Бутадієн-стирольний каучук: властивості, використання, формула розрахунку

Бутадієн-стирольний каучук вважається одним з найбільш використовуваних варіантів полімерних матеріалів. Він придатний для виготовлення шин та інших гумових виробів, що мають високу якість.

Названий полімерний матеріал виробляється з недорогої сировини, а технологія її виготовлення вважається цілком доступною, що має чіткий алгоритм дій. Отримуваний в результаті бутадієн-стирольний каучук володіє відмінними експлуатаційними і хімічними характеристиками. Він випускається в істотних обсягах і представлений виробником в широкому асортименті.

Сировина для виробництва

Розглянемо докладніше виробництво бутадієн-стирольних каучуків. Як вихідну сировину для цього полімерного матеріалу вибирають бутадієн-1,3 або альфа-метилстирол. Отримують бутадієн-стирольний каучук шляхом розчинної технології або емульсійною сополімерізацією. У другому способі утворюються бутадієн-стирольні розчинні каучуки.

Емульсійна полімерізація

Як здійснюється отримання бутадієн-стирольного каучука? Реакція передбачає спільну полімерізацію стиролу і бутадієна в емульсії. Кінцевий продукт, одержуваний в результаті цієї взаємодії, називають бутадієн-стирольний каучук (СКС).

В даний момент у вітчизняній каучуковій промисловості здійснюється виробництво різноманітних варіантів полімерної продукції на основі даної хімічної речовини.

Як підрозділяють бутадієн-стирольний каучук? Виробники пропонують такі варіанти:

• каучуки, які не містять масла (СКС-ЗОАРК);
• матеріали із середнім відсотковим вмістом олії (СКМ-ЗОЛРКМ-15);
• з підвищеною кількістю олії (СКС-ЗОДРКМ-27);
• з відмінними діелектричними характеристиками (СКС-ЗОАРПД).

Специфіка назви

Перші цифри в наведених назвах розповідають про кількісний зміст стиролу у вихідній шихті, що вибирається для проведення процесу полімеризації:

• «А» передбачає здійснення процесу низькотемпceної полімерізації (не більше + 5 градусів).
• «М» свідчить про те, що в ньому є олія, не тільки стирол.
• Бутадієн-стирольний каучук з буквою «Р» розповідає про проведення реакції полімеризації без наявності регулятора.
• «К» вказує на застосування при виготовленні каучука каніфольного емульгатора.
• Буква «П» символізує матеріал, одержуваний при наявності у вихідній суміші солей жирних, синтетичних кислот, які являють собою продукти часткового окислення насичених парафінів.

Чим характеризується бутадієн-стирольний каучук? Отримання його ґрунтується на процесі полімеризації, який знайомий навіть старшокласникам, які навчаються в загальноосвітніх школах і коледжах.

Так, для виробництва в промисловості підошвених резин використовується смолонаповнений бутадієн-стирольний каучук, формула якого нічим не відрізняється від звичайного дієнового вуглеводню. У гум, вироблених на базі бутадієн-стирольної смоли, підвищена стійкість до механічного істиранію, непогані шкірні характеристики.

Здійснюють процес емульсійної полімеризації на спеціальній промисловій установці. Чим характеризується цей бутадієн-стирольний каучук? Отримання його здійснюється за чіткою та відпрацьованою технологією. Середня тривалість хімічної реакції становить 12-15 годин. Після завершення полімеризації утворюється латекс, в якому міститься приблизно 30-35 відсотків полімерної речовини. Як антиоксидант у латекс вводять неон Д.

З латексу каучук виробляють шляхом коагуляції електролітів, які містять сірчану кислоту. Враховуючи, що в ролі емульгаторів виступають каніфолева олія і мила, створена на базі жирних синтетичних кислот, крім коагуляції спостерігається також утворення жирних кислот, що надають позитивну дію на технологічні характеристики готового виробу.

Завдяки добавці сірчаної кислоти відбувається перетворення мила на вільні органічні кислоти, завершується коагуляція латексу і утворюється бутадієн-стирольний каучук. Застосування готового матеріалу багатогранне, залежить від виду виробництва. В основному каучук є поширеною сировиною в хімічній промисловості.

Структура каучука

Яку структуру має бутадієн-стирольний каучук? Фізичні властивості цієї речовини визначаються особливостями її будови. При отриманні полімеру шляхом озоціювання, утворюється полімер нерегулярної структури. У каучуці мономерні ланки знаходяться безладно, молекула має розгалужений вигляд.

Майже 80 відсотків усіх ланок мають транс-конфігурацію, і лише 20 відсотків характеризується ціс-структурою.

Характеристики

Проаналізуємо бутадієн-стирольний каучук. Властивості цієї речовини пов’язані з його високою молекулярною масою. У середньому вона становить 150 000-400 000. А технологія виготовлення маслонаповнених каучуків передбачає вибір матеріалів з великим показником відносної молекулярної маси. Подібний варіант дозволяє усувати негативний вплив масла на якість гуми, зберігати протягом тривалого періоду відмінні технологічні характеристики каучуку.

