Что делают из каучука: что это такое и каким путем получают эластичный материал

Каучук: история открытия

Если бы мы могли спросить индейцев, что такое каучук, они бы ответили, что это слезы деревьев. Так дословно переводится этот термин с древнего языка тупи-гуарани. До открытия Америки европейцы никогда не слышали о таком замечательном материале. В Новом Свете они впервые увидели мячи, туфли и другие изделия из упругого и прочного материала.

Дело в том, что единственное каучуковое дерево — источник каучука — растет только на экваторе, в небольшой полосе шириной 1500 км. Так называемая бразильская гевея содержит много латекса и легко отдает его человеку.

В наших широтах похожий млечный сок имеют одуванчик, молочай и полынь. Однако ни его количество, ни качество не позволяют производить из него жевательную резинку. Именно поэтому с этим материалом оказались прекрасно знакомы только древние народы американского континента, а история открытия каучука связана с эпохой географических открытий.

Вскоре предприимчивые европейцы научились выращивать гевею в промышленных масштабах и распространили уникальное сырье по всему миру. Также в 1839 г из каучука был синтезирован каучук. Ученый Чарльз Гудиер попытался нагреть его серой и получил еще более прочный и удобный материал. Процесс получил название вулканизации, и резиновые изделия быстро завоевали планету.

Природа и наука

Таким образом индейцы майя сделали своего рода мяч. Однако чистый каучук обладает несколькими физическими свойствами, из-за которых его широкое распространение во всем мире уже давно не используется.

От высоких температур резина становится липкой, может растекаться, издавая довольно неприятный запах. При низких температурах замерзает и трескается.

Но наука продолжалась, ученый-химик Чарльз Нельсон Гудиер провел эксперимент по улучшению физических свойств резины.

Взаимодействие с химическим элементом серой привело к тому, что полученный полимер повысил сопротивление, эластичность, звукоизоляционные свойства, сопротивление воде, электричеству и теплопроводность. Этот эксперимент открыл двери мировой индустрии латекса.

Происхождение названия

Слово «каучук» происходит от двух слов языка тупи-гуарани: «кау» — дерево, «учу» — течь, плачь. «Каучу» — сок гевеи, первого и важнейшего каучукового растения. Европейцы добавили к этому слову всего одну букву.

Распространение каучуконосов

Натуральный каучук содержится во многих растениях, которые не входят в конкретное ботаническое семейство. В зависимости от тканей, в которых накапливается каучук, каучуковые растения делятся на:

• паренхиматозный: камеди в корнях и стеблях;
• хлоренхимы — камеди в листьях и зеленых тканях молодых побегов;
• латекс — каучук в молочном соке.

Латексные травянистые растения семейства сложноцветных (кок-сагыз, крым-сагыз и др.), Произрастающие в умеренном поясе, в том числе в южных республиках, содержащие небольшое количество каучука в корнях, промышленного значения не имеют.
Среди травянистых растений России — знакомые одуванчик, полынь и молочая, которые также содержат молочный сок.

Промышленное значение имеют латексные деревья, которые не только накапливают резину в больших количествах, но и легко ее отдают; наиболее важным является бразильская гевея (Hevea brasiliensis), которая, по разным оценкам, составляет от 90 до 96% мирового производства натурального каучука.

Необработанный каучук из других растительных источников обычно забивается примесями смолы, которые необходимо удалить. Эти сырые камеди содержат гуттаперчу, продукт некоторых тропических деревьев семейства Sapotaceae).

Во время Второй мировой войны (1939-1945) по экономическим причинам выращивались и другие нетропические источники каучука: гуаюле мексиканского происхождения, а также одуванчик кок-сагыз (Taraxatum kok-saghyz), который растет на территории. Западного Туркестана.

