Натуральный каучук

                           СОДЕРЖАНИЕ

 

   Введение. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1.Физико-химические свойства натурального  каучука. . . . . . . . . . . . . . . . . .

2.Варианты технологических оформлений производственных установок для синтеза натурального каучука. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3.Применение натурального каучука. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

4.Техника безопасности и охрана окружающей среды. . . . . . . . . . . . . . . . . .

   Выводы. . . .  . . . . . . . . . . .  . . . . . . . . . . .  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 

   Список используемой  литературы. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                                           ВВЕДЕНИЕ

 

Натуральный (природный) каучук (НК) представляет собой

высокомолекулярный непредельный углеводород, молекулы которого содержат большое количество двойных связей; состав его может быть выражен формулой (C5H8)n (где величина n составляет от 1000 до 3000 он является полимером изопрена:

                 

 

Каучуки — натуральные  или синтетические материалы, характеризующиеся эластичностью, водонепроницаемостью и электроизоляционными свойствами, из которых путём специальной обработки получают резину. Природный каучук получают из жидкости молочно-белого цвета, называемой латексом, — млечного сока каучуконосных растений.

 Каучук существует столько лет, сколько и сама природа. Окаменелые остатки каучуконосных деревьев, которые были найдены, имеют возраст около трёх миллионов лет. Каучук на языке индейцев тупи-гуарани означает «слёзы дерева».

На острове Гаити (а  тогда — Эспаньола) во время своего второго путешествия в 1493 году испанский адмирал Христофор Колумб увидел туземцев, игравших большим плотным мячом. Испанцы были удивлены весёлой игрой индейцев. Они в такт песне подбрасывали чёрные шары. Хотя это казалось невероятным, но, ударяясь о землю, мячи довольно высоко подскакивали в воздух. Взяв эти шары в руки, испанцы нашли, что они довольно  тяжелы, липки и пахнут дымом.

 Индейцы скатывали  их из загустевшего млечного  сока, вытекавшего из порезов  на коре дерева гевеи. Колумб привёз несколько кусков этого удивительного вещества на родину, но в те времена он  никого не заинтересовал. Индейцы делали из него непромокаемые калоши, которые в жару прилипали к ногам, а, растянувшись, больше уже не сжимались.

В 1834 году немецкий химик Фридрих Людерсдорф и американский химик Натаниель Хейвард обнаружили, что добавление серы к каучуку уменьшает или даже вовсе устраняет липкость изделий из каучука. Американский изобретатель Чарльз Гудьир  с 1834 г. упорно пытался «спасти» каучук. Но только в 1839 г. ему повезло. В этом году он, используя открытия этих двух химиков, обнаружил, что нагревание каучука с серой устраняет его неблагоприятные свойства. Он положил на печь кусок покрытой каучуком ткани, на которую был нанесён слой серы. Через некоторое время он обнаружил кожеподобный материал — резину. Этот процесс был назван вулканизацией. Открытие резины привело к широкому её применению.

Годовая производительность одного гектара гевеи до Второй Мировой войны составляла 300—400 кг технического каучука. Такие объёмы натурального каучука не удовлетворяли растущие потребности промышленности. Поэтому возникла необходимость получить синтетический каучук. Замена натурального каучука синтетическим даёт огромную экономию труда.

 Современная, всё  развивающаяся и усложняющаяся техника требовала каучуки хорошие и разные; каучуки, которые не растворялись бы в маслах и бензине, выдерживали высокую и низкую температуру, были бы стойки к действию окислителей и различных агрессивных сред.

В 1910 году С. В. Лебедеву впервые удалось получить синтетический каучук и бутадиен. Сырьём для получения синтетического каучука служил этиловый спирт, из которого получали 1,3-бутадиен  (он оказался более доступным продуктом, чем изопрен). Затем через реакцию полимеризации в присутствии металлического натрия получали синтетический бутадиеновый каучук.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА НАТУРАЛЬНОГО КАУЧУКА

 

Физические свойства

Натуральный каучук —  аморфное, способное кристаллизоваться  твёрдое тело. Природный необработанный (сырой) каучук — белый или бесцветный углеводород. Он не набухает и не растворяется в воде, спирте, ацетоне и ряде других жидкостей. Набухая и затем растворяясь в жирных и ароматических углеводородах (бензине, бензоле, эфире и других) и их производных, каучук образует коллоидные растворы, широко используемые в технике.

Натуральный каучук однороден  по своей молекулярной структуре, отличается высокими физическими свойствами, а также технологическими, то есть, способностью обрабатываться на оборудовании заводов резиновой промышленности.