Можна з етилену отримати бутадієн-стирольний каучук, провівши технологічний ланцюжок з використанням активаторів, емульгаторів, регуляторів, а також інших речовин, що частково в процесі взаємодії переходять до складу утвореного каучуку.

Відмінні характеристики

Охарактеризуємо бутадієн-стирольний каучук. Формула цієї речовини свідчить про те, що вона стійка до механічних деформацій, агресивних розчинників. Для підвищення морозостійкості та еластичності каучука зменшують у вихідній суміші кількість стиролу. Отриманий полімер розчиняється в бензині і ароматичних розчинниках.

Чим ще виділяється бутадієн-стирольний каучук? Властивості і ставлення до концентрованих кислот, кетонів, спирту стабільне, до того ж у полімера відмінна газо- і водопроникність. Під час нагрівання каучуку спостерігаються серйозні структурні зміни, що негативно відбивається на фізико-механічних властивостях одержуваної гуми.

Термічне окислення при температурах від 125 ° С викликає зниження жорсткості і деструкцію. Подальше окислення передбачає серйозне структурування полімеру, позначається на підвищенні його жорсткості.

Особливості застосування

Для створення гумової суміші використовується саме бутадієн-стирольний каучук. Властивості, застосування цього представника класу дієнових вуглеводнів повною мірою відповідає особливостям його структурної формули.

Присутність бічних фенильних угруповань позначається на підвищеній стійкості до негативного впливу радіаційного опромінення в порівнянні з іншими різновидами цих полімерів.

У гумових сумішей, які виготовлені на базі бутадієн-стирольних каучуків, невисока клейкість, підвищена садиба при каландруванні та шприцюванні. Це негативно відбивається на здійсненні технологічних процесів, а також при проведенні клейки (складання) заготовок гумових виробів.

У низькотемпáних каучуків поліпшені технологічні властивості, їх називають «гарячими» каучуками.

Різновиди каучуків

М’які бутадієн-стирольні низькотемпеолог ні каучуки мають низьку в’язкість, тому їх не пластикують.

Жорсткі каучуки виробляють у невеликих кількостях, піддаючи їх термоокислювальної пластфікації в повітряному середовищі при температурі близько 1400 ° С з використанням активаторів процесу деструкції.

У ненаповнених вулканізаторів невисока міцність на розтягнення. При зменшенні кількості пов’язаного стиролу в полімерному з’єднанні знижується опір і стійкість до істиранію, зростає морозостійкість, збільшується еластичність.

Саджанаповнені (з технічним вуглецем) вулканізатори бутадієн-стирольних каучуків мають відмінні параметри по тепловій стійкості і зносостійкості, але в деякій мірі вони поступаються по еластичності і деформаційній стійкості звичайним каучукам. Використовувані вулканізатори мають додаткову стійкість до впливу концентрованих і розбавлених кислот, спиртів, лужів, ефірів. У розчинниках каучука вони набухають.

Всі отримані полімери застосовують у виробництві шин, виготовленні різноманітних неформових і формових виробів. Наприклад, з бутадієн-стирольного каучуку виготовляють транспортерні стрічки для лісозаготівельного виробництва, виробляють гумове взуття. У зв’язку з підвищеною радіаційною стійкістю всі ці каучуки використовують у виготовленні гум, що мають оптимальну стійкість до гамма-випромінювання.

Для виробництва виробів, що відрізняються відмінними морозостійкими характеристиками, застосовують вихідну сировину, у складі якої мінімальний вміст стиролу.

Характеристика бутадієн-стирольних каучуків розчинної полімеризації

У вітчизняній промисловості налагоджено випуск бутадієн-стирольних каучуків розчинної полімеризації, що мають різний вміст стиролу:

• DSSK-10.
• DSSK-25.
• DSSK-18.
• DSSK-50.
• DSSK-25D (має підвищені діелектричні характеристики).

У продажу є і каучук, який включає в себе мікроблоки ароматичного стиролу, призначається для переробки литтям.

Крім того, є і каучуки маслонаповнені розчинної полімеризації, які містять до 27% олії. Завдяки розчинній полімерізації, за наявності літийорганічних каталізаторів здійснюється регулювання основних параметрів молекулярної структури:

• розгалуження ланцюга;
• молекулярної маси;
• макроструктури.

Відмінними характеристиками подібних каучуків вважають істотну наявність самого полімеру (до 98%), мінімальну кількість домішок. Полімери мають лінійну будову порівняно з бутадієн-стирольними емульсійними каучуками.

У отримуваних полімерних матеріалів більш висока пластичність, зносостійкість, морозостійкість, підвищений опір появі тріщин. Відзначимо і високу динамічну витривалість цих матеріалів. При меншій садибці вони мають більшу в’язкість по Муні, оскільки макромолекули мають лінійну структуру, здатні наповнюватися великим числом сажі (технічного вуглецю) і масла без негативної зміни механічних і фізичних властивостей вулканізаторів.

