Katedra chemickej technológie palív.
Práca na kurze
"Všeobecná chemická technológia"
Výroba syntetického kaučuku.
Dokončené:
študent 2. ročníka
gr.MAXStart-08-1
Shaferov Yu.A
Skontrolované:
PhD chem. vedy
Raskulová T.V.
Angarsk 2011
1. Úvod
2. Hlavné vlastnosti kaučukov všeobecný účel
2.1 Porovnanie vlastností hlavných druhov kaučukov
3. Technológia a výroba
3.1 Typy polymerizácie
4. Styrén-butadiénové kaučuky
4.1 Fyzikálne vlastnosti emulzných styrén-butadiénových kaučukov s rôznym obsahom styrénových jednotiek
4.2 Vlastnosti nízkoteplotných emulzných metylstyrén-butadiénových kaučukových vulkanizérov s obsahom cca 23 % styrénových jednotiek
5. Reaktor-polymerizér
6. Záver
6. Referencie
1. Úvod
V súčasnosti je na trhu široká škála gumy, podľa ich vlastností a charakteristík ich možno rozdeliť do dvoch veľkých segmentov: gumy na všeobecné použitie a gumy na špeciálne účely.
Množstvo udalostí ovplyvnilo vynález syntetického kaučuku: priemyselná revolúcia, pokroky v konštrukcii motorov, dve svetové vojny, rastúci dopyt po kaučuku a nedostatok prírodného kaučuku vyvolali celosvetový dopyt po elastoméroch. Syntetické kaučuky sa stali nevyhnutnou alternatívou k prírodnému kaučuku a dodali výrobkom ďalšie vlastnosti.
V súčasnosti je na trhu široká škála kaučukov z hľadiska vlastností a charakteristík. Ale v najvšeobecnejšej forme ich možno rozdeliť do dvoch veľkých segmentov: gumy na všeobecné použitie a gumy na špeciálne účely.
stôl 1
Gumy na všeobecné použitie sa používajú vo výrobkoch, kde je dôležitá samotná povaha kaučuku a neexistujú žiadne špeciálne požiadavky na hotový výrobok. Špeciálne gumy majú užší rozsah a používajú sa na to, aby sa gumeným výrobkom (pneumatikám, pásom, podrážkam topánok atď.) dali danú vlastnosť, napríklad odolnosť proti opotrebovaniu, odolnosť voči olejom, mrazuvzdornosť, zvýšená priľnavosť na mokrej vozovke atď. Najčastejšie jeden kaučuk spája viacero vlastností, takže výber kaučukov vo formulácii gumového produktu pre určité oblasti je dôkladnou prácou technológov.
Špeciálne kaučuky sa v gumárenskom priemysle používajú v oveľa menších množstvách v porovnaní s kaučukami na všeobecné použitie. Oblasti použitia pre gumy na všeobecné a špeciálne účely sa tiež líšia. Preto sa v tomto prehľade budeme podrobne zaoberať iba kaučukami na všeobecné použitie, ktoré majú podobné spôsoby výroby, spracovania a použitia.
Vlastnosti syntetických kaučukov určujú ich použitie. Vytvorenie formulácie gumového produktu je sprevádzané výberom rôzne druhy kaučuky, plnivá, zmäkčovadlá atď. Správna kombinácia všetkých zložiek v receptúre vám umožní získať gumený výrobok s požadovanými vlastnosťami.
2.Základné vlastnosti gumy na všeobecné použitie
Styrén butadiénový kaučuk
Styrén butadiénový kaučuk má vynikajúcu kombináciu funkčných vlastností v rôznych aplikáciách. Táto guma je považovaná za najlepšiu gumu na všeobecné použitie vďaka svojim vynikajúcim vlastnostiam odolnosti proti oderu a vysokému percentu plnenia. S nárastom obsahu styrénových jednotiek (α-metylstyrén) v kopolyméri klesá elasticita gumy, zhoršuje sa mrazuvzdornosť, ale zvyšujú sa ukazovatele pevnosti. charakteristický znak styrén-butadiénových (α-metylstyrénových) kaučukov je nízka pevnosť v ťahu neplnených vulkanizátov. Tieto kaučuky majú vyššiu teplotu skleného prechodu ako prírodný kaučuk a v mrazuvzdornosti sú horšie ako prírodný kaučuk. Dôležitou výhodou styrén-butadiénového kaučuku oproti prírodnému kaučuku je menší sklon k praskaniu, vyššia odolnosť proti opotrebeniu, odolnosť voči pare a vode, lepšia odolnosť voči tepelnému, ozónovému a ľahkému starnutiu. Kaučuky s vysokým obsahom styrénu majú dobré dielektrické vlastnosti (množstvo styrénu v zmesi monomérov je 50 % hm. a viac).
Polybutadiénová guma
Väčšina v súčasnosti vyrábaného polybutadiénového kaučuku je typu 1,4-cis, ale niektoré majú zmiešanú jednotkovú štruktúru. Keďže ide o nenasýtenú gumu, ľahko vulkanizuje sírou. Polybutadiénová guma má vynikajúcu odolnosť voči nízkym teplotám a oderu. Zároveň však nemá vysokú pevnosť v ťahu a je zvyčajne naplnený výstužnými prísadami. Má tiež nižšiu pevnosť v ťahu, zlé spracovanie a slabú trakciu v porovnaní s prírodným kaučukom. Preto sa vo formuláciách gumových výrobkov mieša s prírodným kaučukom alebo styrén-butadiénovým kaučukom.
Polybutadiénové kaučuky sa používajú vo veľkých množstvách v zmesiach s inými elastomérmi, aby sa dosiahli dobré hysterézne vlastnosti a odolnosť proti oderu. Zmesi polybutadiénu so styrénbutadiénom alebo prírodným kaučukom sa široko používajú v pneumatikách osobných a nákladných automobilov na zlepšenie odolnosti proti praskaniu. Okrem toho sa polybutadiénový kaučuk používa ako modifikátor v zmesiach s inými elastomérmi na zlepšenie vlastností odolnosti voči chladu, odolnosti proti starnutiu teplom, oderu a praskaniu.
Butylkaučuk
Butylkaučuk má jedinečnú schopnosť zadržiavať vzduch, čo z neho robí nespornú prioritu v odvetví výroby pneumatík pri výrobe duší a membrán. Automobilové duše vyrobené z butylkaučuku udržujú počiatočný tlak vzduchu 8-10 krát dlhšie ako podobné duše vyrobené z prírodného kaučuku, čo zvyšuje životnosť pneumatiky minimálne o 10-18% v porovnaní s prírodným kaučukom. Guma je odolná voči ozónu a má dobrú odolnosť voči polárnym rozpúšťadlám, vodným kyselinám a oxidačným činidlám. Má dobrú odolnosť voči živočíšnym a rastlinným olejom, ale butylkaučuk nie je odolný voči minerálnym olejom.
Pevnosť v ťahu butylkaučuku je o niečo menšia ako prírodná guma, ale pri vysokých teplotách je rovnaká pre obe gumy. Odolnosť proti oderu je dobrá, keď je guma dôkladne vyplnená (rovnako ako nastavenie kompresie), ale stále je pružnosť veľmi nízka. Nevýhody butylkaučuku zahŕňajú jeho nízku rýchlosť vulkanizácie, slabú priľnavosť ku kovom, zlú kompatibilitu s niektorými prísadami, nízku elasticitu pri normálnych teplotách a vysoký vývin tepla pri opakovaných deformáciách.
Niektoré z týchto významných nevýhod butylkaučuku (napr. nízka rýchlosť vulkanizácie, ktorá bráni jeho použitiu v zmesiach s inými kaučukami, nízka priľnavosť k mnohým materiálom, najmä kovom) sú eliminované čiastočnou zmenou chemickej povahy polyméru. Napríklad zavedením malého množstva atómov halogénu do makromolekúl gumy. Brómbutylový kaučuk (od 1 do 3,5 % hmotn. brómu) sa spracuje a zmieša s prísadami rovnakým spôsobom ako butylový kaučuk. Zároveň však brómbutylový kaučuk vulkanizuje oveľa rýchlejšie ako butylový kaučuk. Rýchlosť vulkanizácie brómbutylového kaučuku je porovnateľná s rýchlosťou vulkanizácie prírodných, butadién-styrénových a iných kaučukov, čo umožňuje jeho použitie v zmesiach s týmito elastomérmi. Ostatné halogénované butylové kaučuky majú podobné vlastnosti, napríklad chlórbutylový kaučuk (1,1 - 1,3 % hmotn. chlóru). Rýchlosť vulkanizácie a vlastnosti vulkanizátov chlórbutylového kaučuku sú však o niečo nižšie ako vlastnosti brómbutylového kaučuku.
