Kaučiukas

KAUČIUKAS

Kaučiukas yra viena svarbiausiųjų techninių žaliavų. Iš jo gaminami įvairiausi gumos dirbiniai, naudojami pramonėje ir buityje. Ypač daug jo sunaudojama automobilių padangoms – net 60% visos pasaulinės produkcijos. Iš jo dalies gaminami įvairiausi kiti daiktai: transporterių juostos, guminės žarnos, amortizatoriai, guminė avalynė, sanitarijos-higienos reikmenys, gausybė detalių, naudojamų įvairiausiose pramonės šakose, mechanizuotame žemės ūkyje ir transporte.

Pramonėje sutinkamas dviejų rūšių kaučiukas: natūralusis, arba gamtinis, ir sintetinis.

Žmonija pirmiausia susipažino su natūraliuoju kaučiuku. Didžiausios Pietų Amerikos upės – Amazonės ir jos intakų pakrantėse nuo seniausių laikų auga kaaučiukmedis hevėja. Jau prieš kelis šimtmečius Pietų Amerikos indėnai pastebėjo, kad, sužeidus kaučiukmedį, iš jo ima tekėti tirštos baltos sultys – lateksas. Lateksui gauti hevėjos medžio kamienas yra suraižomas, ir pro jo žaizdas teka šis skystis. Jis yra surenkamas ir veikiamas rūgštimis, druskomis ir šildomas. Taip paveiktas kaučiukas koaguliuoja ir atsiskiria nuo vandeningo skysčio minkštos, lengvai formuojamos masės pavidalu. Tai ir yra grynas kaučiukas. Žodis „kaučiukas”(„kao”- medis, „čou”- tekėti, ašaroti) yra indėniškas ir reiškia „medžio ašaras”.

Europos gyventojai su kaučiuku pirmą kartą suusipažino prieš 500 metų Haičio saloje. Čia jie matė kaip vietos gyventojai žaidė žaidimą su sviediniu, pagamintu iš kaučiuko ir turintys savybę atšokti nuo kieto paviršiaus, tačiau jie net nepagalvojo, kad ši medžiaga ateityje turės tokią didelę reikšmę ir įvykdys tikrą re

evoliuciją technikoje.

XIX a. Pradžioje kaučiuką bandyta naudoti nepermirkstantiems drabužiams, diržams, kaliošams ir kitiems gaminiams gaminti. Tačiau greitai buvo pastebėta, kad šie gaminiai yra geri ir patogūs, tik esant vidutinei temperatūrai, karštyje jie pasidarydavo minkšti ir lipnūs, šaltyje – kieti ir trapūs. Tuomet daug tyrinėtojų ėmė ieškoti būdų kaučiuko savybėms pakeisti, padaryti jį patvarų temperatūrų svyravimams. Ta pavyko padaryti 1839 m. amerikiečiui Č. Gudjirui ir 1843 m. anglui T. Genkokui. Jie pastebėjo, kad šildant kaučiuką su siera 400 temperatūroje, pasigamina naujas produktas, kuris yra patvarus tiek šiltame, tiek ir šaltame ore. Šis produktas buvo pavadintas guma, o gumos gavimo iš kaučiuko procesas pavadintas vulkanizacija.

Atradus vulkanizacijos procesą, kaučiuko (gumos pavidalu) pritaikymas ėmė greitai plisti. Daugiausia kaučiuko sunaudojama automobilių, lėktuvų, dviračių padangų ir kamerų gamybai. Pagal savo reikšmę kaaučiukas prilygsta plienui, naftai, akmens angliai.

Natūralaus kaučiuko sudėtis ir sandara. Kokybinė analizė rodo, kad kaučiuką sudaro du elementai – anglis ir vandenilis, t.y. jis priklauso angliavandenilių klasei.

Kiekybinė jo analizė rodo, kad natūralaus kaučiuko formulė yra C5H8. Nustatant molekulinę masę, pasirodė, kad ji siekia keletą šimtų tūkstančių (150 000 – 500 000). Taigi kaučiukas – gamtinis polimeras. Jo molekulinė formulė (C5H8)n. Stipriai kaitinamas, jis skyla į izopreną (2-metilbutadieną-1,3):

(C5H8)n → nCH2 = C – CH = CH2

CH3

Dėl savo elastingumo gamtinis kaučiukas yra labai atsparus trinčiai. Taip pat jis vertinamas dėl to, kad nepraleidžia vandens ir
r dujų yra geras elektros izoliatorius vandenyje kaučiukas praktiškai netirpsta. Etilo alkoholyje jo tirpumas nedidelis, o anglies disulfide, chloroforme ir benzine jis iš pradžių išbrinksta, po to ištirpsta.

