Каучуки

Каучуки

Министерство образования

Российской Федерации

Камский политехнический институт

Кафедра химии

РЕФЕРАТ

на тему

КАУЧУКИ

Выполнил: студент гр. 1106

Ирдуллин В. В.

Проверил: преподаватель

Маврин Г. В.

Набережные Челны

2001

Содержание

Введение 3

Натуральный каучук 3

История открытия натурального каучука 3

Природные каучуконосы 5

Сбор латекса и производство натурального каучука 6

Физические и химические свойства натурального каучука 6

Состав и строение натурального каучука 7

Синтетический каучук 9

Способ получения синтетического каучука по методу Лебедева 10

Получение синтетического каучука 10

Важнейшие виды синтетического каучука 11

Резина 12

Вулканизация каучука 13

Применение резины в промышленных товарах 15

Виды резины и их применение 15

Использованная литература 17

Введение

Каучуки — натуральные или синтетические материалы, характеризующиеся

эластичностью, водонепроницаемостью и электроизоляционными свойствами, из

которых путём специальной обработки получают резину. Природный каучук

получают из жидкости молочно-белого цвета, называемой латексом, — млечного

сока каучуконосных растений.

В технике из каучуков изготовляют шины для автотранспорта, самолётов,

велосипедов; каучуки применяют для электроизоляции, а также производства

промышленных товаров и медицинских приборов.

Натуральный каучук

История открытия натурального каучука

Каучук существует столько лет, сколько и сама природа. Окаменелые остатки

каучуконосных деревьев, которые были найдены, имеют возраст около трёх

миллионов лет. Каучук на языке индейцев тупи-гуарани означает «слёзы

дерева». Каучуковые шары из сырой резины найдены среди руин цивилизаций

инков и майя в Центральной и Южной Америке, возраст этих шаров не менее 900

лет.

Первое знакомство европейцев с натуральным каучуком произошло пять веков

назад. Собственно, история каучука началась, как ни странно, с детского

мячика и школьной резинки.

На острове Гаити (а тогда — Эспаньола) во время своего второго путешествия

в 1493 году испанский адмирал Христофор Колумб увидел туземцев, игравших

большим плотным мячом. Испанцы были удивлены весёлой игрой индейцев. Они в

такт песне подбрасывали чёрные шары. Хотя это казалось невероятным, но,

ударяясь о землю, мячи довольно высоко подскакивали в воздух. Взяв эти шары

в руки, испанцы нашли, что они довольно тяжелы, липки и пахнут дымом.

Индейцы скатывали их из загустевшего млечного сока, вытекавшего из порезов

на коре дерева гевеи. Колумб привёз несколько кусков этого удивительного

вещества на родину, но в те времена он никого не заинтересовал. Индейцы

делали из него непромокаемые калоши, которые в жару прилипали к ногам, а

растянувшись, больше уже не сжимались.

Много лет испанцы пытались повторить водонепроницаемые вещи (обувь, одежду,

головные уборы) индейцев, но все попытки были неудачными.

Первые попытки сделать каучуковую обувь вызывали только смех. Галоши или

сапоги хорошо служили в дождь, но стоило выглянуть и припечь солнцу, как

они растягивались, начинали прилипать. В мороз же такая обувь становилась

хрупкой как стекло.

Следующие два века каучук для Европы был просто любопытной заморской

диковинкой.

В 1731 году правительство Франции отправило математика и географа Шарля

Кондамина (Charles Marie de La Condamine) в географическую экспедицию по

Южной Америке. В 1736 он отправил обратно во Францию несколько образцов

каучука вместе с описанием продукции, производимой из него людьми,

населяющими Амазонскую низменность. После этого резко возрос научный

интерес к изучению этого вещества и его свойств.

В 1770 году британский химик Джозеф Пристли[1] (Joseph Priestley) впервые

нашёл ему применение: он обнаружил, что каучук может стирать то, что

написано графитовым карандашом[2]. Тогда такие куски каучука называли

гуммиэластиком («смолой эластичной»).

В 1791 году английский фабрикант Самуэль Пил (Samuel Peal) запатентовал

способ сделать одежду водонепроницаемой с помощью обработки её раствором

каучука в скипидаре.

Во Франции к 1820 г. научились изготовлять подтяжки и подвязки из

каучуковых нитей, сплетённых с тканью.