Особенно важным и  специфическим свойством каучука является его эластичность (упругость) — способность каучука восстанавливать свою первоначальную форму после прекращения действия сил, вызвавших деформацию. Каучук — высокоэластичный продукт, обладает при действии даже малых усилий обратимой деформацией растяжения до 1000%, а у обычных твёрдых тел эта величина не превышает 1%.

Эластичность каучука  сохраняется в широких температурных  пределах, и это является характерным его свойством. Но при долгом хранении каучук твердеет.При температуре жидкого воздуха –195°C он жёсткий и прозрачный; от 0 ° до 10°C — хрупкий и уже непрозрачный, а при 20 °C — мягкий, упругий и полупрозрачный. При нагреве свыше 50 °C он становится пластичным и липким; при температуре 80 °C натуральный каучук теряет эластичность; при 120 °C —превращается в смолоподобную жидкость, после застывания которой уже невозможно получить первоначальный продукт. Если поднять температуру до 200—250 °C, то каучук разлагается с образованием ряда газообразных и жидких продуктов.

Каучук — хороший  диэлектрик, он имеет низкую водо- и  газопроницаемость.

Каучук не растворяется в воде, щёлочи и слабых кислотах; в этиловом спирте его растворимость небольшая, а в сероуглероде, хлороформе и бензине он сначала набухает, а уж затем растворяется.

Легко окисляется химическими  окислителями, медленно — кислородом воздуха.

Теплопроводность каучука  в 100 раз меньше теплопроводности стали.

Наряду с эластичностью, каучук ещё и пластичен — он сохраняет форму,приобретённую под действием внешних сил. Пластичность каучука, проявляющаяся при нагревании и механической обработке, является одним из отличительных  свойств каучука. Так как каучуку присущи эластические и пластические свойства, то его часто называют пласто-эластическим материалом. При охлаждении или растяжении натурального каучука наблюдается переход его из аморфного в кристаллическое состояние (кристаллизация). Процесс происходит не мгновенно, а во времени. При этом в случае растяжения каучук нагревается за счёт выделяющейся теплоты кристаллизации. Кристаллы каучука очень малы, они лишены чётких граней и определённой геометрической формы. При температуре около –70 °C каучук полностью теряет эластичность и превращается в стеклообразную массу.

Вообще все каучуки, как аморфные материалы, могут находиться в трёх физических состояниях: стеклообразном, высокоэластическом и вязкотекучем. Высокоэластическое состояние для каучука наиболее типично.

Химические свойства

Каучук легко вступает в химические реакции с целым рядом веществ: кислородом (O2), водородом (H2), галогенами (Cl2, Br2), серой (S) и другими. Эта высокая реакционная способность каучука объясняется его ненасыщенной химической природой. Особенно хорошо реакции проходят в растворах каучука, в которых каучук находится в виде молекул сравнительно крупных коллоидных частиц.

Почти все химические реакции приводят к изменению  физических и химических свойств каучука: растворимости, прочности, эластичности и других. Кислород и, особенно, озон, окисляют каучук уже при комнатной температуре. Внедряясь в сложные и большие молекулы каучука, молекулы кислорода разрывают их на более мелкие, и каучук, деструктурируясь, становится хрупким и теряет свои ценные технические свойства. Процесс окисления лежит также в основе одного из превращений каучука — перехода его из твёрдого в пластичное состояние.

    

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2.ВАРИАНТЫ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ОфОРМЛЕНИЙ ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ УСТАНОВОК ДЛЯ СИНТЕЗА НАТУРАЛЬНОГО КАУЧУКА

 

Каучук в гевее содержится в млечном соке — латексе, распределённом в

млечных каналах, которые образуют в стволе концентрические кольца.

Латекс состоит из мельчайших частичек жидкости, твёрдых частиц и других примесей. Только около 33% латекса составляет каучук, 66% вода и около 1% другие вещества. Для сбора латекса с деревьев на коре делается диагональный остроугольный надрез, вершиной угла направленный вниз, затем надрез расширяют до 0,3—0,5 от окружности ствола. Из надреза выделяется латекс и стекает в небольшую чашу. С каждого надреза получается около 30 мл латекса. После этого обычно на следующий день ниже первоначального надреза обдирается тонкая полоска коры, чтобы получить новый сок. Когда надрезы достигают поверхности земли, ствол оставляют в покое, чтобы он смог восстановить кору на дереве перед новой подсочкой. На 1 гектаре высаживается около 250 деревьев, в год с 1 гектара получают около 450 кг сухого необработанного каучука. Со специально выведенных высокоурожайных деревьев можно получить 2225 кг с гектара в год,были разработаны опытные деревья с урожайностью до 3335 кг с гектара в год.

