Физические и химические свойства натурального каучука
Каучук — высокоэластичный продукт, обладает при действии даже малых усилий обратимой деформацией растяжения до 1000%, а у обычных твёрдых тел эта величина не превышает 1%. Эластичность каучука сохраняется в широких температурных пределах, и это является характерным его свойством. Но при долгом хранении каучук твердеет. При температуре жидкого воздуха –195°C он жёсткий и прозрачный; от 0 ° до 10 °C — хрупкий и уже непрозрачный, а при 20 °C — мягкий, упругий и полупрозрачный. При нагреве свыше 50 °C он становится пластичным и липким; при температуре 80 °C натуральный каучук теряет эластичность; при 120 °C — превращается в смолоподобную жидкость, после застывания которой уже невозможно получить первоначальный продукт. Если поднять температуру до 200—250 °C, то каучук разлагается с образованием ряда газообразных и жидких продуктов.
Каучук — хороший диэлектрик, он имеет низкую водо- и газопроницаемость.
- Каучук не растворяется в воде, щёлочи и слабых кислотах; в этиловом спирте его растворимость небольшая, а в сероуглероде, хлороформе и бензине он сначала набухает, а уж затем растворяется.
- Легко окисляется химическими окислителями, медленно — кислородом воздуха.
- Теплопроводность каучука в 100 раз меньше теплопроводности стали.
- Наряду с эластичностью, каучук ещё и пластичен — он сохраняет форму, приобретённую под действием внешних сил. Пластичность каучука, проявляющаяся при нагревании и механической обработке, является одним из отличительных свойств каучука. Так как каучуку присущи эластические и пластические свойства, то его часто называют пласто-эластическим материалом.
- При охлаждении или растяжении натурального каучука наблюдается переход его из аморфного в кристаллическое состояние (кристаллизация). Процесс происходит не мгновенно, а во времени. При этом в случае растяжения каучук нагревается за счёт выделяющейся теплоты кристаллизации. Кристаллы каучука очень малы, они лишены чётких граней и определённой геометрической формы.
При температуре около –70 °C каучук полностью теряет эластичность и превращается в стеклообразную массу.
Вообще все каучуки, как аморфные материалы, могут находиться в трёх физических состояниях: стеклообразном, высокоэластическом и вязкотекучем.
Высокоэластическое состояние для каучука наиболее типично.
Каучук легко вступает в химические реакции с целым рядом веществ: кислородом (O2), водородом (H2), галогенами (Cl2, Br2), серой (S) и другими. Эта высокая реакционная способность каучука объясняется его ненасыщенной химической природой. Особенно хорошо реакции проходят в растворах каучука, в которых каучук находится в виде молекул сравнительно крупных коллоидных частиц.
Почти все химические реакции приводят к изменению физических и химических свойств каучука: растворимости, прочности, эластичности и других. Кислород и, особенно, озон, окисляют каучук уже при комнатной температуре. Внедряясь в сложные и большие молекулы каучука, молекулы кислорода разрывают их на более мелкие, и каучук, деструктурируясь, становится хрупким и теряет свои ценные технические свойства. Процесс окисления лежит также в основе одного из превращений каучука — перехода его из твёрдого в пластичное состояние.
Разделы: Химия
Цели урока:
- закрепить знания учащихся о диеновых углеводородах;
- рассмотреть историю открытия каучука и историю его применения;
- изучить строение, свойства натурального каучука и его значение в жизни;
- создать условия для развития умения самостоятельно приобретать знания, используя различные источники информации;
- формировать опыт творческой деятельности, опыт делового общения.
Тип урока: комбинированный.
Практикум к уроку: Демонстрация: разложение каучука при нагревании и испытание продуктов разложения.
План урока:
- Орг. момент.
- Тест по теме: «Диеновые углеводороды».
- Новая тема: «Природный каучук».
- История открытия каучука.
- История применения каучука.
- Состав и строение каучука.
- Физические свойства каучука.
- Значение каучука в нашей жизни.
Закрепление изученного материала. (Химический диктант).
Домашнее задание.
Подведение итогов.
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.
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.
Виды синтетического каучука
Использование каучуков многопрофильное. Производители опираются на особенности каждого вида, созданного изобретателями. К основным относятся синтетические каучуки:
- изопреновые;
- бутадиеновые;
- бутадиен-метилстирольные;
- бутилкаучуки;
- этиленпропиленовые;
- бутадиен-нитрильные;
- хлоропреновые;
- силоксановые;
- фторкаучуки;
- тиоколы.