В Англии британский химик и изобретатель Чарльз Макинтош (Charles

Macintosh) предложил класть тонкий слой каучука между двумя слоями ткани и

из этого материала шить водонепроницаемые плащи. В 1823 году в Глазго он

начал мануфактурное производство водонепроницаемой одежды. Непромокаемый

плащ из прорезиненной ткани до сих пор носит его имя. Но эти плащи зимой

становились твёрдыми от холода, а летом расползались от жары.

В США вещи из каучука стали популярными в 1830-х годах, резиновые бутылки и

обувь, сделанные южноамериканскими индейцами, импортировались в больших

количествах. Другие резиновые изделия завозились из Англии, а в 1832 году в

городе Роксбери штата Массачусетс Джон Хаскинс (John Haskins) и Эдвард Шафе

(Edward Chaffee) организовали первую «каучуковую» фабрику в США. Но

производимые вещи, как и импортируемые, становились хрупкими зимой, и

мягкими и липкими летом. В 1834 году немецкий химик Фридрих Людерсдорф

(Friedrich Ludersdorf) и американский химик Натаниель Хейвард (Nathaniel

Hayward) обнаружили, что добавление серы к каучуку уменьшает или даже вовсе

устраняет липкость изделий из каучука. Американский изобретатель Чарльз

Гудьир (Charles Goodyear) с 1834 г. упорно пытался «спасти» каучук. Но

только в 1839 г. ему повезло. В этом году он, используя открытия этих двух

химиков, обнаружил, что нагревание каучука с серой устраняет его

неблагоприятные свойства. Он положил на печь кусок покрытой каучуком ткани,

на которую был нанесён слой серы. Через некоторое время он обнаружил

кожеподобный материал — резину. Этот процесс был назван вулканизацией.

Открытие резины привело к широкому её применению: к 1919 году было

предложено уже более 40 000 различных изделий из резины.

Внимание капиталистов всех стран обратилось на добычу каучука. Бразилия

оказалась владетельницей громадных богатств. Чтобы сохранить их,

правительство Бразилии издало закон, запрещающий под страхом смерти вывоз

семян и молодых деревьев гевеи. Но было поздно.

По совету ботаника Дж. Гукера, англичанин Генри Викгем (Henry Wickham)

поехал в 1876 году на берега Амазонки, где собрал 70 000 семян гевеи и

контрабандно вывез их из Бразилии. Тайком доставил их в Королевский

ботанический сад в Лондоне. Семена были высеяны, но взошло только 4%.

Однако через несколько дней сеянцы достигли полуметровой высоты и были

использованы для высадки на плантациях сперва в Шри-Ланке, а затем в других

тропических районах Восточного полушария. Затем такие же плантации были

устроены в полосе 1100—1300 км по обе стороны от экватора. Около 99%

плантационного каучука приходит из Юго-Восточной Азии. Попытки высадить

каучуконосные деревья в тропических областях Западного полушария

закончились неудачей из-за болезней растений в тех местностях.

Компании, организовывавшие добычу, сбор и перевозку каучука, безжалостно

калечили людей, занятых его сбором, стремясь как можно больше и дешевле

получить его. Сборщику каучука много приходилось бродить по лесу в поисках

гевей, так как они растут друг от друга на расстоянии 20—100 м.

Серингеро, добывая сок гевеи, сам же его и обрабатывал в каучук.

Тут же в лесу раскладывал костёр, вырезал лопаточку в виде весла и

обмазывал её глиной. Он садился на корточки, обмакивал лопаточку в сосуд с

соком гевеи и держал в белом дыму костра, поворачивая над огнём. А когда

вода испарялась, и вокруг лопаточки образовывалась тонкая плёнка каучука,

серингеро снова макал её в сок гевеи и снова коптил в дыму костра. Это

продолжалось до тех пор, пока вокруг лопатки не образовывался большой ком

килограммов в 5 весом. Затем серингеро разрезал его и снимал с лопатки в

виде листа толщиной в 10 см. Это был лучший и, благодаря копчению, не

загнивавший каучук. Но серингеро гибли от тяжёлого труда, укусов змей,

малярии и других болезней. Вот что писал один инженер, прибывший в 1907

году в район Путумайо: «Индейцы имеют ужасный вид, они еле двигаются от

слабости и истощения. С каждого индейца в месяц требуется до 25 кг каучука.