Полученный латекс растягивают, разбавляют водой и подвергают коагуляции путём обработки кислотой, чтобы частицы каучука в латексе сцепились друг с другом. Затем производят протягивание между валками, придавая листам толщину 0,25 дюйма (≈0,6 см), полученные листы высушивают путём обдувания сухим тёплым воздухом или дымом, и отправляют на погрузку.

Интересно, что существует природный  геометрический изомер каучука –  гуттаперча, представляющая собой транс-1,4-полиизопрен:

                        

 

Различия в пространственном расположении заместителей у каучука и гуттаперчи приводят к тому, что и форма  макромолекул этих веществ тоже различна. Молекулы каучука закручены в  клубки. Если ленту из каучука растягивать, деформировать, то молекулярные клубки будут выпрямляться в направлении прилагаемой сил, и лента будет удлиняться. Однако молекулам каучука энергетически выгоднее находиться в первоначальном состоянии, поэтому, если натяжение прекратить, молекулы опять свернутся в клубки, и размеры ленты станут прежними. Конечно, нельзя увеличивать нагрузку на ленту до бесконечности – рано или поздно деформация будет необратимой, лента порвется.

 Молекулы гуттаперчи не закручены  в клубки так, как каучук. Они вытянуты даже без нагрузок, поэтому гуттаперча менее эластична.

 Эластичность – это способность  к обратимой деформации, особое  свойство некоторых полимеров,  характерное для лишь при определенных  значениях температур. При нагревании  каучук из эластичного состояния переходит в вязкотекучее. Силы взаимодействия между молекулами ослабевают, полимер не сохраняет форму и напоминает очень вязкую жидкость. При охлаждении каучук из эластичного переходит в стеклообразное состояние, становится похож на твердое тело. Такой полимер легко и обратимо не растягивается при приложении нагрузки. Он сразу рвется, если нагрузка слишком велика. Полимеры в стеклообразном состоянии могут быть хрупкими, их можно сломать или даже разбить, например, морозной зимой может растрескаться сумка из кожзаменителя, т.к. при низких температурах он переходит в стеклообразное состояние).

 Что же происходит с каучуком  при вулканизации? Когда каучук  нагревают с серой, макромолекулы  каучука «сшиваются» друг с  другом серными мостиками. Из  отдельных макромолекул каучука образуется единая трехмерная пространственная сетка. Изделие из такого материала (резины) прочнее, чем из каучука, и сохраняет свою эластичность в более широком интервале температур.

 Сейчас известно  много вулканизирующих агентов,  однако при производстве резины  по-прежнему широко используют  серу. В качестве ускорителей  вулканизации применяют 2-меркаптобензтиазол  и некоторые его производные.  Возможна и радиационная вулканизация  и вулканизация с помощью органических пероксидов. Вулканизации обычно подвергают смесь каучука с различными добавками, придающими резине необходимые свойства, и наполнителями, снижающими стоимость резины (сажа, мел).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

     

 

 

 

                                      

1-расческа из натурального каучука                          2-сапоги из натурального каучука

 

 

 

         

                                         

 

3-сумка из натурального каучука                                4-ластик из натурального каучука

 

 

 

 

                                                           

5-термо-грелка из натурального  каучука                     5-игрушки из натурального каучука

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 3. ПРИМЕНЕНИЕ НАТУРАЛЬНОГО КАУЧУКА

 

Каучук применяется  для изготовления резины. Для этого составляют так называемую резиновую смесь, в которую кроме каучука вводят еще целый ряд ингредиентов, каждый из которых имеет определенное название. Первый из них является вулканизирующим агентом (чаще всего мера). В результате вулканизации каучук превращается в прочную, эластичную, упругую массу – резину.

В результате вулканизации молекулы каучука «сливаются» между  собой дисульфидными мостиками  в одну трехмерную макромолекулу, и  образуется пространственный полимер  – резина:

 

Каучуки, вулканизированные только в смеси с вулканизирующими агентами, не обладают необходимыми для различных целей жесткостью, сопротивлением растяжению, истиранию и разрыву. Эти свойства можно придать каучуку, добавляя в резиновую смесь так называемые наполнители.

С целью предупреждения «старения» каучука, т.е. потери каучуком эластичности и других ценных свойств, в резиновую смесь вводят различные  стабилизаторы – антиокислители (например, фенил-в-нафтиламин). Чтобы  ускорить процесс вулканизации, в  резиновую смесь вводят небольшие количества органических соединений, которые называют ускорителями (меркаптобензтиазол, дифенилгуанидин и др.). Оказалось, что наиболее эффективного использования ускорителей вулканизации необходимо присутствие некоторых других химических веществ (обычно смесей металлов), наиболее эффективно в присутствии растворимых в каучуке мыл (солей жирных кислот), которые могут образоваться в процессе вулканизации.

