Стирол-бутадиеновый каучук

Стирол-бутадиеновый каучук (сокращённо СКС, СБК, СКД-С, SBR) — это синтетический каучук, получаемый путём эмульсионной или растворной сополимеризации бутадиена-1,3 и стирола. Является наиболее массовым видом синтетического каучука в мире, занимая доминирующее положение в производстве автомобильных шин и широкого спектра резинотехнических изделий.

История

Промышленное производство стирол-бутадиенового каучука началось в 1930-х годах в Германии и СССР. В 1929 году немецкие химики Эрих Конрад и Вальтер Бок разработали метод эмульсионной полимеризации бутадиена со стиролом, что позволило получить материал, по свойствам близкий к натуральному каучуку. В 1935 году в Германии был запущен первый завод по производству каучука под торговой маркой Buna S (от «бутадиен» и «натрий» — катализатор).

В СССР в 1932 году был разработан собственный метод синтеза на основе бутадиена, получаемого из пищевого спирта (метод С. В. Лебедева). С 1936 года началось промышленное производство стирол-бутадиенового каучука марки СКС-30 (содержание стирола 30 %). В годы Второй мировой войны США, лишившись поставок натурального каучука из Юго-Восточной Азии, форсировали выпуск SBR (Styrene-Butadiene Rubber), что привело к созданию крупнейшей в мире шинной промышленности на основе этого полимера.

После войны стирол-бутадиеновый каучук стал основным материалом для производства шин и резинотехнических изделий в большинстве стран мира. В 1960-х годах был разработан метод растворной полимеризации, позволивший получать каучуки с улучшенными характеристиками (СКД-С, S-SBR).

Классификация

Стирол-бутадиеновые каучуки классифицируются по нескольким признакам:

По способу полимеризации

Эмульсионные (E-SBR) — получают эмульсионной полимеризацией в водной среде с использованием эмульгаторов и инициаторов. Наиболее распространённый тип, выпускается в твёрдом (блоки) и жидком виде.
Растворные (S-SBR) — синтезируют в органических растворителях с использованием литийорганических или других катализаторов. Отличаются более узким молекулярно-массовым распределением, лучшей износостойкостью и меньшим гистерезисом.

По типу наполнения

Ненаполненные — без наполнителей, используются в производстве клеёв, герметиков, латексов.
Наполненные техническим углеродом (сажей) — основная масса для шинной промышленности.
Наполненные маслом (маслонаполненные) — содержат до 50 % пластификаторов (нефтяных масел), что улучшает перерабатываемость и морозостойкость.

По содержанию стирола

Низкостирольные (до 15 % стирола) — эластичные, морозостойкие.
Среднестирольные (23–30 % стирола) — оптимальный баланс прочности и эластичности.
Высокостирольные (до 50 % и более стирола) — жёсткие, износостойкие, близкие по свойствам к пластикам.

Химический состав и структура

Стирол-бутадиеновый каучук представляет собой статистический сополимер, в макромолекулах которого звенья бутадиена и стирола распределены случайным образом. Бутадиен может находиться в трёх конфигурациях: 1,4-цис-, 1,4-транс- и 1,2-звенья (винильные). Соотношение этих форм влияет на свойства каучука.

Молекулярная масса промышленных марок колеблется от 100 000 до 500 000 г/моль. Содержание стирола обычно составляет 23–30 % по массе для шинных марок, но может варьироваться от 5 до 55 %.

Свойства

Физические

Плотность: 0,91–0,94 г/см³.
Температура стеклования: от -50 °C (для низкостирольных) до -20 °C (для высокостирольных).
Прочность при растяжении: 15–25 МПа (в вулканизованном виде с наполнителями).
Относительное удлинение при разрыве: 400–600 %.
Эластичность: ниже, чем у натурального каучука, но выше, чем у многих других синтетических каучуков.

Химические

Маслостойкость: низкая (набухает в нефтепродуктах).
Стойкость к окислению: средняя, требует введения антиоксидантов.
Стойкость к тепловому старению: удовлетворительная до 100 °C.
Озоностойкость: низкая (растрескивается под действием озона, поэтому в резиновые смеси добавляют противоозонанты).
Газопроницаемость: выше, чем у натурального каучука, но ниже, чем у бутилкаучука.

Эксплуатационные

Износостойкость: высокая, особенно у растворных марок.
Сопротивление истиранию: на 30–50 % выше, чем у натурального каучука.
Сцепление с дорогой: хорошее для мокрого покрытия (особенно у каучуков с высоким содержанием стирола).
Сопротивление качению: выше, чем у натурального каучука, что увеличивает расход топлива.