Є й деякі технологічні переваги при виробництві розчинних каучуків у порівнянні з емульсійними варіантами, але при цьому набагато більше вимоги до чистоти використовуваних мономерів. Використовують каучуки розчинної полімерізації в шинній промисловості, для створення міцних транспортних стрічок, взуттєвої підошви, гумових рукавів, численних гумових деталей. Вихідними компонентами для виробництва полімерних матеріалів даного виду вважають стирол і буадієн-1,3. Отримують каучуки шляхом розчинної або емульсійної сополімеризації.

У сучасному виробництві використовується не тільки технологія виготовлення ненаповнених каучуків, але і налагоджений випуск полімерів, у складі яких присутні смоли, технічний вуглець, масло. Серед усіх випущених полімерних матеріалів на долю бутадієн-стирольного каучуку припадає більше половини всіх виробничих потужностей.

Причина такого масштабу полягає у високій однорідності фізичних і хімічних характеристик продукту, доступності вихідних мономерів (стиролу і бутадієну), а також налагодженої технологічної лінії.

Велику масу бутадієн-стирольного каучуку на сучасному виробництві отримують шляхом емульсійної сополімерізацією стиролу і бутадієна.

Класифікація каучуків за будівлею

З урахуванням умов проведення полімеризації та складу використовуваних компонентів налагоджено випуск бутадієн-стирольних каучуків, які розрізняються за властивостями та складом. Допускається статистичний, нерегулярний розподіл структурних ланок стиролу і бутадієну в макромолекулі.

При зниженні температури спостерігається зниження кількісного вмісту в створюваному каучуку низькомолекулярних фракцій. Крім того, відбувається зменшення структурного розгалуження, збільшення регулярної структури полімеру, що позитивно відображається на технічних та експлуатаційних характеристиках готової продукції.

У розвитку вітчизняного виробництва синтетичних матеріалів важливим моментом стало налагодження виробництва бутадієн-стирольних матеріалів шляхом полімеризації за радикальним механізмом. Зараз такі матеріали високої якості і за прийнятною ціною виробляють на заводах Красноярська, Омська, Тольятті, Стерлітамака, Воронежа.

Особливості технології

При бажанні можна отримувати полімер, що володіє певними параметрами. Наприклад, із заданою середньою молекулярною масою, яка регулюється в міру полімеризації шляхом введення регуляторів, здатних здійснювати передачу ланцюга. У міру збільшення кількісного змісту регуляторів спостерігається зниження молекулярної маси полімеру.

Що можна розглядати в якості емульгаторів, що підходять для виробництва стійких емульсій мономерів, а також для створення підсумкових продуктів полімерізації, латексів? В якості основних хімічних компонентів розглядають калієві або натрієві солі жирних синтетичних карбонових кислот, гідровану каніфоль, а також солі алкісульфонатів.

При виборі каніфолі її спочатку піддають спеціальній обробці. У процесі диспропорціонування при каталізаторі (паладій) вона набуває властивостей, необхідних для технологічного ланцюжка створення каучуків.

Спефіціка виробництва

Для проведення сополімеризації використовують батарею полімерізаторів. При приготуванні шихти змішують очищений і попередньо висушений стирол, бутадієн, розчинник (ним може бути циклогексан) у співвідношенні 5/1. Далі компоненти вихідної шихти подають в діафрагмовий змішувач для якісного перемішування. Потім суміш прямує на хімічне тонке очищення від різноманітних дрібних домішок.

В апарат подають літийорганічні сполуки, титрую при температурі 25 ° С протягом 20 хвилин. Ступінь очищення визначають за фарбуванням шихти. Якщо домішок немає, у суміші слабко-коричневий колір. До полімерізації шихту змішують з каталізатором, полярними добавками.

Процес здійснюється в батареї, яка складається з трьох стандартних апаратів, шляхом послідовної подачі шихти. Температура всередині полімерізаторів підтримується в діапазоні від 50 до 80 ° C. Середня тривалість всього хімічного процесу становить 6 годин.

Ув’язнення

У будь-якій сфері життя та діяльності своєчасної людини зустрічаються матеріали, в основі яких лежить бутадієн-стирольний каучук. У першу чергу відзначимо створення гумових підошв для взуття, автомобільних гумових покришок, різноманітних поливальних шлангів.

Статистичні сополімери стиролу і бутадієна широко застосовують у створенні електроізоляційних матеріалів, різноманітних виробів для автомобільної промисловості, включаючи і створення якісних покришок. Інноваційні технології, які застосовують сучасні виробники бутадієн-стирольних каучуків, дозволяють їм створювати продукцію із заданими фізичними та хімічними параметрами, бажаними експлуатаційними характеристиками.

Серед особливостей даного виробництва відзначимо застосування каталізаторів високої якості. Залежно від структури синтезованих каучуків, істотно відрізняється тривалість процесу їх створення, а також кінцева вартість виробленої на основі каучуку гумової продукції.