Каучуковые растения лучше всего растут не более чем на 10 ° от экватора на север и юг. Поэтому эта полоса шириной 1300 километров по обе стороны от экватора известна как «резиновый пояс». Дело в том, что каучуковые растения требуют очень жаркого и влажного климата и плодородной почвы. Развитие автомобильной промышленности значительно увеличило спрос на резину и, как следствие, на резину. Так появились новые плантации гевеи: молодые деревья из Южной Америки были посажены в Малайзии, Шри-Ланке и Индонезии. Они хорошо приживаются и дают отличный урожай.

Каучук: виды и применение

Два основных типа этого материала — натуральный и синтетический каучук. Последний, в свою очередь, сегодня представлен самыми разнообразными подвидами. Дело в том, что не так-то просто вырастить особые деревья и извлечь из них молочный сок. Это тоже занимает много времени. Поэтому с момента знакомства с каучуком ученые начали искать способы производства его искусственных заменителей.

Первой молекулой, на основе которой ученым удалось создать синтетический аналог каучука, был 1,3-бутадиен. Было обнаружено, что полученный дивинилкаучук очень похож по свойствам на натуральный каучук. Резина, полученная после ее вулканизации, также была прочной, пластичной и эластичной. Из него стали производить обувь, шины, конвейерные ленты, медицинские изделия.

Ученые также разработали стирол-бутадиеновый, нитрил-бутадиеновый, винилпиридиновый и изопреновый каучук на аналогичных основах. Свойства каждого нового полимера немного отличались, что позволило расширить область их применения.

Кроме того, ассортимент каучуков расширился благодаря введению в структуру молекул новых фрагментов, а именно:

• резинка. Он используется для изготовления трубок для переливания крови, искусственных сердечных клапанов, кабелей и проводов;
• полиуретановая резина. Необходимо получить износостойкую резину;
• фторированный каучук. В отличие от своего природного аналога не разрушается даже при температуре выше 200 ° C;
• хлоропреновый каучук. Устойчив к окислителям и большинству растворителей.

Даже сегодня известны неорганические и вспененные каучуки и многие другие типы каучуков.

Каучук

Что касается применения, то синтетические каучуки, наряду с натуральными каучуками, широко используются в производстве каучуков. Последний важен при производстве обуви и одежды, кожзаменителя, медицинских изделий, деталей военного назначения, автомобильных шин, изоляционных материалов и многого другого. Например, сегодня модным украшением стал резиновый браслет.

Природа уготовила человеку много загадок. Их понимание всегда выводило цивилизацию на новый уровень. Так случилось и с резиной. Ученым удалось не только изучить уникальный материал, но и создать его искусственные аналоги, а заодно и резинотехническую промышленность.

Натуральный каучук: формула

Натуральный каучук имеет несколько двойных связей, и его общая формула (C5H8) n. Символ n обозначает уровень излечения, достигающий примерно 1000-3000 единиц.

В процессе проведения химического исследования каучука становится очевидным, что он включает только водород и углерод и поэтому относится к углеводородам, что подтверждается формулой. Молекулярная масса некоторых единиц превышает полмиллиона граммов на моль. Следовательно, каучук — это натуральный полимер изопрена.

Если формула не атомарно тонкая, ее вполне можно рассмотреть под микроскопом — она ​​длинная. Если также максимально растянуть формулу, получится зигзагообразная линия, что объясняется разнообразием углеродных связей.

Известно, что в изопрене двойные и одинарные связи могут чередоваться, поэтому молекулы вращаются только в непосредственной близости от одинарных. Такие колебания влияют на молекулу, под определенным давлением она складывается и в состоянии покоя ее концы сближаются. Он похож на круглую пружину, которая позволяет легко растягиваться, увеличивая ее размер по мере того, как вы раздвигаете концы.

Читайте также: Изделия из капролона: температура плавления и характеристики материала

Получение натурального каучука

Основным сырьем для натурального каучука является сок определенного растения, способного производить латекс, то есть белую жидкость с определенными характеристиками. Сам латекс — распространенный компонент растений; Встречается у представителей различных ботанических групп, содержащих камедь.

