Як одержують синтетичний ізопрена каучук

У натурального каучуку багато аналогів, і одним із самих багатотоннажних вважається ізопрена каучук. Промисловість випускає найрізноманітніші типи цієї продукції, що відрізняються і властивостями, і видом каталізаторів, які були застосовані - літієві, комплексні і тому подібні.

Як виходить каучук

Ізопрена каучук є синтетичним, він стереорегулярен, а отримують його шляхом полімеризації ізопрену, поміщеного в середу інертного розчинника з комплексним каталізатором. Так робиться, наприклад, СКІ-3. Полімеризації ізопрену в розчині повинна бути безперервною, для цього існують батареї з чотирьох - шести полимеризаторов, які охолоджуються розсолом.


Мономер в шихті концентрований до дванадцяти - п'ятнадцяти відсотків, тоді ступінь перетворення буде досягати дев'яноста п'яти відсотків, а тривалість складе два-три години при температурах від нуля до десяти градусів за Цельсієм. Якщо необхідно отримати високомолекулярний ізопрена каучук, потрібна чистота реагентів, застосовуваних у полімеризації, дуже високого ступеня.

Стабілізація і сушка

Щоб полімер захистити від окислення, потрібно його стабілізувати за допомогою суміші фенилендиамина і неозона, які потрібно ввести в полимеризат як розчин або водну суспензію. Щоб виділити ізопрена каучук з полимеризата як крихту, полимеризат потрібно змішати з парою і водою, потім ввести добавки, які запобігають агломерирование (грудкуванню). Після цього необхідно відігнати розчинник. Тепер належить провести процеси дегазації, відділення крихти від води і сушіння в черв'ячних машинах і стрічкових сушарках. По закінченні цього процесу отримання ізопренового каучуку можна вважати закінченим.


Тепер доведеться його брикетування на автоматичних установках під пресом. Марка СКІ-3 - синтетичний ізопрена каучук, який випускається в брикетах по тридцять кілограмів кожен. Брикет загорнути в поліетиленову плівку і поміщається в чотиришаровий паперовий мішок. Ця плівка цілком добре переробляється одночасно з вмістом, яке становить ізопрена каучук, властивості його з температурою змішування цілком дозволяють поліетилен розм'якшити і перемішати його з основною масою в гумозмішувачі.

Структура

Кожен каучук, який випускається промисловістю, має власну характеристику і властиві тільки цій різновиди властивості. У одних каучуків хороша механічна міцність, у інших - стійкість до хімічних впливів або газонепроникність, у третіх немає страху при змінах температури і так далі. Властивості окремих синтетичних каучуків перевершують натуральний по багатьом параметрам і у багато разів. Тільки еластичність натурального каучуку перевершити поки не вдалося, а це найважливіша властивість для таких виробів, як авіаційні або автомобільні шини. При експлуатації вони завжди відчувають величезну деформацію - і розтягування та стискання, що викликає міжмолекулярне тертя, нагрівання і втрату якостей. Тобто, чим вище еластичність каучуку, тим довговічніше виріб. Саме з цієї причини натуральний каучук поки що не вийшов з ужитку, і саме він використовується для виробництва шин швидкісних і великовантажних автомобілів та літаків. Натуральний каучук - полімер ізопрену, саме тому настільки великі роботи науковців над тим, щоб аналогом натуральному став ізопрена каучук.

Формула

Ресурси добування натурального каучуку вельми обмежені. Звичайний, одержуваний в природі каучук має формулу З 5 Н 8 як виявилося, вона абсолютно ідентична молекулярної формулі ізопрену, який утворюється при нагріванні каучуку, продукти його розкладання. Завдання полягає в тому, щоб знайти достатньо доступний спосіб. А ізопрена каучук одержують при реакції полімеризації, і тут важливо правильно вибудувати протягом цієї реакції. Полімеризація відбувається так: nCH 2 = C(CH 3 ) - CH = CH 2 ----> (-CH 2 - C(CH 3 ) = CH - CH 2 )n. Найбільш перспективним методом є спосіб каталітичного дегідрування изопентана, який виділяється з нафтових газів. Вихідною речовиною для одержання ізопрену може бути і пентан: СН 3 -СН 2 -СН 2 -СН 2 -СН 3 , тому що при нагріванні і з каталізаторами він також перетворюється в ізопентан. Існує і спосіб полімеризації, при якому реакція отримання ізопренового каучуку вибудувана так, що виходить каучук, дуже схожа за своєю будовою на натуральний і, значить, що володіє тими ж прекрасними властивостями.