Производство

Эмульсионный метод

Подготовка мономеров: бутадиен-1,3 (газ) и стирол (жидкость) очищают от ингибиторов.
Эмульгирование: мономеры диспергируют в воде с помощью эмульгаторов (мыла, алкилсульфонаты).
Полимеризация: при температуре 5–50 °C в присутствии инициаторов (персульфат калия, гидропероксиды) и регуляторов молекулярной массы (меркаптаны). Реакция идёт до конверсии 60–70 %.
Дезактивация: добавление стоппера (гидрохинон) для прекращения реакции.
Выделение каучука: латекс коагулируют кислотой или солью, отделяют крошку, промывают и сушат.
Упаковка: каучук прессуют в блоки по 25–35 кг.

Растворный метод

Растворение мономеров в органическом растворителе (гексан, циклогексан).
Полимеризация: под действием литийорганических катализаторов (n-бутиллитий) при температуре 30–80 °C.
Дезактивация и отмывка от катализатора.
Выделение: удаление растворителя в вакууме или горячей водой.
Сушка и грануляция.

Применение

Основные области применения стирол-бутадиенового каучука:

Шинная промышленность

Протекторы и боковины легковых, грузовых и автобусных шин.
Около 70 % всего производимого SBR используется в шинах.

Резинотехнические изделия (РТИ)

Конвейерные ленты, ремни, шланги, рукава.
Уплотнители, прокладки, амортизаторы.
Подошвы обуви (особенно высокостирольные марки).

Клеи и герметики

Латексы на основе SBR применяются в производстве клеёв для бумаги, дерева, текстиля.
Герметики для строительства и автомобилестроения.

Модификация асфальта и битума

Добавление SBR улучшает эластичность, трещиностойкость и долговечность дорожных покрытий.

Пластмассы

Ударопрочный полистирол (УПС) — содержит до 10 % SBR, что повышает ударную вязкость.
АБС-пластик (акрилонитрил-бутадиен-стирол) — сополимер, включающий бутадиеновый каучук.

Прочие

Спортивные покрытия (беговые дорожки, игровые площадки).
Электроизоляция (в смесях с другими каучуками).
Игрушки и товары народного потребления.

Преимущества и недостатки

Преимущества

Высокая износостойкость и прочность.
Хорошее сцепление с мокрой дорогой.
Низкая стоимость по сравнению с натуральным каучуком.
Хорошая перерабатываемость (смешивается с наполнителями, пластификаторами, вулканизующими агентами).
Возможность регулирования свойств за счёт состава и технологии.

Недостатки

Более высокое сопротивление качению (выше расход топлива) по сравнению с натуральным каучуком.
Низкая масло- и бензостойкость.
Плохая стойкость к озону и тепловому старению (требует добавок).
Меньшая эластичность и упругость, чем у натурального каучука.
Выделение летучих органических соединений при производстве и переработке.

Экологические аспекты

Производство стирол-бутадиенового каучука связано с выбросами стирола (токсичного вещества) и летучих органических соединений. Современные предприятия оснащаются системами очистки выбросов. Отходы производства (непрореагировавшие мономеры, сточные воды) подлежат рециклингу или обезвреживанию.

Вторичная переработка SBR сложна из-за наличия вулканизационной сетки. Основные методы утилизации: пиролиз, сжигание с получением энергии, использование в качестве наполнителя в асфальтобетонных смесях. Разрабатываются технологии девулканизации для повторного использования.

Рынок и экономика

Мировое производство стирол-бутадиенового каучука в 2023 году составило около 8,5 млн тонн. Крупнейшие производители: Sinopec (Китай), Lanxess (Германия), Michelin (Франция), Goodyear (США), Bridgestone (Япония). В России основными производителями являются: «Воронежсинтезкаучук» (входит в «Сибур»), «Нижнекамскнефтехим» (входит в «Татнефть»), «Красноярский завод синтетического каучука».

Цены на SBR зависят от стоимости сырья (бутадиен, стирол) и спроса со стороны шинной промышленности. В 2024 году средняя цена эмульсионного SBR составляла 1,5–2,0 доллара за кг, растворного — 2,0–2,8 доллара за кг.

Источники

Коршак В. В. Технология синтетических каучуков. — М.: Химия, 1980.
Морозов Ю. Л., Донцов А. А. Синтетические каучуки: свойства, переработка, применение. — СПб.: Профессия, 2010.
Brydson J. A. Rubbery Materials and Their Compounds. — Elsevier, 1988.
Mark J. E., Erman B., Eirich F. R. Science and Technology of Rubber. — Academic Press, 2013.
Отчёт «Синтетические каучуки: рынок России и мира», Аналитический центр «Сибур», 2023.
ГОСТ 15627-79 «Каучуки синтетические стирол-бутадиеновые. Технические условия».

BFOmetr — база данных и аналитика по компаниям России.

На главную BFOmetr →