Etylén-propylénové kaučuky
Etylénpropylénové kaučuky sú najľahšie kaučuky, ktoré majú hustotu 0,86 až 0,87. Vlastnosti závisia od obsahu a variácií etylénových jednotiek v kopolymérnych jednotkách. Etylénpropylénový kaučuk neobsahuje v molekule dvojité väzby, je bezfarebný, má vynikajúcu odolnosť voči teplu, svetlu, kyslíku a ozónu. Pre nasýtené etylén-propylénové kaučuky sa používa peroxidová vulkanizácia. Etylén-propylén-diénový kaučuk, ktorý obsahuje čiastočnú nenasýtenosť väzieb, umožňuje vulkanizáciu sírou. Je o niečo menej odolný voči starnutiu ako EPDM.
Bohatý charakter etylén-propylénového kopolyméru ovplyvňuje vlastnosti kaučukov na báze tohto kaučuku. Odolnosť týchto kaučukov voči teplu a starnutiu je oveľa lepšia ako u styrén-butadiénových a prírodných kaučukov. Hotové gumové výrobky majú tiež vynikajúcu odolnosť voči anorganickým alebo vysoko polárnym kvapalinám, ako sú kyseliny, zásady a alkoholy. Vlastnosti kaučuku na báze tohto typu kaučuku sa nemenia po 15 dňoch udržiavania pri 25 °C v 75 % a 90 % kyseline sírovej a 30 % kyseline dusičnej. Na druhej strane odolnosť voči alifatickým, aromatickým alebo chlórovaným uhľovodíkom je pomerne nízka.
Všetky druhy EPDM sú plnené vystužujúcimi plnivami, ako sú sadze, aby boli dobré mechanické vlastnosti. Elektrické, izolačné a dielektrické vlastnosti čistého EPDM sú mimoriadne, ale závisia aj od výberu zložiek plniva. Ich elastické vlastnosti sú lepšie ako u mnohých syntetických kaučukov, ale nedosahujú úroveň prírodného kaučuku a styrénbutadiénového kaučuku. Tieto gumy majú dve významné nevýhody. Nedajú sa miešať s inými jednoduchými gumami a nie sú odolné voči olejom.
Tieto produkty priemyslu rafinácie ropy tiež patria k polymérnym materiálom, hoci s predchádzajúcimi látkami majú len málo spoločného. Hlavným fyzikálnym rozdielom medzi syntetickými kaučukami a zvyškom skupiny polymérov je to, že nie sú termoplastické. Patria do skupiny elastomérov, teda látok, ktoré sú v normálnom stave schopné deformácie vplyvom zaťaženia. Po zastavení tlaku sa vrátia do pôvodnej podoby. Vo svete existuje alternatíva k týmto látkam. Nazýva sa prírodný kaučuk a vyrába sa z miazgy stromu hevea. Rozsah výroby prírodného materiálu nestačí na uspokojenie potrieb trhu. Zvlášť jasne sa to ukázalo počas druhej svetovej vojny, keď väčšina plantáží hevea bola pod kontrolou Japonska. To bol impulz pre rozvoj tejto oblasti petrochémie v západných krajinách. Syntetické materiály dnes zaberajú takmer 65 % celkového trhu s gumou.
Konjugované diény pôsobia ako monoméry kaučukových reťazcov. Ich rozdiel je v tom, že majú dve dvojité väzby medzi atómami uhlíka. Najpopulárnejší z nich je divinyl (1,3-butadién):
Druhým najdôležitejším monomérom je izoprén, látka, ktorá je veľmi blízka divinylu, ale má o jeden atóm uhlíka viac:
Zaujímavá funkcia polymerizačná reakcia spočíva v tom, že medzi 2. a 3. atómom molekuly sa vytvorí dvojitá väzba, zatiaľ čo medzi 1 a 4 je jednoduchá:
Vďaka takýmto dvojitým väzbám má materiál zvýšenú elasticitu, ktorá je typická len pre tento druh polymérov.
Treba tiež pochopiť, že medzi pôvodnými gumami a hotovými gumami je veľmi veľký rozdiel. Gumy sa vyrábajú na báze kaučuku v procese vulkanizácie. Pri tepelnom spracovaní s prídavkom špeciálnej prísady (vulkanizátora) sa jednotlivé molekulové reťazce preorientujú v priečnom smere, čo dáva materiálu väčšiu pevnosť. Prídavným prvkom je najčastejšie síra.
História syntetických kaučukov
Gumy vďačia za svoju veľkú popularitu niekoľkým objavom naraz. Napriek tomu, že materiál je známy už tisíce rokov, prakticky sa nepoužíval, pretože nemal dostatočnú pevnosť. V roku 1840 dokázal John Goodyear výrazne zlepšiť vlastnosti gumy objavením procesu vulkanizácie. Do šiestich rokov sa jeho technológii podarilo nájsť praktické využitie. Robert Thompson si nechal patentovať prvú pneumatiku na svete. Jeho podstatnou výhodou bola odolnosť proti opotrebovaniu a pohodlie. V porovnaní s drevenými kolesami vtedajších kočov bola pneumatika skutočným nálezom. Bohužiaľ, táto technológia nemohla byť postavená na priemyselnej úrovni, pretože nebolo možné vyrábať tenkú gumu.
Len o štyridsať rokov neskôr dokázal škótsky vynálezca John Dunlop zlepšiť proces výroby gumy. Spoločnosť, ktorú založil, vyrábala pneumatiky pre bicykle, kočíky a potom aj autá. A potom sa guma stala v Európe skutočne populárnou. Do Brazílie začali prichádzať milióny ľudí, ktorí chceli ťažiť suroviny a predávať ich v Starom svete.
Rybolov však netrval dlho. Vývoz semien hevea zakázali brazílske úrady. No zároveň sa nedokázali ochrániť pred krádežou. Už v roku 1886 dokázal Henry Wickham ukradnúť asi stotisíc semien tohto stromu. Potom, čo sa hevea dostala do Ázie, trvalo nejaký čas, kým sa organizovali plantáže. O menej ako desať rokov neskôr sa Ázia stala hlavným dodávateľom prírodného kaučuku na svetovom trhu. Cejlón a Malajzia ponúkli nižšie ceny, čím Brazíliu vytlačili z trhu. Dopyt po gumených pneumatikách každým dňom rastie. Mohli za to nové vynálezy vo výrobe pneumatík a popularizácia cestnej dopravy. Už v roku 1891 vynašli bratia Michelinovci prvú vymeniteľnú pneumatiku. A len o deväť rokov neskôr Goodyear predstavil svoje prvé bezdušové pneumatiky. Rýchly rozvoj automobilového priemyslu viedol k vážnemu zvýšeniu dopytu po gumovej gume. Prírodný materiál však nemohol uspokojiť všetkých spotrebiteľov - existovala vážna potreba alternatívy k prírodnému kaučuku.
Nemohli rýchlo nájsť syntetickú náhradu. Uskutočnilo sa veľa experimentov s iba čiastočnými výsledkami. Najväčší úspech dosiahol ruský vedec Ivan Kandakov. Podarilo sa mu syntetizovať elastický polymér. Otvorený materiál však nenašiel široké uplatnenie. Až v roku 1909 bol v Nemecku získaný prvý syntetický kaučuk. Bol založený na vývoji ruského chemika. Patent na výrobu syntetického kaučuku bol zaregistrovaný na meno nemeckého chemika Frinza Hoffmanna.
V tom istom roku bola v Rusku predstavená správa vynikajúceho chemika Sergeja Lebedeva. Všetkým ukázal svoj objav. Spočíval v získaní elastického polymérneho materiálu termopolymerizáciou. Zaujímavosťou tohto objavu bolo, že práve tento princíp bol základom priemyselnej výroby syntetického kaučuku. Bol to prvý podnik svojho druhu nielen v Rusku, ale na celom svete.
najprv Svetová vojna a revolúcia zinscenovaná boľševikmi sa stala impulzom pre rozvoj nového priemyslu. Sovietsky zväz čelil vážnym problémom. Získať prírodný kaučuk nebolo možné, pretože krajina bola pod blokádou. Jedinou možnosťou bolo vytvorenie vlastnej výroby syntetického kaučuku. Preto sa v roku 1926 uskutočnila súťaž na vypracovanie priemyselného projektu na výrobu syntetického kaučuku. Boli navrhnuté dve možnosti. V prvom prípade chemik Byzov navrhol získať elastický polymér z extrahovanej ropnej suroviny. Vtedajšie kapacity však neumožnili zaviesť sériovú výrobu. V tomto smere súťaž vyhral Lebedevov projekt. Podľa jeho predstavy stálo za to syntetizovať kaučuk na báze butadiénu, ktorý sa vyrábal spracovaním etylalkoholu. Za svoj projekt získal Lebedev titul akademik vied a Leninov rád. Produkcia sa ukázala byť taká inovatívna, že v západných krajinách dlho nemohli uveriť jej existencii a nenazývali ju ničím iným ako fikciou a podvodom.
