Эластомеры

Эластомеры - это полимеры, способные к большим обратимым высокоэластическим деформациям в широком диапазоне температур (от - 60 до + 200°С). Классическими представителями класса эластомеров являются каучуки и резины на их основе. Приведем несколько видов каучуков:

- Натуральный каучук (НК)

- Фторкаучук

- Синтетический полиизопрен (СКИ, Изопреновый каучук)

- Хлоркаучук (ХК)

- Бутилкаучук

- Полихлоропрен

Большую долю производства химической промышленности из вышеперечисленных на себе сосредоточили натуральныйкаучук и синтетический полиизопрен. Немалый интерес вызывают уникальные свойства хлор- и фторорганических производных, которые дают возможность применять их в качестве стойких пластмасс и покрытий, клеев, холодильных агентов и нестареющих масел. Полимеры с содержанием фтора объединяют в себе уникальные свойства, позволяющие получать эластомеры, выдерживающие достаточно жесткие условия эксплуатации.

Натуральный каучук

Свойства и получение натурального каучука

Рассмотрим более подробно свойства и получение натурального каучука. Так, источником получения натурального каучука является латекс, представляющий собой сок каучуконосных растений. Латекс является водной дисперсией каучука, содержание которого может достигать 40%. В латексекаучук представляет собой глобулы (частицы шарообразной или грушевидной формы разных размеров).

В состав каучука входит углеводород каучука, вещества ацетонового экстракта, влага, вещества с азотом в своей структуре и неорганические вещества, такие как зола. Количественное содержание тех или иных перечисленных веществ в большей мере зависит от способа приготовления каучука и может колебаться в значительных пределах. Свойства технического каучука напрямую зависят от содержания в нем полиизопрена.

Вязкость каучука при хранении может повышаться при наличии альдегидных групп, количество которых напрямую зависит от происхождения каучука. При длительном хранении каучук способен кристаллизоваться при температуре ниже 10°С. Каучуки, которые получаются путем испарения воды их латекса, содержат в себе белков больше, чем каучуки, получаемые коагуляцией.

Натуральный каучук характеризуется своей эластичностью: известно, что при малейшем воздействии он может показывать изменения растяжения до 1000%. Но при этом он быстро возвращает свою начальную форму. Данный показатель сохраняется в широком интервале температур. Также натуральный каучук считается очень неплохим диэлектриком, при этом с пониженной газопроницаемостью и водопроницаемостью.

Также отмечается пластичность НК, которая является отличительной характеристикой материала. При значительном воздействии внешних сил он будет приобретать и сохранять новую форму. Нельзя не отметить и существенный недостаток натурального каучука: со временем материал способен твердеть, а значит, терять свои свойства.

Схема получения натурального каучука из латекса

Ниже приведена технологическая схема получения натурального каучука из латекса:

1 – коагулятор;

2 – вибросито;

3 – промывочный аппарат;

4 – барабанный вакуум-фильтр;

5 – сушилка.

В нескольких коагуряторах 1, расположенных каскадом, происходит медленное перемешивание латекса и прочих компонентов смешения в результате чего частицы агломерируются (объединяются) и в виде пульпы попадают на вибросито 2. На вибросите происходит промывка каучука потоком воды и отделение электролита. Промывочный аппарат 3 предназначен для окончательного отделения от каучука водорастворимых примесей. После аппарата 3 пульпа, в которой содержится до 10% каучука, направляется в барабанный вакуум-фильтр, где происходит отделение воды, отжим. Далее продукт поступает в сушилку 5.

Синтетические каучуки

Далее рассмотрим синтетическиекаучуки. Эти соединения являются синтетическими полимерами, вулканизация которых приводит к получению резины. Известно, что синтетические каучуки составляют основную массу эластомеров. Синтетический каучук или полибутадиен получают путем полимеризации бутадиена – 1,3.

Первоначально для проведения данной реакции использовался натриевый катализатор. В настоящее время для стереоспецифического присоединения применимы бутил-литиевые катализаторы, катализаторы на основе комплексных соединений титана, неодима и никеля.

Классификация и свойства синтетических каучуков

Существует классификация синтетических каучуков в зависимости от их области применения. Так, выделяют:

- Каучуки общего назначения – применимы в производстве изделий, где необходима эластичность.

- Каучуки специального назначения – применимы в производстве изделий, где помимо эластичности материал должен обладать устойчивостью к кислотам, щелочам и различным растворителям.

Синтетические каучуки обладают рядом важных и характерных свойств. Например, каучук отлично плавает в воде, благодаря меньшей массе; он не растворим в воде, что позволяет изготавливать из него водонепроницаемые изделия. Синтетические каучуки растворяются в бензине, бензоле, эфирах и пр. – именно это позволяет применять данные растворы как клей. Применимость СК как изолирующего материала обусловлена тем, что он не является проводником электрического тока и газов. При регулярных деформациях синтетический каучук сохраняет свои свойства. Также материал является достаточно эластичным.

