3. Природные полимеры

3.1. Каучук и резина

Одним из широко распространенных природных полимеров является натуральный каучук — полимер изопрена, который производится из латекса — сока некоторых тропических деревьев, главным образом гевеи бразильской, произрастающей в Южной Америке, Индии, Африке и на Цейлоне.

Рис 4. Добыча латекса – млечного сока дерева гевеи

(Фото проф. В.С. Рыбальченко).

Латекс — это система, представляющая собой дисперсию молекул каучука в водной среде. При добавлении к латексу кислот или при нагревании устойчивость золя нарушается, и каучук выпадает в виде осадка, который высушивают, вальцуют и нарезают листами. Очень крупные молекулы каучука длиной около 8 мкм не вытянуты в нитку, а закручены в клубок, поэтому каучук имеет высокую эластичность.

Каучук был давно известен индейцам Южной Америки, которые делали из него сосуды для воды, мячи для игр и отливали на собственных ногах калоши. Каучук они называли «каочу», что в переводе означает слезы дерева. В Европе каучук стал известен в конце XV века, после возвращения Колумба из Америки, который привез в качестве заморских диковинок калоши и мячи индейцев.

Каучук эластичен и прочен, но он затвердевает на морозе, расплавляется при нагревании, впитывает воду, а также растворяется в бензине и некоторых других органических растворителях. Поэтому каучук в Европе долгое время не находил практического применения. Только в 40-­х годах XIX века из каучука начали делать резину, после того как Чарльз Гудеар обнаружил, что в результате нагревания с серой каучук твердеет, превращаясь в прочный, теплостойкий и нерастворимый в воде упруго­эластичный материал — резину.

Рис 5. Натуральный каучук.

Процесс взаимодействия каучука с серой при 120-150 °C называется вулканизацией. При этом атомы серы присоединяются к молекулам каучука по месту двойных связей, «сшивая» молекулярные цепи каучука в непрерывную трехмерную сетчатую систему. Таким образом, резина, в отличие от каучука, представляет собой сшитый полимер. Однако благодаря большому расстоянию между сшивками макромолекулы не теряют способности выпрямляться при растяжении и сворачиваться в клубки после снятия механической нагрузки. С другой стороны, сшивки не дают резине плавиться при нагревании и кристаллизоваться при охлаждении. Таким образом, резина, находясь в аморфном состоянии, сохраняет свои механические свойства в более широком диапазоне температур, чем каучук.

Рис 6. Основной потребитель резины – автомобильная промыщленность.

Кроме смеси каучука с серой, резина содержит ускорители процесса вулканизации, усилители, наполнители, мягчители, противостарители и красочные пигменты.

Ускорители вулканизации (например, каптакс, тиурам и др.) значительно сокращают время вулканизации и одновременно улучшают механические свойства резины. Усилители (например, сажа) и наполнители (например, мел) увеличивают механическую прочность резины в несколько раз и одновременно позволяют экономить каучук, снижая стоимость резины.

Мягчители (например, минеральные масла) облегчают переработку резиновой смеси и уменьшают твердость готовых резиновых изделий.

Противостарители препятствуют преждевременному отвердеванию резины, потере ею эластичности и упругости.

Красящие вещества придают резине цвет. Функции красящих веществ выполняют сажа, красная окись железа, двуокись титана, окись цинка и др.

Все составные части резиновой массы смешивают на вальцах или в резиносмесителе. После этого резиновой массе придают форму листов каландрированием или «сырых» заготовок нужной формы. Их подвергают вулканизации при 120-150 °C во время прессования заготовок давлением 15­25 кг/см² или при нормальном давлении после формования деталей из заготовок.

В конце 20-х гг. русский химик С. В. Лебедев (1874— 1934) полимеризацией бутадиена-1,3 с использованием катализатора -металлического натрия получил синтетический натрий-бутадиеновый каучук.

В 1935 г. наступила новая эра в производстве синтетических каучуков — их стали производить из сополимеров, получаемых радикальной полимеризацией 1,3- бутадиена в присутствии стирола, акрилонитрила и других соединений.

Наибольшее распространение нашел бутадиен-стирольный каучук —

продукт радикальной сополимеризации бутадиена и стирола.

В 1953г. благодаря открытию катализаторов Циглера — Натты учёным всё-таки удалось получить регулярные полибутадиен и полиизопрен, которые по прочности и эластичности превосходили все известные к тому времени синтетические каучуки. Вскоре выяснилось, что по составу и строению макромолекул регулярный полиизопрен тождествен натуральному каучуку.