Полиизобутилен

Полиизобутилен (ПИБ) — это синтетический полимер, продукт полимеризации изобутилена (2-метилпропена), относящийся к классу карбоцепных полимеров. Представляет собой каучукоподобное вещество, которое в зависимости от молекулярной массы может быть от вязкой жидкости до эластичного каучука. Полиизобутилен характеризуется высокой газонепроницаемостью, химической стойкостью, гидрофобностью и атмосферостойкостью.

История

Полимеризация изобутилена была впервые осуществлена в 1873 году французским химиком Шарлем Фриделем, который обработал изобутилен серной кислотой и получил маслянистый продукт. Однако систематическое изучение полимеризации началось в 1930-х годах. В 1931 году немецкий химик Г. Штаудингер заложил основы теории полимеризации изобутилена. Промышленное производство полиизобутилена было налажено в 1937 году в Германии компанией IG Farbenindustrie (организация ликвидирована).

В СССР разработка технологии получения полиизобутилена началась в 1940-х годах. Первое промышленное производство было запущено в 1949 году на Сумском заводе химического машиностроения. Дальнейшее развитие технология получила в 1960-1970-е годы на предприятиях в Стерлитамаке и Нижнекамске.

Получение

Полиизобутилен получают методом катионной полимеризации изобутилена в присутствии кислотных катализаторов. Основными катализаторами служат хлорид алюминия (AlCl₃), трифторид бора (BF₃) или хлорид титана (TiCl₄). Реакция протекает в среде растворителя (обычно хлористый метилен или гексан) при низких температурах (от -100°C до -40°C).

Процесс полимеризации включает три стадии:

• Инициирование — образование активного карбокатиона из изобутилена под действием катализатора.
• Рост цепи — последовательное присоединение молекул изобутилена к растущему карбокатиону.
• Обрыв цепи — дезактивация карбокатиона, например, при реакции с противоионом или передачей цепи на мономер.

Молекулярная масса полимера регулируется температурой реакции, концентрацией катализатора и добавлением регуляторов (например, воды или спиртов). Высокомолекулярный полиизобутилен (с молекулярной массой более 100 000 г/моль) получают при температурах ниже -80°C.

Свойства

Физические свойства

Полиизобутилен представляет собой аморфный полимер. В зависимости от молекулярной массы его физическое состояние варьируется:

• Низкомолекулярный (молекулярная масса 500–5000 г/моль) — вязкая жидкость от светло-жёлтого до янтарного цвета.
• Среднемолекулярный (5000–100 000 г/моль) — мягкое, пластичное вещество, напоминающее жевательную резинку.
• Высокомолекулярный (более 100 000 г/моль) — эластичный каучук, способный к значительным обратимым деформациям.

Плотность полиизобутилена составляет 0,91–0,93 г/см³. Температура стеклования — около -70°C, что обеспечивает эластичность при низких температурах. Полимер не кристаллизуется при обычных условиях, но может кристаллизоваться при растяжении.

Химические свойства

Полиизобутилен характеризуется высокой химической стойкостью. Он устойчив к действию:

• Воды и водных растворов кислот, щелочей и солей.
• Спиртов, гликолей, эфиров.
• Минеральных масел и жиров.

Однако полимер набухает или растворяется в углеводородах (бензин, керосин, бензол, толуол), хлорированных углеводородах (хлороформ, четырёххлористый углерод) и некоторых кетонах. При длительном воздействии ультрафиолетового излучения и озона полиизобутилен деструктирует, что ограничивает его применение в условиях открытой атмосферы без стабилизаторов.

Механические свойства

Прочностные характеристики полиизобутилена невысоки. Предел прочности при растяжении составляет 1–5 МПа, относительное удлинение при разрыве — до 800%. Полимер обладает низкой эластической отдачей (гистерезисом), что делает его пригодным для герметизирующих материалов.

Классификация

Полиизобутилен классифицируют по молекулярной массе:

Применение

Герметики и клеи

Полиизобутилен широко используется в производстве герметиков для строительства и автомобильной промышленности. Благодаря низкой газопроницаемости его применяют в герметизации стеклопакетов (бутиловые герметики). В составе клеев-расплавов полиизобутилен обеспечивает адгезию к различным поверхностям.

Изоляция кабелей

Высокомолекулярный полиизобутилен применяют для изоляции электрических кабелей, особенно в условиях повышенной влажности. Он используется в кабелях связи, силовых кабелях и кабелях для нефтяных скважин.

Присадки к маслам

Низкомолекулярный полиизобутилен добавляют в моторные и трансмиссионные масла для улучшения вязкостно-температурных характеристик. Он также используется в качестве загустителя в пластичных смазках.

Пластификаторы

В производстве резин и пластмасс полиизобутилен применяют как пластификатор для улучшения эластичности и перерабатываемости материалов. Он входит в состав резиновых смесей для изготовления уплотнителей, прокладок и амортизаторов.

Упаковка

Полиизобутилен используется в производстве упаковочных материалов, особенно в пищевой промышленности, где требуется высокая барьерная защита от кислорода и влаги. Он входит в состав многослойных плёнок и покрытий.

Медицина

В медицине полиизобутилен применяется в стоматологии (временные пломбы, слепочные массы), а также в производстве пластырей и медицинских клеев. Высокая биосовместимость и отсутствие токсичности позволяют использовать его в контакте с кожей и слизистыми оболочками.

Производство взрывчатых веществ

Полиизобутилен используется в качестве связующего компонента в некоторых типах пластичных взрывчатых веществ (например, в составах на основе гексогена или октогена). Он обеспечивает пластичность и водостойкость взрывчатых смесей.

Безопасность и экология

Полиизобутилен считается нетоксичным полимером. Он не вызывает раздражения кожи и слизистых оболочек, не обладает аллергенным действием. При горении полиизобутилен выделяет углекислый газ и воду, а также небольшое количество угарного газа. В условиях недостатка кислорода возможно образование сажи.

Полиизобутилен не подвергается биологическому разложению в окружающей среде. Однако он может быть переработан методами пиролиза или сжигания с получением тепловой энергии. Вторичная переработка полиизобутилена затруднена из-за его термопластичных свойств и склонности к деструкции при нагреве.

Источники

• Энциклопедия полимеров. Том 2. — М.: Советская энциклопедия, 1974.
• Химическая энциклопедия. Том 4. — М.: Большая Российская энциклопедия, 1995.
• Кирпичников П. А., Аверко-Антонович Л. А., Аверко-Антонович Ю. О. Химия и технология синтетического каучука. — Л.: Химия, 1987.
• Оудиан Дж. Основы химии полимеров. — М.: Мир, 1974.
• Технические условия на полиизобутилен (ГОСТ 13303-86).