Каучук натуральный и синтетический: основные свойства и отличия

Определение и виды каучуков

Каучуками или эластомерами называют полимеры, обладающие повышенной пластичностью, водонепроницаемостью, низкой электропроводностью и эластичностью. В зависимости от способа получения материал разделяют на природный (натуральный) и синтетический.

На сегодняшний день в природе и промышленном производстве не существует вещества, способного составить конкуренцию. Натуральный и синтетический каучук «соревнуются» исключительно между собой. Ответ на вопрос, какой из материалов лучше, дать сложно. Каждый обладает преимуществами. При этом различаются и области применения. Каучуковая масса, изготовленная в заводских условиях, по сравнению с натуральной:

• Меньше реагирует на растворители.
• Более стойкая к истиранию.
• Имеет высокую газонепроницаемость.

Природный и синтетический каучук имеют разную морозостойкость. Они способны сохранять упругость при температуре до -70°C. При этом синтетические каучуки (СКТН) более надежны и долговечны, экономичны в экстремальных условиях. Могут легко перерабатываться.

Прошлое и настоящее натурального каучука

В истории природного эластомера была и любовь, и ненависть. Первыми в Европе его увидели испанцы. Христофор Колумб привез из плавания к берегам Америки диковинные прыгучие шары. Путешественник объяснил королевскому двору, что индейцы делают из древесной смолы мячики, сосуды для еды и воды, обувь, пропитывают ею лодки и корзины. Мячи вскоре пришли в негодность, а вельможи быстро о них забыли и не вспоминали несколько столетий.

В 1735 году группа французских путешественников обнаружила в Перу дерево гевею, смола которого затвердевала на солнце. Местное население называло млечный сок «слезами дерева» или «кау чу». Ученый Шарль Лакондамин, руководивший экспедицией, дал другое определение — «резина», но прижилось перуанское, превратившись в «каучук».

Способность каучука растягиваться и сжиматься привела мир к «резиновой лихорадке». В первой половине XIX в США заводы по производству обуви и плащей-макинтошей из резины начали расти как грибы после дождя. Однако вскоре в каучуковых изделиях разочаровались. В летнюю жару они превращались в ужасно пахнущее жидкое месиво, а с наступлением холодов твердели и лопались. Дошло до того, что люди закапывали ненавистный липкий материал в землю, чтобы устранить запах.

В 1939 году Чарльз Гудьир реабилитировал смолу из Гевеи. Он изобрел способ (вулканизацию), при котором млечный сок больше не таял на солнце и не застывал в мороз. С тех пор началось массовое внедрение каучука. С 1969 года природный полимер в соответствии со стандартом разделили на восемь типов и три десятка сортов.

Типы и сорта

Для оценки качества эластомера используют сравнение с эталонным образцом. Материал классифицируют по техническим правилам и нормам TSR (Технические специализированные каучуки). Перечень включает сорта:

• Латексный светлого цвета.
• Латексный с постоянной вязкостью.
• Светло-янтарного цвета — копченый лист.
• Пептизированные с улучшенным коагулянтом.

По внешнему виду природные каучуки делят на коричневые, тонкие и толстые светлые крепы, сверхлегкие и стандартные листовые воздушной сушки. Крупные страны-производители на основании TSR создали свои нормы. Собственные стандарты есть в Малайзии, Индонезии, Таиланде, Вьетнаме.

Современное производство

Производство начинается со сбора млечного сока (латекса) с каучуконосных деревьев. На стволах делают V-образные надрезы. К нижней части выреза крепится емкость, в которую стекает сок. Далее латексный материал помещают в большие по объему резервуары. Каучук извлекают методом коагуляции, когда мелкие частицы слипаются, превращаясь в густую массу. Чтобы ускорить процесс добавляют кислоту, например, муравьиную. Данный этап занимает 12 часов. На последующих стадиях вещество:

• Раскатывают в тонкие листы, выдавливая воду.
• Сушат на решетках в коптильнях.
• Сворачивают в рулоны и отправляют на переработку.

Второй способ — сушка листов на воздухе. Таким образом получают каучук высокого качества. Он требует двухэтапной коагуляции. В завершении каучуковые заготовки вулканизируют и превращают в резину.

Свойства натурального каучука

В необработанном виде эластомер представляет собой бесцветный или белый высокомолекулярный углеводород (цис-полимер изопрена). Вещество не имеет строгой кристаллической решетки, то есть, бесформенно. Способно преобразовываться в твердые кристаллы. Основные физические характеристики полимера:

• Пластичность — при нагревании и механической обработке принимает заданную форму и сохраняет ее.
• Эластичность — обратимая деформация при растяжении до тысячи процентов.
• Диэлектрик высокого уровня не проводит воду и газ, не растворяется в слабых кислотах и щелочах.
• Низкая теплопроводность — коэффициент способности проводить тепловую энергию в 300 раз меньше аналогичного показателя стали.