Natūralus kaučiukas yra linijinės struktūros izopreno polimeras. Svarbiausia jo savybė yra didelis elastingumas – gebėjimas stipriai išsitemti dėl išorinės jėgos poveikio ir atgauti pradinę formą, kai ši jėga nustoja veikusi.

Kitas gamtinis izopreno polimeras – gutaperčia – nėra tamprus. Tokį savybių skirtumą lemia nevienoda molekulių struktūra. Ir kaučiukas, ir gutaperčia yra ne tik reguliarios struktūros, bet ir stereoreguliarūs. Kaučiuko polimero grandinės fragmentai prie kiekvienos dvigubos jungties yra ciskonfigūracijos, o gutaperčios – transkonfigūracijos. Taigi abiejų polimerų struktūrinė formulė yra tokia pat, bet erdvinės formulės skirtingos:

CH3 CH3

Natūralaus kaučiuko fragmentas

CH3 CH3

CH3 CH3 CH3 CH3

Gutaperčios makromolekulės fragmentas

Gutaperčios molekulių tarpusavio trauka daug stipresnė, nes jos ištiestos konformacijos molekulės gali būti arčiau viena kitos, negu kaučiuko molekulės, kurioms suartėti kliudo į skirtingas puses nukrypusios metilo grupės. Todėl šiluminis judėjimas „suvynioja” kaučiuko molekules į kamuolius. Kaučiuko gabalą tempiant, globulės „išvyniojamos”, o jį paleidus, šiluminis judėjimas vėl „suvynioja” molekules. Visos gutaperčios molekulės tiesios, o tempiamas šio polimero gabalas suyra.

Vulkanizacija – gaminio, suformuoto iš kaučiuko, nedidelio kiekio sieros ir užpildo (dažniausiai suodžių arba kreidos miltelių) mišinio, kaitinimas.

Vulkanizuojant kaučiuko molekulės tarsi „susiuvamos” disulfidiniais tilteliais į vieną erdvinę makromolekulę, ir susidaro erdvinis polimeras –

guma.

Naujajam produktui būdingos visiškai kitos savybės; guma nelimpa, netirpsta benzine, o tik brinksta jame. Nesikeičia gumos dirbinių forma, jie mažiau tamprūs už kaučiuko dirbinius. Be to, gumos kietėjimo temperatūra žemesnė negu kaučiuko. Dėl šių savybių guma tapo svarbia medžiaga, reikalinga visuose žmonių veiklos srityje. Daugiausia gumos suvartojama padangoms gaminti.

Jeigu į kaučiuką įdėsime daugiau sieros, negu reikia gumai susidaryti, tai vulkanizuojant molekulės bus „susiūtos” daugelyje vietų ir medžiaga praras elastingumą, pasidarys kieta – gausime ebonitą. Kol nebuvo atrastos dabartinės plastmasės, ebonitas buvo laikomas geriausiu elektros izoliatoriumi.

Sintetinis kaučiukas. Daugelyje atogrąžų kraštų kaučiukui gauti auginamos hevėjos medžių plantacijos. Tačiau gamtinių kaučiuko išteklių neužteko, kad būtų visiškai patenkinta greitai didėjanti jo paklausa. Reikėjo ieškoti būdų sintetiniam kaučiukui gauti.

1926 m. Tarybinė vyriausybė paskelbė tarptautinį konkursą geriausiam pramoniniam sintetinio kaučiuko gamybos būdui surasti. Šį konkursą laimėjo tarybiniai chemikai S.Lebedevas, pasiūlęs sintetinio kaučiuko gamybos metodą iš etilo alkoholio, ir B.Bykovas – iš naftos. Tarybų Sąjunga buvo pirmoji šalis pasaulyje, organizavusi sintetinio kaučiuko gamybą plačiu mastu.

Kurdamas kaučiuko sintezę, S.Lebedevas ėmė pavyzdį iš gamtos. Kadangi natūralus kaučiukas – dieninio angliavandenilio polimeras, mokslininkas taip pat panaudojo dieninį angliavandenilį, tik paprastesnį ir prieinamesnį – butadieną CH2 = СH – CH = CH2. Šiam tikslui butadienas buvo gaunamas iš etilo alkoholio.