Рассмотрим принципиальную технологическую схему полимеризации изопрена при получении СКИ-3.

1 – смеситель для приготовления раствора изопрена (шихты);

2,7,8 – насосы;

3 – полимеризаторы;

4 – смеситель;

5 – промывная колонна;

6 – дегазаторы.

Изопрен так же как и инертный растворитель насосами направляются в смеситель 1, где происходит интенсивное перемешивание в течение 1 минуты при температуре от - 5°С до 10°С с целью предотвращения образования значительного количества полимера. Изопрен с помощью центробежного насоса 2 направляется в батарею полимеризаторов 3, включающую в себя от четырех до шести аппаратов. При помощи дозировочного насоса в первый полимеризатор направляется раствор каталитического комплекса. За счет перепада давления полимеризующаяся смесь перетекает из одного аппарата в другой самотеком. Из последнего полимеризатора получившаяся масса направляется в смеситель 4. В него же подается стоппер и раствор антиоксиданта, позволяющие прервать процесс полимеризации. После смесителя 4 реакционная масса поступает в колонну 5, где происходит ее промывание водой. Далее смесь направляется в большие емкости, не представленные на схеме, предназначенные для получения однородного состава. После них смесь идет в дегазатор 6, где с помощью острого пара отделяется изопрен и растворитель.

Оставшийся изопрен и растворитель в дегазаторе 6 направляется на разделение и конденсацию. Пульпа с помощью насоса 7 подается на вибросита, промыв водой, отделение влаги и осушку.

Бутилкаучук

Физические свойства бутилкаучука

Бутилкаучук относят к каучукам специального назначения. В таблице представлены физические свойства бутил каучука.

Таблица 1.1. Физические характеристики бутилкаучука

Благодаря малой ненасыщенности бутилкаучука вещество характеризуется устойчивостью к воздействию света, тепла и озона, а также к щелочам, кислотам, кетонам, жирам, спиртам и многому другому. Отметим, что ионизирующие излучения деструктурируют бутилкаучук. Еще одно важное свойство бутилкаучука – достаточно низкая воздухопроницаемость и паропроницаемость.

Производство бутилкаучука

Бутилкаучук синтезируют катионной сополимеризацией мономеров при температурах от — 80 до — 95 °С в среде метил- или этилхлорида, не растворяющих полимер, или в алифатических углеводородах, например изопентане. Катализаторы полимеризации - А1С13, протонированные комплексы этилалюминийсесквихлорида (С2Н5)3А12С13 и др. Для охлаждения реакционной смеси применяют жидкий этилен, который подают в рубашку или змеевики реактора. Каучук выделяют из взвеси или раствора в водном дегазаторе в присутствии антиагломерпрующего агента (обычно стеарата Са). Сушку каучука осуществляют в червячных или конвейерных сушилках. Товарная форма бутилкаучука - брикеты.

Свойства вулканизатов бутилкаучука

Ниже представлены свойства вулканизатов бутилкаучука.

Применяют рассматриваемый каучук в производстве транспортных камер. На основе данного соединения производят изоляцию для кабелей высокого и низкого напряжения, гуммировочные покрытия для химической аппаратуры, изделия медицинского назначения, кровельные покрытия и так далее.

Хлоропреновые каучуки

Теперь обратимся к полихлоропрену. Хлоропреновые каучуки являются продуктами гомо- и сополимеризации соответственно хлоропрена. В макромолекуле содержатся преимущественно три конфигурации, представленные ниже:

Так, I конфигурации соответствует 88 – 92%, II – 7-12%, III – 4,5%, и наконец IV – 1%.

Такого родакаучуки склонны к кристаллизции, их плотность принимает значения в диапазоне от 1,15 до 1,20 г/см3. Хлоропреновые каучуки растворимы в кетонах, этилацетате, смесях растворителей и в трихлорметане. Также они устойчивы к влиянию кислорода, а под действием ионизирующих лучей способны структурироваться.

Получают хлоропреновые каучуки путем эмульсионной полимеризацией в водной фазе при 40°С. Эмульгаторами выступают канифольные мыла. Инициатор - K2S2O7. Когда достигается заданная степень превращения, в латекс, как правило, вводят раствор тетраэтилтиурамдисульфида с антиоксидантом. Смесь выдерживают в аппарате несколько часов. Далее отгоняют все мономеры, не вступившие в реакцию. Каучук коагулируют путем вымораживания на барабанах. Затем продукт промывают потоком воды и осушают.

Свойства резин на основе хлоропреновых каучуков

В таблице ниже приведены свойства резин на основе хлоропреновых каучуков.

