5.4 Технология производства и потребительские свойства каучука и резины.

5.4.1 Характеристика важнейших видов каучуков.

Каучуки можно рассматривать как группу аморфных высокомолекуляр­ных веществ, характеризующихся тем, что температурный интервал их высокоэластического состояния включает обычные и пониженные температуры (см. рис. 8.1). Это обстоятельство позволяет использо­вать каучуки как сырье для получения резин-материалов с комплек­сом ценных свойств, обусловивших широкое применение резин во всех отраслях промышленности, на транспорте, в быту, медицине, сельском хозяйстве. В настоящее время ассортимент резиновых изделий вклю­чает десятки тысяч наименований.

Крупнейшими потребителями каучука являются шинная промышлен­ность (свыше 50%) и промышленность резинотехнических и резино-латексных изделий (до 25%). Некоторое количество каучука исполь­зуется также в легкой, электротехнической, местной и других от­раслях промышленности.

До 1932 года (в течение почти 100 лет со времени открытия про­цесса вулканизации) единственным сырьем для получения резины слу­жил натуральный каучук. Натуральный каучук до 70-х годов ХIХ века добывался только в бассейне реки Амазонки из млечного сока бразильской гевеи. Позднее были созданы искусственные плантации каучуконосов и в других странах с тропическим климатом (Африка, Индонезия, Цейлон и т.д.).

Производство плантационного каучука уже к 1913 году достигло уровня добычи каучука из дикорастущих каучуконосов, а в настоящее время составляет 99% от мирового производства натурального каучука.

Быстрый рост потребности в резиновых изделиях, которые находи­ли все более широкое применение в различных сферах человеческой деятельности, а также неустойчивость в снабжении натуральным каучу­ком привели к необходимости искусственного получения материалов, аналогичных по свойствам натуральному каучуку. В 1931 году в СССР впервые в мире был получен промышленный синтетический каучук по методу СЕ. Лебедева. В дальнейшем производство синтетического каучука стремительно развивалось во всем мире и с 1960 года пре­вышает годовой объем добычи натурального каучука. Выпуск синтети­ческих каучуков только в капиталистических странах уже в 1971 году достиг 5 млн. т., что составило почти 62% от общего объема произ­водства каучуков.

Особенностью развития резиновой промышленности в СССР является • преимущественное использование синтетических каучуков, доля которых в общем потреблении в настоящее время превышает 90%.

В настоящее время наряду с использованием натурального каучука промышленность выпускает около 60 типов различных синтетических каучуков, которые весьма условно делят на две группы: каучуки общего назначения и каучуки специального назначения. К каучукам общего назначения в настоящее время относят бутадиеновые, бутадиен-стирольные, изопреновые, этиленпропиленовые, хлоропреновые каучуки, бутилкаучук; к каучукам специального назначения – бутадиен-нитрильные, кремнийорганические, уретановые, фторкаучуки, полисульфидные и другие.

Доля каучуков общего назначения в общем балансе производства синте­тических каучуков в СССР превышает 85%.

Натуральный каучук представляет собой природное высокомоле­кулярное соединение состава

[–СН₂ – С= СН – СН₂]_n n = (10000 / 40000)

׀

СН₃

Товарный натуральный каучук получают из млечного сока (латекса), каучуконосных деревьев, произрастающих в странах с тропическим кли­матом. Крупнейший поставщик натурального каучука на мировом рынке - Малайзия (свыше 40% мирового производства). Латекс представляет собой суспензию, состоящую из частичек каучука (34-37%), белков (2,0-2,7%), смол (1,6-3,4%), сахара(1,5 - 4,2%), минеральных со­лей (0,2 - 0,7%) и воды (52 - 60%).

Добываемый латекс перемешивают до однородной массы и коагули­руют, добавляя в него разбавленную уксусную, щавелевую или мура­вьиную кислоту. Полученный рыхлый осадок промывают водой, прокаты­вают на вальцах в листы, сушат, коптят или отбеливают и направляют потребителям. Копчение придает каучуку устойчивость против окисле­ния и действия микроорганизмов.

