Как вы хотите связаться с нами?
  • Русский
ru +380 50 417 3929 sbit@kauchuk.ua Пн - Пт 08:30 - 17:00 87504, г. Мариуполь, ул. Вузовская, 1-А
Сертификат
ISO 9001:2015
Сертификат
IATF 16949:2016
+380 67 000 1997
+380 95 048 1000
СКАЧАТЬ ПРАЙС

Синтетический каучук — получение, история и виды

Завод РТИ "КАУЧУК" > Блог > Синтетический каучук — получение, история и виды

Синтетический каучук — это синтетический эластомер, который обладает эластичными, водонепроницаемыми и электроизоляционными свойствами. В основном это полимеры, синтезированные из побочных продуктов нефти. Синтетический каучук используется для производства различных типов резины, при этом используется процесс вулканизации. Ежегодно производится около 32 миллионов тонн каучука, из которых две трети являются синтетическими. Рынок синтетических каучуков оценивается примерно в 56 миллиардов долларов США в 2020 году.  Синтетический каучук, как и натуральный каучук, используется в автомобильной промышленности для изготовления шин, резиновых профилей для дверей и окон, резинотехнических изделий, шлангов, ремней, матов, напольных покрытий и много другого.

Не смотря на то, что Вторая мировая война стала движущей силой появления синтетического каучука в промышленных масштабах, когда правительства начали строить заводы, чтобы сбалансировать дефицит натурального каучука, были и другие причины после войны, которые привели к разработке альтернативы или заменителей натурального каучука. Вот некоторые важные факторы, которые влияли на производство синтетического каучука:

  • Рост цен на натуральный каучук на мировом рынке в ответ на общее состояние экономики
  • Политические события, которые отрезали покупателей от поставщиков сырья
  • Большие транспортные расходы
  • Региональные ограничения в отношении создания каучуковых плантаций
  • Увеличение мирового спроса на каучук.

Производство синтетического каучука

Синтетический каучук в промышленном масштабе производится методами растворной или эмульсионной полимеризации. Полимеры, изготовленные в растворе, обычно имеют больше линейных молекул (то есть меньше разветвлений боковых цепей от основной цепи полимера), а также более узкое распределение молекулярного веса (то есть, большую длину) и обладают хорошей текучестью. Кроме того, размещение мономерных звеньев в молекуле полимера может контролироваться более точно, когда полимеризация проводится в растворе. Мономер или мономеры растворяют в углеводородном растворителе, обычно в гексане или циклогексане, и полимеризуют, используя металлоорганический катализатор, такой как бутиллитий.

При эмульсионной полимеризации мономер (или мономеры) эмульгируется в воде с подходящим мылом (например, стеарат натрия), применяемым в качестве поверхностно-активного вещества, и добавляется водорастворимый свободнорадикальный катализатор (например, персульфат калия, пероксиды, окислительно-восстановительная система), чтобы вызвать полимеризацию. После того как полимеризация достигнет желаемого уровня, реакцию останавливают добавлением ингибитора радикалов. Около 10 процентов синтетического эластомера, получаемого эмульсионным методом, продается в виде латекса. Остаток коагулируют с подкисленным соляным раствором, промывают, сушат и прессуют в брикеты весом 35 кг.

К примеру, когда проводится «горячая» эмульсионная полимеризация SBR (при 50 °C) — молекулы полимера более разветвлены, а когда проводят «холодную» полимеризацию (при 5 °C ) — они более линейны и, как правило, имеют более высокую молекулярную массу, которая придает свойства, улучшающие сопротивление истиранию и износостойкость шин. В некоторых случаях полимеризация продолжается для того, чтобы получить продукты с такой высокой молекулярной массой, которая сделала бы связи трудноразрушимыми. В этих случаях перед коагуляцией добавляют около 30 процентов тяжелой нефти, чтобы получить «растянутые маслом» эластомеры с превосходной износостойкостью.