Каучук имеет огромное народнохозяйственное значение. Резиновые изделия применяют в технике для изоляции проводов, изготовления различных шин, в военной промышленности, в производстве промышленных товаров: обуви, искусственной кожи, прорезиненной одежды, медицинских изделий.

Наиболее крупными потребителями  резиновых технических изделий  являются автомобильная промышленность и сельскохозяйственное машиностроение. Степень насыщенности резиновыми изделиями — один из основных признаков совершенства, надёжности и комфортабельности массовых видов машиностроительной продукции. В составе механизмов и агрегатов, современных автомобиля и трактора имеются сотни наименований и до тысячи штук резиновых деталей, причём одновременно с увеличением производства машин возрастает их резиноёмкость.

В зависимости  от структуры  резину делят на непористую (монолитную) и пористую.

 Непористую резину  изготовляют на основе бутадиенового  каучука. Она отличается высоким  сопротивлением истиранию. Резина  не пропускает воду и практически в ней не набухает. Уступает коже по морозостойкости и теплопроводности, что снижает теплозащитные свойства обуви. И наконец, резина является абсолютно воздухо- и паронепроницаемой. Непористая резина бывает подошвенная,  кожеподобная, и транспарентная.

 Обычную непористую  резину применяют для изготовления  формованных подошв, накладок, каблуков, полукаблуков, набоек и других деталей низа обуви.

 Пористые резины  применяют в качестве подошв  и платформ для весенне-осенней  и зимней обуви. 

 Кожеподобная резина  — это резина для низа обуви,  изготовленная на основе каучука  с  высоким содержанием стирола (до 85%). Повышенное содержание стирола придаёт резинам твёрдость, вследствие чего возможно снижение их толщины до 2,5—4,0 мм при сохранении хороших защитных функций.

 Эксплуатационные  свойства кожеподобной резины  сходны со свойствами натуральной  кожи. Она обладает высокой твёрдостью и пластичностью, что позволяет создавать след обуви любой  формы. Она имеет высокую износостойкость благодаря хорошему сопротивлению истиранию и устойчивости к многократным изгибам.

 Недостатком этой  резины являются невысокие гигиенические свойства: высокая теплопроводность и отсутствие гигроскопичности и воздухонепроницаемости.

 Кожеподобные резины  применяют в качестве подошвы  и каблука при  изготовлении  летней и весенне-осенней обуви  клеевого метода крепления. 

 Транспарентная резина — это полупрозрачный материал с высоким содержанием натурального каучука. Отличается высоким сопротивлением истиранию и твёрдостью, по износостойкости превосходит все виды резин. Транспарентные резины выпускают в виде формованных подошв (вместе с каблуками), с глубоким рифлением на ходовой стороне.

 Разновидностью транспорентной резины является стиронип, который содержит большее количество каучука. Сопротивление многократному изгибу у стиронипа в три с лишним раза выше, чем у обычных непористых резин. Стиронип применяется при изготовлении обуви клеевого метода крепления.

 Резина пористой  структуры имеет замкнутые поры, объём которых в  зависимости  от вида резины колеблется  от 20 до 80 % её общего объёма. Эти  резины имеют ряд преимуществ  по сравнению с непористыми резинами: повышенные мягкость, гибкость, высокие амортизационные свойства, упругость.

 Недостатком пористых  резин является способность давать  усадку, а также выкрашиваться  в носочной части при ударах. Для повышения твёрдости  пористых резин в их состав вводят полистирольные смолы.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4.ТЕХНИКА БЕЗОПАСНОСТИ И ОХРАНА ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ

 

Выбросы предприятий промышленности синтетического каучука могут быть постоянными технологическими, периодическими технологическими, санитарно-техническими (вентиляционные), аварийными. К выбросам относятся также дымовые газы печей, газы факела, аэрозоли градирен оборотного водоснабжения и сооружений биологической очистки сточных вод.

Основными причинами  выбросов являются неполная дегазация латекса или крошки каучука, отсутствие установок обезвреживания вредных веществ от агрегатов сушки каучука и недостаточная герметичность технологического оборудования (особенно перекачивающего - насосов, компрессоров).

Выбросы углеводородов в атмосферу от агрегатов выделения и сушки каучуков происходят через вытяжную вентиляцию. Общеобменная вытяжная вентиляция также служит источником загрязнения атмосферного воздуха газами, выделяющимися от оборудования, установленного в закрытых помещениях (через неплотности сальников насосов, компрессоров, запорной арматуры и др.). В цехе выделения каучука количество выбрасываемых из сушилок вредных примесей в отдельные периоды достигает 90 кг/ч.

