Синтетический каучук

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.

Что мы узнали?

Из урока химии 10 класса узнали о строении, свойствах и применении каучуков. Каучук – природный или синтетический материал, обладающий эластичностью. Натуральные каучуки получают из латекса – вязкого сока некоторых тропических деревьев. Промышленным путём производится из алкадиенов, в частности из изопрена. Впервые синтетический каучук был получен в 1932 году. В зависимости от температуры меняются физические свойства. Чем ниже температура, тем хрупче материал. Из каучуков изготавливают резину.

https://youtube.com/watch?v=sQiVmLTLN_o

Тиоколовые герметики

Среди герметизирующих материалов различного назначения особое место занимают тиоколовые герметики, создающие непроницаемость в соединениях, подверженных статическим или динамическим деформациям растяжения и сжатия в условиях перепада температур, наличия растворителей и агрессивных сред.

Первыми полисульфидными полимерами являлись так называемые твердые тиоколы, описанные в 1926—1927 гг. Баером и Патриком. Их промышленное производство было впервые осуществлено в 1930 г. в США (тиокол А). В начале 30-х годов аналогичные каучуки производились в СССР (резинит), а позднее их синтез был освоен и в других странах мира. В основе синтеза полисульфидных каучуков лежит реакция полисульфидирования, осуществляемая путем взаимодействия дигалогенпроизводных алифатических и ароматических соединений и полисульфидов щелочных металлов.

Молекулярная масса каучуков обычно составляет 200 — 500 тыс.

Восстановительным расщеплением высокомолекулярных полисульфидов получают жидкие тиоколы, нашедшие широкое применение в производстве композиционных материалов различного назначения.

В настоящее время полисульфидные олигомеры по объему потребления примерно в 10 раз превосходят твердые тиоколы. Это объясняется неудовлетворительными физико-механическими показателями вулканизатов полисульфидных каучуков, присущей им хладотекучестью и неприятным запахом.

Особенностью полисульфидных полимеров является наличие в макромолекулах значительного количества химически связанной серы, в зависимости от строения органического радикала содержание серы составляет 40 — 85% (масс.).

Химическое строение натурального каучука и его состав. Формула каучука:

Натуральный каучук является полимерным ненасыщенный углеводородом, имеющим большое количество двойных связей. Его универсальная химическая формула выглядит так: (C5H8)n, где степень полимеризации (n) составляет 1000-3000 единиц. Мономер натурального каучука называется изопреном.

При химическом анализе природного каучука видно, что он состоит только из углерода и водорода. Это позволяет отнести его к углеводородам. Подтверждением этому есть первичная формула каучука. Молекулярная масса отдельных единиц может превышать полумиллион грамм на моль. Таким образом, натуральный каучук является природным полимером изопрена, а точнее цис-1,4-полиизопрена.

Если представить молекулу каучука не атомарно тонкой, ее можно было бы разглядеть в микроскоп, вследствие того, что она очень длинная. А если ее еще и максимально растянуть, то получится большая зигзагоподобная линия. Это обусловлено типом углеродных связей.

По причине того, что в изопрене чередуются одинарные и двойные связи, части молекулы могут вращаться только вокруг одинарных связей. И в результате подобных колебаний молекула постоянно изгибается, и даже в состоянии покоя у нее сближены концы.

Молекулы натурального каучука похожи на почти круглые пружины, что позволяет им легко и сильно растягиваться и увеличиваться в размерах при разведении концов.

Каучук синтетический

Каучуками называют натуральные или синтетические полимеры, обладающие высокими эластичными свойствами в процессе эксплуатации. Каучуки могут растягиваться до размеров, многократно превышающих их первоначальную длину.

Каучуки эластичны и водонепроницаемы. Они не проводят электрический ток, что позволяет применять их в качестве изолирующих материалов. Они не растворяются в воде, хорошо растворимы в бензине, бензоле, эфире и других летучих жидкостях. Из них получают резины и эбониты.