Изопреновый каучук создали в процессе полимеризации изопрена с катализатором. Вещество клейкое и эластичное.
Продукты, в состав которых входят гетератомы стойкие к растворителям, топливу, маслам. Но в них снижены механические свойства.
В массовом производстве большее применение нашли каучуки с содержанием хлорбутадиенов. Тиоколы используют в ограниченных масштабах.
Интересно, что автомобильная промышленность воодушевила ученых на изобретение искусственного каучука. Сока дерева гевеи было недостаточно, чтобы удовлетворить потребности резины. Сейчас популярность синтетического средства вытеснило натуральный продукт, уступающий по многим показателям. В настоящее время существует примерно 30 видов материала, которые разделяются на 220 марок.
Вспененный каучук: что это такое?
Этот теплоизоляционный материал относят к пеноэластомерам. Водонепроницаемый, невоспламеняемый, самогасимый материал не плесневеет и устойчив к воздействию химических веществ и температур в диапазоне от -200 до +175 градусов. Плотность изоляции составляет 40-80 кг/м3.
Утеплитель обладает высокой степенью эластичности, но при этом не менее высокую степень запаса прочности от разрывов. В местах применения данного изоляционного продукта при эксплуатации не появляется плесень, грибковые образования, не заводятся насекомые и мелкие грызуны.
Каучук – материал с закрытыми порами, их доля составляет не меньше 90% от общего числа. Применяется он для изоляции отопительных систем, водоснабжающих трубопровод, систем кондиционирования, технологических трубопроводов. Экономия потерь тепла составляет до 70%.
Трубы надежно защищены от запотевания, оседания конденсата и воздействия химических веществ.
Продукт выпускается в пластинах, рулонах или в виде труб. Теплоизоляционные трубки каучука по ГОСТу производятся вспениванием, что позволяет им сохранять свои свойства. Листы каучука образуются методом экструдирования, после чего пена проходит процесс вулканизации. Диаметр теплоизоляционных трубок из вспененного каучука составляет от 6 до 160 мм. Они используются для утепления медных, стальных и пластиковых трубопроводов. Толщина слоя при этом составляет от 6 до 32 мм. Трубы большего размера утепляют с использованием листового или рулонного материала.
К сферам применения «технической термоизоляции третьего поколения» относят:
- системы отопления и водоснабжения;
- нефте-, паро- и газопроводы;
- холодильные установки и резервуары;
- системы кондиционирования и вентиляции;
- санитарные системы и гелиоустановки;
- судостроение и строительство морских платформ;
- изготовление средств индивидуальной защиты и прочих товаров;
- фармацевтическое производство;
- автомобиле- и машиностроение.
К использованию эластомерных материалов прибегают предприятия энергетического сектора, как в нефтехимической промышленности, так и в добыче и транспортировке энергоресурсов. Устойчивость к коррозии и высокая энергетическая эффективность делают продукт популярным.
Поскольку материал не из дешевых, его применение целесообразно только при наличии ряда условий технологического характера либо экономических возможностей.
Благодаря своим жесткостным характеристикам термоизоляционный материал на основе вспененного каучука используется при утеплении трубопроводов, закладываемых в цементно-песчаные стяжки половых покрытий.
Преимущества теплоизоляции из вспененного каучука:
• повышенная паро- и водонепроницаемость; • эластичность в широком диапазоне температур; • низкая теплопроводность; • способность к самозатуханию при пожаре; • высокая стойкость к микроорганизмам, плесени, атмосферным явлениям. В зависимости от целевой области применения, вспененным каучукам улучшают те или иные свойства.
На рынке теплоизоляционных материалов начинает пользоваться популярностью интересный продукт – вспененный каучук. Он представляет собой изделие с ячеистой структурой закрытого типа. В связи с отсутствием выделения вредных веществ в атмосферу его можно считать безопасным для человека. Экологическая чистота позволяет значительно расширить сферу применения.
Типы полимеров
По химическому составу различают:
- органические;
- элементоорганические;
- неорганические.
Органические полимеры:
- природные;
- искусственные (модифицированные);
- синтетические.
Природные полимеры
Такие полимеры можно найти в природе. Человек не участвует в производстве таких полимеров. В качестве примера можно привести белки, крахмал, натуральный каучук, хлопок, шерсть и др.
