Каучук и каучуковые материалы: резина, эбонит, гуттаперча, балата

Каучук — общее имя, под которым продается продукт коагуляции млечного сока, выделяемого некоторыми тропическими растениями. К числу этих растений относится Бразильская гевея (Hevea brasiliensis) и родственные ей виды. Из гевей как дико растущих, так и плантационных получается около 9/10 мировой добычи каучука.

Еще до открытия Бразилии местные индейцы имели «резиновые мячики», бутылки из небьющегося материала и пользовались для освещения на праздниках факелами, которые долго горели, но выделили много сажи и имели резкий запах. Они изготовлялись из молочно-белых «слез» дерева кауучу.

Пробы этого материала в виде каучуковых сухих лепешек привез на родину французский исследователь и ученый Шарль Мари де ла Кондамин в 1744 году во время английской морской блокады против Франции. Но промышленное значение каучук получил только после того, как американскому химику Чарльзу Нельсону Гудьиру в 1839 году удалось превратить каучук с серой под действием тепла из пластичного в эластичное состояние (резину).

В результате процесса вулканизации и изготовления эбонита, в 1848 году он стал основателем современной резиновой промышленности. В 1898 году в Акране (Огайо) была основана компания «Goodyear Tire & Rubber». Еще сегодня она относится к самым крупным производителям изделий из каучука и синтетической резины в мире.

В чистом виде каучук не применяется, а предварительно смешивается с различными веществами, из которых главную роль играет сера. Полученная смесь формуется и подвергается вулканизации. Смешение происходит путем перетирания каучука на вальцах, с постепенной подсыпкой того или иного вещества.

В состав каучуковой массы могут входить следующие вещества:

суррогаты каучука (регенерат — старый каучук и фактисы — жирные масла, вулканизированные серой);

наполнители (окись цинка, мел, као л ин и т. п.);

смягчители, прибавляемые при большом проценте наполнителей (парафин, церезин, асфальт и пр.);

В электротехнике применяется мягкий каучук, с большим содержанием наполнителей (до 60% и выше), но с малым содержанием серы, и твердый каучук — роговой каучук, эбонит, с большим содержанием серы.

Резина — смесь каучука с серой, обработанная при повышенной температуре. Чрезвычайно гибкий, эластичный, совершенно водонепроницаемый материал, обладающий высокими изоляционными свойствами. Изготовляется в виде листов различной толщины и широко используется для изоляции проводов. Отрицательные качества — малые теплостойкость и маслостойкость.

Свойства мятого каучука

Свойства каучука зависят от его сорта, рода наполнителей, количества серы, времени вулканизации и т. д. Увеличение содержания серы увеличивает диэл ектричсекую постоянную и угол потерь. Из примесей наиболее вредно влияет на электрические свойства сажа, наименее — молотый кварц.

Мягкий каучук идет, главным образом, н а изоляцию проводников, на выделку трубок, лент, перчаток и т. д. При электромонтажных работах широко применяется изоляционная лента, представляющая собой обычную миткалевую ленту, покрытую с одной стороны каучуковой клейкой массой.

Старение происходит вследствие выделения из эбонита свободной серы, которая, соединяясь с кислородом воздуха и влагой, дает серную кислоту. Для восстановления поверхности,. эбонит промывается сначала нашатырным спиртом, а затем, многократно, дистиллированной водой.

К специальным сортам эбонита принадлежат а сбестонит и вулкан-асбест. Производство их несколько отличается от производства эбонита,а именно: так как асбестовое волокно совершенно размалывается вальцами, то каучук растворяют в бензияе и затем уже смешивают с асбестом и прочими наполнителями. Такие смеси могут содержать очень мало каучука, до 10%, вследствие чего теплостойкость этих изделий может быть поднята до 160° С.

Эбонитовый порошок используют для изготовления пластмассы, из которой прессуют различные изоляционные детали.

Синтетический искусственный каучук

В современной кабельной промышленности отдается предпочтение не натуральному каучуку, а его синтетическим видам и смесям. Эти смеси придают специфические свойства изолировочному слою и оболочке готовых продуктов (жилы, провода и кабеля). К смесям добавляют присадки, ускоряющие реакцию сшивания, а также цветные пигменты и присадки, защищающие готовый продукт от старения.

Гуттаперча представляет продукт коагуляции млечного сока некоторых растений, произрастающих на островах Малайского архипелага.

Это один из самых древних электроизоляционных материалов. С 1845 года гуттаперчей изолировались телеграфные провода в Великобритании, в т.ч. для изоляции подводных линий.