Натуральный каучук - термопластичный полимер, имеющий строго регулярную структуру и линейное строение макромолекул. В бензине, бензоле, хлороформе, толуоле, ксилоле, четыреххлористом углероде, циклогексане натуральный каучук хорошо растворим. На свету под действием озона, кислорода и других окислителей он разрушается, теряя эластичность ("стареет").

Для вулканизации натурального каучука чаще всего используется сера. Под действием серы - отдельные макромолекулы каучука соеди­няются между собой сульфидными мостиками, приобретая пространствен­ную структуру, характерную для резины.

Резиновые изделия из натурального каучука характеризуются высокой эластичностью, износо- и морозостойкостью, прочностью на разрыв. К недостаткам натурального каучука можно отнести низкую стойкость к действию растворителей и масел, а также окисляемость на свету под действием атмосферы.

Основное количество натурального каучука перерабатывается в резину. Около 60% его идет на производство автомобильных шин, 1% -на изготовление клеев, а остальное – на производство резино-технических изделий (приводные ремни, ленты, амортизаторы, уплотнители), электроизоляционных материалов, латексов, товаров народного по­требления.

Натуральный каток до настоящего времени остается одним из самых высококачественных каучуков общего назначения, несмотря на производство огромного количества синтетических каучуков.

Бутадиеновые каучуки получают полимеризацией бутадиена (СН₂ = СН - СН = СН₂). В зависимости от условий проведения реак­ции полимеризации из бутадиена можно получить ряд полимеров, от­личающихся структурой макромолекул:

–СН₂ – СН₂–

СН= СН 1,4 – цис - форма

n

–СН₂

СН= СН 1,4 – транс - форма

СН₂ n

–СН₂ – СН –

׀

СН= СН 1,2 –форма

СН₂ n

Впервые синтезированный в СССР бутадиеновый каучук (СКБ) имел нерегулярную структуру, т.е в его составе присутствовали макромолекулы, имеющие различную конфигурацию. Наличие в каучуке большого количества боковых винильных групп ( – СН = СН₂) приводило к получению материала с низкой эластичностью, прочно­стью и морозостойкостью. Впоследствии путем использования металлоорганических катализаторов удалось осуществить получение стереорегулярных бутадиеновых каучуков (СКД), содержащих в своем соста­ве до 98% звеньев 1,4-цис-формы. Такие каучуки позволяют получать резины, превосходящие по эластичности и износоустойчивости резины из натурального каучука. Стереорегулярный бутадиеновый каучук применяют в производстве шин и резино-технических изделий, рабо­тающих на истирание.

Батадиен-стирольные каучуки представляют собой продукты сополимеризации бутадиена и стирола или α - метилетирола общей формулы

[–СН₂ – С= СН – СН₂–]_n – (– СН₂ –СН )_m

׀

С₆Н₅

или (–СН₂ – СН= СН – СН₂–]_n – (– СН₂ –С(СН₃)– )_m

׀

С₆Н₅

Выпускается несколько марок бутадиен-стирольных каучуков (CKC-IO, СКС-30, СКС-50 и др.), цифра в которых указывает на процентное содержание стирола в смеси мономеров, из которой был получен каучук. Аналогично в марках бутадиенметилстирольных каучуков (CKMC-IO, СКМС-30 и т.д.) цифра совпадает с содержанием - метил стирола.

Бутадиен-стирольным каучукам принадлежит первое место в мире по объему производства среди синтетических каучуков общего назна­чения. На их основе получают шины, конвейерные ленты, рукава, кабели и т.д. По эластичности и прочности на разрыв СКС и СКМС несколько уступают натуральному и стереорегуляторным каучукам, зато превосходит натуральный каучук по устойчивости к воздействию озона, кислорода и тепла.

Изопреновые канчуки (СКИ) можно рассматривать как синтетичес­кие аналоги натурального каучука. В настоящее время, используя катализаторы Циглера-Натта, удается получать полимеры с содержа­нием звеньев 1,4-цис-формы до 99%. Так, изопреновые каучуки, прак­тически не уступая натуральному по ряду основных эксплуатационных характеристик, отличаются несколько меньшей эластичностью.