Применение и физические свойства хлорпропеновых каучуков

Хлоропреновые каучуки применяют при производстве всевозможных материалов, которые при использовании должны контактировать с агрессивными средами (например, защитные оболочки, шланги, рукава, прорезиненные ткани). Жидкие хлоропреновые каучуки используются при получении покрытий, устойчивых к коррозии.

Хлоркаучуки

Хлоркаучуком именуется либо натуральный, либо хлорированных изопреновый синтетический каучук, в котором содержание хлора составляет не менее 64%. Внешне хлоркаучук представляет собой белый порошок, достаточно сыпучий. Средняя молекулярная масса соединения достигает примерно 5000 – 2000. 

Физические свойства хлоркаучуков

Марки хлоркаучуков и их применение

Как правило, хлоркаучук получают пропусканием хлора через раствор полимера в четыреххлористом углероде. Также допустимо хлорирование в хлороформе натурального каучука.

Применяется хлоркаучук достаточно обширно. В основном данный эластомер встречается в лакокрасочной промышленности. На его основе производятся грунтовочные краски, тонкослойные и краски для толстослойных покрытий.

Грунтовочные краски на основе пергута не требуют подготовки поверхности. Такого вида краски можно наносить либо распылением, либо кистью. Краски, которые производятся на основе хлоркаучука, используются очень широко и для каждого отдельного случая разработана особая рецептура. На химзаводах, буровых вышках, установках канализации, мостах и АЭС и еще многое другое покрывают пергут-алкидными покрытиями.

Также хлоркаучук используется в покрытиях бетона и асбоцементу. Помимо всего прочего, ХК добавляется в дорожные краски, что повышает их износостойкость и увеличивает срок высыхания.

Уретановые каучуки

Обратимся к уретановым каучукам. Данные соединения получают реакцией между диизоционатами и полиэфирами с концевыми группами – ОН.

Уретановые каучуки склонны кристаллизоваться из-за значительной регулярности молекулярных цепей. Также полиуретаны устойчивы к воздействию УВ растворителей. Резины, полученные на основе уретановых каучуков, склонны к гидролизу, они разрушаются под воздействием паров воды.

Вулканизаты обладают рядом достоинств: они износоустойчивы, устойчивы к воздействию ударных нагрузок, а также существует возможность перерабатывать их литьем без применения высоких показателей давления.

Получение уретановых каучуков

В химической промышленности получают уретановые каучуки трех видов:

- Вальцуемые – представляют собой линейные или разветвленные полимерные соединения, как правило твердые. Их перерабатывают по обычной технологии.

- Литьевые – представляют собой жидкие композиции. Из них получают изделия, совмещая формование с синтезом твердого сшитого полимера – резины.

- Термоэластопласты – являются твердыми полимерами, при их переработке используют точно такие же методы, которые используют при производстве материалов из термопластов.

Касаемо свойств уретановых каучуков следует отметить, что их плотность варьируется в диапазоне от 0,93 до 1,26 г/см3, температура стеклования принимает значения от -35 до -44°С. Благодаря высокой энергии когезии достигаются значения причности при растяжении 30–50 Мн/м2, истираемость 50–100 см3/кВт*ч.

Применяются уретановые каучуки литьевые, из которых на производствах получают шины для внутризаводского транспорта, конвейерные ленты, детали грохотов, подошву обуви, ремни привода, декоративные обои и многое другое. Термоэластопласты используют главным образом в производстве разнообразных деталей автомобилей, вальцуемые уретановые каучуки – при изготовлении различных изделий сложного профиля, а также искусственной кожи для верха обуви. Торговые названия уретановых каучуков: СКУ (СССР), адипрен, тексин, джентан, эластотан и др. (США), вулколлан, дуретан, десмопан, урепан (ФРГ), сиспур (ГДР) и др. Мировое потребление уретановых каучуков в 1974 составило около 80 тыс. т.

Фторкаучуки

СКФ – фторкаучуки, сополимеры на основе фторолефинов. Такие полимеры обладают большей термоустойчивостью в сравнении с УВ аналогами.

Структура фторкаучуков

В таблице представлены фторкаучуки и структура их макромолекул.

Фторполимеры применяются в деталях автомобилей (шток двигателя и уплотнители валов), антикоррозионная защита аппаратов, как связующие для веществ, способных взрываться и гореть, для стыков газовых проводов, как детали космической техники, защитные покрытия и диафрагмы топливных баков.

Фторэластомеры получают путем радикальной сополимеризации тетрафторэтилена, гексафторпропена, перфторметилвинилового эфира и винилиденфторида.

Требования к маркам каучука

Отдельно рассмотрим марки каждого вида каучука. Так, в последующей таблице приведены требования на технически специфицированные марки натурального каучука.

При производстве сортов L применяется латекс, в котором снижено содержание катионидов. CV-сорта получают путем добавления в латекс нейтрального сульфата гидроксиламина.

Маркировки синтетического каучука зарубежных производителей