История открытия каучуков

Название «каучук» произошло от слова «каучу» (кау- дерево, учу – течь). Так индейцы называли сок гевеи. Это дерево, растущее на берегах Амазонки. Белый сок этого дерева темнел и становился твёрдым на воздухе. Индейцы делали из него обувь, непромокаемые ткани, сосуды для воды и другие предметы обихода.

Но изделия из этой ткани твердели и трескались на холоде, а летом превращалась в липкую смесь с неприятным запахом.

В 1839 г. американец Чарльз Нельсон Гудьир, добавив в каучук немного серы и, нагрев эту смесь, изобрёл новый материал с повышенной прочностью, эластичностью, устойчивый к нагреванию и к холоду. Именно этот материал называют сейчас резиной, а процесс его получения – вулканизацией. С этого времени изделия из резины завоевали весь мир.

Синтетический каучук

С изобретением автомобильных шин потребность в резине выросла настолько, что природного сырья стало не хватать для производства каучука. И вопросом получения синтетического каучука занялись учёные.

В 1879 г. французский химик Г.Бушарда, обработав вещество изопрен соляной кислотой, получил каучукоподобное вещество. А в 1901 г. русский химик И. Кондаков создал эластичный полимер из диметилбутадиена. В 1910 г. впервые был получен синтетический полибутадиеновый (дивиниловый) каучук по методу русского учёного-химика Сергея Васильевича Лебедева. Началось промышленное производство каучука.

Типы синтетических каучуков

Современная промышленность производит синтетические каучуки. Кроме бутадиенового каучука, полученного С.В. Лебедевым, выпускаются и другие виды синтетических каучуков, по своим свойствам превосходящие натуральные каучуки.

Синтетические каучуки получают полимеризацией. В процессе полимеризации макромолекула полимера образуется путём присоединения молекул мономеров. Абсолютно все каучуки имеют большую длину молекул полимеров.

Изопреновый каучук получают полимеризацией изопрена.

nСН2=С(СН3)-СН=СН2 → (-СН2-С(СН3)=СН-СН2-)n

Натуральный каучук также является изопреновым каучуком. Поэтому синтетический изопреновый каучук, как и натуральный, обладает высокой эластичностью и прочностью. Применяют его в производстве шин, обуви, конвейерных лент, медицинских изделий.

Бутадиеновый каучук получают полимеризацией бутадиена. Этот каучук обладают высокой износоустойчивостью. Он широко используется при изготовлении шин.

Бутан-стирольный каучук получается в результате сополимеризации (полимеризации с участием двух мономеров) бутадиена 1,3 и стирола. Применяется для производства шин, резиновой обуви и других резиновых изделий высокого качества.

Бутадиен-нитрильный каучук. Этот каучук получают полимеризацией бутадиена с акрилонитрилом. Он обладает высокой масло- и бензостойкостью. Применяется в производстве сальников.

Винилпиридиновый каучук создаётся полимеризацией винилпиридина с диеновыми углеводородами. Он имеет отличную склеиваемость. И резины из него получаются морозоустойчивые, маслостойкие и бензостойкие.

Фторсодержащие каучуки — результат полимеризации фторорганичеких соединений, в состав которых входит хотя бы один атом фтора, непосредственно соединённый с углеродом. Эти каучуки характеризуются повышенной термостойкостью. Поэтому их применяют для изготовления герметиков и уплотнителей, работающих при температурах выше 200оС.

Синтетические каучуки получили широкое распространение во многих отраслях современной промышленности. Каучуки являются основой резиновых смесей, из которых вулканизацией получают резину. А из резины выпускают несколько десятков тысяч разнообразных изделий, применяемых в самых различных отраслях промышленности, транспорта, сельского хозяйства, а также в быту.

Промышленное применение

Наиболее массовое применение каучуков — это производство резин для автомобильных, авиационных и .

Из каучуков изготавливаются специальные резины огромного разнообразия уплотнений для целей тепло-, звуко-, воздухо- и гидроизоляции разъёмных элементов зданий, в санитарной и вентиляционной технике, в гидравлической, пневматической и вакуумной технике.

