Каучук

История и распространение

→ Основная статья : натуральный каучук

источник

Первоначально распространение ограничивалось тропическим бассейном Амазонки . Коренное население также называет завод «ч-х-чу», что означает что — то вроде «плачущего дерева». В 15 веке португальцы первыми сообщили о латексе и признали его положительные свойства, такие как возможность создания водонепроницаемой одежды, покрывая ее вязким соком, похожим на волокно коры тапа из Полинезии . После открытия в 1839 году процесса производства каучука (путем вулканизации каучука) спрос резко вырос и привел к резиновому буму в регионе Амазонки вокруг Манауса и Белена .

Распространение через резиновую стрелу

Бразилия удерживала мировую монополию на протяжении десятилетий, даже после того, как в африканских тропиках начали добывать натуральный каучук. После нескольких безуспешных попыток авантюрист Генри Викхэм сумел вывезти семена каучукового дерева из страны в 1876 ​​году по поручению Британского и Королевского ботанического сада Кью ( Кью ) недалеко от Лондона. В восточноазиатских районах поселений Проливов (Малайский полуостров) после различных неудач в 1890-х годах были построены первые плантации, которые поставляли свою продукцию на мировой рынок с 1905 года . Британская Малайя резина скоро заслонила бразильский каучук из мирового рынка, а Великобритания имела монополию над глобальной торговлей каучуком.

Сегодняшнее распространение

Сегодня это дерево в основном высаживают в так называемом каучуковом поясе (от 30 ° северной широты до 30 ° южной широты ). Тремя крупнейшими странами-производителями являются Таиланд , Индонезия и Малайзия . С другой стороны, бразильскому населению в настоящее время серьезно угрожает болезнь опадания листьев в Южной Америке , которую вызывает паразитический гриб Microcyclus ulei . Помимо бесхозяйственности, этот грибок также ответственен за упадок каучуковой плантации Фордландия, созданной в Бразилии в начале 20 века Генри Фордом , владельцем концерна Ford . Грибок в основном поражает каучуковое дерево в течение примерно двухнедельной фазы развития нового листа. Во влажном экваториальном климате новые листья развиваются круглый год, что делает дерево очень восприимчивым к инфекциям . С другой стороны, в регионах с сезонными особенностями гриб имеет меньше возможностей для заражения. Это, например, Так обстоит дело, например, в штате Сан-Паулу, который отличается более прохладными и сухими зимами , поэтому сегодня здесь производится около 60% бразильского каучука.

Значительная часть мирового спроса на каучук (прогноз: 23,9 млн. Т в 2009 г.) в настоящее время покрывается за счет синтетического каучука (прогноз: 13,5 млн. Т в 2009 г.). Тем не менее, в будущем ожидается рост спроса на натуральный каучук (прогноз: 10,4 млн т в 2009 г.). Ожидается, что в 2019 году потребность в каучуке составит 30,4 млн т, из них натуральный каучук составит 14,0 млн т. Следовательно, можно ожидать значительного расширения посевных площадей.

Синтетический каучук

Распространившись по всему миру, каучук нашел не только поклонников, но и исследователей. Страны, находящиеся в зависимости от импортного товара, были заинтересованы в получении своего сырья.

История создания

В конце девятнадцатого века французский ученый Бушарда синтезировал нечто похожее на силикон.

На рубеже девятнадцатого-двадцатого веков российский химик И. Кондаков смог получить эластановый полимер. На его основе в Германии появились первые выпуски синтетического сырья. Они использовались на подводных лодках. Однако в массовое производство он не пошел.

Особый вклад в получение синтетического латекса внес российский ученый С. Лебедев. Почти всю свою научную жизнь он посвятил получению каучука. Его исследования были отмечены специальной премией РАН.

После объявления правительством Советского Союза о конкурсе разработки широкого производства латекса для всей страны и за рубеж, Лебедев с командой единомышленников успешно нашел решение.