История синтетического каучука

Происхождение эластомеров, образующих основу синтетического каучука, можно проследить до первой половины 19-го века, когда были предприняты попытки определить состав и структуру натурального каучука с целью воспроизведения данного материала. В 1838 году немецкий ученый  Химли получил летучий дистиллят из этого вещества, и в 1860 году англичанин Ч. Гревилл Уильямс путем перегонки разделил каучук на три составляющие — масло, деготь и «спирт», причем последняя часть представляет собой более летучую фракцию и основной компонент, который Уильямс назвал изопрен. Француз Жорж Бушардо с помощью газообразного хлористого водорода и длительной дистилляции превратил изопрен в каучукообразное вещество в 1875 году, а в 1882 году другой британец, У. А. Тилден, произвел изопрен с помощью разрушительной перегонки скипидара. Тилден также назначил изопрену структурную формулу CH2 = C (CH3) ―CH = CH2.

Все изложенное выше было попытками воспроизвести натуральный каучук. Только когда был прекращен поиск химических эквивалентов натурального каучука и были подчеркнуты сопоставимые физические свойства, появился синтетический каучук. Выбор пал на бутадиен (CH2 = CH2CH = CH2), соединение, подобное изопрену, в качестве основы для синтетического продукта. Несколько значительных вкладов поступило из России. В 1901 году Иван Кондаков обнаружил, что диметилбутадиен при нагревании с калием производит резиноподобное вещество, а в 1910 году С.В. Лебедев полимеризовал бутадиен, который он получил из этилового спирта. Во время Первой мировой войны Германия под воздействием блокады, введенной союзниками, начала производство «метилового каучука» с использованием процесса Кондакова. По современным меркам это был худший заменитель, и после войны немецкие производители вернулись к более дешевому и более качественному натуральному продукту. Однако исследования и эксперименты продолжались, и в 1926 году немец Г. Эберт преуспел в производстве полимеризованного натрием каучука из бутадиена. В течение следующего десятилетия этот материал превратился в различные типы бутадиеновых каучуков «буна» (так называемые из начальных слогов двух материалов, использованных для их изготовления: бутадиена и натрия).

В Советском Союзе производство полибутадиена с использованием процесса Лебедева было начато в 1932–33 годах с использованием картофеля и известняка в качестве сырья. К 1940 году в Советском Союзе была крупнейшая в мире индустрия синтетического каучука, производившая более 50 000 тонн в год. В то же время в Германии был разработан первый синтетический эластомер, который можно было использовать для замены натурального каучука и производства шин удовлетворительного качества. Farben Вальтера Бока и Эдуарда Чункура, которые синтезировали каучуковый сополимер стирола и бутадиена в 1929 году, используя процесс эмульсии. Немцы называли эту резину Buna S; англичане называли его SBR, или стирол-бутадиеновый каучук. Поскольку стирол и бутадиен могут быть получены из нефти, зернового спирта или угля, SBR пользовался большим спросом во время Второй мировой войны. Были произведены огромные объемы — до 100 000 тонн в год в Германии и Советском Союзе. Около 800 000 тонн в год SBR производилось в Соединенных Штатах, где оно получило обозначение военного времени GR-S (government rubber-styrene). Во время войны немецкие инженеры-химики усовершенствовали низкотемпературную или «холодную» полимеризацию SBR, производя более однородный продукт.

Другие важные синтетические эластомеры были открыты за десятилетия до Второй мировой войны, хотя ни один из них не был пригоден для изготовления шин. Среди них были полисульфиды, синтезированные в Соединенных Штатах Джозефом Патриком в 1926 году и коммерциализированные после 1930 года в виде маслостойких тиокольных каучуков; полихлоропрен, обнаруженный Арнольдом Коллинзом в 1931 году и коммерциализированный компанией DuPont в 1932 году как Duprene (позднее неопрен), высокопрочный маслостойкий каучук; нитрильный каучук (NBR), маслостойкий сополимер акрилонитрила и бутадиена, синтезированный Эрихом Конрадом и Чункуром в 1930 году и известный как Buna N в Германии;  бутилкаучук (IIR), сополимер изопрена и изобутилена, открытый в 1937 году американцами Р.М. Томасом и В. Дж. Спарксом в Standard Oil Company (Нью-Джерси).

