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».
История открытия и применения каучука
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.
Каучук, в котором все элементарные звенья находятся или в цис- , или в транс-конфигурации, называется стереорегулярным.
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.
Молекулярная масса натурального каучука колеблется в пределах от 7·104 до 2,5·106.
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.
Видеофильм «Синтетический каучук»
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.