Так был получен дешевый способ синтезирования. В 1932 году впервые во всем мире Советский Союз наладил получение каучука в промышленном размахе. За ней, через четыре года аналогичное производство получила Германия.

Применение синтетических каучуков

В наши дни синтетическое сырье имеет внушительный ассортимент. Разделяется по составу, свойствам, применению. Классификация идет по названию мономера, группе атомов.

Основной прием синтезирования — это полимеризация диенов, алкенов. Мономеры: стирол, этилен, изобутен и т. д.

Сфера применения очень велика: резина, обувная промышленность, различные шланги, изоляционные материалы, герметики, клеевая основа, красочный арсенал.

Вулканизация каучука

Этапы:

1. Получение заготовок: взвешивание каучука и компонентов, резиновая пластификация, прорезинка ткани, резка для сборки, транспортировки.
2. Вулканизация. Получение готового изделия. Вулканизация — технологический процесс, при котором в процессе нагревания молекулы серы присоединяются к молекулам каучука. В результате получается огромная молекула, имеющая три измерения.

Синтетический каучук, виды, его свойства, получение, производство и синтез:

В XX веке с появлением автомобильной промышленности стал расти спрос на резину, значит и на каучук. Поэтому на каучук, получаемый из сока гевеи, появился дефицит. Встал вопрос получения синтетического каучука. В 1927 году советский ученый С.В. Лебедев получил первый синтетический дивиниловый каучук с помощью реакции полимеризации 1,3-бутадиена при помощи натриевого катализатора. Теперь он стал настолько популярным, что почти вытеснил собой натуральный каучук. Синтетический каучук разделяют на более чем 30 типов, которые образуют свыше 220 марок.

В настоящее время в России выпускается синтетический каучук специального и общего назначения. Кроме того, синтетический каучук подразделяют на стереорегулярный и нестереорегулярный. Стереорегулярный, более прочный и износостойкий, чем натуральный каучук. Он применяется, например, как исходный материал для автомобильных покрышек. Нестереорегулярный – используют в производстве эбонита и резины, более стойкой к воздействию агрессивных сред.

Синтетическими каучуками общего назначения считаются:

1. 1. бутадиеновый каучук,
2. 2. изопреновый каучук,
3. 3. бутадиен-стирольный каучук,
4. 4. бутил-каучук,
5. 5. этилен-пропилено­вый каучук,
6. 6. хлоропреновый (наирит) каучук и пр.

Синтетическими каучукам специального назначения являются:

1. 1. бутадиен-нитрильный каучук,
2. 2. кремнийорганический каучук,
3. 3. уретановый СКУ,
4. 4. полисуль­фидный каучук,
5. 5. фторосодержащий каучук,
6. 6. метил­винилпиридиновый каучук,
7. 7. силоксановый каучук и т.д.

Ученые постоянно занимаются синтезом искусственных каучуков, которые по своим качествам представляют собой более совершенный материал, чем природные. Например, по своим свойствам замечательными веществами являются сополимеры стирола, бутадиена и акрилонитрила. Во время процесса полимеризации их цепочка строится чередованием бутадиена с соответствующим другим мономером. Это позволяет достигать отличных свойств, которых нет у классических каучуков.

В России сейчас изготавливают классический синтетический каучук, свойства которого схожи со свойствами натурального вещества. При вулканизации такого каучука получается резина, прочность, эластичность и пластичность которой практически не отличается от подобных, свойственных природному материалу.

ТОП-10 лидирующих стран производителей каучука

Каучук бывает натуральный и синтетический. Также его подразделяют по мономерам, характерной группировке, выпускаемой форме, молекулярной массе и так далее. Все эти особенности учитываются при изготовлении каучука на химических заводах.

10. Перу

Перу занимает выгодное территориальное положение для развития химической промышленности. Обильные каучуковые природные ресурсы дают возможность быть достойным конкурентом среди других стран. Занимать более высокое место в мире государство пока не имеет возможности. Так как правительство не может в достаточном объеме обеспечить химические заводы необходимым оборудованием. В прошлом году показатели добычи латекса, из которого производится материал, были равны 890 тыс. т.