Подводный телеграфный кабель 1864 года

В семидесятых годах XIX века появляются первые кабельные заводы за границей и в России. Эти заводы изготовливали главным образом изолированную проволоку для телеграфа и немногие из них — изолированный гуттаперчей подводный телеграфный кабель.

С гуттаперчей, как изоляционной облицовкой, эксперименты проводились и Вернером фон Сименсом, который хотел применить ее для подземного кабеля. При проведении трехлетних испытаний по поручению немецкого правительства оказалось, что гуттаперча разрушается натуральными агрессивными веществами земли и теряет через короткое время свои изоляционные качества в грунтовых водах.

Покрытие кабеля гуттаперчей. Гринвич, 1865-66 годы. Картина Р. Ч. Дадли

Жилы в то время укладывались в трубах из железа и свинца и были обмотаны лентами из хлопка, льна или джута. А в 1882 году появилась идея применения этих материалов для изоляции. Для этого на базе вазелина с добавлением природных смол для сгущения были созданы средства пропитки.

Употребляемый тогда гуттаперчевый пресс превратился в гидравлический свинцовый пресс, с помощью которого непосредственно на жилу накладывалась свинцовая облицовка и отпала необходимость применять железные трубы.

От коррозии облицовка защищалась джутом, пропитанным битумом, который обматывался вокруг кабеля. В качестве механической защиты применялись два оцинкованных железных листа, пропитанных битумом и уложенных внахлестку. Для полной защиты от коррозии их еще раз покрывали джутом, пропитанным битумом.

Битум относится к продуктам, оставлявшим на руках монтеров-прокладчиков подземного кабеля еще многие десятилетия черные следы. Поскольку он, известный как «земная смола» или «горная смола», добывался как «природный асфальт», а сегодня выделяется в основном при перегонке нефти в вакууме, применялся еще за 2500 лет до н.э. под названием «асфальта» жителями Мессопотамии для уплотнений между досками палубы их судов. Применялся он и как предшественник линолеума для изоляции полов от проникновения влаги.

Балата — продукт, родственный каучуку и гуттаперче, добывается в Венесуэле. По свойствам близка к гуттаперче и применяется, как прибавка к ней и к каучуку. Балата содержит больше природных смол, чем каучук и гуттаперча и в отличие от резины не вулканизируется. В большом количестве она применяется в виде пропитки при изготовлении приводных ремней и конвейерных лент.

Источник

Химия. 10 класс

Конспект урока

Урок № 16. Натуральный каучук. Синтетические каучуки

Перечень вопросов, рассматриваемых в теме

Урок посвящён знакомству с природным и синтетическими каучуками: бутадиеновым, дивиниловым, изопреновым, хлоропреновым и бутадиен-стирольным, а также с производными каучука – резиной и эбонитом. Учащиеся узнают о способах их получения, особенностях строения и областях применения.

Вулканизация – нагревание каучука с серой, приводящее к сшивке полимерных цепей друг с другом и повышению прочности материала.

Каучук – эластичный полимер, продукт полимеризации диеновых углеводородов.

Латекс – сок дерева гевея.

Резина – эластичный материал, продукт вулканизации каучука с содержанием серы ниже 30%.

Сополимеризация – совместная полимеризация двух или более мономеров.

Стереорегулярность – упорядоченность цис- и транс-форм мономерных звеньев в полимерной цепи.

Эбонит – прочный и химически стойкий материал, продукт вулканизации каучука с содержанием серы выше 30%.

Эластичность – способность возвращаться в исходную форму после растяжения или сжатия.

Основная литература: Рудзитис, Г. Е., Фельдман, Ф. Г. Химия. 10 класс. Базовый уровень; учебник/ Г. Е. Рудзитис, Ф. Г, Фельдман – М.: Просвещение, 2018. – 224 с.

1. Рябов, М.А. Сборник задач, упражнений и тесто по химии. К учебникам Г.Е. Рудзитис, Ф.Г. Фельдман «Химия. 10 класс» и «Химия. 11 класс»: учебное пособие / М.А. Рябов. – М.: Экзамен. – 2013. – 256 с.

2. Рудзитис, Г.Е. Химия. 10 класс : учебное пособие для общеобразовательных организаций. Углублённый уровень / Г.Е. Рудзитис, Ф.Г. Фельдман. – М. : Просвещение. – 2018. – 352 с.

