Синтетический каучук

Синтетический каучук — это синтетический полимер, обладающий высокой эластичностью (способностью к большим обратимым деформациям при комнатной температуре), который по своим физико-механическим свойствам аналогичен природному каучуку, получаемому из млечного сока каучуконосных растений (гевеи). В отличие от природного, синтетический каучук производится путём полимеризации или сополимеризации мономеров, получаемых из нефти, природного газа или угля. Является основным сырьём для производства резины и резинотехнических изделий.

История

Предпосылки и первые опыты

Потребность в создании искусственного заменителя каучука возникла в конце XIX — начале XX века в связи с быстрым развитием промышленности (особенно автомобильной) и зависимостью стран-импортёров (включая Российскую империю) от поставок натурального сырья из тропических регионов. Первые научные работы по синтезу каучука были предприняты в 1860-х годах английским химиком Чарльзом Грейвзом Уильямсом, который выделил изопрен — основное мономерное звено природного каучука.

Изобретение в России

В 1909 году русский химик Сергей Васильевич Лебедев получил первый в мире синтетический каучук путём полимеризации дивинила (бутадиена-1,3) в присутствии металлического натрия. В 1910 году он представил образец материала, названного «дивиниловым каучуком». Однако промышленное производство было налажено только в Советском Союзе. В 1926 году правительство СССР объявило всесоюзный конкурс на разработку промышленного способа получения синтетического каучука. В 1928 году группа Лебедева представила технологию, основанную на полимеризации бутадиена под действием натрия. В 1931 году в Ярославле был запущен первый в мире завод по производству синтетического каучука (СК) по методу Лебедева. В 1932 году в СССР было произведено 2,5 тысячи тонн СК.

Развитие в мире

В 1930-х годах в Германии (Buna-S, Buna-N) и США (неопрен, GR-S) были разработаны собственные типы синтетических каучуков. В 1940-х годах, в условиях Второй мировой войны, производство СК резко выросло, особенно в США, где был налажен выпуск стирол-бутадиенового каучука (SBR), ставшего основным заменителем натурального каучука в шинной промышленности. В 1950-х годах были открыты стереоспецифические катализаторы (Циглера — Натта), что позволило получать синтетические каучуки, по структуре и свойствам практически идентичные натуральному (например, синтетический полиизопрен).

Классификация

Синтетические каучуки классифицируются по нескольким признакам.

По происхождению мономеров

• Диеновые каучуки — получают из диеновых углеводородов (бутадиен, изопрен, хлоропрен). Примеры: бутадиеновый (СКБ), изопреновый (СКИ), хлоропреновый (неопрен).
• Олефиновые каучуки — получают из олефинов (этилен, пропилен). Примеры: этилен-пропиленовый (СКЭП, СКЭПТ), бутилкаучук.
• Акрилатные каучуки — на основе эфиров акриловой кислоты.
• Уретановые каучуки — полиуретановые эластомеры.
• Кремнийорганические каучуки — силиконовые каучуки (СКТВ, СКТФ).

По составу

• Гомополимеры — состоят из одного типа мономеров (например, полибутадиен).
• Сополимеры — состоят из двух или более типов мономеров (например, бутадиен-стирольный, бутадиен-нитрильный).

По полярности

• Неполярные каучуки — имеют низкую полярность, устойчивы к действию воды и слабых кислот, но набухают в углеводородах. Примеры: бутадиеновый, бутадиен-стирольный, этилен-пропиленовый.
• Полярные каучуки — содержат полярные группы (нитрильные, хлорные), обладают высокой стойкостью к маслам и топливу. Примеры: бутадиен-нитрильный (СКН), хлоропреновый, фторкаучуки.

По способу полимеризации

• Радикальная полимеризация (эмульсионная, суспензионная).
• Анионная полимеризация (в растворе, в массе).
• Стереоспецифическая полимеризация (на катализаторах Циглера — Натта).

Основные виды синтетических каучуков

Бутадиен-стирольный каучук (СКС, SBR)

Наиболее распространённый тип синтетического каучука (около 40% мирового производства). Сополимер бутадиена и стирола. Отличается хорошей износостойкостью, высоким сопротивлением истиранию и удовлетворительными эластическими свойствами. Основное применение — производство автомобильных шин, конвейерных лент, обуви, клеев.

Бутадиен-нитрильный каучук (СКН, NBR)

Сополимер бутадиена и акрилонитрила. Обладает высокой стойкостью к маслам, бензину, керосину и другим нефтепродуктам. Используется для изготовления масло- и бензостойких рукавов, прокладок, уплотнителей, перчаток, топливных шлангов.

Хлоропреновый каучук (неопрен, CR)

Полимер хлоропрена. Отличается высокой стойкостью к атмосферным воздействиям, озону, маслам и огнестойкостью. Применяется для производства гидроизоляции, ремней, рукавов, подошв обуви, клеёв, а также в строительстве.

Изопреновый каучук (СКИ, IR)

Синтетический аналог натурального каучука. Обладает высокой эластичностью, прочностью, клейкостью. Используется в шинной промышленности, для производства резинотехнических изделий, медицинских перчаток, клеёв.

