Бутадиен-стирольные каучуки: производство и применение¶

Бутадиен-стирольные каучуки (БСК) — группа синтетических каучуков, получаемых сополимеризацией бутадиена-1,3 и стирола. Являются наиболее распространённым в мире типом синтетического каучука общего назначения, объём мирового производства которых превышает 12 миллионов тонн в год. Ключевыми свойствами БСК являются высокая износостойкость, хорошее сопротивление старению и низкая стоимость, что определяет их доминирование в шинной промышленности.

¶История

Первые работы по сополимеризации диенов со стиролом относятся к концу 1920-х годов. В Германии в 1929 году компанией I.G. Farben был разработан каучук «Buna S», полученный эмульсионной полимеризацией при температуре около 50 °C. Промышленное производство в СССР было налажено в 1930-е годы на основе разработок С. В. Лебедева и его школы. Значительный толчок развитию технологии дала Вторая мировая война, когда США, лишившись поставок натурального каучука из Юго-Восточной Азии, развернули масштабное производство БСК (программа GR-S). После войны эмульсионные БСК стали основой шинной промышленности во всём мире.

¶Классификация

По способу полимеризации БСК делятся на два основных класса:

• Эмульсионные (Э-БСК) — получаемые радикальной полимеризацией в водной эмульсии. Полимеризация может проходить при повышенной температуре (горячая, 50 °C) или при низкой температуре (холодная, 5 °C). Холодная полимеризация даёт более регулярную структуру и лучшие свойства. Э-БСК составляют основную долю рынка.
• Растворные (Р-БСК) — получаемые анионной полимеризацией в органическом растворителе (например, циклогексане). Отличаются более узким молекулярно-массовым распределением, позволяют вводить в цепь 1,2-звенья бутадиена, что улучшает сцепление с дорогой и снижает сопротивление качению.

По содержанию стирола выделяют марки с низким (до 20 %), средним (20–30 %) и высоким (свыше 30 %) содержанием. Типичное содержание стирола в шинных каучуках — 23,5 %. Также БСК выпускаются в виде наполненных маслом (маслонаполненных) марок, что улучшает перерабатываемость и снижает стоимость.

¶Производство

¶Сырьё

Основными мономерами являются бутадиен-1,3 (получают из бутан-бутиленовой фракции или дегидрированием н-бутана) и стирол (получают дегидрированием этилбензола). Для эмульсионной полимеризации требуются также эмульгаторы (канифольное или жирнокислотное мыло), инициаторы (пероксиды, гидропероксиды), регуляторы молекулярной массы (меркаптаны) и стопперы (диэтилгидроксиламин).

¶Технологический процесс (эмульсионный метод)

Процесс включает следующие стадии:

1. Приготовление эмульсии: смешение мономеров с водным раствором эмульгатора и инициатора.
2. Полимеризация: проводится в каскаде реакторов при температуре 5 °C (холодный процесс) в течение 8–12 часов до конверсии 60–70 %. Полученный латекс содержит полимер в виде частиц размером 50–150 нм.
3. Дегазация: отгонка непрореагировавших мономеров (бутадиена и стирола) из латекса в вакуумных колоннах.
4. Коагуляция: разрушение эмульсии с помощью растворов кислот и солей (например, серной кислоты и хлорида натрия) с выделением каучуковой крошки.
5. Промывка и сушка: крошку промывают водой, отжимают и сушат в сушилках с кипящим слоем при температуре 100–120 °C.
6. Упаковка: каучук прессуют в кипы массой 25–33 кг и упаковывают в полиэтиленовую плёнку.

Растворная полимеризация проводится в среде растворителя с использованием бутиллитиевого катализатора, после чего полимер выделяют коагуляцией в горячей воде с отгонкой растворителя.

Крупнейшими производителями БСК являются компании Sinopec (Китай), Lanxess (Германия), Asahi Kasei (Япония), «Сибур» (Россия). В России основное производство сосредоточено на площадках в Воронеже («Воронежсинтезкаучук») и Красноярске («Красноярский завод синтетического каучука»).

¶Применение

Основная область применения БСК — производство автомобильных шин. БСК используется в протекторе и боковинах шин в смеси с натуральным или полибутадиеновым каучуком. Около 70 % всего производимого БСК потребляется шинной промышленностью.

Прочие сферы применения включают:

• Резинотехнические изделия: конвейерные ленты, рукава, шланги, ремни.
• Обувная промышленность: подошвы, подмётки (вспененные и плотные смеси).
• Кабельная промышленность: изоляция и оболочки проводов.
• Строительство: кровельные мембраны, герметики, мастики, модифицированные битумы.
• Пищевая и медицинская промышленность: упаковочные плёнки, пробки (в виде латекса).

Преимущества БСК перед натуральным каучуком: лучшая стойкость к истиранию, теплостойкость, устойчивость к старению и воздействию агрессивных сред. Недостатки: более низкая эластичность и прочность, худшее сопротивление раздиру, что требует компаундирования с другими каучуками в ответственных изделиях.

¶Экологические аспекты

Производство БСК связано с образованием сточных вод, содержащих мономеры, эмульгаторы и коагулянты. Современные предприятия используют замкнутые циклы водопользования и каталитическую очистку выбросов. Готовая продукция является инертной, однако отходы резиновых изделий практически не разлагаются в природе, что стимулирует развитие технологий переработки шин (пиролиз, регенерация).