Prvý podnik v rámci tohto projektu bol otvorený v Jaroslavli v roku 1932. Po ňom boli založené podniky vo Voroneži, Kazani a Efremove. Každý podnik mal rovnakú výrobnú kapacitu. Vo všeobecnosti by krajina mohla dostať 40 tisíc ton syntetického kaučuku ročne. Podniky boli otvorené v tesnej blízkosti od surovinovej základne. Keďže ako základ bol použitý etylalkohol, rastliny sa nachádzali v blízkosti zemiakových plantáží. Vo výrobnom procese sa ako katalyzátor použil sodík. Tento spôsob výroby sa nemohol pochváliť vysokou účinnosťou. Jeho hlavnou výhodou bola nízka cena, ktorá bola v tej chvíli pre krajinu veľmi dôležitá.
Nemecko sa stalo druhým výrobcom syntetického kaučuku na svete. Zaujímavé je, že krajina mala rovnaké dôvody ako ZSSR. Po vypuknutí 2. svetovej vojny sa krajina ocitla v ekonomickej blokáde. To bolo impulzom pre otvorenie vlastných výrobných zariadení na výrobu syntetického kaučuku. Prvým podnikom bol závod v meste Schkopau. Proces výroby polyméru bol výrazne odlišný a pokročilejší. Syntetický kaučuk bol vyrobený kopolymerizačnou reakciou. V tomto prípade bol použitý styrén a butadién. To všetko prebiehalo vo vodnom prostredí, čo umožnilo získať kvalitný polymér. Produkcia mala vysoká účinnosť a do konca vojny mohla skupina podnikov produkovať takmer 180 tisíc ton ročne.
Spojené štáty boli tiež nútené otvoriť vlastnú výrobu, pretože všetky plantáže hevea v Ázii sa dostali pod japonskú kontrolu a dodávky sa zastavili ihneď po útoku na Pearl Harbor. V dôsledku toho vláda urobila zásadné rozhodnutie začať vlastnú výrobu syntetického kaučuku. Len za pár rokov bolo v krajine otvorených viac ako päťdesiat závodov na výrobu tohto polyméru. Zaujímavosťou je, že po skončení vojny sa všetky výrobné zariadenia stali majetkom vlády.
Keďže víťazstvo vo vojne vybojoval protihitlerovský blok, výrobné kapacity Nemecka boli rozdelené medzi spojencov. Sovietsky zväz podarilo získať závod od mesta Schkopau. Úplne ho rozobrali a odviezli do Voronežu. Po zvládnutí novej výrobnej metódy sa ZSSR stal lídrom vo výrobe syntetického kaučuku.
Nakoniec sa na vývoj patentovaných polymérov použil styrén-butadiénový kaučuk. Nikto zároveň nezabudol na tradičnejší spôsob výroby polymérov. Bolo rozhodnuté vyrábať kaučuk na báze umelého alkoholu a nie na prírodnom, čo ešte viac znížilo jeho náklady. Otvorilo sa niekoľko podnikov. Potom boli vyvinuté technológie na výrobu polymérov s použitím rôznych petrochemických produktov. Výroba začala vyrábať polyizoprénový syntetický kaučuk. Tento materiál je svojou kvalitou veľmi blízky prírodným surovinám.
Výroba syntetických kaučukov
Zjednodušený vývojový diagram na výrobu rôznych typov syntetických polymérov je uvedený nižšie:
Výroba syntetického kaučuku má svoje vlastné charakteristiky a ťažkosti. Hlavnou z nich je potreba syntetizovať veľké množstvo monomérov. Preto je proces frakcionácie plynu taký dôležitý v priemysle rafinácie ropy - umožňuje získať jednotlivé frakcie potrebných ľahkých uhlíkov na výstupe. Pre tento priemysel sú najzaujímavejšie bután a izobután, ktoré sa získavajú aj z rafinérií. Po pyrolýze a separácii sa surovina presunie na ďalšie spracovanie.
Prvým stupňom ďalšej výroby je dehydrogenácia látok. Takto je možné získať dvojité väzby uhlíkov po odstránení nadbytočných atómov vodíka. Po takomto postupe je možné extrahovať izoprén a butadién. Toto sú najdôležitejšie materiály pre proces polymerizácie syntetického kaučuku. Látky sa vyrábajú inými spôsobmi. Napríklad pri pyrolýze kvapalných plynov je možné získať izoprén. Okrem toho je možné túto látku získať na báze izobutylénu a formaldehydu.
Pretože syntetický kaučuk je kopolymér, styrén a jeho deriváty sa často používajú ako ďalšie látky. Bežným „aditívom“ je napríklad metylstyrén, ktorý sa získava pridaním polypropylénu namiesto etylénu. Dôležitou látkou sa môže stať aj akrylonitril. Vyrába sa na báze amoniaku a propylénu. V závislosti od spôsobu výroby je možné získať niekoľko polymérnych materiálov skupiny kaučukov. IN Ruská federácia bola prijatá klasifikácia, podľa ktorej sa polybutadiénový kaučuk označuje ako SKD, kopolymér butadiénu a styrénu môže byť označený ako BSK a DSSK. Rozdiel medzi všetkými týmito materiálmi spočíva v spôsobe výroby polyméru a použitých základoch. Výsledkom je, že je možné vyrábať obrovské množstvo elastických polymérov. Najbežnejší je izoprénový kaučuk (ISR), ktorý je svojimi kvalitami veľmi blízky prírodným. Jednou z jeho odrôd je butylkaučuk (BK), ktorého chemický názov je izoprén-izobutylén.
Kopolyméry etylénu a propylénu sú tiež rozdelené do samostatných skupín, ku ktorým sa pridáva malá časť diénov. Nemožno ich zaradiť medzi čisté kaučuky, ale v určitých oblastiach našli široké uplatnenie. Na získanie určitých vlastností sa do polymérov často pridáva chróm a bróm. Sú zahrnuté v reťazcoch polymérov, čo im dáva požadované vlastnosti.
Jednou z najpopulárnejších moderných skupín gúm sú TPE. Skratka znamená termoplastické elastoméry. To znamená, že tieto látky majú vlastnosti všetkých polymérov. V normálnom stave sú dostatočne tvárne a dajú sa opracovať tradičnými termoplastickými metódami.
Syntetické kaučuky v SIBUR
Gumu vyrába niekoľko podnikov holdingu, ktoré sa nachádzajú vo Voroneži, Tolyatti a Krasnojarsku. Holding je jedným z najväčších výrobcov elastických polymérov na svete a je na šiestom mieste v zozname. Všetky podniky holdingu vyrábajú väčšinu známych druhov syntetického kaučuku. Ako surovinová základňa sa používa butadién, izoprén vlastnej výroby a ako kopolyméry styrén, akrylonitril a izobutylén.
Podniky využívajú hlavne vlastné suroviny. Dodáva sa v nádržiach zo závodu SIBUR-Neftekhim v Tomsku a niektorých podnikov spoločnosti Lukoil. Väčšina surovín prichádza vo forme látok s rôznym zložením, po ktorých prechádzajú procesom frakcionácie na mieste. Množstvo kopolymérov je dodávaných od tretích výrobcov, čo umožňuje zabezpečiť výrobné zariadenia holdingu konštantnou záťažou. Jedným z partnerov spoločnosti je bieloruský výrobca "Polymir".
Po tom, čo monoméry prešli nevyhnutnou purifikáciou, sú prístupné polymerizácii. Na získanie rôznych typov materiálov sa používajú rôzne látky a výrobné prostredia. Veľmi často sa používa vodná suspenzia, do ktorej sa môžu pridávať malé kúsky hotovej gumy. Okolo týchto častíc sa zvyšok zhromažďuje, čo umožňuje získať hotové materiály. Výroba izoprénu má významný rozdiel. Na to sa používa médium uhľovodíkových rozpúšťadiel.
Po polymerizačnej reakcii sa získané materiály čistia od nepotrebných nečistôt (voda, rozpúšťadlá atď.). Zaujímavosťou výroby je, že väčšina produktov je expedovaná do iných krajín. Hlavným spotrebiteľom je Čína. Ekologické pneumatiky spoločnosti Continental sú navyše vyrábané na báze niektorých druhov gumy. Aj vo Voronežskom podniku sa vyrába mnoho typov TEC, ktoré našli uplatnenie v mnohých špecializovaných oblastiach. SIBUR sa zaoberá výrobou syntetického kaučuku a zavádzaním veľkého množstva moderných technológií.
Použitie syntetických kaučukov
Väčšina výrobkov gumového typu je vyrobená na báze syntetických kaučukov. Látka sa používa na výrobu materiálov pre akýkoľvek priemysel, vrátane potravinárstva. Na báze gumy sa vyrábajú automobilové pneumatiky, izolačné materiály, lekárske obleky, nepremokavé odevy, obuv atď. Najväčším spotrebiteľom syntetických kaučukových materiálov sú automobilky. Pneumatiky sú najobľúbenejším produktom zo syntetickej gumy. V súčasnosti je na svete asi päťsto tovární na výrobu pneumatík, ktoré ročne vyrobia viac ako jednu miliardu jednotiek tovaru.
