К каучукам относят эластичные ВМС, способные под влиянием внешних сил значительно деформироваться и быстро возвращаться в исходное состояние после снятия нагрузки. Упругие свойства и прочность каучуки сохраняют в широком интервале температур. Каучуки подразделяются на натуральные и синтетические.
В течение долгих лет получали только натуральный каучук из млечного сока тропического дерева гевеи, называемого латексом. Он состоит: из частичек каучука – глобул (до30%), взвешенных в воде (96%), смол, белковых и сахаристых веществ. Каждая глобула несет отрицательный электрический заряд, и наличие одноименных зарядов не позволяет им соединяться друг с другом. Чтобы их лишить электрических зарядов, сок собирают в специальные чаны, где добавлением разбавленной муравьиной или уксусной кислоты, латекс подвергают коагуляции. Образовавшийся рыхлый продукт тщательно промывают водой, затем вальцуют между рифлеными валками и высушивают досуха в сушильных камерах-коптилках.
В 1928 г был открыт способ получения синтетического каучука, разработанный учеными Лебедевым С.В. и Бызовым Б.В. Исходный продукт бутадиен 1,3 получают из этилового спирта на смеси катализаторов. Затем в присутствии металлического натрия бутадиен полимеризуется в каучук. В 1932 г был пущен первый завод синтетического каучука. Каучуки по своему исходному сырью делятся на два класса: изготовленные на основе одного мономера и сополимерные (из 2-3-х мономеров). В зависимости от способа применения синтетические каучуки и резины на их основе можно условно разбить на две группы: каучуки общего назначения, используемые для изготовления шин и большинства других резиновых изделий, и каучуки специального назначения. Последние обладают некоторыми специфическими свойствами, позволяющими их использовать для выпуска резиновых изделий, которые могут эксплуатироваться в более тяжелых условиях.
Изделия из каучука и резины, являющейся продуктами вулканизации каучука, стали незаменимы во всех отраслях народного хозяйства. Это объясняется теми исключительными свойствами, которые присущи резине. Высокая прочность и эластичность обеспечивают смягчение ударов, гашение механических колебаний и т.п. Устойчивость к воздействию многих веществ и отличная упругость резины используются для выпуска разнообразных уплотнительных деталей. Резина газо-и водонепроницаема, хороший диэлектрик, обладает мягкостью и сохранением прочности при многократном изгибе.
Процесс полимеризации чистого бутадиена проводится двумя видами блочного способа:
1)полимеризация в массе, в жидком состоянии (жидкофазный или стержневой каучук);
2)полимеризация в газообразном состоянии (газофазный или бесстержневой каучук).
Оба метода осуществляются периодически в стальных автоклавах, рассчитанных на давление 9-10 атм при 30-400С. Катализатором служит металлический натрий, поэтому каучук называется натрийбутадиеновым. В результате блочной полимеризации образуется полимер (молекулярный вес от 80000 до 200000) за счет соединения молекул бутадиена по месту 1,2 и 1,4.
2nСН2=СН-СН=СН2→ (-СН2-СН=СН-СН2-СН-СН2-)n
Большая разветвленность натрийбутадиенового каучука ухудшает его эластические другие свойства.
Скорость полимеризации и свойства каучука зависят от равномерности распределения натрия в массе бутадиена, величины поверхности его соприкосновения с бутадиеном, чистоты мономера, давления и температуры. Повышение температуры сверх оптимальной позволяет получать полимеры с малым молекулярным весом. Поэтому необходимо отводить тепло из реакционной массы. При блочном способе полимеризации молекулярный вес и другие свойства получаемого каучука неоднородны. По окончании полимеризации непрореагировавший мономер и другие оставшиеся продукты испаряют из автоклава. Затем в автоклав подают азот и выгружают каучук.
Эмульсионный метод полимеризации позволяет осуществить непрерывный высокопроизводительный процесс с получением больших партий синтетического каучука, однородных по своим свойствам. Легкость регулировки процесса, устранение местных перегревов и возможность осуществления сополимеризации двух и более мономеров обеспечили преимущественное развитие этого метода.
В н.в. наибольшее распространение в производстве шин и других резиновых изделий получил бутадиенстирольный каучук. Совместная полимеризация осуществляется в водной среде при температуре от 5 до 500С в батарее последовательно соединенных между собой полимеризаторов, что позволяет увеличить время пребывания реакционной массы. Приготовленная заранее смесь дивинила со стиролом смешивается с водой и эмульгатором в аппарате предварительного эмульгирования. Готовая эмульсия вместе с раствором инициатора и регулятора непрерывно закачивается в первый по ходе полимеризатор. Из 12 аппаратов батареи всегда работает 11. Полимеризатор имеет водяную рубашку, снабжен мешалкой и изготовлен из биметалла. Процесс осуществляется при непрерывном перемешивании и перетекании всей смеси с добавкой регулятора через всю батарею полимеризаторов с такой скоростью, что за время протекания полимеризуется 58-60% смеси углеводородов. С каждого кубического метра объема полимеризатора получают до 12 кг в час полимера. Из полученного латекса удаляются незаполимеризовавшиеся мономеры, после чего латекс направляется на дальнейшую переработку. Для выделения каучука к латексу добавляют электролиты (СаСl2 или NаСl, и Н2SО4 или СН3СООН). Скоагулированный каучук поступает на стальную сетку, где отмывается, обезвоживается и формуется в виде лент каучука, которые после сушки горячим воздухом припудриваются тальком и сворачиваются в рулоны.
Бутадиенстирольные каучуки различаются как по условиям полимеризации, так и по соотношению мономеров в исходной смеси углеводородов. Наиболее часто применяется весовое соотношение бутадиен:стирол=70:30. При дальнейшем увеличении содержания стирола эластичность резины уменьшается.
Применяются и другие виды бутадиенстирольных каучуков: маслонаполненные, саженаполненные и с добавками масла и сажи – «сажемаслонаполненные». В н.в. одним из наиболее дешевых вырабатываемых каучуков является наирит, получаемый полимеризацией хлоропрена в водных эмульсиях. Наирит – продукт совместной полимеризации хлоропрена с небольшим количеством стирола, улучшающим свойства изделий. Для вулканизации добавляется окись цинка, окись ртути и окислы поливалентных металлов, образующие химические связи между макромолекулами. Получаемые резины обладают многими ценными свойствами.
Производство резиновых изделий состоит из трех основных стадий: приготовление сырой резиновой смеси, формования изделия и его вулканизация. Приготовление сырых резиновых смесей включает операции: подготовка каучука и ингредиентов; приготовление сырой резиновой смеси (смешение) и листование полученных смесей.
В состав резиновых смесей входят различные органические и минеральные вещества, объединенные одним общим названием «ингредиенты». Чтобы обеспечит изделием требуемые свойства и качество, необходимо правильно составить резиновую смесь. Главной составной частью, определяющей свойства будущей резины, служит каучук. Кроме него вводятся вулканизирующее вещество (сера и органические перекиси), ускорители процесса вулканизации, мягчители, противостарители, активные наполнители, красители. С увеличением силы сцепления каучука с частицами активного наполнителя возрастает прочность резиновых изделий. Ингредиенты улучшают технологические свойства резиновых смесей и повышают качество получаемых изделий.