4.3. Синтетический каучук
Натуральный каучук синтезирован самой природой и, несмотря на то, что млечный сок получают из различных каучуконосов, он является единым химическим соединением, молекулы которого имеют форму длинных легкоподвижных цепей с двойными связями. Получаемый из него натуральный каучук, в зависимости от способа обработки, вида и количества содержащихся примесей, делится на сорта. Объем производства натурального каучука уже к 1971 г. составлял более 3 млн.т. Быстроразвивающиеся машиностроение, самолетостроение и ряд других отраслей требовали расширения производства резины с самыми различными свойствами. Решить эту проблему позволило создание синтетических каучуков. Создание способа промышленного синтеза каучука относится к числу наиболее значительных достижений науки и техники 20-го века.
Синтез каучука в крупном заводском масштабе впервые в мире был осуществлён в 1932 году в СССР, по способу, разработанному С.В. Лебедевым. По данному способу был синтезирован натрий-бутадиеновый каучук СКБ. Синтез осуществлялся полимеризацией на металлическом натрии 1,3 - бутадиена, полученного из этилового спирта. В 1938 году было освоено промышленное производство бутадиен-стирольных каучуков в Германии, в 1942 году — крупное производство синтетических каучуков в США. К 1972 году синтетические каучуки выпускали более чем в 20 странах.
В процессе синтеза не удается точно воспроизвести высокомолекулярную структуру, хотя натуральный и синтетический каучуки близки по «внешним» свойствам и одинаково ведут себя в переработке и применении. Мономерные звенья натурального каучука связаны по так называемому принципу 1,4, что и придает им преимущественно линейное строение. В процессе синтеза, наряду с основным принципом построения молекулярных цепей, частично имеет место и принцип 1,2 . Вызванные этим разветвления обусловливают различие в свойствах по сравнению с натуральным каучуком. Для синтеза наиболее типично связывание однородных мономеров, что позволяет существенно приблизить строение синтетического каучука к натуральному.
При окислении каучука резины стареют, теряют эластичность, становятся хрупкими, т.е. при старении необратимо изменяются физико-механические свойства. Для замедления процесса старения в состав резиновых смесей вводят противостарители: вазелин, воск, парафин, ароматические амины и др.
Для облегчения совмещения каучука с порошкообразным наполнителем и придания резине необходимой мягкости добавляют мягчители: стеариновую и олеиновую кислоты, канифоль, парафин, сосновую смолу. Красители – охру, ультрамарин и пр. вводят в количестве до 10% массы каучука.
При изготовлении резины и изделий из нее вначале получают сырую резину, представляющую собой смесь сырой резины с наполнителями и вулканизирующими веществами. Затем сырую резину вулканизируют, нагревая до температуры 145-150 о С.
Горячую вулканизацию производят в специальных котлах в атмосфере насыщенного водяного пара при небольших давлениях либо в горячей воде или в горячем воздухе. Если процесс формования резиновых изделий выполняют в металлических формах, то пресс-формы нагревают для совмещения формообразования с вулканизацией. При вулканизации каучук вступает в химическое взаимодействие с вулканизирующими веществами и образуется эластичная резина. В зависимости от вида каучука, количества и вида наполнителей, получают резины с самыми различны свойствами: кислостойкие, маслостойкие, теплостойкие, и др. Свойства вулканизированных резин определяются характеристикой каучуков.
Резины из СКБ (синтетического бутадиенового каучука) имеют удовлетворительную механическую прочность, морозостойкость, ограниченную теплостойкость, сравнительно малую эластичность, легкую окисляемость, ограниченную химическую стойкость и газонепроницаемость. Резина применяется для изготовления почти всех видов резиновых деталей, особенно для изготовления автомобильных шин.