TPE polyméry sú tiež veľmi dôležité materiály. Používajú sa pri výrobe veľkého množstva stavebných materiálov. Najdôležitejšou aplikáciou týchto polymérov je výstavba ciest. Pozitívne vlastnosti materiálu umožňujú predĺžiť životnosť povrchu vozovky takmer trojnásobne. K dnešnému dňu je použitie TEP pri výstavbe ciest predpokladom. V Číne sa už takmer sto percent vozovky vyrába s použitím polymérov TPE ako spojiva. Takáto technológia by vyriešila trvalý problém našej krajiny.
Významnou aplikáciou syntetických kaučukov je výroba latexu. Jeho prísady sa pridávajú do stavebných farieb a lakov, impregnačných kvapalín, dokončovacích materiálov a mnohých ďalších. Okrem toho sa na základe tejto skupiny vyrába spotrebný tovar, hračky, lekárske nástroje, časti odevov, obuv atď. V akejkoľvek oblasti ľudskej činnosti, kde sú potrebné elastické materiály, sa používajú syntetické kaučuky. Umelé polyméry majú zároveň oveľa väčší súbor pozitívnych vlastností ako ich prirodzené náprotivky.
Guma je prírodný a syntetický elastomér. Má dobrú vodeodolnosť, elasticitu a elektroizolačné vlastnosti. Ako vidíte, má mnoho pozitívnych vlastností, ktoré sa využívajú v rôznych oblastiach. Výroba gumy je v súčasnosti jedným z najvyhľadávanejších druhov podnikania, keďže sa v súčasnosti využíva v obrovskom rozsahu.
Výroba prírodného kaučuku + video ako to robia
Samozrejme, určitý podiel prírodného kaučuku sa nachádza v rôznych rastlinách, ale, samozrejme, nie vo všetkých. Nie každý vie, ale aj púpavy obsahujú malé množstvo kaučuku, no treba ju poriadne extrahovať.
Látka extrahovaná v rastlinách sa mieša s uhľovodíkmi a tiež ich pochodujúcimi látkami. Najzaujímavejšie je, že prírodný kaučuk prakticky nemá schopnosť nikde sa rozpúšťať. Nenapučiava a nijako neinteraguje s látkami ako benzín, acetón, voda, alkohol. Ale kým je guma pri izbovej teplote, začína starnúť. To znamená, že sa stiahne a stane sa úplne nepoužiteľným. To všetko sa deje preto, že pri izbovej teplote sa na gumu začína pripájať kyslík. Samozrejme, so starnutím gumy sa jej elasticita znižuje, a teda aj jej pevnosť je oveľa menšia. A pri vysokých teplotách (asi 200 stupňov) sa guma začína rozkladať. Keď sa spojí so sírou alebo inými sírnymi roztokmi, dáva mu veľkú elasticitu a pevnosť. Keďže prírodný kaučuk nemá č škodlivé látky, celkom ľahko a rýchlo sa spracováva na gumu. Práve z takýchto surovín sa dá získať dostatočne pevná a kvalitná guma, ktorá sa dá využiť v najrôznejších oblastiach.
Prírodný kaučuk má veľké množstvo pozitívnych vlastností, často sa používa. Pri tejto výrobe sa používa viac ako 60 % všetkej gumy.
Výroba syntetického kaučuku + video ako to robia
Syntetický kaučuk má širokú škálu prísad, bez ktorých nebude mať všetko, čo je potrebné pre normálnu prevádzku. Syntetický kaučuk sa najčastejšie vyrába v špecializovaných podnikoch alebo továrňach, pretože tam je k dispozícii všetko potrebné na takúto výrobu. Úplne prvá guma bola vyrobená už dávno.
Polybutadién sa používal na výrobu gumy. Spočiatku sa všetkým ľuďom zdalo, že je to úžasné a vhodné na použitie. Po chvíli sa však zistilo, že tento druh má príliš nízke mechanické vlastnosti. Na používanie a dlhodobé používanie je absolútne nevhodný. Samozrejme, syntetický kaučuk je vyrobený iba z chemických materiálov, pretože je absolútne nemožné získať kvalitný materiál iba z nezávadných materiálov.
Syntetický kaučuk je veľmi obľúbený a je prirodzené, že jeho výroba je populárna. To všetko je spôsobené tým, že výroba syntetického kaučuku je oveľa rýchlejšia ako výroba prírodného kaučuku. Keďže pre syntetický vzhľad sa používa veľké množstvo zariadení a rôznych technológií, ktoré zjednodušujú celú výrobu.
Podrobné video o tom, ako sa vyrába syntetika:
Existuje veľké množstvo rôznych gúm, ale to platí len pre neho. chemické zloženie. Pomerne často sa akýkoľvek druh gumy používa hlavne v automobilovom priemysle. Pretože je to tam populárne. Vyrobiť z neho výbornú pneumatiku pre auto je veľmi jednoduché. Guma, ako už bolo spomenuté vyššie, je úplne nenáročný materiál, ktorý odolá akýmkoľvek vonkajším vplyvom. Môže sa použiť aj na výrobu rôznych kaučukov lekárske prípravky. Ako vidíte, akákoľvek guma sa považuje za úplne neškodnú.
Rýchly rozvoj svetového automobilového priemyslu, letectva, vojenského vybavenia viedol k tomu, že kaučuk, ťažený v prírode a určený na výrobu kaučuku, sa stal veľmi chýbajúcim. Plantáže roztrúsené po celom svete sa stali neschopnými uspokojiť potreby priemyslu. A potom, najmä vďaka ruským vedcom, vstúpil na trh syntetický kaučuk.
Úvod
V skutočnosti vedci a pracovníci vo výrobe smerujú k priemyselnej výrobe syntetických surovín už asi sto rokov. Kaučuk bol syntetizovaný v druhej polovici 19. storočia. Ale technológia výroby potrebné vybavenie sa vyvinul až v 20. storočí. Všetko potrebné na výrobu syntetického kaučuku predstavil S.V. Lebedev, ruský vedec.
Odvtedy vedci - chemici, výrobcovia vynaložili veľké úsilie na zdokonaľovanie tejto suroviny, vývoj nových značiek tejto suroviny atď.
Druhy syntetických kaučukov
Od organizácie priemyselnej výroby syntetického kaučuku uplynulo takmer sto rokov. A špecialisti v oblasti organickej chémie počas tejto doby vyvinuli a zaviedli do výroby veľké množstvo druhov tejto suroviny. Nižšie je uvedený krátky zoznam.
Butadiénový kaučuk - jeho hlavnou oblasťou použitia je výroba pneumatík a fotoaparátov. Parametre tohto produktu vyrobeného z butadiénových surovín sú výrazne vyššie ako produkty tejto triedy, avšak vyrobené z prírodnej (prírodnej) kvality. Okrem automobilového priemyslu sa butadiénový kaučuk používa na výrobu chemicky odolnej gumy a ebonitu.
Butylkaučuk má jedinečnú schopnosť zadržiavať vzduch. To zabezpečilo jeho výhody oproti iným materiálom pri výrobe pneumatík, komôr, membrán atď. Na základe opakovaných testov vykonaných v závodoch na výrobu pneumatík možno tvrdiť, že komory vyrobené z tohto druhu syntetického kaučuku udržia tlak vzduchu 8 - 10-krát viac ako podobné výrobky vyrobené z prírodného kaučuku. Butylkaučuk sa od prírodného kaučuku líši tým, že je odolný voči ozónu, nereaguje na rôzne druhy olejov (živočíšne, rastlinné), no zároveň je potrebné tento materiál chrániť pred kontaktom s minerálnymi olejmi.
Ak porovnáme pevnostné parametre, tak prírodný produkt vyhráva s výrazným náskokom. Medzitým má tento materiál nízku rýchlosť vulkanizácie, zlú priľnavosť ku kovovým povrchom. Rýchly ohrev pri striedavých deformáciách a k tomu nízka elasticita pri normálnej teplote a vlhkosti.
Polychloroprénový kaučuk, alebo ako sa niekedy nazýva chloroprén, sa spotrebiteľovi dodáva vo forme svetložltej hmoty. Medzi hlavné vlastnosti tohto materiálu patria:
- odolnosť proti ohňu;
- priľnavosť k látkam, kovom a mnohým ďalším materiálom;
- odolnosť voči pôsobeniu ozónu, atmosférickým javom, najmä voči nízkym teplotám.
Chlórprénový kaučuk pri naťahovaní kryštalizuje. Táto jeho vlastnosť umožňuje kaučukom vyrobeným na jej báze vykazovať vysoké pevnostné charakteristiky.
Chemický priemysel vyrába mnoho druhov syntetických kaučukov, z ktorých niektoré sú lepšie ako prírodné kaučuky. Takzvané kopolymérne zlúčeniny, získané spoločnou reakciou butadiénu s nenasýtenými zlúčeninami, ako je SCR styrénový kaučuk, našli široké uplatnenie.
Keď už hovoríme o surovinách umelého pôvodu, nemali by sme zabúdať na látku ako syntetický latex. Ide v skutočnosti o roztok umelej gumy a iných polymérnych látok, ako je polystyrén.
