Сторінка
2

Каучуки та їх застосування

Будова ізопрену виражається формулою:

Ізопрен, або 2-метилбутадієн-1,3, — безбарвна рідина з темпера­турою кипіння 34° С і температурою замерзання — 146,8° С. Мак­ромолекули натурального каучуку, які є продуктом біосинтезу рослинного організму, складаються з великої кількості (понад 1000) ланок ізопрену:

Молекулярна маса натурального каучуку становить 150 000— 500 000. Чистий каучук легший від води, густина його становить 0,90—0,93 г/см3. Він добре розчиняється в бензині, сірковуглеці, бензолі, дихлоретані і не розчиняється у воді. Розчини каучуку в органічних розчинниках використовуються як гумові клеї, оскільки вони мають велику клеючу властивість (адгезію).

Каучук— це еластична речовина, яка не проводить електрич­ного струму, він водо- і газонепроникний. Фізичні і механічні властивості каучуку, його міцність, еластичність у широкому інтервалі температур значною мірою зумовлені регулярною струк­турою макромолекул. Макромолекули натурального каучуку мають лінійну будову. Окремі ланки ізопрену зв'язані між собою в ланцюгу в положенні 1,4.

Натуральний каучук є цис-ізомером поліізопрену:

Існує також транс-ізомер поліізопрену — гутаперча:

Порівняно з каучуком гутаперча не така міцна, легко кристалі­зується і майже позбавлена еластичності. Добувають гутаперчу з бруслини і евкомії.

Основним недоліком природного каучуку є, як зазначалося раніше, його термолабільність, зумовлена нетривкістю міжмоле­кулярних зв'язків. Макромолекули каучуку порівняно слабко зв'язані між собою, тому від нагрівання вони набувають великої рухливості і каучук розм'якшується. Запобігти цим небажаним властивостям можна вулканізацією каучуку. В результаті вул­канізації каучук змінює свої фізико-механічні властивості: набуває міцності та еластичності, стає нерозчинним при звичайній температурі в органічних розчинниках. Процес вулканізації від­бувається в результаті взаємодії каучуку з сіркою при нагріванні до 130—160° С. Вулканізують не чистий каучук, а його суміш з іншими речовинами, які забезпечують цінні експлуатаційні влас­тивості і виконують роль пластифікаторів, наповнювачів, антиоксидантів, барвників (сажа, крейда, каолін, кремнієва кислота, різні види смол, висококиплячі фракції вуглеводнів). Крім того, до каучуку додають незначну кількість прискорювачів, які не тільки скорочують час вулканізації, а й поліпшують фізико-хімічні властивості вулканізаторів (дифенілгуанідин, меркаптобензтіазол). Прискорююча дія цих речовин проявляється в повній мірі при наявності активатора — ZnO. У процесі вулканізації атоми розплавленої сірки проникають між макромолекули кау­чуку і скріплюють їх між собою в різних напрямах в єдину спору­ду. Сірчані «містки» підвищують міцність каучуку. Чим більше атомів сірки в гумі, тим вона твердіша. М'яка гума містить 3—4% сірки, гума, що використовується для виробництва автомобільних шин, 5—6%. Обробка каучуку більшою кількістю сірки (30-40%) дає твердий продукт-ебоніт, який широко використовується в електро­техніці як ізолятор. Вулканізація — це, головним чином, хімічний процес, хоч певну роль відіграють і колоїдно-фізичні явища. Ос­новною хімічною реакцією вулканізації є приєднання сірки до вуг­лецю. Одночасно відбуваються термоокислювальні і полімеризаційні процеси. Умови вулканізації і природа прискорювача впливають на тип зв'язку між атомами вуглецю і сірки. При відсут­ності прискорювачів сірка приєднується до вуглецю, в основному, внутрішньомолекулярно, утворюючи циклічні полісульфіди. При наявності ж прискорювачів виникають міжмолекулярні, попереч­ні зв'язки:

Останнім часом вулканізацію розглядають як окислювально-відновний процес, в якому окислювально-відновні реакції є дже­релом утворення вільних радикалів, що ініціюють реакції зши­вання ланцюгів.