Открытые электронные ресурсы:

ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ МАТЕРИАЛ ДЛЯ САМОСТОЯТЕЛЬНОГО ИЗУЧЕНИЯ

С каучуками или их производными, такими, как резина, мы сталкиваемся ежедневно. Данные полимеры отличаются тем, что способны после механических деформаций (растяжения или сжатия) возвращаться в свою исходную форму. Это свойство называется эластичностью. Кроме того, каучук и резина водо- и газонепроницаемы и не проводят электрический ток, что позволяет изделия из них использовать для защиты от воды и как изоляторы.

Природный каучук добывают из латекса – сока дерева гевея, которое широко распространено в Бразилии и странах Азии (Китае, Малайзии, Вьетнаме). По химическому строению каучук является продуктом полимеризации изопрена. Высокая его эластичность – следствие того, что мономерные звенья в полимерной цепи имеют только цис-форму. Если цис- и транс-формы звеньев в цепи расположены упорядоченно, то такой полимер называется стереорегулярным.

Практическое применение природного каучука ограничивается его чувствительностью к высоким и низким температурам. Преодолеть этот недостаток можно, используя процесс вулканизации. При нагревании с серой двойные связи в молекуле каучука разрушаются, а атомы серы соединяют отдельные цепи между собой. Полученное таким образом вещество называется резиной. Если количество серы, добавленной при вулканизации, превышает 30%, то вместо резины образуется эбонит – прочный, стойкий к действию агрессивных веществ материал.

Каучук также можно синтезировать промышленным путем. Этот процесс называется синтезом Лебедева. Обычно с его помощью получают дивиниловый каучук. Следует отличать дивиниловый и бутадиеновый каучуки. Мономером для их получения служит одно и то же вещество (бутадиен-1,3), но дивиниловый каучук стереорегулярен (и, следовательно, эластичен), а бутадиеновый каучук – нет. Управлять стереорегулярностью получаемых полимеров можно при помощи катализаторов.

Подвергать полимеризации можно не одно вещество, а несколько. Такой процесс называется сополимеризацией (т.е. совместной полимеризацией). Например, при сополимеризации бутадиена и стирола будет получен бутадиен-стирольный каучук.

Дивиниловый и изопреновый каучуки используются для производства автомобильных шин. Менее эластичный бутадиеновый – для создания предметов быта, одежды и обуви. Из устойчивого хлоропренового каучука изготавливают кабели и трубопроводы, а из бутадиен-стирольного – ленты транспортеров.

ПРИМЕРЫ И РАЗБОР РЕШЕНИЙ ЗАДАЧ ТРЕНИРОВОЧНОГО МОДУЛЯ

1. Решение задачи на вычисление степени полимеризации полимера

Условие задачи: Рассчитайте степень полимеризации хлоропренового каучука с молярной массой 35400 г/моль

Шаг первый: вычислим молярную массу хлоропрена.

Шаг второй: вспомним определение степени полимеризации.

Степень полимеризации – это число мономерных звеньев в полимерной цепи.

Значит, для вычисления степени полимеризации необходимо разделить молярную массу полимера на молярную массу мономерного звена, которая равна молярной массе мономера.

n = 35400 г/моль : 88.5 г/моль = 400.

2. Решение задачи с вычислением выхода продукта реакции.

Условие задачи: Рассчитайте, сколько кг бутадиена необходимо взять, чтобы при его полимеризации с выходом 90% получить 234 кг дивинилового каучука.

Запишем уравнение реакции полимеризации:

Видно, что в этой реакции участвует одно исходное вещество и нет побочных продуктов. Значит, по закону сохранения массы теоретическая масса полученного каучука должна быть равна массе исходного бутадиена.

Обозначим исходную массу бутадиена за х:

Тогда теоретическая масса полученного каучука, равная ей, тоже х:

Подставим известные из условия величины и введённую нами переменную х в формулу для расчёта выхода продукта реакции:

Решая полученное уравнение, находим х = 270 кг.

Источник

Что называют каучуком гуттаперчей резиной эбонитом

Каучуки – природные или синтетические продукты полимеризации некоторых диеновых углеводородов с сопряженными связями. Важнейшими физическими свойствами каучуков являются эластичность (способность восстанавливать форму) и непроницаемость для воды и газов.

Каучуки – это эластичные высокомолекулярные материалы (эластомеры), из которых методом вулканизации (нагреванием с серой) получают резину.

Особенно важное значение имеют получаемые из непредельных углеводородов полимеры, в том числе искусственные каучуки. Все каучуки делятся на натуральные и синтетические, последние в свою очередь в зависимости от вещества, используемого для синтеза, делятся на бутадиеновый, изопреновый и хлорпреновый каучуки.