Syntetické latexy sa používajú na výrobu lepidiel, vodou riediteľných farieb. Používajú sa aj v stavebníctve pri vytváraní polymérového betónu.
Vzorec štruktúry
Každý typ syntetického kaučuku má svoj vlastný chemický vzorec.
molekuly izoprénu CH2=C(CH3)-CH=CH2 2-metylbutadién-1,3;
butadién CH2=CH-CH=CH2 butadién-1,3;
divinyl CH2=CH-CH=CH2 butadién-1,3
Chlórprén CH2=C(Cl)-CH=CH2 2-chlórbutadién-1,3
Butadién-styrén pozostáva z molekúl CH2=CH-CH=CH2 butadién-1,3 a C6H5-CH=CH2 styrén
Vlastnosti a aplikácia
Vlastnosti syntetického kaučuku v mnohom prevyšujú základné parametre prírodného produktu. Jeho hustota je teda menšia ako hustota vody a preto pokojne pláva.
Chemické vlastnosti syntetického kaučuku umožňujú, aby sa nerozpúšťal vo vode, čo umožňuje jeho použitie na výrobu náterov, ktoré sú nepriepustné pre vodu. Táto vlastnosť umožňuje ich použitie na šitie odevov, športových potrieb a pod. Látky ako benzín, benzén rozpúšťajú kaučuky. Táto vlastnosť umožňuje ich použitie na výrobu adhezívnych kompozícií. Guma je dielektrikum, ktoré sa široko používa na vytváranie izolátorov pre silové a nízkoprúdové zariadenia. Gumy sú pružné, odolné a vysoko odolné voči oderu. Okrem toho si gumy zachovávajú vlastnosti pri cyklických deformáciách.
Syntetické kaučuky sa delia na všeobecné a špeciálne. Medzi všeobecné patria:
- izoprén;
- styrén butadién atď.
Ich hlavnými vlastnosťami sú mrazuvzdornosť, vysoká odolnosť proti opotrebovaniu. Okrem toho majú vysokú odolnosť voči olejom, benzolu a ozónu.
Butadiénové kaučuky (PB), niekedy označované ako divinylové kaučuky, sú klasifikované ako kaučuky na všeobecné použitie. Používajú sa na výrobu projektorových a krycích gúm na pneumatiky (kostra, bočnica a pod.). Tento materiál sa používa na výrobu materiálov používaných v káblovom priemysle, nástrojov na opracovanie abrazívnych kovov a iných materiálov, produktov proti treniu.
Suroviny na báze etylénu - propylénu sa používajú na výrobu nárazuvzdorných polymérov, bicyklových pneumatík, tkanín s vodoodpudivými vlastnosťami, dopravných pásov pre prácu v tepelne náročných podmienkach.
Fluorosilikónové kaučuky (fluorosilikóny alebo fluorokaučuky). Charakteristickým znakom týchto materiálov je kombinácia odolnosti voči nízkym aj vysokým teplotám a rôznym agresívnym prostrediam. Okrem toho sú suroviny tejto triedy odolné voči oderu a otvorenému plameňu. Neprepúšťa plyny. Jeho dielektrické vlastnosti umožňujú jeho použitie na vytvorenie izolácie ako pre silové káble, tak aj pre slaboprúdové zariadenia. Táto surovina sa používa na výrobu materiálov používaných na pogumovanie nádob určených na prepravu agresívnych látok.
Ďalšou dôležitou vlastnosťou týchto materiálov je ich odolnosť voči žiareniu.
Rozdiel medzi umelým materiálom a prírodným spočíva v tom, že mnohé kopolyméry a chemické prvky, ktoré dodávajú tomuto materiálu nové vlastnosti.
Neustály dopyt po syntetickom kaučuku viedol k vzniku celého odvetvia, ktoré sa podieľa na výrobe tejto suroviny. Na trhu s touto surovinou neustále rastie dopyt po týchto produktoch. Za lídra v spotrebe syntetických surovín možno považovať najdynamickejšie sa rozvíjajúcu ekonomiku sveta – čínsku. Dynamika trhu ukazuje, že po kríze v rokoch 2008-2009 a poklese dopytu po týchto produktoch do 4% je dnes nárast tržieb až 7% v porovnaní s minuloročnou úrovňou.
Medzi krajinami, ktoré vedú vo výrobe syntetických surovín, treba spomenúť ČĽR, Ruskú federáciu, USA a množstvo ďalších.
Kaučuky - skupina látok prírodného alebo syntetického pôvodu používaných pri výrobe kaučuku, ktoré sa vyznačujú takými vlastnosťami: elasticita, elektrická izolácia, odolnosť proti vode. Zdrojom surovín pre prírodné kaučuky je mliečna šťava radu rastlín, ktoré vylučujú latex (je to biela tekutina so špeciálnymi vlastnosťami).
Izoláciou tejto šťavy z rastlín sa stimuluje proces jej zrážania s cieľom získať pevný materiál. Guma pozostáva hlavne z polyizoprénu (91-96%). Zároveň je latex, ktorý slúži ako surovina pre ňu, pomerne bežnou zložkou rastlín. Nachádza sa u zástupcov rôznych botanických skupín rastlín.
Kaučuk sa nachádza v rôznych častiach rastliny a na tomto základe sú (tj rastliny) rozdelené do skupín:
- latex - látka sa hromadí v mliečnej šťave;
- parenchým - v stonkách a koreňoch;
- chlorenchým - v listoch a mladých zelených výhonkoch.
- bylinné latexové rastliny z čeľade Asteraceae (Krym-saghyz, kok-saghyz atď.), kde sa kaučuk hromadí v podzemných orgánoch v malej koncentrácii, sa v priemysle nepoužívajú.
Čo je syntetická guma? Vyrába sa zo syntetických polymérnych zlúčenín, ktoré sú vulkanizované, aby sa z nich stala guma. Najmä v Rusku sa takéto odvetvia zaoberajú v Krasnojarsku a Tolyatti.
Syntetický kaučuk je vysokopolymérna zlúčenina získaná z butadiénu, izoprénu, styrénu, neoprénu, izobutylénu, chloroprénu, nitrilu kyseliny akrylovej, ktoré sú polymerizované alebo kopolymerizované. Výsledný materiál má podobné vlastnosti ako prírodný. Jeho molekuly sú teda tiež dlhé a čiastočne rozvetvené reťazce mnohých tisícok monomérov. Priemerná molekulová hmotnosť je zvyčajne v stovkách tisíc až miliónoch. Počas polymerizácie sú niektoré reťazce na mnohých miestach navzájom spojené pomocou dvojitých väzieb. Vulkanizovaná látka je teda chemicky vysokomolekulárna priestorová sieť so zodpovedajúcimi fyzikálno-chemickými vlastnosťami.
Existuje mnoho druhov kaučuku, ktoré sú klasifikované podľa typu monomérov, z ktorých sú vyrobené (butadién, izoprén). Je tiež možné klasifikovať podľa prítomnosti špeciálnych atómov alebo funkčných skupín (napríklad polysulfid, uretán).
Pokiaľ ide o syntetické kaučuky, majú ďalšiu klasifikáciu:
- podľa obsahu plnív (neplnené a plnené);
– konečná forma (kvapalina, tuhá látka, prášok);
- molekulová hmotnosť.
Napríklad mnohé syntetické latexy vyzerajú ako vodné disperzie, zatiaľ čo iné sú termoplastické elastoméry.
Existujú syntetické kaučuky, ktoré v počiatočnom stave nemajú nenasýtené väzby (silikónový kaučuk, polyizobutylén). Na ich vulkanizáciu sa používajú organické amíny, peroxidy a iné zlúčeniny. Výsledkom je, že môžete získať látku, ktorá bude dokonca lepšieho než prírodného pôvodu.
V závislosti od použitia sú syntetické materiály rozdelené do dvoch skupín: všeobecné a špeciálne gumy. Prvá kategória zahŕňa látky, ktoré majú vynikajúcu elasticitu, pevnosť a ďalšie vlastnosti, ktoré umožňujú použitie materiálu na výrobu predmetov rôznych smerov. Špeciálne gumy sú vytvorené tak, aby poskytovali špeciálne vlastnosti materiálu, preto sa používajú v obmedzenej miere, len na jednotlivé produkty.
Bežné gumy zahŕňajú:
- butadién;
- butadién styrén;
- izoprén.
Špeciálne gumy:
- etylén propylén;
- uretán;
- butylové kaučuky;
— fluorokaučuky;
- chloroprén atď.
Guma sa používa na výrobu automobilových a bicyklových pneumatík, leteckých podvozkov a vyrába sa z nej elektricky izolačný náter. Tento materiál sa tiež aktívne používa pri výrobe zdravotníckych pomôcok.