Искусственные полимеры
Чтобы получить такие полимеры, человек проводит химические опыты. Например, чтобы получить модифицированный полимер, который затем будет применён при производстве красок, химики добавляют в раствор стирола в толуоле или ксилоле льняное или касторовое масло и нагревают его.
Пример такого полимера — целлюлоза.
Синтетические полимеры
Произвести такие полимеры можно с помощью химического синтеза (т. е. химическим путём). В синтезе участвуют высокомолекулярные органические продукты. Например, чтобы получить синтетический полимер лавсан нужно поликонденсировать (т. е. провести химический опыт) терефталевую кислоту и этиленгликоль.
Пример — капрон, нейлон, полиэтилен, полипропилен, полистирол, фенолформальдегидные смолы.
Элементоорганические полимеры
Содержат атомы других химических элементов, например кремния, алюминия, титана и др. Выделяют:
- термостойкие полимеры;
- полимеры с высокой электропроводностью и полупроводниковыми свойствами;
- вещества с высокой твёрдостью и эластичностью;
- биологические активные полимеры и др.
Химики получают такие полимеры при взаимодействии определённых органических веществ с солями или заменяя некоторые атомы углерода в молекулах на другие составляющие. Пример — полисилоксаны, полититаноксаны и др.
Неорганические полимеры
Полимеры, молекулы которых построены из неорганических боковых цепей (или неорганических радикалов). Неорганические полимеры можно обнаружить в составе земной коры.
Полимеры могут отличаться составом мономерных звеньев. Мономерное звено — это составная часть макромолекулы полимера. Различают:
- гомополимеры;
- гетерополимеры (или сополимеры).
Гомополимеры
Это такие полимеры, у которых одинаковые мономерные звенья. Например: полихлорвинил, поливинилацетат и полистирол.
Гетерополимеры
Это полимеры, которые имеют различные мономерные звенья. Например: сополимер хлористого винила с винилацетатом, сополимер стирола с бутадиеном.
Полимеры могут также подразделяются также на карбоцепные (или гомоцепные) и гетероцепные полимеры.
Гетероцепные полимеры
Главные цепи макромолекул таких полимеров включают не только атомы углерода, но ещё и атомы кислорода, азота и серы. Например: простые эфиры (например, полиэтиленгликоль), сложные эфиры (глифталевые смолы, полипептиды (белки) и др.).
Полимеры также могут подразделяться в зависимости от расположения мономерных цепей в пространстве. Различают:
- стереорегулярные (полимеры с линейной структурой);
- нестереорегулярные (или атактические).
Строение макромолекул полимеров может быть различным. Таким образом, есть полимеры:
- линейные;
- разветвлённые;
- лестничные;
- трёхмерные сшитые (сетчатые, пространственные).
Полимеры можно получить разными способами:
- если полимер получают с помощью поликонденсации, то такой полимер называют поликонденсационным (или реактопластами);
- если с помощью полимеризации — речь идёт о полимеризационном полимере.
В зависимости от реакции полимера на нагревание выделяют:
- термопластичные (полиэтилен, поливинилхлорид, полистирол);
- термореактивные полимеры (полиэфиры, эпоксидные, меламиновые и фенольные смолы).
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:
- Удельный вес составляет 0,9794 (при содержании каучука 35 г в 100 куб. см).
- При температуре, равной 30 градусов тепла, вязкость находится в пределах от 12 до 15.
- 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.
Процесс производства натурального каучука
Производство натурального сырья основано на коагуляции латекса, так называют сок, выделяемый каучуконосами. Другими словами, в процессе производства, происходит укрупнение частиц мелкого размера, содержащихся в латексе в более крупные.
Получение натурального каучука
Как уже отмечалось, латекс, в том или ином виде содержится во многих растениях, прием он может находиться в корневой системе и стебле, такой каучук называют паренхимным, тот, который, содержится в листьях называют хлоренхимным, а тот, который находят в млечном соке называют латексным или латекс.
Практически весь натуральный каучук добывают из деревьев. С момента начала промышленной добычи этого сырья ни одно растение не превзошло гевею. Она изначально росла в Южной Америке и до сих пор из нее добывают 96% натурального продукта в мировой экономике. Млечный сок, который несет в себе латекс начинают добывать из этого растения с момента достижения им 12 лет. Одно дерево может выдать от 3 до 7,5 кг продукта в год. Как только дерево перестает выделять сок, его удаляют с плантации и отправляют на переработку.
Латекс состоит из:
- воды до 70%;
- натурального каучука – 25 – 70%;
- протеина и натуральных минералов 1 – 2 %.