Неудовлетворительная  организация ремонтных работ  и чистка химической аппаратуры представляют собой дополнительный источник выделения в воздушную среду вредных паров и газов.

Значительные концентрации углеводородов отмечаются в воздушной  среде цехов эмульсионной полимеризации, выделения каучуков и др. На заводских площадках источниками загрязнения воздушного бассейна являются воздушки и отдувки от технологических аппаратов, выбросы вытяжных вентиляционных систем и неплотности в соединениях трубопроводов и оборудования, расположенных на наружных установках. Значительными источниками загрязнения околоземных слоев атмосферы над площадками заводов служат канализационная сеть химзагрязненных стоков и места сброса отходов.

В местах сброса отходов  цехов полимеризации обнаружено наличие в воздушной среде  стирола и непредельных углеводородов в концентрациях, достигающих 0,5-1,0 мг/л, что превышает предельно допустимые нормы для закрытых помещений.

Источники выбросов производственных вредностей на территории заводов располагают  в зоне на высоте от 0,0 до 35,0 м. Наибольшее количество выбросов производится на высоте 5,0-20,0 м, поэтому эта зона наиболее загазована.

 

 

 

 

 

 

                                         ВЫВОДЫ

 

В результате данной курсовой работы по теме « Натуральный каучук», были рассмотрены :

-физико-химические свойства натурального каучука. Из этого раздела можно сказать, что натуральный каучук, отличается высокими физическими и технологическими свойствами. Важнейшими свойствами каучука является пластичность и эластичность. Хороший диэлектрик, имеет низкую водо- и газопроницаемость. Не растворим в воде, щелочи и слабых кислотах.

Легко окисляется химическими  окислителями, медленно — кислородом воздуха. Каучук может находиться в трёх физических состояниях: стеклообразном, высокоэластическом и вязкотекучем. Легко вступает в химические реакции с целым рядом веществ: кислородом (O2), водородом (H2), галогенами (Cl2, Br2), серой (S) и другими.

-варианты технологических оформлений производственных установок для синтеза натурального каучука. В данном разделе можно выделить то, что для получения натурального каучука млечный сок гевеи (латекс) добывают методом подсечки, надрезая кору дерева. Натуральный латекс, представляющий собой водную эмульсию каучука, содержит 34–37% каучука, 52-60% воды, а также белки, смолы углеводы и минеральные вещества. Из латекса каучук коагулируют органическими кислотами, промывают водой и прокатывают в листы, которые сушат и коптят дымом. Копчение предохраняет каучук от окисления и действия микроорганизмов.

 В натуральном каучуке  содержится 91–96% углеводорода полиизопрена (C5H8)n, а также белки и аминокислоты, жирные кислоты, каротин, небольшие количества солей меди, марганца, железа и др. примеси. Полиизопрен натурального каучука является стереорегулярным.

-применение натурального каучука. Надо отметить то, что благодаря уникальным свойствам натурального каучука, он незаменим при производстве крупногабаритных шин, способных выдерживать нагрузки до 75 тонн. Лучшие фирмы-производители изготавливают покрышки для шин легковых автомобилей из смеси натурального каучука, поэтому до сих пор главной областью применения натурального каучука остается шинная промышленность (70%). Кроме того, натуральный каучук применяется при изготовлении конвейерных лент высокой мощности, антикоррозийных покрытий котлов и труб, клея, тонкостенных высокопрочных мелких изделий, в медицине и т.д.

-техника безопасности и охрана окружающей среды. Были рассмотрены причины загрязнаения окружающей среды. Основными причинами выбросов являются неполная дегазация латекса или крошки каучука, отсутствие установок обезвреживания вредных веществ от агрегатов сушки каучука и недостаточная герметичность технологического оборудования (особенно перекачивающего - насосов, компрессоров).

 

 

        

             СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

 

1. http://www.alhimikov.net/himerunda/kautchuk.html.

2. Глинка Н. Л. Общая химия: Учебное пособие для вузов. —23-е изд., стереотипное. / Под ред. В. А. Рабиновича. — Л.: Химия, 1984.

3. Большой Энциклопедический словарь. — М.: Большая российская

энциклопедия, 1998.

4. Мегаэнциклопедия, http://mega.km.ru.

5. Microsoft® Encarta® Online Encyclopedia 2001, http://www.encarta.com/.

6. Encyclopaedia Britannica Online, http://www.britannica.com/