Каждые 10 дней индейцы сдают собранный каучук. Если стрелка весов

показывает норму, они смеются и пляшут. При нехватке каучука индеец

бросается на землю и ждёт наказания. Не выдерживая такой работы, истязаний,

индейцы бегут. Если беглеца находят в какой-либо хижине, то её обливают

керосином и сжигают вместе со всеми жителями. В выбегающих стреляют». Всё

это происходит в XX веке.

В нашей стране не было известно природных источников для получения

натурального каучука, а из других стран каучук к нам не завозился. Ещё в

1931 году И. В. Сталин сказал: «У нас имеется в стране всё, кроме каучука.

Но через год-два и у нас будет свой каучук». Не прошло и года, как

колхозник Спиваченко указал ботанику Л. Е. Родину в горах Тянь-Шаня в

Казахстане на каучуконосный одуванчик кок-сагыз, содержащий в корнях от 16

до 28% каучука.

Необходимость создания сырьевой базы резиновой промышленности побудила

советское правительство в начале 1926 г. объявить конкурс на лучший способ

получения синтетического каучука. Последний срок представления предложений

(и одновременно 2 кг образца синтетического каучука) был назначен на 1

января 1928 г. На призыв правительства отозвался С. В. Лебедев, который

организовал группу исследователей из семи человек. Первый успех в работе

определился в середине 1927 г. И только 30 декабря 1927 г. 2 кг

дивинилового каучука вместе с описанием способа С. В. Лебедева было

отправлено на конкурсную комиссию. Его способ заключался в полимеризации

1,3-бутадиена под действием натрия. С 1932 г. было начато промышленное

производство 1,3-бутадиена по методу Лебедева, а из 1,3-бутадиена —

производство каучука.

Природные каучуконосы

Слово «каучук» происходит от двух слов языка тупи-гуарани: «кау» — дерево,

«учу» — течь, плакать. «Каучу» — сок гевеи, первого и самого главного

каучуконоса. Европейцы прибавили к этому слову всего одну букву.

Натуральный каучук получают коагуляцией млечного сока (латекса)

каучуконосных растений. Основной компонент каучука — углеводород

полиизопрен (91-96%).

Природный каучук встречается в очень многих растениях, не составляющих

одного определённого ботанического семейства. В зависимости от того, в

каких тканях накапливается каучук, каучуконосные растения делят на:

. паренхимные — каучук в корнях и стеблях;

. хлоренхимные — каучук в листьях и зелёных тканях молодых побегов.

. латексные — каучук в млечном соке.

Травянистые латексные каучуконосные растения из семейства сложноцветных

(кок-сагыз, крым-сагыз и другие), произрастающие в умеренной зоне, в том

числе в южных республиках, содержащие каучук в небольшом количестве в

корнях, промышленного значения не имеют.

Среди травянистых растений России есть всем знакомые одуванчик, полынь и

молочай, которые тоже содержат млечный сок.

Промышленное значение имеют латексные деревья, которые не только

накапливают каучук в большом количестве, но и легко его отдают; из них

наиважнейшее — гевея бразильская (Hevea brasiliensis), дающая по разным

оценкам от 90 до 96% мирового производства натурального каучука.

Сырой каучук из других растительных источников обычно засорён примесями

смол, которые должны быть удалены. Такие сырые каучуки содержат гуттаперчу

— продукт некоторых тропических деревьев семейства сапотовых (Sapotaceae).

В течение Второй мировой войны (1939-1945) по экономическим причинам были

культивированы другие, нетропические источники каучука: гуайуль (guayule)

мексиканского происхождения, а также одуванчик кок-сагыз (Taraxatum kok-

saghyz), произрастающий на территории Западного Туркестана[3].

Каучуконосы лучше всего произрастают не далее 10° от экватора на север и

юг. Поэтому эта полоса шириной 1300 километров по обе стороны от экватора

известна как «каучуковый пояс».

Дело в том, что для каучуконосов требуется очень тёплый и влажный климат и

плодородная почва. Развитие автомобильной промышленности значительно

повысило потребности в резине и, соответственно, в каучуке. Поэтому

появились новые плантации гевей: молодые деревца из Южной Америки посадили

в Малайзии, на Шри-Ланке и в Индонезии. Они отлично прижились и дают

большой урожай.

