Синтетические изопреновые каучуки

Синтетические изопреновые каучуки (СКИ) — продукты полимеризации изопрена. Эластичная темно-серая масса без характерного запаха. Химический состав изопрена приблизительно идентичен натуральному каучуку, поэтому свойства этих двух эластомеров похожи.

Варианты изомерии при полимеризации изопрена

Синтетические изопреновые каучуки хорошо совмещаются со всеми диеновыми каучуками. Важнейшее свойство — их способность к полимеризации, которая используется для получения синтетических каучуков.

Получают путем каталитической стереоспецифической полимеризации изопрена в растворителях:

_nСН₂=С(СН₃)-СН=СН₂ → (-СН₂-С(СН₃)=СН-СН₂-)_n

Эти синтетические каучуки являются в основном транс-1,4-полиизопренами. Полимеризация изопрена под действием таких инициаторов, как натрий или калий в малополярных растворителях, приводит к образованию 1,2-, 3,4- и транс-1,4-полиизопрена. Инициирование полимеризации литием в неполярном растворителе ведёт к получению каучука, содержащего 94 % цис-звеньев. Использование катализаторов Циглера-Натта позволяет получить каучук, практически идентичный натуральному. При полимеризации изопрена в отсутствие стереохимического контроля в принципе возможно образование различных полимерных продуктов.

История

Натуральный каучук — это изопреновый каучук. Поэтому перед учёными стояла задача получить синтетический изопреновый каучук. Синтез такого каучука был осуществлён. Но свойств натурального каучука в полной мере достичь не удавалось. Причину этого установили, когда изучили пространственное строение натурального каучука. Оказалось, что он имеет стереорегулярное строение, группы -СН₃ в макромолекулах каучука расположены не беспорядочно, а по одну и ту же сторону двойной связи в каждом звене, то есть находятся в цис-положении.

Свойства

• рабочий диапазон температур: от −55 °C до +80 °C; низкая температура стеклования (около −70ºС);
• кристаллизация при растяжении или при охлаждении: полупериод кристаллизации нерастянутого каучука СКИ-3 — более 20 ч. Способность СКИ кристаллизоваться при растяжении и гибкость его макромолекул обусловливают высокую эластичность и прочность ненаполненных и наполненных резин на его основе, а также хорошие динамические свойства. Наименьшее относительное удлинение, при котором наблюдается образование кристаллической фазы при 20 °C, составляет для резин на его основе 300—400 %;
• отличная эластичность по отскоку;
• очень хорошая прочность на раздир и истирание, прочность на разрыв;
• хорошая электроизоляционная стойкость;
• растворимость = 16,8 (МДж/м³); хорошая водостойкость.
• каучуки выпускают с заданной вязкостью. При переработке необходимо строго соблюдать температурные режимы смешения, разогрева и формования.

Недостатки

Плохая стойкость к высокой температуре, озону и солнечному свету.

Очень низкая стойкость к маслам, бензинам и углеродным растворителям.

Основным недостатком СКИ, связанным с особенностями молекулярной структуры и ММР, является пониженная когезионная прочность резиновых смесей на их основе (пониженная скоростью кристаллизации синтетического полиизопрена, отсутствие в макромолекулах функциональных полярных групп). При сборке неформовых, клееных и других изделий возникают затруднения, связанные с повышенной липкостью смесей и полуфабрикатов, недостаточной каркасностью, текучестью при транспортировке и хранении.

Применение

Использование комплексных катализаторов на основе производных титана и алюминия дает возможность получить каучуки типа СКИ-3 с высоким содержанием цис-1,4-звеньев, присоединенных почти исключительно по типу «голова к хвосту». СКИ-3 имеет регулярную структуру, содержит не каучуковые компоненты, а также отсутствуют функциональные группы в молекулярных цепях полимера. Каучук имеет узкое молекулярно-массовое распределение.

Вследствие высокой непредельности вулканизацию СКИ-3 можно осуществлять с применением вулканизующих систем, содержащих серу и органические ускорители вулканизации, а также бессерными системами: тиурамом, органическими перекисями, фенолформальдегидными смолами, производными малеимида и другими веществами. В промышленности применяются главным образом серные вулканизующие системы. Обычно температура вулканизации серных смесей на основе СКИ-3 равна 133—151 °C. Для них характерно наличие оптимума вулканизации по сопротивлению разрыву и небольшое плато вулканизации.

Поскольку СКИ склонен к кристаллизации, то вулканизаты на его основе, даже не наполненные, обладают высокой прочностью до 30 МПа. При повышенных температурах сопротивление раздиру и прочность понижаются. Благодаря отсутствию азотсодержащих веществ и малой зольности СКИ характеризуются хорошей водостойкостью и высокими диэлектрическими показателями.

Ссылки и источники

• Typische Eigenschaften von Isoprenkautschuk (недоступная ссылка) (нем.)
• Anwendung von Isoprenkautschuk bei der Rohrisolierung (нем.)
• Гончаров А. І., Середа І.П. Хімічна технологія. Ч.2. — Київ: Вища шк., 1980 р. — 280с. (укр.)