Сторінка
1

Природні і синтетичні каучуки

Каучук — це еластичний матеріал, який має велике народ­ногосподарське значення. З нього дістають гуму, а гумова промисловість виготовляє понад 70 тисяч назв різноманітних виробів. Каучук іде на виготовлення покришок і камер для коліс літаків, автомобілів і велосипедів. Його застосовують для електроізоляції, виробництва промислових товарів і медичних приладів.

Розрізняюсь два види каучуків: натуральний і синте­тичний.

Натуральний (природний) каучук був відомий ще індійцям доколумбівської Америки, який вони добували з соку півден­ноамериканського дерева гевеї. Від цього способу добування і походить назва каучук (caa-o-chu), що на стародавній мові майя означає «сльози дерева». В Європу каучук був завезений на початку ХІХ ст. Гевея в промислових масштабах культиву­ється в Бразилії, Індонезії та інших тропічних країнах. Відомі ще деякі рослини-каучуконоси: звичайний фікус, окремі види кульбаби (кок-сагиз, тау-сагиз), гваюла, ваточник, який пошире­ний в Україні. Проте вміст каучуку в них порівняно невисокий.

Каучук — тверда речовина, до складу якої, як показав ана­ліз, входять два елементи: вуглець і водень. Визначення віднос­ної молекулярної маси його показує, що вона досягає кількох сотень тисяч (150 000—500 000). При нагріванні без доступу повітря молекула каучуку розпадається, утворюючи дієновий вуглеводень — ізопрен (2-метил-1,3-бутадієн). Отже, натураль­ний каучук е високомолекулярною ненасиченою сполукою складу (C5H8)n, де n становить від 1000 до 3000. Натуральний каучук — полімер ізопрену:

Здатність ізопрену полімеризуватись під дією ультрафіоле­тових променів і хімічних реагентів була відома ще в кінці минулого століття. Вчені намагалися відтворити натуральний каучук способом полімеризації ізопрену. Але протягом багатьох років ці спроби були безуспішними. Причиною, як виявилося пізніше, була будова молекули каучуку.

Фізико-хімічними методами встановлено, що макромолеку­ли природного каучуку мають структуру цис-1,4-поліізопрену, в якому регулярно чергуються ланки ізопрену з цис-розміщеними (по один бік) метиленовими групами біля подвійного С=С-зв'язку:

Як бачимо, кожний четвертий атом вуглецю однієї ланки приєднує перший атом вуглецю другої ланки (1,4-положення). Такі полімери називають стереорегулярними (просторово упо­рядкованими). Натуральний каучук частіше називають ізопреновим каучуком,

Макромолекули каучуку мають лінійну структуру. Ми вже зустрічалися з полімерами, макромолекули яких являють довгі ланцюги. Проте вони не мали такої еластичності, як каучук. Справа в тому, що макромолекули каучуку не витягнуті в лінію, а ніби згорнуті в клубки. При розтягуванні його молекули ви­рівнюються, зразок при цьому стає довшим. Якщо зняти наван­таження, то внаслідок внутрішнього теплового руху ланок мо­лекули знову згортаються, розміри каучуку зменшуються, відновлюється його попередня форма. Від сильного розтягу­вання молекули не тільки випрямляються, а й зміщуються одна відносно одної, зразок каучуку може розірватися.

Велике практичне значення має реакція каучуку з сіркою.

Вироби з каучуку в спеку розм'якшуються і стають липкими, а на морозі — жорсткими й крихкими. Ці недоліки усуваються, якщо каучук вступає в реакцію з сіркою і перетворюється на гуму. Процес відбувається при нагріванні і називається вулка­нізацією.

Із суміші каучуку з сіркою (2—3 %), наповнювачами (най­важливішим наповнювачем є сажа) та іншими речовинами формують потрібні вироби і нагрівають їх. При цьому сірка вступає у взаємодію з макромолекулами каучуку, приєднується за місцем подвійних зв'язків і утворює поперечні (місткові) зв'язки між полімерними ланцюгами. Відбувається «зшивання» лінійних макромолекул каучуку у більші, сітчасті полімерні молекули, внаслідок чого добутий матеріал (гума) набуває тривимірної просторової структури.

Поперечні зв'язки, які утворює при цьому сірка, надають такому каучуку еластичності, міцності й усувають липкість. Вулканізований каучук може розтягуватися до 900 %. Зміню­ється і розчинність полімеру: каучук, хоч і повільно, але роз­чиняється в бензині, гума тільки набухає в ньому,

Якщо до каучуку добавляти більше сірки (20—30 %), то під час вулканізації лінійні молекули «зшиваються» в багатьох місцях і матеріал втрачає еластичність, стає твердим — утво­рюється ебоніт. До появи сучасних пластмас ебоніт вважався одним з найкращих ізоляторів.

Синтетичні каучуки. Після впровадження процесу вулкані­зації попит на каучук почав швидко зростати. Проте плантації гевеї, які займали хоча і великі площі, не могли забезпечити усі країни, особливо нетропічні, природним каучуком. З'яви­лась гостра потреба у синтезі каучуку. Розв'язанню проблеми штучного його добування сприяло з'ясування складу і будови натурального каучуку, оскільки у розв'язанні цього практично­го завдання вчені прагнули наслідувати природу.

У результаті багаторічних пошуків російському вченому С. В. Лебедєву (1874—1934 pp.) вдалося синтезувати каучук. Для цього він з етилового спирту каталітичним способом добу­вав бутадієн:

2C2H6О à СН2=СН—СН=CН2 + 2Н2O + Н2,

а потім проводив його полімеризацію за наявності каталізато­ра — металічного натрію за такою схемою:

nСН2=СН—СН=СН2 à (—СН2—СН=СН—СН2—)n

Каучук здобув назву «бутадієновий». Промислове вироб­ництво такого каучуку було здійснене вперше у 1932 р.

Проте бутадієновий каучук поступався перед натуральним як за еластичністю, так і за зносостійкістю. Тепер освоєно ви­робництво ізопренового каучуку стереорегулярної будови, ана­логічного за будовою до натурального каучуку. Добуто також і бутадієновий каучук стереорегулярної будови. Щоб відрізнити від бутадієнового, який не має стереорегулярної будови, його називають дивініловим. Розроблено також і економніший метод добування бутадієну каталітичним дегідруванням бу­тану, який міститься у газах нафтопереробки і в попутних газах. Ізопрен добувають, виходячи з ізопентану (2-метил-бутану).