Каучук это — виды, свойства, получение и применение

Каучук: pixabay.com В составе млечного сока некоторых растений содержится латекс. Именно на основе этой белой жидкости и создается каучук. Данный материал обладает эластичностью, он не проницаем для воды и не проводит электрический ток. Сегодня производится не только натуральный каучук, но и его разнообразные синтетические аналоги. Все они сырье для изготовления изоляционных материалов, обуви и одежды, шин.

История открытия

Это вещество известно человечеству много сотен лет. Известно, что инки и майя делали из каучука шары для игры в мяч. Археологи находили их при проведении раскопок, причём их возраст достигал 900 лет.

Европейцы узнали об этом материале гораздо позже. Колумб в 1493 г. на Гаити увидел туземцев, которые играли мячом, сделанным из каучука.

Когда испанцы взяли их в руки, они обнаружили, что каучук липкий и тяжёлый, при этом пахнет дымом. Чтобы изготовить такие мячи местные жители собирали млечный сок из гевеи. Из него скатывали мячи и давали изделию загустеть.

Применение необычного материала этим не ограничивалось. Индейцы из него делали калоши. Хотя они не пропускали воду, но в жару начинали плавиться и прилипали к ногам. Если получалось так, что эта обувь растягивалась, то она уже никогда не сжималась так, чтобы соответствовать прежнему размеру.

Колумб привёз образцы каучука в Европу, однако там в течение долгого времени не удалось изготовить предметы подобные тем, которыми пользовались индейцы.

В течение двух веков этот материал оставался диковинкой до тех пор, пока в 1730 г. британский химик Джозеф Пристли не выяснил, что каучук может вытирать то, что написано графитовым карандашом. В 1791 г. бизнесмен из Англии Самуэль Пил получил патент на изобретённый им способ обработки одежды, позволяющий сделать её водонепроницаемой с помощью каучука. Начиная с 1820 г. во Франции научились на основе этого материала изготавливать подвязки для женщин и подтяжки для мужчин. Для этого использовались каучуковые нити, которые были сплетены с тканью.

Британский учёный Чарльз Макинтош придумал, что между слоями ткани можно прокладывать слой каучука и таким образом получить водонепроницаемый материал для изготовления плащей. В 1823 г. им было начато производство такой одежды. К сожалению плащ, изготовленный таким образом не выдерживал холода или жары. В первом случае он становился задубевшим, а во втором — начинал расползаться.

Учёные стали искать способы сделать из каучука материал, который был бы лишён упомянутых недостатков. Американский изобретатель Чарльз Гудьир в 1839 г. решил эту проблему, добавив серу в каучук.

Оказалось, что если положить на печь ткань, покрытую каучуком, а затем нанести слой серы и подогреть, то получившийся материал будет лишён указанных недостатков.

Обогащение каучука серой стало называться вулканизацией. В результате была получена резина, которую стали активно использовать. К 1919 г. существовало около 40 тысяч различных видов резиновых изделий.

То, чем отличается каучук от резины, состоит в следующем:

• у резины высокий уровень эластичности, прочности, стойкости к неблагоприятным воздействиям;
• каучук ценен в первую очередь не своими эксплуатационными качествами, а тем, что он является сырьём для производства резины.

Знаете ли вы, в каком из городов производят каучук в России? Это Ярославль. Завод работает с 1932 года.

Физико-химические свойства каучука

Этот материал является эластичной массой, которую первоначально получали из гевеи. С течением времени млечный сок свёртывается и образует вязкий материал. Для того, чтобы этого не происходило, в него добавляют гидросернистый натрий или формалин.

Только что добытый сок каучука (латекс) характеризуется следующими свойствами:

1. Удельный вес составляет 0,9794 (при содержании каучука 35 г в 100 куб. см).
2. При температуре, равной 30 градусов тепла, вязкость находится в пределах от 12 до 15.
3. Размер каучуковых частиц равен 0,5-5 мк. В 1 куб. см сока их количество достигает 200 миллионов.

Каучук представляет собой полимер ненасыщенного углеводорода. Его химическая формула выглядит следующим образом: (C5H8)n — он представляет собой изопреновый полимер. Молекулярная масса этого вещества составляет 15000-30000. После проведения исследований учёные выяснили, что каучук состоит из полимера 2-метилбутадиена.