1. Prírodný kaučuk
Prírodný kaučuk existuje už tisíce rokov. Vedci nachádzajú fosílie, ktoré obsahujú pozostatky kaučukových rastlín z obdobia miliónov rokov pred naším letopočtom. Prvýkrát sa o takomto materiáli dozvedeli predstavitelia civilizácie pred 500 rokmi, keď objavili Ameriku. A guma sa stala skutočne žiadanou až nedávno, v 30. rokoch. ročníky XIX storočia. Potom Indiáni aktívne predávali topánky a fľaše vyrobené z gumy bielym ľuďom.
V roku 1839 Charles Goodyear syntetizoval kaučuk vynájdením procesu vulkanizácie. Nahrieval gumu sírou a zistil, že materiál zlepšuje jej vlastnosti. Hneď ako bola guma objavená, začala sa aktívne používať. Takže až do roku 1919 sa na trhu predalo viac ako 40 000 druhov výrobkov využívajúcich tento materiál.
Rastliny prírodného kaučuku
V jazyku Tupi-Guarani je slovo „guma“ odvodené od „kau“ (strom) a „uchu“ (plakať). Práve spojenie týchto slov Indiáni nazývali mliečna šťava z hevea, ktorá bola v tej dobe hlavnou gumárňou. Pre pohodlie v Európe pridali jedno písmeno k slovu „guma“ a ukázalo sa, že „guma“. V Rusku existujú aj rastliny obsahujúce mliečnu šťavu - pryšec, púpava, palina.
Ale na priemyselné účely môžete použiť iba tie rastlinné materiály, ktoré nielen obsahujú latex, ale sú tiež pripravené ho ľahko rozdať vo veľkých množstvách. Takouto surovinou je brazílska hevea, z ktorej kaučuk tvorí 90-96% objemov používaných vo svete.
Iné zdroje kaučuku sú menej čisté, pretože obsahujú živice a iné nečistoty, ktoré je potrebné čistiť. Napríklad v mnohých sapotových stromoch je gutaperča v kaučuku.
Gumovníky rastú hlavne v rovníkovej zóne a nepohybujú sa viac ako 10 ° na juh a na sever od nej, to znamená, že ide o 1300 km široký pás, ktorý sa nazýva „gumený pás“. Práve tu sa takéto stromy pestujú na priemyselné účely a ich suroviny sa posielajú na predaj do celého sveta.
Fyzikálne a chemické vlastnosti gumy
Ak hovoríme o prírodnom kaučuku, má nasledujúce vlastnosti:
- amorfná pevná látka, ktorá môže v niektorých prípadoch kryštalizovať;
- v surovej (alebo surovej) forme je biely, niekedy bezfarebný;
- nerozpúšťa sa vo väčšine tekutín, vrátane vody a alkoholu, nenapučiava v nich;
- napučiava len v podobných látkach (benzín, éter, benzén, iné aromatické uhľovodíky), postupne sa v nich rozpúšťa.
Kaučuk v roztokoch podobných sebe môže vytvárať koloidné roztoky. V technike našli široké uplatnenie.
Prírodný kaučuk má pomerne homogénnu molekulárnu štruktúru, čo určuje jeho jedinečné fyzikálne a technologické vlastnosti. V skutočnosti môže byť vďaka takejto jedinečnej štruktúre spracovaná s tvorbou gumy.
Guma je cenená pre svoju elasticitu alebo elasticitu, to znamená, že výrobky z tohto materiálu sa dokážu veľmi rýchlo vrátiť do pôvodného tvaru, akonáhle prestanú pôsobiť deformačné sily. Elasticita gumy je jedna z najlepších vo svojej triede. Takže aj keď sa produkt z nej natiahne na 1000%, vráti sa do pôvodného tvaru. Pre klasické tuhé látky je toto číslo 1 %. Zároveň má kaučuk rovnaké vlastnosti v zahriatom aj ochladenom stave. Materiál má však nevýhodu - v priebehu času sa vytvrdzuje a stráca svoje vlastnosti.
Ak sa guma vloží do tekutého vzduchu (-195°C), bude tvrdá a priehľadná, ale v teplotnom rozsahu 0° - 10°C priehľadnosť a tuhosť zmizne. Za normálnych podmienok (20 °C) získava materiál svoje povestné vlastnosti – je mäkký, priesvitný, dosť elastický. Nad 50 °C sa guma začína lepiť a stáva sa plastickou. Ak zahrievanie pokračuje na 80 °C, v tomto štádiu sa stráca elasticita a pri 120 °C sa kaučuk úplne zmení na kvapalinu podobnú živici. Ak sa ochladí, nebude vyzerať ako pôvodná látka. 200-250 °C je presne teplota, pri ktorej sa guma nenávratne rozkladá na plynné a kvapalné látky.
Guma má výrazné dielektrické vlastnosti, je prakticky nepriepustná pre vodu a plyn. Navyše, ako už bolo spomenuté, tento materiál je nerozpustný vo vode, kyselinách a zásadách a v alkohole - len vo veľmi malom množstve. Ale benzín, chloroform a sírouhlík sú schopné túto látku rozpustiť a najprv spôsobiť jej napučiavanie. Oxidácia kaučuku chemickými prostriedkami je jednoduchá, ale so vzduchom je to dosť ťažké. Guma má extrémne nízku tepelnú vodivosť - o 100 menej ako oceľ.
Výhodou gumy je, že je nielen elastická, ale má aj vysokú ťažnosť. A to znamená, že tento materiál pod vplyvom vonkajších síl získa a zachová požadovaný tvar. Táto vlastnosť sa prejavuje najmä pri zahrievaní, ako aj mechanickom spracovaní. Kaučuk teda možno považovať za plastoelastickú látku.
Ďalšou vlastnosťou, ktorú má guma, je, keď je natiahnutá alebo chladená. Ide o kryštalizáciu látky, ku ktorej dochádza počas dlhého časového obdobia. Počas tohto procesu sa uvoľňuje teplo, ktoré sa zahrieva prírodná látka v čase naťahovania. Guma má malé kryštály bez charakteristického tvaru a jasných hrán.
Ak sa guma ochladí na -70 ° C, prestane byť plastická a získa niektoré vlastnosti skla.
Tak ako väčšina polymérov, aj kaučuk existuje v závislosti od teploty v troch skupenstvách – vysoko elastický, viskózny a sklovitý. Za normálnych podmienok je guma vysoko elastická.
Napriek odolnosti voči kyselinám kaučuk pomerne ľahko reaguje s jednoduchými látkami - kyslíkom, halogénmi, sírou, vodíkom, čo sa vysvetľuje prítomnosťou nenasýtených väzieb v ňom. Na zdôraznenie podobných chemických vlastností tohto materiálu sa oplatí preniesť ho do koloidného roztoku, kde sa interakcia zosilní.
Chemické reakcie nezostanú bez povšimnutia fyzikálne vlastnosti látok. Takže vlastnosti pevnosti, rozpustnosti, elasticity sa menia. Napríklad kyslík a ozón, ktoré interagujú s gumou aj pri izbovej teplote, spôsobujú rozpad veľkých polymérnych molekúl látky na menšie, čo vedie k strate pevnosti materiálu. Navyše vďaka oxidácii kyslíkom prechádza kaučuk z pevného do plastického stavu.
Chemická štruktúra prírodného kaučuku a jeho zloženie
Prírodný kaučuk je polymérny nenasýtený uhľovodík s veľkým počtom dvojitých väzieb. Jeho univerzálny chemický vzorec je nasledujúci: (C5H8)n, kde n je stupeň polymerizácie, ktorý má hodnoty 1000-3000). Ako je možné vidieť, monomérom prírodného kaučuku je izoprén.
Zdrojom prírodného kaučuku je mliečna šťava rôznych tropických rastlín (napríklad brazílska hevea). Obsahujú aj gutaperču, čo je tiež izoprénový polymér, ale s inou chemickou štruktúrou. Ak by molekula gumy nebola atómovo tenká, bolo by ju možné vidieť mikroskopom, pretože je veľmi dlhá. A ak sa to aj natiahne čo najviac, tak to bude cik-cak veľká čiara, čo je dané typom uhlíkových väzieb.
Vzhľadom na to, že v izopréne dochádza k striedaniu jednoduchých a dvojitých väzieb, častice molekuly sa môžu otáčať výlučne okolo jednoduchých väzieb. Vďaka takýmto vibráciám je molekula neustále ohnutá, dokonca aj v pokoji má uzavreté konce.
A skutočnosť, že molekuly gumy majú v pokoji uzavreté konce, určuje elasticitu látky. Keď sa materiál natiahne, jeho molekuly sa natiahnu rovnakým smerom. Akonáhle deformačný efekt skončí, reťaz sa opäť zakriví.
Molekuly prírodného kaučuku sú teda akési takmer okrúhle pružiny, ktoré sa veľmi silno naťahujú a zväčšujú sa, keď sú konce oddelené. Mnoho výskumníkov verí, že tento polymérny reťazec je pružná špirála.