Этилен-пропиленовый каучук (СКЭП, EPDM)

Сополимер этилена и пропилена. Отличается высокой стойкостью к озону, атмосферным воздействиям, кислотам и щелочам. Применяется для изготовления уплотнителей, кровельных мембран, изоляции проводов и кабелей, деталей автомобилей.

Бутилкаучук (IIR)

Сополимер изобутилена и небольшого количества изопрена. Обладает низкой газопроницаемостью и высокой химической стойкостью. Используется для производства камер шин, герметиков, защитных покрытий.

Фторкаучуки (FKM)

Сополимеры, содержащие атомы фтора. Обладают исключительной стойкостью к высоким температурам (до +250°C), агрессивным химическим средам, маслам. Применяются в авиакосмической, химической, нефтегазовой промышленности для изготовления уплотнений, манжет, клапанов.

Силиконовые каучуки (СКТВ, VMQ)

Кремнийорганические полимеры. Отличаются широким диапазоном рабочих температур (от -60°C до +250°C), физиологической инертностью, стойкостью к старению. Используются в медицине (имплантаты, катетеры), пищевой промышленности, электронике (герметизация).

Свойства

Синтетические каучуки обладают комплексом свойств, определяющих их применение:

• Эластичность — способность к большим обратимым деформациям (до 500–800%).
• Прочность — сопротивление разрыву, истиранию, многократным деформациям.
• Стойкость к средам — маслостойкость, бензостойкость, кислотостойкость, озоностойкость.
• Термостойкость — способность сохранять свойства при высоких и низких температурах.
• Газопроницаемость — низкая для бутилкаучука, высокая для силиконовых каучуков.
• Электроизоляционные свойства — высокое удельное сопротивление (у силиконовых, этилен-пропиленовых каучуков).

Применение

Синтетические каучуки являются основой для производства резиновых смесей, которые после вулканизации (сшивания молекул серой или другими агентами) превращаются в резину. Основные области применения:

• Шинная промышленность — автомобильные, авиационные, велосипедные шины и камеры.
• Резинотехнические изделия (РТИ) — рукава, ремни, шланги, прокладки, уплотнители, амортизаторы, виброизоляторы.
• Обувная промышленность — подошвы, каблуки, клеи.
• Строительство — гидроизоляция, кровельные материалы, герметики, уплотнители окон и дверей.
• Медицина — перчатки, катетеры, зонды, имплантаты.
• Электротехника — изоляция проводов и кабелей.
• Машиностроение — детали машин, уплотнения, манжеты.
• Бытовая химия и упаковка — клеи, лаки, плёнки.

Производство в России

Россия является одним из крупнейших производителей синтетического каучука в мире. Основные заводы расположены в:

• Нижнекамскнефтехим (Татарстан) — крупнейший производитель изопренового, бутадиен-стирольного, бутилкаучука.
• Воронежсинтезкаучук (Воронеж) — выпускает бутадиен-стирольный, бутадиен-нитрильный, изопреновый каучуки.
• Красноярский завод синтетического каучука (Красноярск) — производит бутадиеновый каучук.
• Стерлитамакский нефтехимический завод (Башкортостан) — выпускает изопреновый каучук.
• Тольяттикаучук (Самарская область) — производит бутадиен-стирольный, изопреновый каучуки.

Российские предприятия обеспечивают потребности внутреннего рынка и экспортируют продукцию в страны Европы, Азии и Америки.

Экологические аспекты

Производство синтетического каучука связано с использованием нефтехимического сырья, энергоёмкими процессами и образованием отходов. Основные экологические проблемы:

• Выбросы в атмосферу — летучие органические соединения, стирол, бутадиен.
• Сточные воды — содержат мономеры, катализаторы, эмульгаторы.
• Твёрдые отходы — отработанные катализаторы, кубовые остатки.

В настоящее время разрабатываются технологии «зелёного» синтеза каучука из возобновляемого сырья (биоэтанол, глицерин), а также методы утилизации и вторичной переработки резиновых отходов (регенерация резины, пиролиз, производство резиновой крошки).

Интересные факты

• Первый в мире завод по производству синтетического каучука был запущен в 1931 году в Ярославле (СССР).
• В 1950-х годах в СССР был разработан уникальный каучук СКИ-3 (изопреновый), по свойствам превосходящий натуральный.
• Синтетический каучук используется для производства не только шин, но и искусственных сердечных клапанов, космических скафандров, подводных кабелей.
• Около 70% всего производимого синтетического каучука идёт на изготовление автомобильных шин.

Источники

• Лебедев С. В. «Жизнь и труды». — М.: Издательство АН СССР, 1938.
• Кошелев Ф. Ф., Корнев А. Е., Климов Н. С. «Общая технология резины». — М.: Химия, 1978.
• «Энциклопедия полимеров» / Под ред. В. А. Кабанова. — М.: Советская энциклопедия, 1972–1977.
• «Синтетический каучук» / Под ред. И. В. Гармонова. — Л.: Химия, 1976.
• Данные отраслевых обзоров «Нефтехимия России» (2020–2023).