Натуральный каучук или гуттаперча

Натуральный каучук получают из латекса – млечного сока гевеи. Чтобы заставить его вытекать, на коре дерева делают V-образные надрезы. Со здорового дерева латекс можно собирать в течение 30 лет. Индейцы назвали его «кау чу», т.е. «слезы дерева».

Сбор ка­у­чу­ка с рас­те­ния гевея

Натуральный (природный) каучук по химическому составу представляет собой высокомолекулярный непредельный углеводород состава (С₅Н₈)_n, где n составляет 1000—3000 единиц. При нагревании без доступа воздуха каучук распадается с образованием диенового углеводорода – 2-метилбутадиена-1,3 или изопрена.

Видеофильм «Натуральный каучук»

Натуральный каучук – это стереорегулярный полимер, в котором молекулы изопрена соединены друг с другом по схеме 1,4- присоединения с цис-конфигурацией полимерной цепи:

цис-полиизопрен (каучук)

В природных условиях натуральный каучук образуется не путем полимеризации изопрена, а другим, более сложным способом.

Транс-полимер изопрена также встречается в природе в виде гуттаперчи:

Цис-форма более эластична, т.к. легко скручивается в клубок.

Транс-форма менее эластична, т.к. макромолекулы более вытянуты.

Важнейшее физическое свойство каучука – эластичность, т.е способность обратимо растягиваться под действием даже небольшой силы. Другое важное свойство – непроницаемость для воды и газов. Основной недостаток каучука – чувствительность к высоким и низким температурам. При нагревании каучук размягчается и теряет эластичнсть, а при охлаждении становится хрупким и также теряет эластичность.

Эти недостатки можно преодолеть, если нагреть каучук вместе с серой. Этот процесс называется вулканизацией каучука.

Синтетические каучуки

Первый синтетический каучук, полученный по методу С.В. Лебедева при полимеризации дивинила под действием металлического натрия, представлял собой полимер нерегулярного строения со смешанным типом звеньев 1,2- и 1,4-присоединения:

В пятидесятые годы отечественные ученые осуществили каталитическую стереополимеризацию диеновых углеводородов и получили стереорегулярный каучук (структурные звенья и функциональные группы расположены в пространстве в определенном порядке), близкий по свойствам к натуральному каучуку.

В настоящее время в промышленности выпускают каучук, в котором содержание звеньев изопрена, соединенных в положении 1,4, достигает 99%, тогда как в натуральном каучуке они составляют 98%.

Кроме того, в промышленности получают синтетические каучуки на основе других мономеров – например, изобутилена, хлоропрена, и натуральный каучук утратил свое монопольное положение.

Учебный фильм «Каучук»

Учебный фильм «Каучук»

Вулканизация каучуков

Для улучшения качества натуральных и синтетических каучуков их превращают в резину.

Резина – это вулканизированный каучук с наполнителем (сажа). Суть процесса вулканизации состоит в том, что атомы серы присоединяются к линейным (нитевидным) молекулам каучука по месту двойных связей и как бы сшивают эти молекулы друг с другом дисульфидными мостиками, образуя трехмерный сетчатый полимер:

В результате вулканизации липкий и непрочный каучук превращается в упругую и эластичную резину. Резина прочнее каучука и более устойчива к изменению температуры.

Наполненные активной сажей каучуки в виде резин используют для изготовления автомобильных шин и других резиновых изделий.

В зависимости от количества сшивающего агента (серы) можно получать сетки с различной частотой сшивки.

Для вулканизации каучука берётся немного серы 2 – 3 % от общей массы. Если добавить к каучуку более 30 % серы, то она присоединится по линии разрыва почти всех π–связей и образуется предельно сшитый натуральный каучук – эбонит, который не обладает эластичностью и представляет собой твердый материал.

Наиболее массовое применение каучуков — это производство резин для автомобильных, авиационных и велосипедных шин.

Из каучуков изготавливаются специальные резины огромного разнообразия уплотнений для целей тепло- звуко- воздухо- гидроизоляции разъёмных элементов зданий, в санитарной и вентиляционной технике, в гидравлической, пневматической и вакуумной технике.

Каучуки применяют для электроизоляции, производства медицинских приборов и средств контрацепции.

В ракетной технике синтетические каучуки используются в качестве полимерной основы при изготовлении твёрдого ракетного топлива, в котором они играют роль горючего, а в качестве наполнителя используется порошок селитры (калийной или аммиачной) или перхлората аммония, который в топливе играет роль окислителя.

Источник

Химия. 10 класс

Натуральный каучук, резина, эбонит. Производство и применение синтетических каучуков.

Строение и применение каучуков

Необходимо запомнить

Каучуки – это эластичные полимеры, продукты полимеризации диенов и их производных.