Ak sa vykoná chemická analýza prírodného kaučuku, zistí sa, že látka pozostáva iba z vodíka a uhlíka, čo umožňuje priradiť ju k uhľovodíkom. Potvrdzuje to primárny vzorec kaučuku. Kedysi to bolo C5H8. Postupom času si vedci uvedomili, že takýto jednoduchý pravopis nemôže odrážať zložitosť štruktúry molekuly, pretože molekulová hmotnosť jednotlivých jednotiek dosahuje pol milióna a viac. Prírodný kaučuk je teda prírodný polymér izoprénu, konkrétne cis-1,4-polyizoprén.
Prírodný kaučuk je spleť mnohých tisícok chemických mikromolekúl, ktoré sú navzájom pevne spojené, takže vo vnútri makromolekuly môžu vykonávať iba vibračno-rotačné pohyby. Tieto mikromolekuly sú častice izoprénu, najjednoduchšieho uhľovodíka, ktorý tvorí gumu. Existujú však aj iné polyméry na báze izoprénového monoméru, hoci nemajú podobné vlastnosti elasticity a plasticity. S čím to súvisí?
V kaučuku, podobne ako v iných polymérnych molekulách, sú atómy usporiadané v reťazci, ale nie je to súvislá priamka, ale neustále sa ovíja a vytvára akoby guľu. Vplyvom mechanickej sily sa materiál natiahne v dôsledku zoradenia jednotlivých sekcií tejto cievky. Hneď ako dopad skončí, molekula má tendenciu zaujať svoju prirodzenú polohu a vráti sa späť do cievky. A len príliš veľa horlivosti vám umožňuje narovnať materiál natoľko, že jeho reťazce molekúl sa nielen nevrátia späť, ale zlomia sa a deformujú túto oblasť.
2. Syntetická guma
Ak sa v Amerike guma používa aspoň v nejakej forme už 500 rokov, potom v Rusku sú veci iné. Keďže v krajine nie sú prírodné suroviny, spočiatku sa materiál ani nevyrábal. A neboli žiadne zásoby hotovej gumy. Ale v roku 1927, konkrétne 30. decembra, sovietski vedci získali syntetický divinylový kaučuk sodnou polymerizáciou 1,3-butadiénu. Táto skúsenosť podnietila priemyselnú výrobu 1,3-butadiénu, z ktorého začali vyrábať kaučuk.
Butadién sa syntetizuje z bežného etanolu. To sa deje dehydrogenáciou a dehydratáciou tejto molekuly súčasne. Aby sa to dosiahlo, alkohol sa mení na paru a prechádza cez katalyzátory, ktoré spúšťajú obe reakcie naraz. Potom sa výsledný butadién čistí od východiskových látok, produktov vedľajších reakcií a po dosiahnutí úplného vyčistenia frakcie sa používa na syntézu kaučuku.
Ako dosiahnuť, aby monoméry, ktoré v tomto stave dokonale existujú, začali polymerizovať? Najprv sa musia požadované atómy uhlíka excitovať, to znamená uviesť do stavu, v ktorom sa dvojité väzby začnú lámať za vzniku polymérneho reťazca. Aby ste to dosiahli, musíte buď použiť silný katalyzátor, alebo minúť veľa energie.
Použitie katalyzátora na polymerizáciu kaučuku je celkom výhodné, pretože tento materiál sa pri reakcii nestráca, ale iba excituje atómy uhlíka. Na konci polymerizácie zostáva katalyzátor v rovnakom množstve ako na začiatku. S. V. Lebedev, vyvíjajúci syntézu umelého kaučuku, použil ako podobnú látku kovový sodík podľa vzoru A. A. Krakaua, ktorý tento katalyzátor použil na polymerizáciu iných nenasýtených uhľovodíkov.
Polymerizácia butadiénu má zároveň výhodu - výsledkom je, že konečným produktom je iba hotový kaučuk bez ďalších vedľajších produktov, keďže počas reakcie sa monoméry spájajú do polyméru ako celku, bez tvorby ďalších látok. .
Hlavné typy syntetického kaučuku
Existuje mnoho druhov syntetického kaučuku. Aj spomínaný prvý materiál, syntetizovaný na báze butadiénu, sa vyrába vo forme stereoregulárnej a nestereoregulárnej gumy. Prvým je naše použitie ako východiskového materiálu pre pneumatiky automobilov, pretože je odolnejší a odolnejší voči opotrebovaniu ako prírodný kaučuk. A nestereoregulárny typ sa používa pri výrobe ebonitu, gumy, odolné voči agresívnym kvapalinám atď.
Vedci neustále syntetizujú umelé kaučuky, ktoré sú vo všetkých ohľadoch dokonalejším materiálom ako tie prírodné. Napríklad vynikajúcimi látkami vo svojich vlastnostiach sú kopolyméry butadiénu a styrénu, akrylonitril. Počas polymerizácie sa reťazec vytvára striedaním butadiénu so zodpovedajúcim druhým monomérom. To umožňuje dosiahnuť špeciálne vlastnosti, ktoré nie sú vlastné klasickým gumám.
Styrén-butadiénová guma má teda vynikajúcu odolnosť proti opotrebeniu, takže tento materiál je veľmi žiadaný pri výrobe gumy pre autá, dopravné pásy a podrážky topánok.
Nitrilbutadiénový kaučuk sa vplyvom oleja a benzínu nezhoršuje, preto sa používa pri výrobe olejových tesnení.
Keď sa butadién kopolymerizuje s vinylpyridínmi (najmä s 2-metyl-5-vinylpyridínom), získa sa vinylpyridínový kaučuk. Vyrába sa na výrobu kaučuku špeciálnych vlastností. Je odolný voči benzínu a oleju, odolný pri použití v chladnom počasí, dobre priľne ku každému materiálu. Tento typ latexu sa používa ako impregnácia kordu pneumatík.
V Rusku sa venujú aj výrobe klasického syntetického kaučuku, ktorého vlastnosti sú veľmi podobné prírodným materiálom. Vulkanizáciou tohto kaučuku sa získa kaučuk, ktorého pevnosť, plasticita a elasticita sa príliš nelíšia od prírodných produktov. Takýto syntetický kaučuk sa používa aj na výrobu automobilových pneumatík, obuvi, dopravných pásov, vyrábajú sa z neho rôzne medicínske produkty.
Pokiaľ ide o kaučuky, v ktorých sú špeciálne vlastnosti určené heterogénnymi atómami alebo funkčnými skupinami, tu stojí za zmienku tieto poddruhy:
1. Silikónové gumy. Používajú sa pri výrobe medicínskych produktov, najmä trubíc na transfúziu krvi, umelých srdcových chlopní, rôznych káblov, drôtov.
2. Polyuretánové gumy. Používajú sa ako základ pre gumy odolné voči opotrebovaniu.
3. Fluórované kaučuky. Vyznačujú sa schopnosťou pracovať pri vysokých teplotách, dokonca aj viac ako 200 ° C, keď je bežná guma úplne zničená.
4. Chloroprénové kaučuky. Sú vyrobené z chloroprénu, keďže tento monomér je odolnejší voči účinkom benzínu, oleja a oxidačných činidiel.
Existujú aj iné typy kaučuku - je to penový a anorganický (polyfosfonitrilchlorid) kaučuk a iné.
Hlavným využitím prírodného aj syntetického kaučuku je výroba kaučuku príslušného druhu. Je to spôsobené tým, že kaučuk vo svojej čistej forme je pomerne krehký a menej elastický materiál, čo sa nedá povedať o jeho vulkanizovanom produkte.
Výroba gumy z gumy má teda tieto kroky:
1. Vytvorenie surovinovej základne:
— zavesenie gumy a komponentov z gumy;
— plastifikáciu kaučukov;
– poťahovanie textílií gumou, kalandrovanie, vytláčanie;
- rezanie výslednej pogumovanej tkaniny, ako aj listov, vyzdvihnutie hotových výrobkov.
2. Vulkanizácia, ktorej účelom je priviesť kaučuk vo výrobku zo stavu polotovaru do hotového.
Na výrobu gumového produktu sa teda guma zmieša s rôznymi plnivami (napríklad sadze) a sírou, týmito zložkami sa naplní forma a zahrieva sa. V dôsledku zvýšenia teploty sa nenasýtené väzby kaučuku stávajú menej pevnými, takže sa do nich zavádza síra, ktorá navzájom zosieťuje makromolekuly do siete disulfidových mostíkov. Takto sa získa obrovská celá molekula, ktorá sa nevytvorí v rovine, ale vo vesmíre. Vo všetkých vlastnostiach je oveľa lepšia ako čistá guma.
Teraz sa takýto polymér stáva spoľahlivejším. Napríklad kaučuk už nie je rozpustný v benzíne, na rozdiel od kaučuku, ktorý sa týmto rozpúšťadlom pomaly ničí.
Ak je potrebné získať ebonit, je potrebné pri vulkanizácii pridať prebytočnú síru, čo prispeje k vytvoreniu viacerých väzieb a povedie k tvrdosti a strate pružnosti. Za starých čias bol ebonit jedným z najlepších izolačných materiálov.