Прессованием массы, состоящей из каучука, асбеста и порошковых наполнителей, получают паронит — листовой материал для изготовления прокладочных изделий с высокой термостойкостью, работающих в различных средах — вода и водяной пар с давлением до 5 мН/м2 (50 ат) и температурой до 450 °С; нефть и нефтепродукты при температурах 200—400 °С и давлениях 7—4 мН/м2 соответственно; жидкий и газообразный кислород, этиловый спирт и т. д.. Высокие уплотняющие свойства паронита обусловлены тем, что его предел текучести, составляющий около 320 МПа, достигается при стягивании соединения болтами или шпильками, при этом паронит заполняет все неровности, раковины, трещины и другие дефекты уплотняемых поверхностей и герметизирует соединение. Паронит не является коррозионно-активным материалом и хорошо поддается механической обработке, что позволяет легко изготавливать прокладки любой конфигурации, не теряющие своих эксплуатационных качеств в любых климатических условиях — ни в районах с умеренным климатом, ни в тропических и пустынных климатических условиях, ни в условиях Крайнего Севера. Высокая термостойкость паронита позволяет применять его в двигателях внутреннего сгорания. Армируя паронит металлической сеткой для повышения механических свойств, получают ферронит.

Каучуки применяют для электроизоляции, производства медицинских приборов и средств контрацепции.

В ракетной технике синтетические каучуки используются в качестве полимерной основы при изготовлении твёрдого ракетного топлива, в котором они играют роль горючего, а в качестве наполнителя используется порошок селитры (калийной или аммиачной) или перхлората аммония, который в топливе играет роль окислителя.

Типы и виды натурального каучука:

Натуральный каучук делят на 8 типов, образующих 35 сортов.

Самым распространенным и ценным типом натурального каучука считается «смокед-шит», что означает копченый лист. Он изготавливается в виде достаточно прозрачных листов цвета янтаря с рифленой поверхностью.

Меньше распространен тип называемый «светлый креп». Для его получения к латексу перед желатинированием добавляют для отбеливания бисульфит натрия. Листы этого типа каучука имеют кремовый оттенок, они непрозрачны.

Меньше всего ценится тип, который называют «пара-каучук». Его добывают из дикорастущей гевеи кустарным способом.

Природный каучук

Высокомолекулярный углеводород (C5H8)n, цис- полимер изопрена; содержится в млечном соке (латексе) гевеи, кок-сагыза (разновидности одуванчика) и других растений. Растворим в углеводородах и их производных (бензине, бензоле, хлороформе, сероуглероде и т. д.). В воде, спирте, ацетоне натуральный каучук практически не набухает и не растворяется. Уже при комнатной температуре натуральный каучук присоединяет кислород, происходит окислительная деструкция (старение каучука), при этом уменьшается его прочность и эластичность. При температуре выше 200 °C натуральный каучук разлагается с образованием низкомолекулярных углеводородов. При взаимодействии натурального каучука с серой, хлористой серой, органическими пероксидами (вулканизация) происходит соединение через атомы серы длинных макромолекулярных связей с образованием сетчатых структур. Это придает каучуку высокую эластичность в широком интервале температур. Натуральный каучук перерабатывают в резину. В сыром виде применяют не более 1 % добываемого натурального каучука (резиновый клей). Более 60 % натурального каучука используют для изготовления автомобильных шин. В промышленных масштабах натуральный каучук производится в Индонезии, Малайзии, Вьетнаме.

Каучук синтетический

Каучуками называют натуральные или синтетические полимеры, обладающие высокими эластичными свойствами в процессе эксплуатации. Каучуки могут растягиваться до размеров, многократно превышающих их первоначальную длину.

Каучуки эластичны и водонепроницаемы. Они не проводят электрический ток, что позволяет применять их в качестве изолирующих материалов. Они не растворяются в воде, хорошо растворимы в бензине, бензоле, эфире и других летучих жидкостях. Из них получают резины и эбониты.