Природный каучук добывают из латекса (сока дерева гевея), синтетические каучуки получают полимеризацией диенов или их сополимеризацией с другими мономерами.

Эластичность каучуков связана со стереорегулярностью. Природный каучук содержит звенья только в цис-формах. Для получения аналогичного синтетического каучука необходимо использовать специальные катализаторы.

При вулканизации каучуков можно получить более прочные соединения: резину и эбонит.

Из каучуков и резины производят автомобильные шины, ленты для транспортеров, трубопроводы для транспортировки нефти и бензина, детали одежды и обуви, медицинские изделия.

Электронный словарь

Вулканизация – нагревание каучука с серой, приводящее к сшивке полимерных цепей друг с другом и повышению прочности материала.

Каучук – эластичный полимер, продукт полимеризации диеновых углеводородов.

Латекс – сок дерева гевея.

Резина – эластичный материал, продукт вулканизации каучука с содержанием серы ниже 30%.

Сополимеризация – совместная полимеризация двух или более мономеров.

Стереорегулярность – упорядоченность цис- и транс-форм мономерных звеньев в полимерной цепи.

Эбонит – прочный и химически стойкий материал, продукт вулканизации каучука с содержанием серы выше 30%.

Эластичность – способность возвращаться в исходную форму после растяжения или сжатия.

Источник

Каучук

Каучук

Каучу́ки — натуральные или синтетические эластомеры, характеризующиеся эластичностью, водонепроницаемостью и электроизоляционными свойствами, из которых путём вулканизации получают резины и эбониты.

Содержание

Природный каучук

Высокомолекулярный углеводород (C₅H₈)_n, цис- полимер изопрена; содержится в млечном соке (латексе) гевеи, кок-сагыза (разновидности одуванчика) и других 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). Более 60 % натурального каучука используют для изготовления автомобильных шин.

Синтетические каучуки

Первым синтетическим каучуком, имевшим промышленное значение, был полибутадиеновый (дивиниловый) каучук, производившийся синтезом по методу С. В. Лебедева (анионная полимеризация жидкого бутадиена в присутствии натрия), однако из-за невысоких механических качеств нашёл ограниченное применение.

В Германии бутадиен-натриевый каучук нашёл довольно широкое применение под названием «Буна».

Изопреновые каучуки — синтетические каучуки, получаемые полимеризацией изопрена в присутствии катализаторов — металлического лития, перекисных соединений. В отличие от других синтетических каучуков изопреновые каучуки, подобно натуральному каучуку, обладают высокой клейкостью и незначительно уступают ему в эластичности.

В настоящее время большая часть производимых каучуков является бутадиен-стирольными или бутадиен-стирол-акрилонитрильными сополимерами.

Каучуки с гетероатомами в качестве заместителей или имеющими их в своём составе часто характеризуются высокой стойкостью к действию растворителей, топлив и масел, устойчивостью к действию солнечного света, но обладают худшими механическими свойствами. Наиболее массовым в производстве и применении каучуками с гетерозаместителями являются хлоропреновые каучуки (неопрен) — полимеры 2-хлорбутадиена.

В ограниченном масштабе производятся и используются тиоколы — полисульфидные каучуки, получаемые поликонденсацией дигалогеналканов (1,2-дихлорэтана, 1,2-дихлорпропана) и полисульфидов щелочных металлов.

7 июля 1932 года был запущен завод по производству синтетического каучука — Ярославский завод СК-1. В этот день была получена первая в мире промышленная партия натрий-бутадиенового каучука. В 1932 году в СССР строились три крупных завода по производству синтетического каучука: СК-1 в Ярославле, СК-2 в Воронеже (запущен осенью 1932 года) и СК-3 в Ефремове (запущен в 1933 году).

Основные типы синтетических каучуков:

Промышленное применение

Наиболее массовое применение каучуков — это производство резин для автомобильных, авиационных и велосипедных шин.

Из каучуков изготавливаются специальные резины огромного разнообразия уплотнений для целей тепло- звуко- воздухо- гидроизоляции разъёмных элементов зданий, в санитарной и вентиляционной технике, в гидравлической, пневматической и вакуумной технике.

Каучуки применяют для электроизоляции, производства медицинских приборов и средств контрацепции.

В ракетной технике синтетические каучуки используются в качестве полимерной основы при изготовлении твердого ракетного топлива, в котором они играют роль горючего, а в качестве наполнителя используется порошок селитры (калийной или аммиачной) или перхлората аммония, который в топливе играет роль окислителя

Источник