Гума, яку добувають вулканізацією каучуку, дуже широко застосовується в народному господарстві і побуті. В ній поєдну­ється багато властивостей, яких немає у дерева, каменю, металів і волокнистих речовин. Найважливішою властивістю гуми є її еластичність. Вона має здатність розтягуватися, а потім швидко скорочуватися майже до початкових розмірів. Жодний з природ­них і штучних матеріалів не має такої високої еластичності. Гу­ма спеціальних сортів може розтягуватися в 10 разів. Гума досить міцна. Гумовий шнур перерізом 1 см2 витримує вантаж до 400 кг. Гума добре протистоїть стиранню. Так, шина автомобіля, який проїхав тисячу кілометрів, втрачає у вазі внаслідок зношення тільки 70—80 г. Деякі сорти гуми стираються менше, ніж сталь. Гума не проводить електричного струму (добрий ізолятор), не про­пускає води і газів. Важко перелічити всі галузі народного госпо­дарства, де використовується гума, і майже неможливо назвати всі вироби, до яких вона входить. Ще на початку XX ст. налічу­валось понад 10 тис. різних гумових виробів.

2. Синтетичні каучуки. Початок XX століття —період швидкого розвитку нових галузей промисловості — автомобільної, електро­технічної та ін. Тому виникла потреба значно збільшити вироб­ництво каучуку, надати йому різноманітних властивостей: морозо- і теплостійкості, механічної міцності. Природний каучук далеко не в усіх випадках задовольняв потреби і вимоги техніки. Тому перед ученими-хіміками постало питання про добування синте­тичного каучуку.

Важлива роль у розв'язанні проблеми синтезу каучуку нале­жить вітчизняним ученим — О. М. Бутлерову, О. Є. Фаворському, І. Л. Кондакову, С. В. Лебедеву, Б. В. Бизову, М. Д. Зелінському. Ці вчені протягом багатьох років вивчали хімічні пе­ретворення ненасичених органічних сполук, особливо докладно досліджували вуглеводні, що можуть утворювати каучукоподібні речовини.

В 1888 р. російський хімік І. Л. Кондаков добув штучний ізопрен з триметилетилену. Пізніше І. Л. Кондакову вдалося добути каучук з іншого вуглеводню, подібного хімічними власти­востями до ізопрену,— диметилбутадієну. Проте, каучук, до­бутий з цього вуглеводню, був дуже дорогим (у 20 разів дорожчим від натурального каучуку). Тому насамперед треба було розв'я­зати проблему сировини — вона мала бути придатною для перероб­ки і дешевою. Крім того, треба було знайти найшвидший і найпростіший спосіб перетворення її в каучук.

Важливий вклад у розв'язання цієї важливої проблеми вніс радянський учений С. В. Лебедев. За роки роботи в галузі полі­меризації ненасичених вуглеводнів С. В. Лебедев вивчив цілий ряд вуглеводнів — ізопрен, бутадієн та ще 14 сполук цього типу. Оскільки способи добування дешевого ізопрену ще не були розроблені, добувати з нього каучук не було рації. С. В. Лебедев зосередив свою увагу на вивченні іншої речовини — бутадієну. Це — газ, який можна добувати з нафти і спирту. У зв'язку з цим проб­лема сировини розв'язувалася легко. Завдяки наполегливій пра­ці С. В. Лебедеву вдалося відшукати каталізатор, який сприяв полімеризації бутадієну. Це був металічний натрій.

У 1909 р. на засіданні Російського фізико-хімічного товарист­ва С. В. Лебедев доповів про метод добування першого синтетич­ного каучуку. Проте у царській Росії в промисловість його не було введено. Промислове виробництво синтетичного каучуку було налагоджено лише за часів Радянської влади в 1932 р. на Ярославському заводі. У роки перших п'ятирічок було споруд­жено і введено в дію 4 заводи, які поклали початок створенню в нашій країні промисловості синтетичного каучуку. Отже, бать­ківщиною синтетичного каучуку є Радянський Союз. За кордоном виробництво синтетичного каучуку налагодилось значно пізніше і (у Німеччині — 1936—1938 pp., в США — 1942 p., Канаді— 1943 p., Англії, Італії — 1958 p.). Успішне розв'язання проблеми промислового синтезу каучуку належить до найвизначніших досягнень науки і техніки XX століття.