Бутилкаучук - сополимер изобутилена (СН₂ = С (СН₃)₂) с не­большим количеством (I - 5%) изопрена (СН₂ = С (CH₃) - СН = СН₂). В СССР выпускаются бутилкаучуки марок А,А-1, Б,Б-1, В,В-1, отли­чающиеся молекулярной массой и содержанием кратных связей. Основ­ным достоинством резин на основе бутилкаучука является стойкость к действию агрессивных сред (щелочи, перекись водорода), раститель­ных масел, высокая водостойкость, газонепроницаемость, тепло­стойкость, недостатком - низкая эластичность.

Бутилкаучук является лучшим материалом для изготовления газо­непроницаемых изделий (камеры шин, противогазы, уплотнения лета­тельных аппаратов), защиты химической аппаратуры, изготовления ка­белей, теплостойких конвейерных лент, рукавов, грелок и т.д.

Хлоропреновые каучуки представляют собой полимеры хлоропрена общей формулы ((–СН₂ – CCl = CH – CH₂ –)_n. Присутствие хлора в макромолекулах делает хлоропреновые каучуки устойчивыми к дей­ствию масел, бензинов, озона, кислот, щелочей. Хлоропреновые ка­учуки не горят, теплостойки, хорошо вулканизируются. К их недо­статкам относятся низкая морозостойкость и сравнительно высокая, плотность.

Хлоропреновые каучуки применяются при производстве конвейерных лент, рукавов, кабелей, защитных покрытий и т.д.

Бутадиен-нитрильные каучуки (СКН) - сополимеры бутадиена и

акрилонигрила (CH₂ = СН ) имеющие общую формулу

׀CN

(–СН₂ – СН= СН – СН₂–]_n – (– СН₂ – CH– )_m

׀

СN

Выпускают СКН следующих марок CKH-I8, СКН-26, СКН-40. (Цифра указывает на процентное содержание акрилонитрила). Благода­ря присутствию в бутадиен-нитрильных каучуках полярных нитрильных групп ( –CN) они устойчивы к действию масел, бензинов, алифати­ческих углеводородов, но растворяются в хлорированных углеводоро­дах, кетонах.

Бутадиен-нитрильные каучуки относятся к важнейшим представите­лям каучуков специального назначения, которые используют для про­изводства масло- и бензостойких изделий.

Фторкаучуки- продукты совместной полимеризации различных фторпроизводных этилена и пропилена, отличающиеся высокой термо­стойкостью, негорючестью, устойчивостью к воздействию многих аг­рессивных сред. Применяются фторкаучуки главным образом в произ­водстве уплотнительных деталей, работающих в контакте с маслами и агрессивными средами при температуре выше 200°С. Из-за высокой стоимости используются главным образом в химической промышленности, самолетостроении, космической технике, атомной энергетике.

Кремнийорганические каучуки имеют состав, отвечающий формуле

₁ R ׀

(– Si – O–)_{n ,} где R_1, R₂ – углеводородные радикалы.

₂R

Их отличает высокая термо- и морозостойкость, хорошие диэлектри­ческие свойства, стойкость к действию озона, кислорода, влаги, физиологическая инертность. Кремний органические каучуки с успехом применяются в кабельной, электротехнической, авиационной промышлен­ности и при производстве изделий медицинского назначения (трубки для переливания крови, клапаны сердца, протезы и т.п.).

Наибольшее распространение получили кремнии органические каучуки СКТ и СКТВ, отличающиеся боковыми углеводородными радика­лами в макромолекулах. В каучуках СКТ R₁ и R₁соответствуют метильной группе ( - СН₃), в каучуках СКТВ содержатся также макро­молекулы, где R₁ – метильная группа, а R₂ – винильная ( - СН = СН₂).

Недостатком кремний органических каучуков является высокая стоимость и дефицитность сырья (например, Si (CH₃)₂ Cl₂ ,что делает возможным их использование только в производстве изделий специаль­ного назначения.