Для добычи латекса на стволе растения выполняют надрез в виде буквы V, из него добывают порядка 45- 60 г сырья. Добытое молочко сливают в один большой поддон. В нем добытое сырье отстаивают длительное время, и тут происходит реакция получения натурального каучука.
V-образный надрез на стволе дерева Гевея
Через определенное время молочко становится плотной массой, которую в последствии пропускают через валковый пресс. Это необходимо для избавления от лишней влаги. В итоге такой обработки образуется плотный брикет. На завершающем этапе, полученный полуфабрикат проходит сушку, и масса меняет цвет с белого на темный.
После сушки, полуфабрикаты готовят к отправке на предприятия по переработке натурального каучука. На них полученное сырье проходит операцию вулканизации каучука и происходит синтез готовой продукции – резины.
Промышленная революция, свершившаяся на рубеже XIX – XX веков вызвала рост потребности в каучуке. Это привело к тому, что стали появляться новые плантации и кроме Южной Америки гевею стали выращивать в Малайзии, во Вьетнаме и пр.
https://youtube.com/watch?v=sQiVmLTLN_o
Производительность одного гектара плантации составляет порядка 1 – 2 тн каучука в год.
Каучук и резина, основные определения
Каучук – высокомолекулярное соединение, в его основе лежат диеновые углеводороды. Существует природный и синтетический каучук.
Уже в конце 15 века в северной Америке был известен каучук. Индейцы, которых многие принимают за дикарей, использовали его для изготовления обуви и посуды, а добывали его из сока растений гевей. Выделяемую из дерева жидкость они называли «слезы дерева».
Европейцы же узнали о каучуке только после открытия Америки. И лишь спустя столетия, в1823 году его начали использовать для изготовления водонепроницаемой одежды, ткань пропитывали жидким каучуком, и она приобретала водоотталкивающие свойства.
Через несколько лет после первого опыта использования каучука, были более полно изучены его свойства и возникла идея применять, как сырье для получения резины.
Процесс перевода каучука в резину называют вулканизацией. В результате протекания данного технологического процесса происходит взаимодействие каучуков с вулканизирующим реагентом. В результате чего происходит «сшивание» молекул каучука в единую структуру, напоминающую сетку.
Резина – высокоэластичный полимер, получаемый вулканизацией натурального или синтетического каучука.
Распространение каучуконосов
Природный каучук встречается в очень многих растениях, не составляющих одного определённого ботанического семейства. В зависимости от того, в каких тканях накапливается каучук, каучуконосные растения делят на:
- паренхимные — каучук в корнях и стеблях;
- хлоренхимные — каучук в листьях и зелёных тканях молодых побегов;
- латексные — каучук в млечном соке.
Травянистые латексные каучуконосные растения из семейства сложноцветных (кок-сагыз, крым-сагыз и другие), произрастающие в умеренной зоне, в том числе в южных республиках, содержащие каучук в небольшом количестве в корнях, промышленного значения не имеют. Среди травянистых растений России есть всем знакомые одуванчик, полынь и молочай, которые тоже содержат млечный сок.
Промышленное значение имеют латексные деревья, которые не только накапливают каучук в большом количестве, но и легко его отдают; из них наиважнейшее — гевея бразильская (Hevea brasiliensis), дающая по разным оценкам от 90 до 96% мирового производства натурального каучука.
Сырой каучук из других растительных источников обычно засорён примесями смол, которые должны быть удалены. Такие сырые каучуки содержат гуттаперчу — продукт некоторых тропических деревьев семейства сапотовых (Sapotaceae).
В течение Второй мировой войны (1939-1945) по экономическим причинам были культивированы другие, нетропические источники каучука: гуайуль (guayule) мексиканского происхождения, а также одуванчик кок-сагыз (Taraxatum kok- saghyz), произрастающий на территории Западного Туркестана.
Каучуконосы лучше всего произрастают не далее 10° от экватора на север и юг. Поэтому эта полоса шириной 1300 километров по обе стороны от экватора известна как «каучуковый пояс». Дело в том, что для каучуконосов требуется очень тёплый и влажный климат и плодородная почва. Развитие автомобильной промышленности значительно повысило потребности в резине и, соответственно, в каучуке. Поэтому появились новые плантации гевей: молодые деревца из Южной Америки посадили в Малайзии, на Шри-Ланке и в Индонезии. Они отлично прижились и дают большой урожай.