Guma je oveľa pružnejšia a pevnejšia ako bežná guma. Navyše nepodlieha až tak teplotným výkyvom, účinkom plynov, mechanickému ničeniu, účinkom elektrického prúdu, letným horúčavám, pôsobeniu rôznych chemikálií. Okrem toho má vulkanizovaná guma vysoký stupeň klzného trenia na suchom povrchu a nízky stupeň klzného trenia na mokrom povrchu.
Na rýchlejšie uskutočnenie tvorby gumy sa v továrňach používajú takzvané urýchľovače vulkanizácie. Umožňujú vám urýchliť proces konverzie, bez sobáša, s použitím menšieho množstva surovín. Takýmito látkami sú spravidla oxid horečnatý, olovo a iné anorganické soli. Okrem toho sa používajú organické látky - ditiokarbamáty, tiuramy, xantáty a iné deriváty, ktoré majú urýchľovací účinok.
Ale samotné urýchľovače nebudú fungovať, ak nie sú aktivované. To sa vykonáva pridaním oxidu zinočnatého.
Ďalšou povinnou zložkou gumy sú antioxidanty. Zabraňujú jej starnutiu.
Plnivá sa pridávajú na zlepšenie pevnostných charakteristík, odolnosti proti oderu a na zvýšenie odolnosti proti opotrebovaniu. Podľa názvu môžete pochopiť aj to, že vďaka týmto látkam je možné zvýšiť celkový objem surovín tým, že sa z menšieho množstva gumy vyrobí čo najviac gumy, čím sa stane dostupnejším a lacnejším materiálom. Plnivá sú krieda, mastenec, sadra, síran bárnatý, kremenný piesok, sadze.
Poslednou zložkou kvalitnej gumy sú zmäkčovadlá alebo zmäkčovadlá. Sú navrhnuté tak, aby látka bola menej viskózna s veľkým počtom plnív. Vďaka zmäkčovadlám sa guma stáva odolnejšou voči rôznym dynamickým vplyvom, najmä voči oderu. Hlavný zoznam zmäkčovadiel je nasledujúci:
- palivový olej;
- parafíny;
- decht;
- kolofónia;
- kyselina stearová a olejová atď.
Vlastnosti gumy, najmä odolnosť voči rôznym organickým rozpúšťadlám, pevnosť, sú priamo závislé od jej zloženia. Takže, ak je vyrobený z prírodného kaučuku, bude odolný voči oleju, benzínu, bude mať dobrú elasticitu a odolnosť proti opotrebovaniu. Ale takýto materiál bude zničený pôsobením agresívnych látok. Ak potrebujete gumu odolnejšiu proti opotrebovaniu, vyrobte ju zo styrén-butadiénovej gumy. Použitie izoprénového kaučuku umožňuje získať elastický výrobok, ktorý bude odolný aj pri silnom natiahnutí. Použitie chloroprénových surovín však prispieva k vytvoreniu gumy, ktorá je odolná voči oxidácii kyslíkom.
V Rusku sa teda kaučuk zaoberal už dlho, od čias impéria, keď v roku 1860 otvorili závod Triangle v Petrohrade (v roku 1922 premenovaný na Červený trojuholník). Potom boli otvorené podniky "Rubber", "Explorer", "Bogatyr" a ďalšie. Roky vývoja umožnili zaviesť technológie na výrobu odlišné typy guma, poskytujúca požadované vlastnosti.
Použitie gumy pri výrobe rôznych produktov
Guma je široko používaná v priemysle. Spravidla sa však táto surovina používa na výrobu gumy, ktorá sa zase používa na výrobu rôznych hotových výrobkov. Guma je žiadaná v nasledujúcich oblastiach výroby:
- izolácia pre drôty;
- pneumatiky pre automobily;
- topánky;
— špeciálne oblečenie;
- umelá koža;
- lekárske výrobky;
- vojenské časti a komponenty.
Guma má väčšiu elasticitu ako guma, ale menšiu ťažnosť. Čiastočne je to spôsobené tým, že nejde o jednoduchú látku, ale o zmes gumy s rôznymi zložkami.
Najviac zo všetkého potrebuje gumu automobilový a strojársky priemysel. Čím viac pogumovaných rôznych častí v akýchkoľvek mechanizmoch, tým sú pohodlnejšie na údržbu, spoľahlivé a odolné. Na výrobu jedného auta sú potrebné tisíce rôznych typov gumených dielov a ich počet rastie.
Druhy gumy, ich použitie
Najjednoduchšia klasifikácia rozdeľuje gumu na monolitickú a poréznu. Prvý z nich je vyrobený z butadiénovej gumy, vďaka čomu je veľmi odolný voči opotrebovaniu. Ak napríklad použijete takúto gumu na podrážku, vydrží 2-3 krát dlhšie ako špeciálna koža podošvy. Navyše, takýto materiál bude pri naťahovaní menej náchylný na pretrhnutie, neprepustí vodu ani v nadbytku a nezhorší sa vplyvom vlhkosti.
Samozrejme, v gumených topánkach budú mrazy citeľnejšie a neudrží teplo tak ako koža. Tento materiál je tiež nepriepustný pre vzduch a paru, ale to neznižuje jeho výkon.
Neporézna guma sa delí na kožu podobnú, priehľadnú a plantárnu. Vyrábajú sa z neho podrážky, podpätky, podpätky, prekrytia a iné súčasti obuvi.
Ale pórovitá guma sa používa na výrobu podrážok a iných častí letnej obuvi.
Na výrobu spodnej časti topánky sa používa guma podobná koži. Na zmenšenie hrúbky materiálu na niekoľko milimetrov sa pri výrobe takejto gumy používa veľké množstvo styrénu (asi 80 – 85 % všeobecné zloženie polymér), ktorý zvyšuje tvrdosť budúcej gumy.
Vďaka unikátnemu zloženiu kože podobnej gumy sú jej vlastnosti podobné bežnej koži. Je rovnako plastový a tvrdý, takže sa z neho dajú vyrobiť topánky akéhokoľvek druhu a tvaru. Pri výrobe takejto gumy môže byť natretá v akejkoľvek farbe. Guma podobná koži je celkom odolná proti opotrebovaniu, má vysokú odolnosť proti častému ohýbaniu. Toto je najlepšia možnosť pre lacné topánky.
Topánky s koženou podrážkou sa zvyčajne nosia 179 – 252 dní, ak sa špička nedrolí skôr. Pri nákupe takýchto výrobkov je však potrebné mať na pamäti, že má množstvo hygienických nevýhod, a to minimálnu hygroskopickosť a priedušnosť, ako aj vysokú tepelnú vodivosť.
Existujú tri typy kože podobnej gumy:
— neporézna štruktúra a hustota 1,28 g/cm3;
— porézna štruktúra a hustota 0,8-0,95 g/cm3;
— porézna štruktúra, vláknité plnivo a hustota do 1,15 g/cm3.
Posledný typ poréznej gumy sa nazýva aj „koža“. Majú vlastnosti takmer totožné s prírodnou kožou. Vďaka prídavku vlákna má guma o niečo lepšie tepelnoizolačné vlastnosti. Okrem toho je tento materiál pružnejší, ľahší, má príjemnejší vzhľad. Takáto guma sa používa na výrobu podpätkov a podrážok letných a jarných topánok, ktoré sú pripevnené lepiacou metódou.
Transparentná guma je ďalší produkt z prírodného kaučuku, ktorý má priesvitný vzhľad. Jeho hlavným rozdielom je vysoká odolnosť proti opotrebovaniu a tvrdosť. Priehľadná guma sa používa pri výrobe obuvi na výrobu lisovaných podrážok, ktorých behová strana má silné zvlnenie. Jedným bežne používaným typom priehľadnej gumy je styronip, ktorý má vysoký obsah gumy. Tento materiál je veľmi odolný voči opakovanému ohýbaniu, preto sa používa na výrobu obuvi, ktorá sa montuje lepiacou metódou.
Porézna guma sa vyznačuje tým, že obsahuje póry, ktorých môže byť 20-80% z celkového objemu materiálu. Vďaka tomu je dosiahnutá vysoká flexibilita produktu, elasticita, mäkkosť a ďalšie amortizačné vlastnosti. Tieto typy gumy sa však časom zmršťujú a tiež sa ľahko zašpinia (najmä v špičke topánky) pri nárazoch na rôzne povrchy. Na zvýšenie tvrdosti poréznej gumy sa do nej pridáva polystyrénová živica.
Teraz sa aktívne používajú a vyrábajú také druhy poréznej gumy, ako je vulkanit a porokrep. Prvý materiál obsahuje množstvo vláknitých plnív, ktoré zvyšujú odolnosť výrobku proti opotrebovaniu a zlepšujú tepelnoizolačné vlastnosti. Druhá slúži na zabezpečenie zvýšenej pevnosti a pružnosti, navyše má príjemnú farbu. Porézna guma našla široké uplatnenie pri výrobe zimnej a demi-sezónnej obuvi.