Натуральный каучук

99% такого материала получают из дерева гевеи. Для этого на коре делают надрезы в виде буквы V. В нижней части перпендикулярно поверхности устанавливается желобок, по которому постепенно стекает сок в миску, установленную ниже. Вытекание латекса (млечного сока гевеи) длится в течение полутора часов.

Содержание каучука в нём может быть различным. Это зависит от:

• того, какой возраст у дерева, с которого собирают сок;
• важное значение имеет состав почвы, в которой растёт гевея;
• времени года, когда происходит сбор;
• того, какая была в это время погода;
• времени и качества сделанных надрезов;
• других особенностей сбора латекса.

Для того, чтобы натуральный каучук можно было использовать, он должен пройти следующую обработку:

1. Сначала производится отжим. Он необходим для того, чтобы удалить из латекса излишнюю влагу.
2. После этого полученные полосы обматывают вокруг палки и просушивают над костром.
3. Полосы раскладывают в один слой и оставляют под лучами солнца.
4. Теперь осталось подержать над дымом.

Подготовленный таким образом каучук может служить сырьем для производства резины.

Сок добывают из тех деревьев, которым уже исполнилось 12 лет. В год может быть получено от 3 до 5,5 кг латекса.

Состав латексного раствора:

• до 70% воды;
• содержание каучука в различных случаях колеблется от 25% до 70%;
• содержание других химических веществ, включая протеин, не превышает 1-2%.

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

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.

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

. 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 –

, 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.

Алкадиены

Синтетический каучук и его основные виды

Бутадиеновый каучук применяется для изготовления автомобильных камер и шин. Эксплуатационные, а также физико-химические свойства изделий гораздо лучше по сравнению с натуральным материалом.

Одной из его особенностей является способность надёжно удерживать воздух. Она превосходит аналогичное качество природного материала примерно в 10 раз. Химия позволила создать материалы, которые по своим характеристикам существенно превосходят природный каучук.

Ещё одна область применения — изготовление эбонита или химически стойкой резины.

Хлоропреновый каучук поставляется клиентам в виде светло-жёлтой массы.
Отличительные качества продукта:

• высокая стойкость к огню и температурному воздействию;
• он отличается невосприимчивостью к озону, низким температурам и другим видам погодного воздействия;
• у него имеется высокий уровень адгезии к тканям, металлам и другим материалам.

Материал под действием растяжения способен кристаллизоваться. Это качество повышает его прочностные характеристики.

Материал, изготовленный на основе этилен-пропилена используется там, где нужна ударопрочная резина.

Кремнийорганические каучуки обладают повышенной стойкостью к температурному и химическому воздействию, к истиранию. Этот материал не пропускает газы.

Дивиниловый каучук используется для создания прокладок в установках высокого давления.

Каучук: свойства

Какими качествами наделен природный каучук? Этот полимер абсолютно уникален и меняет свои свойства в зависимости от температуры окружающей среды. Он может быть и высокоэластичным, и текучим, и даже стеклообразным.

Каучук: pixabay.com

В диапазоне от 20 до 30 °С для материала характерны:

• белая окраска или отсутствие цвета;
• аморфная рыхлая структура;
• способность растворяться только в бензине, бензоле, эфире;
• нерастворимость в воде и спиртах.

Среди важных свойств каучука следует отметить:

• упругость и эластичность. Каучуковое изделие можно растянуть на 1000%, и даже после этого оно быстро возвращается в исходное состояние. Данное качество теряется только при очень длительном хранении;
• мягкость при комнатной температуре и проявление пластичности при нагревании. Если подобрать правильные условия работы с материалом, то форму, полученную при его тепловой обработке, удастся сохранить;
• непроницаемость для электричества, тепла, газов и воды. Это свойство делает применение каучука очень удобным во всех сферах. Изготовленные из него изделия обладают длительным сроком хранения и мало подвержены воздействиям окружающей среды.

Каучук: pixabay.com
Вот почему ни один из известных ранее материалов не смог сравниться с каучуком и тем более конкурировать с ним.

