих материалов – это сочетание стойкости к действию температуры, как низкой, так и высокой и различным агрессивным средам. Кроме того, сырье этого класса отличается стойкостью к истиранию, воздействию открытого пламени. Он не пропускает газы. Его диэлектрические свойства позволяют его применять для создания изоляции, как для силовых кабелей, так и слаботочной аппаратуры. Это сырье применяют для производства материалов, применяемых для гумирования емкостей, предназначенных для транспортировки агрессивных веществ.

Еще одно важное свойство этих материалов – стойкость к радиации.

Отличия искусственного материала от природного заключаются в том, что при получении синтетического сырья применяют множество сополимеров и химических элементов, которые добавляют новые характеристики этому материалу.

Устойчивый спрос на синтетический каучук привел к появлению целой отрасли, которая задействована на производстве этого сырья. На рынке этого сырья отмечается постоянный рост спроса на эту продукцию. Лидером по потреблению синтетического сырья можно считать самую динамично, развивающуюся экономику мира – китайскую. Динамика рынка показывает, что после кризисных явлений 2008 – 2009 года, и падения спроса на эту продукцию в пределах 4%, на сегодня прирост сбыта составляет до 7%, от прошлогоднего уровня.

Среди стран, которые лидируют по производству синтетического сырья надо назвать КНР, РФ, США и ряд других.