Нейритовые резины обладают высокой прочностью, теплостойкостью до 110-120оС, малой набухаемостью в бензинах и маслах, достаточной атмосферостойкостью и химической устойчивостью. Они применяются преимущественно для изготовления маслоупорных и бензоупорных, а также термостойких изделий: спецодежды, обкладки для химической аппаратуры и валов, транспортёрных лент, оболочек аэростатов, противогазных шлемов, оболочек электрических кабелей, различных клеев и заменителей кожи.
Полисульфидные резины имеют невысокую прочность, морозостойкость и теплостойкость, повышенную бензо- и маслостойкость, высокую газонепроницаемость и применяются для изготовления шлангов, труб, рукавов, прокладок для бензина, масла и бензола.
Изопреновые резины обладают высокой прочностью при растяжении и при истирании, эластичностью и морозостойкостью, ограниченной теплостойкостью (80 - 100 оС) , повышенной окисляемостью, набухаемостью в бензинах и маслах, ограниченной химической стойкостью и газопроницаемостью, пригодны для изготовления изделий общего назначения. Из резины изготавливают: ремни, ленты, рукава, сальники, манжеты, прокладки, шины, детали электрооборудования, предметы массового потребления и др..
Выпускают хлоропреновые каучуки, модифицированные серой (наирит СР и КР) и не содержащие серы, с примесью меркаптанов — наирит П и НП (меркаптаны, тиоспирты, тиолы, сернистые аналоги спиртов общей формулы RSH, где R — углеводородный радикал). Наириты отличаются высокой стойкостью к атмосферным воздействиям и масло-бензостойкостью, стойкостью к спиртам, кетонам, нитросоединениям, соляной и уксусной кислотам, хлористому водороду, хорошо сопротивляются тепловому старению, не поддерживают горения после удаления пламени. Наириты используются для гуммирования (нанесения резинового или эбонитового покрытия на металлические изделия с целью защиты их от коррозии и др. вредных воздействий) химической аппаратуры, изготовления оплеток кабелей, транспортерных лент и др. Морозостойкость наиритов до - 40°С.
Уретановые каучуки (СКУ) получают взаимодействием диизоцианатов с простыми (СКУ-ПФ, СКУ-ПФЛ) или сложными (СКУ-8, СКУ-7, СКУ-8П) эфирами. СКУ обладают высокой стойкостью к истиранию, набуханию в маслах, различных топливах и растворителях, озоно- и светостойкостью, радиационной и вибростойкостью. Применяют СКУ для изготовления резинотехнических изделий, от которых требуется высокая износостойкость и стойкость к воздействию различных жидких сред.
Фторкаучуки (СКФ) – продукт сополимеризации ненасыщенных фторсодержащих углеводородов. СКФ обладают высокой теплостойкостью, стойкостью к маслам, топливам, органическим жидкостям, сильным окислителям, негорючие. Их применяют в производстве уплотнительных и герметизирующих деталей, шлангов, рукавов, изоляции и прочих деталей, эксплуатируемых при температурах до 200 °С, а кратковременно и до 315°С.
Силоксановые каучуки представляют собой кремнийорганические полимерные соединения, основная цепь которых состоит из чередующихся атомов кремния и кислорода. Каждый атом кремния связан с двумя органическими радикалами. В зависимости от состава радикалов различают диметилсилоксановые каучуки (СКТ), винилсилоксановые (СКТВ), фенилсилоксановые (СКТФТ), этилсилоксановые (СКТЭ), фенильный каучук с винильными группами (СКТФВ). В марках низкомолекулярных каучуков добавляется в конце буква Н (например, СКТВН). Силоксановые каучуки обладают высокой термостойкостью (до 300°С) и морозостойкостью (до -100°С), хорошими электроизоляционными свойствами, устойчивы к ультрафиолетовому излучению, действию кислорода и озона. Однако они имеют невысокое сопротивление истиранию, нестойки к действию ряда топлив, масел. Применяются эти каучуки в основном для изготовления теплостойких уплотнений и других элементов.