Получение синтетического каучука

Когда резина стала массово применяться в промышленности, природного каучука для её производства стало остро не хватать. Эта ситуация поставила перед учёными задачу синтеза искусственного материала с такими же физическими и химическими свойствами.

Получение синтетического каучука по методу Лебедева

Установка для получения этого материала была впервые введена в действие в тридцатых годах XX века.

Синтетический каучук производят из дивинила, который добывают при помощи реакции разложения спирта. Мономером искусственного каучука является изопрен. Материал получают в результате полимеризации.

Тест по теме

1. /5
   Вопрос 1 из 5

   Когда был впервые получен искусственный каучук?

   Начать тест

Доска почёта

Чтобы попасть сюда — пройдите тест.

• Ирина Волкова

  5/5

• Тарек Эль-Гохари

  5/5

• Михаил Илюшин

  5/5

• Яна Акбаш

  4/5

Применение каучука

В чистом виде этот материал применяется редко. В большинстве случаев его используют в качестве основы для изготовления резины.

После того, как каучук привезли в Европу, до XVIII века каучук считался просто одной из заморских диковинок. Эластичность и водоотталкивающие свойства позволяли применять материал для изготовления обуви и одежды, не пропускающих воду, тем не менее низкие эксплуатационные качества мешали его распространению.

После того, как была открыта вулканизация каучука, позволившая изготавливать резину, использование нового материала стало очень распространённым. Постепенно качество резины улучшилось и из неё стали делать большое количество различных товаров.

В качестве примеров можно привести:

• шины;
• детские резиновые игрушки;
• обувь;
• одежду;
• электрическую изоляцию для проводов;
• конвейерные ленты;
• медицинские изделия;
• резиновые защитные перчатки.

Сейчас сложно назвать область человеческой жизни, где не применялась бы резина.

Натуральный каучук продолжает использоваться в настоящее время. Из него делают покрышки, амортизаторы, некоторые изделия для санитарных и гигиенических целей.

Промышленное применение

Самое массовое использование природного каучука на практике — это изготовление резины. В основе этого процесса лежит реакция вулканизации, разработанная еще в XIX веке.

Для получения резины, в сырье добавляют различные компоненты, способствующие образования длинномерных молекул, соединенных между собой поперечными связями. Такое строение и обеспечивает резине возможность сжатия и растяжения практически при любой температуре.

Промышленное применение натурального каучука

Продукт вулканизации – резина предназначается для применения различных отраслях. Е применяют для производства покрышек и камер для любой техники, работающей на колесном ходу.

Кроме того, каучук служит основой для производства различных уплотнений применяемых для работ по тепло-,гидро- и звукоизоляции. Без него не может обойтись и медицина, в частности при производстве перчаток, презервативов. Кроме того, множество изделий из него применяют в медицинских приборах и оборудовании.

Покрышки из натурального каучука Натуральный каучук в роли уплотнителя

Каучук применяют и в такой отрасли как ракетная. Его используют как основу для производства твердого топлива для ракет. В частности он используется как топливо, а наполнителем выступает порошок селитры, а окислителем выступает перхлорат аммония.

Интересные факты о каучуке

После того, как был открыт процесс вулканизации, материал стал активно использоваться в промышленности. При этом сока гевеи, который добывали в бразильских джунглях, стало не хватать.

Для того, чтобы увеличить производство каучука, на островах Ява и Суматра были созданы большие плантации гевеи.

Хотя основной источник натурального каучука — это гевея, тем не менее в природе есть и другие варианты получения этого сырья из растений.

Типы и виды натурального каучука:

Натуральный каучук делят на 8 типов, образующих 35 сортов.

Самым распространенным и ценным типом нату­рального каучука считается «смокед-шит», что означает копченый лист. Он изготавливается в виде достаточно прозрачных листов цвета янтаря с рифленой поверхностью.

Меньше распространен тип называемый «светлый креп». Для его получения к латексу перед желатинировани­ем добавляют для отбеливания бисульфит натрия. Листы этого типа каучука имеют кремовый оттенок, они непрозрачны.

Меньше всего ценится тип, который называют «пара-каучук». Его добывают из дикорастущей гевеи кустарным способом.