Butadieno polimerizacija S.Lebedevo metodu vykdoma, naudojant katalizatorių – metalinį natrį. Šiuo būdu gaunamas bu
utadieninis kaučiukas nepraleidžia vandens ir dujų. Tačiau jis mažiau elastingas už natūralų kaučiuką ir greičiau susidėvi, todėl dabar netenka savo reikšmės.

Sintetinių kaučiukų cheminė sudėtis ir struktūra, vadinasi, ir fizinės bei cheminės savybės gali būti labai įvairios ir smarkiai skirtis nuo natūraliojo kaučiuko savybių. Tuo ir pasireiškia didelis sintetinių kaučiukų pranašumas, nes, keičiant kaučiukų sudėtį ir struktūra, jiems galima suteikti tokias savybes, kurių neturi natūralusis kaučiukas. Tačiau natūralusis kaučiukas pralenkia juos visus tik viena savybe – elastingumu. Ši savybė svarbiausia, gaminant tokius gaminius, kaip automobilių ir lėktuvų padangos, kurios judant įvairiai deformuojasi.

Pagal žaliavą sintetinį kaučiuką galima suskirstyti į dvi klases; į pagamintą iš vieno monomero ir pagamintą iš kopolimerų (iš dviejų arba trijų monomerų). Pagal vartojimą sintetinius kaučiukus galima skirstyti į dvi grupes: 1) plataus vartojimo kaučiukus padangoms ir kitiems gumos dirbiniams gaminti ir 2) specialiuosius kaučiukus. Pastarieji pasižymi savitomis savybėmis, ir iš jų pagaminti gumos dirbiniai gali būti eksplotuojami daug sunkesnėmis sąlygomis negu pagaminti iš paprastojo kaučiuko. Svarbiausios tokių kaučiukų savybės: terminis atsparumas (iki +2500C ir aukštesnės temperatūros), laidumas srovei, cheminis atsparumas rūgštims, šarmams, oksidatoriams, organiniams tirpikliams, degalams, tepalams, dujoms ir kt.

Sintetinių kaučiukų pagrindinės rūšys

Kaučiukas Pradinės medžiagos Specialiosios savybės

Bendrosios paskirties kaučiukai

Natrio butadienas Butadienas

Divinilo stirolinis Butadienas ir stirolas

Divinilo metilstirolinis Butadienas ir metilstirolas

Izopreninis Izoprenas

Specialieji kaučiukai

Butadieno nitrilinis Butadienas ir akrilo nitrilas Atsparus šilumai, benzinams ir tepalams

Chloropreno (nairitas) Chloroprenas Atsparus šilumai, benzinui, ozonui ir tepalams. Galima vartoti ir kaip bendrosios paskirties kaučiuką.

Poliizobutilenas Izobutilenas Patvarus chemiškai

Butilo kaučiukas Izoprenas ir izobutilenas Nepraleidžia dujų, patvarus chemiškai

Tikolinis Dichloretanas arba dichlordietilo eteris Atsparus tepalams ir benzinui

Poliesteruretaninis Diizoncianatas ir dihidroksilinis alkoholis Stiprus ir atsparus dilimui

Siloksaninis Silicio organiniai junginiai Galima eksploatuoti nuo –60 iki +250 – 3000C

Nežiūrint visų gerųjų sintetinių kaučiukų savybių ir jų plataus naudojimo, būtų netikslinga teigti, kad jie visai išstūmė natūralųjį kaučiuką. Savo elastingumu ir puikiais klijavimo gabumais natūralus kaučiukas dar tebepirmauja. Todėl tokiems dirbiniams, kaip pavyzdžiui sunkiasvorių sunkvežimių bei lenktyninių automobilių padangoms, dar tebenaudojamas natūralus kaučiukas. Jis taip pat tebelieka nepakeičiamas chirurginių pirštinių gamyboje.

Tačiau nebetoli tas laikas, kada bus pagaminti sintetiniai kaučiukai, kurie savo savybėmis prilygs natūraliesiems, o gal ir pralenks juos. Pramonė vis daugiau ir daugiau sunaudoja kaučiuko, todėl jo gamyba pasaulyje nuolat didėja.

Naudota literatūra:

1. L.Cvetkovas „Organinė chemija”

2. I. Muchlionovas, A. Averbuchas, D.Kuznecovas, A.Amelinas, J.Tumarkina, I.Furmer „Bendroji cheminė technologija”

3. V.Potapovas „Organinė chemija”

4. G.Rudzytis, F.Feldmanas „Organinė chemija”

Leave a Comment