После Второй мировой войны растущая изощренность в синтетической химии привела к открытию многих новых полимеров и эластомеров. В 1953–54 годах два химика, Карл Циглер из Германии и Джулио Натта из Италии, разработали семейство металлоорганических катализаторов, которые были способны точно контролировать расположение и порядок звеньев вдоль полимерной цепи и, таким образом, создавать регулярные (стереоспецифические) структуры. С использованием таких катализаторов изопрен полимеризовался таким образом, что каждый элемент в цепи был связан со своим предшественником в цис-конфигурации, практически идентичной структуре натурального каучука. Таким образом, был изготовлен практически 100-процентный цис-полиизопрен, «синтетический натуральный каучук». В 1961 году тот же тип катализатора с бутадиеном, что и мономер, был использован для производства цис-1,4-полибутадиена, каучука, который, как было установлено, обладает превосходной стойкостью к истиранию, особенно в шинах, подвергающихся воздействию тяжелых условий эксплуатации.

Несколько других достижений характеризовали послевоенные годы. Например, были получены блок-сополимеры, в которых длинная последовательность одного химического звена сопровождается в одной и той же молекуле длинной последовательностью другого, с использованием множества различных единиц и длин последовательностей. Были представлены новые маслостойкие и термостойкие эластомеры, в том числе стирол-акрилонитрильные сополимеры, полисульфиды и хлорированный и хлорсульфонированный полиэтилен. В некоторой степени, был  достигнут контроль над широким диапазоном молекулярной длины, присутствующим в большинстве полимеров, поэтому во многих случаях могут быть получены узкие или широкие распределения с совершенно разными вязкостными свойствами. Кроме того, полимеры были синтезированы с разветвленными молекулами, или со многими маленькими ветвями вдоль главной цепи, или с несколькими длинными «плечами», излучающими из центральной точки, что дает различные свойства текучести и более легкое поперечное сшивание.

В 1993 году мировое потребление синтетического каучука достигло девяти миллионов тонн. Около 55 процентов всего производимого синтетического каучука используется в автомобильных шинах.

Синтетический каучук — типы и использование

Как упоминалось выше, существует несколько основных видов синтетического каучука. Тип каучука подбирается в зависимости от условий эксплуатации и необходимых физико-химических свойств готового изделия. Вот основные типы синтетических каучуков и краткое описание их областей применения.

Стирол-бутадиен-каучук (SBR): резина общего назначения, обладающая лучшей стойкостью к истиранию, плохим сопротивлением низким температурам, низкой эластичностью, хорошей стойкостью к старению и нагреву, отличный электроизоляционный материал. Используется в шинной промышленности, для производства конвейерных лент, уплотнений, резинотехнических изделий.

Полибутадиеновый каучук (BR): этот синтетический каучук не используется сам по себе. Он смешивается с SBR или NR. Он гибок при низких температурах и обладает хорошей эластичностью. Используется в шинах, сцеплениях, подшипниках двигателя, конвейерных лентах, резинотехнических изделиях, уплотнениях для питьевой воды.

Изопреновый каучук (IR): это более однородный, чистый, прозрачный каучук. Используется в технических изделиях, таких как строительные секции, нагревательные шланги, охлаждающие шланги для транспортных средств, высокопроизводительные шины, посуда для пищевых продуктов.

Акрилонитрил-бутадиеновый каучук (NBR): этот синтетический каучук обладает устойчивостью к топливу и маслу, хорошими температурными свойствами и стойкостью к истиранию. Используется в автомобильных деталях, масляных шлангах, резинотехнических изделиях, ковриках, плитах, уплотнениях, роликах и для пищевых продуктов, таких как молоко.

Хлоропреновый каучук (CR): устойчив к смазке, маслам, старению, истиранию и атмосферным воздействиям, обладает огнестойкостью. Используется в конвейерных лентах, приводных ремнях, сцеплениях, всех видах резинотехнических изделий, тросах, пневматических подвесных системах.

Бутилкаучук (IIR): этот синтетический каучук устойчив к старению, озону и химическим веществам. Обладает хорошими механическими и изоляционными свойствами. Обладает низкой проницаемостью для газов и износостойкостью. Используется в автомобильных шлангах, уплотнениях, мембранах, покрышках, резинотканевых изделиях, шлангах, изоляции кабелей.

Завод резинотехнических изделий «Каучук» имеет опыт работы с большим количеством каучуков в производстве изделий, а также производит собственные резиновые смеси на основе всех видов каучуков. Наши опытные инженеры-технологи могут подобрать для вас рецептуру резиновой смеси, которая будет отвечать всем вашим требованиям и поможет вам создать изделие, которое даст вам преимущество в условиях рыночной конкуренции. Обращайтесь за консультацией по контактам на сайте.