Сбор латекса и производство натурального каучука

Это высокое стройное дерево может достигать 45 метров в высоту при 2,5—2,8

м в обхвате. Родиной гевеи является бассейн Амазонки — великой водной

магистрали. Отсюда вывозился первый каучук в Европу.

Каучук в гевее содержится в млечном соке — латексе, распределённом в

млечных каналах, которые образуют в стволе концентрические кольца.

Латекс состоит из мельчайших частичек жидкости, твёрдых частиц и других

примесей. Только около 33% латекса составляет каучук, 66% вода и около 1%

другие вещества.

Для сбора латекса с деревьев на коре делается диагональный остроугольный

надрез, вершиной угла направленный вниз, затем надрез расширяют до 0,3—0,5

от окружности ствола. Из надреза выделяется латекс и стекает в небольшую

чашу. С каждого надреза получается около 30 мл латекса. После этого обычно

на следующий день ниже первоначального надреза обдирается тонкая полоска

коры, чтобы получить новый сок. Когда надрезы достигают поверхности земли,

ствол оставляют в покое, чтобы он смог восстановить кору на дереве перед

новой подсочкой. На 1 гектаре высаживается около 250 деревьев, в год с 1

гектара получают около 450 кг сухого необработанного каучука. Со специально

выведенных высокоурожайных деревьев можно получить 2225 кг с гектара в год,

были разработаны опытные деревья с урожайностью до 3335 кг с гектара в год.

Полученный латекс растягивают, разбавляют водой и подвергают коагуляции

путём обработки кислотой, чтобы частицы каучука в латексе сцепились друг с

другом. Затем производят протягивание между валками, придавая листам

толщину 0,25 дюйма (?0,6 см), полученные листы высушивают путём обдувания

сухим тёплым воздухом или дымом, и отправляют на погрузку.

Физические и химические свойства натурального каучука

Натуральный каучук — аморфное, способное кристаллизоваться твёрдое тело.

Природный необработанный (сырой) каучук — белый или бесцветный углеводород.

Он не набухает и не растворяется в воде, спирте, ацетоне и ряде других

жидкостей. Набухая и затем растворяясь в жирных и ароматических

углеводородах (бензине, бензоле, эфире и других) и их производных, каучук

образует коллоидные растворы, широко используемые в технике.

Натуральный каучук однороден по своей молекулярной структуре, отличается

высокими физическими свойствами, а также технологическими, то есть,

способностью обрабатываться на оборудовании заводов резиновой

промышленности.

Особенно важным и специфическим свойством каучука является его эластичность

(упругость) — способность каучука восстанавливать свою первоначальную форму

после прекращения действия сил, вызвавших деформацию. Каучук —

высокоэластичный продукт, обладает при действии даже малых усилий обратимой

деформацией растяжения до 1000%, а у обычных твёрдых тел эта величина не

превышает 1%. Эластичность каучука сохраняется в широких температурных

пределах, и это является характерным его свойством. Но при долгом хранении

каучук твердеет.

При температуре жидкого воздуха –195°C он жёсткий и прозрачный; от 0 ° до

10 °C — хрупкий и уже непрозрачный, а при 20 °C — мягкий, упругий и

полупрозрачный. При нагреве свыше 50 °C он становится пластичным и липким;

при температуре 80 °C натуральный каучук теряет эластичность; при 120 °C —

превращается в смолоподобную жидкость, после застывания которой уже

невозможно получить первоначальный продукт. Если поднять температуру до

200—250 °C, то каучук разлагается с образованием ряда газообразных и жидких

продуктов.

Каучук — хороший диэлектрик, он имеет низкую водо- и газопроницаемость.

Каучук не растворяется в воде, щёлочи и слабых кислотах; в этиловом спирте

его растворимость небольшая, а в сероуглероде, хлороформе и бензине он

сначала набухает, а уж затем растворяется.

Легко окисляется химическими окислителями, медленно — кислородом воздуха.

Теплопроводность каучука в 100 раз меньше теплопроводности стали.

Наряду с эластичностью, каучук ещё и пластичен — он сохраняет форму,

приобретённую под действием внешних сил. Пластичность каучука,

проявляющаяся при нагревании и механической обработке, является одним из

отличительных свойств каучука. Так как каучуку присущи эластические и

пластические свойства, то его часто называют пласто-эластическим

материалом.