Он присутствует во всех частях растений, поэтому делятся на отдельные виды:

Латекс — вещество собирается в соке;

Хлоренхимный — когда вещество собирается в молодых побегах и листве;

Паренхиматозный — когда вещество собирается в стеблях и корнях;

Травянистые растения, относящиеся к семейству сложноцветных, наблюдается скопление камеди в подземных органах и в минимальных количествах. Эти установки обычно не используются в процессе производства технической резины.

Известные виды мармеладных растений — деревья, растущие на экваторе, этот пояс достигает ширины 1300 км, называемый «резиновый пояс». Здесь занимаются выращиванием специальных деревьев промышленного назначения. В большинстве случаев натуральный продукт получают из латекса тропических деревьев, а точнее бразильской гевеи. Процедура быстрая и простая: на корне пятилетнего дерева делается небольшой надрез, и из гевеи выходит два-три килограмма каучука.

Чтобы получить жевательную резинку из бразильской гевеи, молочный сок подвергается особому процессу коагуляции с постепенным добавлением муравьиной кислоты. После тщательной промывки водой полученное вещество скатывается, формируется лист, а затем его коптят.

Применение натурального каучука

В чистом виде натуральный каучук практически не используется из-за его поведения при низких и высоких температурах. Но вулканизированный натуральный каучук чаще всего служит сырьем для производства каучука и всех видов изделий из него. В первую очередь, это шинная промышленность, которая нуждается в натуральном каучуке. Из него производят летние и зимние шины, а также шины для велосипедов, автомобилей, тракторов и спецтехники.

Следует понимать, что для производства резины и покрышек, помимо прочего, используется не только каучук, но и различные наполнители, пластификаторы, антиоксиданты, катализаторы и другие вещества. Это необходимо для ускорения или упрощения производственного процесса или для придания продукции дополнительных свойств. Например, антиоксиданты необходимы для замедления старения резины и, таким образом, увеличения срока службы резиновых изделий, а катализаторы добавляются для ускорения процесса вулканизации.

Сбор латекса и производство натурального каучука

Это высокое стройное дерево может достигать 45 метров в высоту и 2,5-2,8 метра в окружности. Родина Гевеи — бассейн Амазонки, большого водотока. Отсюда первая резина была экспортирована в Европу.

Каучук в гевее содержится в молочном соке — латексе, распределенном в молочных каналах, которые образуют концентрические кольца в стволе.

Латекс состоит из мельчайших частиц жидкости, твердых частиц и других примесей. Только около 33% латекса состоит из каучука, 66% воды и около 1% других веществ.

Для сбора латекса с деревьев в коре делают диагональный разрез под острым углом, вершиной угла вниз, затем разрез расширяют до 0,3-0,5 от окружности ствола. Латекс выходит из разреза и стекает в небольшую емкость. Каждый разрез дает примерно 30 мл латекса. После этого, обычно на следующий день, тонкую полоску коры очищают под первоначальным разрезом, чтобы получить новый сок. Когда срезы достигают поверхности почвы, ствол оставляют в покое, чтобы он мог восстановить кору на дереве перед повторным постукиванием.

Около 250 деревьев высаживают на 1 га и получают около 450 кг сухого каучука с 1 га в год. От специально выведенных высокоурожайных деревьев можно получить 2225 кг с гектара в год, созданы опытные деревья с урожайностью до 3335 кг с гектара в год.

Полученный латекс растягивается, разбавляется водой и коагулируется кислотной обработкой, так что частицы каучука в латексе прилипают друг к другу. Затем между роликами осуществляется тяга, придающая листам толщину 0,25 дюйма (? 0,6 см), полученные листы сушатся обдувом сухим горячим воздухом или дымом и отправляются на погрузку.

Синтетический каучук — что это за материал

Синтетический каучук — это синтетический полимер, обладающий высокой эластичностью и прочностью.

