Каучук

Визначення і загальна характеристика

КАУЧУ́К  — натуральні (природні) та синтетичні високомолекулярні сполуки, виділені в особливий клас матеріалів, визначальними властивостями яких є високоеластичність, тобто здібність до великих зворотніх деформацій при малому модулі пружності. Слово походить від індіан. «каа-о-чу», що означає «дерево, яке плаче». Термін увів франц. учений Ш. Кондамін (1738).

Каучук натуральний (КН) . Існує велика кількість рослин-каучуконосів, але сировиною для пром. виробництва КН є Hevea brasiliensis — типовий представник Пд.-амер. тропіч. лісів. У молоч. соку бразил. гевеї міститься 30–40 % КН. Перші зразки К. до Європи привезли 1525 із Пд. Америки іспанці, це були чорні м’ячі, якими грали індіанці. Однак цікавість до К. як до матеріалу проявилася після 1736 у Франції, а потім і в Англії, де створ. низку комерц. вироб-в з виготовлення К. (гумки, непромокал. плащі, калоші). Популярність виробів швидко впала, оскільки в холодну погоду вони тверділи, а в жарку — плавилися. 1826 М. Фарадей дослідив молоч. сік бразил. гевеї і встановив, що КН складається із вуглеводнів заг. формули С₅Н₈ (ізопрен). Окрім того, у молоч. соку містяться білки, вуглеводи, смолоутворювал. речовини, орган. кислоти, мінерал. солі. 1921 Г. Штаудінґер встановив, що КН — це ліній. цис-1,4-поліізопрен. Молекулярна вага КН 1 400 000–2 600 000 і 98 % ланок ізопрену у його макромолекулі приєднані у положення 1,4 цис. Щільність КН 0,91–0,92 г/см³. За температури нижче +10 °С КН кристалізується. Висока молекулярна вага та схильність до кристалізації обумовили гол. технол. недолік КН — необхідність пластикації. Зростання попиту на КН знову виникло після 1839, коли Ч. Гудьїр у США, а пізніше Т. Генкок у Великій Британії (1845) отримали патенти на процес вулканізації КН сіркою при нагріванні. Гол. недоліки КН були усунені, це сприяло зародженню гумотех. промисловості, а проблему сировин. бази КН поставлено на держ. рівень у Великій Британії, США, Франції. Насіння гевеї було нелегально вивезено із Бразилії і доставлено в англ. колонії Пд.-Сх. Азії, де розпочалося культивування виробництва КН. У тропіч. країнах Пд.-Сх. Азії (Малайзія, Індонезія, Таїланд, В’єтнам) і нині виробляється осн. об’єм КН. Для вирощування бразил. гевеї необхідна середньорічна температура +25–30 °С та опади не менше 200 мм на рік. За останні 20 р. великі посадки гевеї з’явилися у низці афр. країн (Ліберія, Нігерія та ін.), т. зв. каучук. поясі — смузі шир. 1300 км уздовж екватора. Продуктивність плантацій 1,7–2,0 т/га каучуку. КН у латексі знаходиться у вигляді кулястих часток — глобул. Латекс у бідонах привозять на ф-ки, що знаходяться побл. посадок гевеї, де у спец. ваннах коагулюють при додаванні оцтової або мурашиної кислоти. Коагулюм на вальцях промивають водою і вальцюють у рифлені листи, потім сушать у спец. камерах, наповнених димом пальмового листя. Такий КН називають RSS (rabber smoked sheets). Ін. групою К. є світлий креп, який отримують шляхом додавання перед коагуляцією бісульфіту натрію, далі промивають і сушать листами у вентильов. сушарках за температури +50–60 °С. Листи пресують у кіпи, упаковують і в такому вигляді реалізують. Листовий КН усіх типів і сортів оцінюють на підставі зовн. огляду у порівнянні з еталоном (Зелена книга). Існує також регламентація якості КН за тех. стандартами: вміст забруднень, золи, летючих речовин, нітрогену; початк. пластичність, індекс збереження пластичності, показник кольору та в’язкість по Муні. Виготовляють також КН спец. типів, напр., із регульованою в’язкістю або у порошкоподіб. формі. Світ. виробництво КН 2011 складало 10,5 млн т. Із них бл. 70 % використовують для виготовлення гуми у виробництві шин, а решту — для транспортер. стрічок, ізоляції кабел. продукції, амортизаторів, ін. гумотех. виробів, гумових клеїв, а також у вигляді латексів для тонкостін. виробів мед. призначення, дит. та спорт. товарів. Серед найцінніших властивостей КН — когезійна міцність, яка характеризує зчеплення молекул К. під дією сил притягання. Це одна з осн. властивостей, яка обумовлює незамінність КН для гум деяких деталей пневмат. шин.