При охлаждении или растяжении натурального каучука наблюдается переход его

из аморфного в кристаллическое состояние (кристаллизация). Процесс

происходит не мгновенно, а во времени. При этом в случае растяжения каучук

нагревается за счёт выделяющейся теплоты кристаллизации. Кристаллы каучука

очень малы, они лишены чётких граней и определённой геометрической формы.

При температуре около –70 °C каучук полностью теряет эластичность и

превращается в стеклообразную массу.

Вообще все каучуки, как аморфные материалы, могут находиться в трёх

физических состояниях: стеклообразном, высокоэластическом и вязкотекучем.

Высокоэластическое состояние для каучука наиболее типично.

Каучук легко вступает в химические реакции с целым рядом веществ:

кислородом (O2), водородом (H2), галогенами (Cl2, Br2), серой (S) и

другими. Эта высокая реакционная способность каучука объясняется его

ненасыщенной химической природой. Особенно хорошо реакции проходят в

растворах каучука, в которых каучук находится в виде молекул сравнительно

крупных коллоидных частиц.

Почти все химические реакции приводят к изменению физических и химических

свойств каучука: растворимости, прочности, эластичности и других. Кислород

и, особенно, озон, окисляют каучук уже при комнатной температуре. Внедряясь

в сложные и большие молекулы каучука, молекулы кислорода разрывают их на

более мелкие, и каучук, деструктурируясь, становится хрупким и теряет свои

ценные технические свойства. Процесс окисления лежит также в основе одного

из превращений каучука — перехода его из твёрдого в пластичное состояние.

Состав и строение натурального каучука

Натуральный (природный) каучук (НК) представляет собой высокомолекулярный

непредельный углеводород, молекулы которого содержат большое количество

двойных связей; состав его может быть выражен формулой (C5H8)n (где

величина n составляет от 1000 до 3000[4]); он является полимером изопрена:

[pic]

Как видно из этой схемы, при полимеризации изопрена раскрываются обе его

двойные связи, а в элементарном звене полимера двойная связь возникает на

новом месте — между атомами углерода 2 и 3.

Природный каучук содержится в млечном соке каучуконосных растений, главным

образом, тропических (например, бразильского дерева гевея).

Другой природный продукт — гуттаперча — также является полимером изопрена,

но с иной конфигурацией молекул[5].

Длинную молекулу каучука можно было бы наблюдать непосредственно при помощи

современных микроскопов, но это не удаётся, так как цепочка слишком тонка:

диаметр её, соответствующий диаметру одной молекулы, составляет примерно

2?10-10 м. Если макромолекулу каучука растянуть до предела, то она будет

иметь вид зигзага, что объясняется характером химических связей между

атомами углерода, составляющими скелет молекулы.

Звенья молекулы каучука могут вращаться не беспрепятственно в любом

направлении, а ограниченно — только вокруг одинарных связей. Тепловые

колебания звеньев заставляют молекулу изгибаться, при этом концы её в

спокойном состоянии сближены.

При растяжении каучука концы молекул раздвигаются и молекулы ориентируются

по направлению растягивающего усилия. Если устранить усилие, вызвавшее

растяжение каучука, то концы его молекул вновь сближаются и образец

принимает первоначальную форму и размеры.

Молекулу каучука можно представить себе как круглую, незамкнутую пружину,

которую можно сильно растянуть, разведя её концы. Освобождённая пружина

вновь принимает прежнее положение. Некоторые исследователи представляют

молекулу каучука в виде пружинящей спирали.

Качественный анализ показывает, что каучук состоит из двух элементов —

углерода и водорода, то есть, относится к классу углеводородов.

Первоначально принятая формула каучука была C5H8, но она слишком проста для

такого сложного вещества как каучук. Определение молекулярной массы

показывает, что она достигает нескольких сот тысяч (150 000 — 500 000).

Каучук, следовательно, природный полимер.

Экспериментально доказано, что в основном макромолекулы натурального

каучука состоят из остатков молекул изопрена, а сам натуральный каучук —

природный полимер цис-1,4-полиизопрен. Структурная формула его такова:

[pic]

Молекула натурального каучука состоит из нескольких тысяч исходных

химических групп (звеньев), соединённых друг с другом и находящихся в

Страницы: 1, 2