Наиболее характерное состояние каучука — высокоэластическое. Еще полимер может находиться в стеклообразном и вязкотекучем виде. Натуральный эластомер быстро вступает во взаимодействие с серой, водородом, кислородом, галогенами. Химические реакции приводят к изменению свойств материала.

Синтетическая эра каучука

Разработка искусственного полимера шла в течение многих лет. Раскрыть секрет молекул эластомера пытались британцы Майкл Фарадей, Гревилл Уильямс и Уильям Тилден, француз Гюстав Бушарда, русский химик Иван Лаврентьевич Кондаков. Первый доклад научному сообществу России о промышленном способе изготовления синтетического каучука в 1909 году сделал Сергей Васильевич Лебедев.

Однако изобретение не пользовалось большим спросом до тех пор, пока не возник дефицит натурального материала. Лидером в производстве стал СССР. Первый в мире завод построили в начале 30-х годов XX века в Ярославле. Затем появились еще три предприятия.

Развитие каучуковой промышленности проходило в сложный период, когда воздухе витало предчувствие начала Второй мировой войны. От Советского Союза ненамного отставала Германия, начавшая выпуск синтетических каучуков на четыре года позже. Для синтеза материала немцы применяли более совершенную методику.

Виды синтетических эластомеров

Синтетический материал разнообразен по видам. В зависимости от области использования его разделяют на две больших группы: эластомеры общего и специального назначения. Первые характеризуются отсутствием каких-либо уникальных характеристик (повышенная стойкость к низким температурам, истиранию). Главное свойство, которым должны обладать полимеры — приемлемое качество для изготовления товаров широкого потребления.

К синтетическим каучукам общего назначения относят прочные, не имеющие сильного запаха бутадиен-стирольные составы. Изготовление эластомеров обходится недорого, сфера использования широка:

1. Шины для транспортных средств.
2. Изоляция электропроводов.
3. Эбонитовые резины.
4. Транспортерные ленты.
5. Обувная подошва.
6. Краски, строительный латекс.

Синтетические каучуки особого назначение необходимы, чтобы придать изделию определенное свойство — высокую морозоустойчивость, износостойкость, повышенную сопротивляемость газам и огню для эксплуатации в экстремальных условиях. В группу входят бутадиен-нитрильный, хлоропреновый, полисульфидный материалы.

Искусственно созданные эластомеры делятся по наличию наполнителя на наполненные и ненаполненные. Вещества разделяют по молекулярной массе на жидкие, твердые, порошкообразные. Существует классификация по группировке атомов — полисульфидные, уретановые.

Этапы производства

Синтетический путь каучука начинается с подготовки сырья. Для производства используют непереработанные нефтепродукты (стирол, изобутилен, хлоропрен, изопрен, неопрен, нитрил акриловая кислота). Их разделяют на фракции, чтобы потом взять нужные мономеры. Производственная технология основана на поляризации, которая бывает:

• Эмульсионной.
• Газофазной.
• Жидкофазной.
• За счет спецрастворов.

После удаления не прореагировавших мономеров раствор подают в накопительные резервуары для формирования партии с заданными качественными характеристиками. Далее следуют лабораторные анализы и этап выделения.

Каучуковая масса поступает в систему струйных аппаратов переменного сечения, сюда же направляют коагулянт, чтобы выделить из латекса каучук. Затем мокрый материал разбивают на крошку, промывают, отправляют в вибросито. Завершающие стадии — отжим, сушка, прессование, расфасовка по контейнерам.

Отличия

В таблице ниже указано, чем природный каучук отличается от синтетического:

Вывод

Человечество, несмотря на многовековое знакомство с каучуком, далеко не все узнало об эластомере. Одни исследователи продолжают работать над усовершенствованием синтетических материалов, другие ищут натуральную замену соку гевеи. Ученые из Германии установили, что русский одуванчик по сравнению с немецким содержит большую концентрацию каучука. Сорняк вполне можно использовать в шинном производстве.

И это не фантастика. Исследованию каучуконосных растений уделялось огромное значение в СССР. Сорта одуванчика не просто изучали, их возделывали целыми колхозами, собирая до 100 килограмм чистого каучука с одного гектара.

Но преимущества синтетических каучуков выходят сегодня на новый уровень. И количество областей применения продолжает постоянно расширяться.