Каучук синтетичний (КС) . Створення числен. комерц. гумових виробів з КН стимулювало розвиток світ. наук. досліджень щодо вивчення структури, хім. властивостей та отримання його аналогів методами хім. синтезу. Особливої гостроти ця проблема набула у зв’язку з розвитком автомобілебудування на поч. 20 ст. Важливі дослідження із синтезу К. були виконані вченими Ґ. Бушардою (Франція), Дж.-А. Ньюландом, В.-Г. Карозерсом (обидва — США), І. Кондаковим (РФ), однак перше діюче пром. виробництво створ. 1926–27 у результаті досліджень рос. вченого С. Лебедєва, який отримав мономер — бутадієн з етилового спирту і створив метод його полімеризації, використовуючи метал. натрій в якості каталізатора — натрій бутадієновий КС марки СКБ. Ці роботи значно вплинули на подальший розвиток його виробництва у світі. Спочатку КС розглядався як замінювач КН, однак уже після 2-ї світової війни він посів самост. місце у виробництві гумотех. виробів, причому окремі його види за низкою властивостей суттєво переважають КН. Стійкість до дії агресив. середовищ, мастил та розчинників, термостійкість, морозостійкість, газонепроникність, опір стиранню, озоностійкість та ін. важливі тех. характеристики гуми з КС суттєво кращі. Від 1936 у Німеччині, США та СРСР разом з продовженням досліджень розпочато пром. виробництво хлоропренових, а потім бутадієн-стирольних К., полімеризованих у водних емульсіях за радикал. механізмом, що дозволило отримати КС, які забезпечують виготовлення гуми із кращими тех. властивостями, ніж з СКБ. Дослідниц. центри у різних країнах розпочали наук. пошуки для створення КС шляхом полімеризації та поліконденсації мономерів — каучукогенів — бутадієну, стиролу, ά-метилстиролу, ізопрену, ізобутилену, етилену, пропілену, акрилонітрилу, диоргано-дихлорсилану та ін. Полімеризація проводилася або в масі мономера, або у водній емульсії. В остан. випадку КС отримують у вигляді латексу (подібно КН) і далі виділяють шляхом коагуляції, промивки, сушіння та пресування у брикети. За цією технологією були організовані виробництва осн. пром. КС та їх модифікацій. 1953 К. Циґлер (Німеччина) запатентував новий комплекс. каталізатор алюмінієорган. сполук та галогенідів титану для полімеризації олефінових вуглеводнів, а пізніше Дж. Натта (Італія) застосував його для стереоспецифіч. полімеризації ненасичених вуглеводнів. Після цього багато дослідників застосовували їх для синтезу цис-1,4-поліізопрену. 1964 у Росії організовано потужне пром. виробництво КС, близького за мікроструктурою та осн. властивостями до КН. Практично одночасно Б. Долгоплоском у Росії було розроблено цис-1,4-полібутадієн, який нині виробляють багато країн. Стереоспецифіч. каталіз відкрив нові шляхи синтезу К. для гум із цінним комплексом властивостей. Згодом з’явилися етилен-пропіленові та етилен-пропілендієнові К., які дозволили отримувати гумотех. вироби з високою атмосферо- та озоностійкістю. Розпочато виготовлення бутилкаучуку, що дає високу паростійкість, гало-бутилкаучуків з низькою газопроникністю. Останні дозволили розвинути виробництво безкамер. автомоб. шин. Організовано виробництва бутадієн-нітрилакрильних К. для маслостійкої гуми, фторкаучуків для стійкої гуми до +180 °С і диетилсилоксанових К. для стійкої гуми до +250 °С. Остан. технол. процес освоєно також в Україні 2004 на держ. підприємстві «Кремнійполімер» (Запоріжжя). КС дозволили суттєво розширити температур. діапазон застосування гуми у різних галузях промисловості. Гол. наук. центром розроблення нових КС у Зх. Європі є НДІ синтет. каучуків у С.-Петербурзі. Великі наук. центри мають фірми «Байєр» (Німеччина), «Ланксес» (США), «Бріджестоун» (Японія) та ін. Зростаючі світ. вимоги до якості шин швидкіс. легкових автомобілів зумовлюють створення гуми із покращеними властивостями — зчеплення з дорож. покриттям, зниженими витратами на кочення (економія пального) та зносостійкість. Це стимулювало виробництво бутадієн-стирольних К. розчин. полімеризації з використанням літійорган. каталізаторів, які дозволяють ефективно вирішувати проблему. Отже, у світі відбувається безперерв. процес створення нових типів КС, зумовлений потребами розвитку каучукоспоживаючих галузей промисловості. КС умовно поділяють на 2 класи: заг. (мають гарну еластичність при т-рах від –20 до +120 °С, використовуються для виробництва шин, гумового взуття, транспортер. стрічок тощо) та спец. (можуть експлуатуватися в агресив. середовищах у температур. діапазоні від –70 до +300 °С) призначення. Номенклатура гумотех. виробів у світі становить понад 50 тис. типів. Розроблено також синтез еластомер. матеріалів з олігомерів, які дозволяють втілювати принципово нову енергоощадну технологію одержання гум. В Україні цими питаннями займається Інститут хімії високомолекуляр. сполук НАНУ (Київ). 2011 обсяг світ. виробництва КС сягнув 12,3 млн т (46 % — Китай, Корея, Японія; 20 % — країни ЄС; 19 % — Пн. Америка; 9 % — РФ).

Завантажити статтю