Натуральный аналог этого эластомера получают из каучуковых растений (дерево Hevea Brasiliensis, кок-сагыза). Разница между этими типами материалов видна на молекулярном уровне. Мономеры натурального каучука включают цис-1,4-изопрен, и компоненты смеси, полученной в лаборатории, можно варьировать и адаптировать к желаемым свойствам. Кроме того, путем химического синтеза можно получить чистый продукт с минимальным количеством примесей. Но существенный недостаток синтетического каучука — отсутствие в составе антиоксидантов.

Строение макромолекул, формула

Каучук — высокомолекулярный углеводород с химической формулой (C5H8) n. Конструктивно макромолекула каучука состоит из углеродной цепи, обернутой в шарик. Мономер — изопрен. Если компоненты вытянуты, а не скручены из-за того, что все мономерные звенья в цепи находятся в транс-конфигурации, то полимер представляет собой геометрический изомер каучука — гутаперка.

В макромолекулах каучука происходит чередование двойных связей в цис-конфигурации с разными одинарными связями. Эта структура делает его цепи гибкими и объясняет его свойства скручивания и растяжения под действием приложенной силы.

Физические и химические свойства

Физические свойства:

• бесцветное соединение с высокой молекулярной массой;
• эластичность (способность восстанавливать форму после деформации);
• меняет агрегатное состояние при 120 ° С — превращается в вязкую жидкость;
• при охлаждении теряет эластичность и становится хрупким;
• плохо проводит электрический ток;
• имеет низкую проницаемость для воды и газов;
• имеет низкую теплопроводность.

Химические свойства:

Хорошо растворяется в жирных и ароматических углеводородах. Сам полимер и его растворы реагируют с:

• водород;
• кислород и озон (окисление);
• галогены;
• серый.

Последняя реакция называется вулканизацией и помогает предотвратить негативные изменения при нагревании резины. Если вы подвергнете его воздействию температуры вместе с серой, полиизопреновые цепи соединятся дисульфидными мостиками, и в результате получится резина, более прочный материал.

Основные типы синтетических каучуков

Классификация синтетических каучуков основана на исходном мономере. Наиболее часто используемые примеры в отрасли:

• полибутадиен. Ненасыщенный, легко отверждаемый и обладающий высокой износостойкостью. Но из-за отсутствия эластичности в основном используется в смеси с другими эластомерами;
• бутилкаучук. Не истирает и не пропускает газ. Устойчив к любым растворителям, кроме минеральных масел;
• этилен. Не пропускает тепло, свет и газ. Проявляет стойкость к спиртам, кислотам и щелочам;
• полиизопрен. По химическому составу идентичен натуральному, но не содержит примесей.

Производство синтетического каучука

Повышенный спрос на полимерное вещество привел к организации целых производств, занимающихся производством сырья.

Шины бывают общего и специального назначения. Материалы первого отделения идут на производство изделий, где требуется эластичность при нормальных температурах. Специальные каучуки производятся для изделий с экстремальной нагрузкой, которые будут подвергаться воздействию мороза, огня, озона и кислорода.

Применение синтетического каучука

В мире существует широкий ассортимент изделий из искусственного каучука:

• изоляционные материалы;
• твердое ракетное топливо;
• уплотнения;
• краски;
• ленты;
• покрытия;
• гибкие трубы;
• перчатки;
• туфли;
• игрушки;
• мебель;
• резина.

Среди продуктов на основе синтетических эластомеров выделяется резина для автомобильных шин. Особо стоит отметить использование медицинских пластырей. Камедь соединили с лекарственными веществами и получили удобное и безвредное средство. Но самым главным открытием стала имплантация человеческих органов:

• трахея;
• сердца;
• корабли;
• суставы;
• нижние и верхние конечности.

У каждого есть личный опыт работы с одеждой, автомобильными шинами или изоляцией кабелей.

Интересные факты о каучуке

После открытия процесса вулканизации материал начали активно использовать в промышленности. В то же время сока гевеи, добытого в бразильских джунглях, было недостаточно.

Для увеличения производства каучука на островах Ява и Суматра были созданы большие плантации гевеи.

Хотя основным источником натурального каучука является гевея, в природе существуют и другие варианты получения этого сырья из растений.