9. Аргентина

Выращиванием деревьев Гевея Аргентина занимается практически только для собственного производства. Жаркий климат позволяет производить примерно 1,6 млн. т. в год. Правительство государства ежегодно выделяет средства для улучшения качества и количества «урожая».

8. Шри-Ланка

Выращенный на территории Шри-Ланки латекс чаще всего используется в медицине, а также для изготовления качественной обуви. Страна является основным поставщиком шин в мире, выпуская более 35 % товара. В прошлом году показатели производства натурального каучука достигли небольшого результата, всего 1,9 млн. т.

7. Индия

По данным статистики ассоциации Rubber Board количество производства натурального материала составило 2,2 млн. т. Эти показатели довольно низкие по сравнению с прошлыми годами. Причиной снижения производства называют многократные ливневые дожди, которые повредили растения.

6. Китай

В связи с экстремальной засухой в сезоне 2019-2021 гг. на каучуковых плантациях постепенно гибнут тысячи деревьев. Такие события существенно отразятся на производстве натурального материала. Крупнейшей нефтехимической компании PetroChina Jinzhou Petrochemical на неопределенное время пришлось остановить работу из-за увеличивающихся убытков. Результаты «урожая» 2021 года будут известны в конце текущего года. Показатели прошлого года были 3,6 млн. т.

5. Бразилия

Бразилия родина натурального каучука. В свое время, в конце 19 века, об открытии нового уникального материала стало известно далеко за пределами страны. И искатели соседних государств потянулись в тропики. Но для перевозчика вывезти семена или корни растения было нарушением бразильского закона. Тем не менее, нашелся смельчак, который сумел провести семена в Лондон. В 2019 году урожай не имел высоких показателей и был равен 4,1 млн. т.

4. Таиланд

Результаты «урожая» 2019 года были не самыми лучшими. Общий объем составил 4,2 млн. т. Из-за вспышки грибкового заболевания на деревьях, под названием Pestalotiopsis, добыча латекса уменьшилась вдвое. Было заражено более 15 га леса.

3. Вьетнам

Основная добыча материала идет на производство шин для автомобилей в Китае. Так как КНР является основным покупателем вьетнамского продукта. По данным статистики Министерства сельского хозяйства Вьетнама в 2019 году производство составило 4,7 млн. т.

2. Малайзия

С каждым годом производство каучука в Малайзии растет. Страна славится хорошей репутацией среди мировых поставщиков продукта. Основными покупателями являются Германия, США и Испания. За прошлый год было произведено почти 4,9 млн. т.

1. Индонезия

Переработкой деревьев гевея, из которого добывается латекс, по большей части занимаются государственные организации Индонезии. Плантации индонезийских полей так же, как и Таиланд пострадали от грибка. В этой стране было повреждено треть количества урожайных растений. Таким образом, общее количество выпускаемой продукции было 5,1 млн. т.

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 и многие полимерные 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.

Природный каучук

Сбор латекса гевеи (Шри-Ланка)

Высокомолекулярный углеводород (C₅H₈)_n, цис-полимер изопрена; содержится в млечном соке (латексе) гевеи, кок-сагыза (многолетнего травянистого растения рода Одуванчик) и других каучуконосных растений. Растворим в углеводородах и их производных (бензине, бензоле, хлороформе, сероуглероде и т. д.). В воде, спирте, ацетоне натуральный каучук практически не набухает и не растворяется. Уже при комнатной температуре натуральный каучук присоединяет кислород, происходит окислительная деструкция (старение каучука), при этом уменьшается его прочность и эластичность. При температуре выше 200 °C натуральный каучук разлагается с образованием низкомолекулярных углеводородов. При взаимодействии натурального каучука с серой, хлористой серой, органическими пероксидами (вулканизация) происходит соединение через атомы серы длинных макромолекулярных связей с образованием сетчатых структур. Это придает каучуку высокую эластичность в широком интервале температур. Натуральный каучук перерабатывают в резину. В сыром виде применяют не более 1 % добываемого натурального каучука (резиновый клей). Каучук открыт де ла Кондамином в Кито (Эквадор) в 1751 году. Более 60 % натурального каучука используют для изготовления автомобильных шин. В промышленных масштабах натуральный каучук производится в Индонезии, Малайзии, Вьетнаме, Таиланде, Бразилии и КНР.

Промышленное применение

Самое массовое использование природного каучука на практике — это изготовление резины. В основе этого процесса лежит реакция вулканизации, разработанная еще в XIX веке.

Для получения резины, в сырье добавляют различные компоненты, способствующие образования длинномерных молекул, соединенных между собой поперечными связями. Такое строение и обеспечивает резине возможность сжатия и растяжения практически при любой температуре.

Промышленное применение натурального каучука

Продукт вулканизации – резина предназначается для применения различных отраслях. Е применяют для производства покрышек и камер для любой техники, работающей на колесном ходу.

Кроме того, каучук служит основой для производства различных уплотнений применяемых для работ по тепло-,гидро- и звукоизоляции. Без него не может обойтись и медицина, в частности при производстве перчаток, презервативов. Кроме того, множество изделий из него применяют в медицинских приборах и оборудовании.

Каучук применяют и в такой отрасли как ракетная. Его используют как основу для производства твердого топлива для ракет. В частности он используется как топливо, а наполнителем выступает порошок селитры, а окислителем выступает перхлорат аммония.

История открытия натурального каучука

Человечество знает это сырье достаточно давно, по крайней мере, южноамериканские инки еще до прибытия на материк Христофора Колумба играли в мяч, сделанный из обработанного латекса.

Этот материал добывался из сока дерева под названием Гевея. Изначально он обладает белым цветом, но с течением времени, он начинает твердеть и менять цвет на темно-коричневый или черный.

Индейцы уже в те времена применяли его для изготовления тканей, обуви, емкостей для переноса и хранения воды и, конечно, использовали шарики, сделанные из этого материала, для развлечения.

Но предметы, изготовленные из натурального качества в теплую погоду, начинали прилипать, а в холодную становились очень хрупкими.

После того, как испанские моряки привезли натуральный каучук привезли в Старый свет, прошло более 300 лет, прежде чем его начали рассматривать, но как диковинный материал, а как сырье для производства разного типа продукции.

Предпринимались разные попытки изготовления обуви и одежды и, как правило, все кончалось неудачей. Это длилось до 1839 года, пока ученый Чарльз Гудьир (Charles Goodyear) не открыл процесс вулканизации каучука. На основании результатов ранее проведенных исследований, он провел эксперимент – на каучук нанес слой серы и положил на разогретую печь. Результатом такого эксперимента стало появление первого в мире образца резины. Этот процесс назвали вулканизацией.

История открытия натурального каучука

Изобретение процесса вулканизации привело к массовому внедрению натурального каучука. Уже с середины XIX века процесс производства изделий из резины принял массовый характер и того сырья, которое добывали из гевеи стало не хватать, не смотря на то, на острове Ява, Суматра были основаны плантации на котором выращивали это растение.

Таким образом, перед химиками встала задача по получению материала, способного заменить натуральное сырье. На решение этой задачи ушел целый век. В процессе, проводившихся исследований, которые проводились во многих странах, стало ясно, что для получения заменителя необходимо устранить следующие проблемы:

1. Синтезировать изопрен из других материалов.
2. Осуществить полимеризацию полученного изопрена.
3. Выявить вещества, способные оставить распад каучука.

Лишь в тридцатых годах ХХ века ученые смогли создать установку по промышленному производству синтетического каучука. Кстати, сложно переоценить вклад отечественных ученых в решение задач по производству синтетического каучука.

Для синтеза искусственного сырья был использован дивинил, получаемый из спирта. То есть натуральный и синтетический каучук, производят на основе разных веществ.

Основные отличия резины и каучука

Каучук – полимер, который можно получать двумя способами – добывать из «недр природы», синтезировать из более простых соединений.

Резина – только синтетический полимер. Резина применятся в достаточно широком диапазоне температур в то время, как каучук разрушается при нагревании и охлаждении. Резина – гибкий материал. Она легко деформируется и быстро возвращается в исходную форму.

Каучук окисляется кислородом воздуха, поэтому быстро «стареет». Резина же выпускается с заданными свойствами, она не боиться кислорода воздуха, более того есть соединения, стойкие к действию сильных окислителей.

Таким образом, резина и каучук, это своего рода «резиновая пищевая цепочка». Каучук дает природа, его добывают люди и делают резину, а из резины производят для жителей планеты обувь, шины, коврики и еще много-много полезных вещей. Попробуйте убрать из нашей жизни одни только автомобильные шины, и мир встанет в транспортном коллапсе.

Подводя итоге, нельзя сказать, что резина лучше, чем каучук, что она прочнее и эластичнее. Да, она обладает лучшими свойствами, но ими она обязана каучуку. Если бы каучук, как химическое соединение не вступило в реакцию с улучшающими его добавками не возникло бы новое соединение. То есть в заключении можно выделить два основных плюса:

Каучук – реакционоспособное соединение, получаемое из недр природы, являющееся сырьем для получения резины. Резина – высокоэластичный, устойчивый к агрессивному воздействию широко распространённый полимер.

Примеры некоторых синтетических каучуков

Среди каучуков общего назначения по-прежнему широко распространены бутадиеновые СКД. (стереорегулярный 1,4-цис-полибутадиен)

и изопреновые (1,4-цис-полиизопрен) каучуки.

Они обладают высокой прочностью, эластичностью, износостойкостью и невысокой стоимостью, что обуславливает их широкое применение в производстве разнообразных резиновых изделий. Для модификации потребительских свойств каучуков широко используют сополимеризацию – диен полимеризуют с добавлением какого-либо алкена. Такой полимер состоит из элементарных звеньев двух различных типов. Таким сополимером является еще один распространенный СК – бутадиенстирольный каучук (СКС),

который применяется не только при производстве резиновых изделий, но также является основой строительного латекса и латексно-эмульсионных красок.

Бутилкаучук (БК) – сополимер 2-метилпропена с небольшим количеством изопрена –

относится уже к каучукам специального назначения, т.к. обладает высокой стойкостью к различным воздействиям, поэтому его используют для электроизоляции, антикоррозионных и теплостойких покрытий.

Полихлоропреновые каучуки (наирит, неопрен) –

один из наиболее давно известных видов синтетических каучуков – разработаны компанией «Дюпон» в 1930-х. Обладают высокой масло-, бензо-, озоностойкостью. С высокой масло-, бензо- и теплостойкостью связано также и применение бутадиенакрилонитрильного (СКН) каучука.

Высокая прочность при растяжении и стойкость к различным воздействиям полиуретанов обуславливает их разнообразное применение – от искусственной кожи для производства обуви до изготовления износостойких покрытий, клеев и герметиков.

В экстремальных условиях «работают» фторкаучуки – сополимеры фторированных или частично фторированных алкенов. Высокая теплостойкость, инертность к воздействиям агрессивных сред – растворителей, кислот, сильных окислителей, негорючесть, стойкость к УФ-облучению позволяет использовать эти уникальные вещества для работы в условиях высоких температур, в агрессивных средах для изоляции проводов и антикоррозионной защиты аппаратуры.

А вот кремнийорганические каучуки – полиорганосилоксаны –

помимо тепло- и морозостойкости и высоких электроизоляционных свойств обладают еще и физиологической инертностью, что обуславливает их применение в изделиях пищевого и медицинского назначения.

Екатерина Менделеева