Ізопрен

Ізопрен є ненасиченим вуглеводнем, що належить до диеновому ряду. Являє собою летючу безбарвну рідину. Запах дуже характерний. Ізопрена каучук - мономер натурального, оскільки залишок його молекули увійшов в багато інші природні сполуки - ізопреноїди, терпеноїди і тому подібні. В органічних розчинниках розчиняється. З етиловим спиртом, наприклад, може бути змішаний в будь-якому співвідношенні. А ось у воді розчиняється погано. Зате легко утворює структурну ланку ізопренового каучуку при полімеризації, за рахунок чого виходять изопреновие гутаперчі і каучуки. Також ізопрен може вступати у різні реакції при кополімеризації. У промисловості він незамінний, оскільки з його допомогою відбувається синтез каучуків, медичних препаратів і навіть деяких запашних речовин. У нашій країні виробництво синтетичного ізопренового каучуку розвивається давно, і становить приблизно двадцять чотири відсотки від світового виробництва.

Історія

Перший ізопрен був отриманий в 1860 році методом піролізу з натурального каучуку. піроліз - це термічне (при високих температурах) розкладання багатьох неорганічних і органічних сполук в умовах нестачі кисню. Пізніше була винайдена изопреновая лампа - електрична, нагрівається спіраллю, за допомогою якої в лабораторіях термічно розкладали скипидарні масло. Друга світова війна принесла величезну потребу в изопренових каучуках, і тому ізопрен навчилися добувати в промислових масштабах шляхом піролізу лімонену. І все-таки ізопрен був занадто доріг для масового виробництва синтетичних каучуків. Ситуація змінилася, коли був знайдений спосіб одержання його з нафти. Тоді почали бурхливо розвиватися технології полімеризації ізопрену.

Роль в економіці

Найголовніше у плануванні виробництва такого продукту, як ізопрена каучук, - правильний вибір місця розташування, тому що доведеться доставляти фракції поділу З 5 до місця призначення з відразу декількох підприємств, які проводять крекінг. На другому місці за значимістю - облік у планах місця утилізації вуглеводнів від фракції З 5 . До початку дев'яностих років двадцятого століття Західна Європа виробляла близько вісімдесяти п'яти тисяч тонн дієнів З 5 , з яких сорок чотири тисячі тонн становив димеризованний циклопентадиен і двадцять три тисячі тонн - ізопрен. Решта - близько п'ятнадцяти тисяч тонн становили пиперилени. Через десять років світовий обсяг виробництва ізопрену зріс до восьмисот п'ятдесяти тисяч тонн в рік.

Властивості

В стандартних умовах ізопрен, як вже було сказано, - це летка безбарвна рідина, у воді майже не растворяющаяся, але змішується в будь-яких співвідношеннях з діетиловим спиртом, еталоном, бензолом, ацетоном. Ізопрен здатний утворювати азеотропна суміші з цілим рядом різноманітних органічних розчинників. При розгляді даних спектроскопічних досліджень видно, що вже при п'ятдесяти градусів за Цельсієм велика частина молекул ізопрену приймає стійку s-транс-конформацію, всього п'ятнадцять відсотків молекул знаходяться в s-цис-конформації. Між цими станами різниця енергій дорівнює 63 кДж. Хімічні властивості ізопрену представляють його як типовий пов'язаний дієн, який вступає в реакції заміщення, приєднання, комплексоутворення, циклізації, теломеризации. Активний реакції з електрофилами і диенофилами.

Застосування

Основна частина ізопрену, який проводиться в даний час, використовується в синтезі ізопренового каучуку, схожого за будовою і властивостями на природний каучук. Застосовується особливо широко для виробництва шин. Ще існує інший продукт полімеризації ізопрену - полиизопрен, який використовується значно менше, оскільки володіє властивостями гутаперчі. З нього виготовляються, наприклад, ізоляція для проводів і кулі для гольфу. Ізопрена каучук застосовується для виготовлення всіляких гумових виробів, де поєднуються натуральні та інші синтетичні каучуки. Наприклад, щоб знизити липкість, додаються бутадієн-метилстирольние каучуки, до того ж підвищується втомна витривалість, якщо багаторазові деформації. Нітрити додають озоностойкости і опору до теплового старіння. Таким чином, дотримуючись комплекс технічних властивостей, изопреновие каучуки прекрасно проявляють себе при використанні транспортерних стрічок, всмоктувальних або напірних рукавів, при обкладанні валів машин, у виробництві взуття, медичних та інших виробів.

Екологічна небезпека

Ізопрен легко вибухає і горить. У великих концентраціях у організмі може призвести до паралічу і летального результату. В основному це відбувається при атмосферному насичення, а тому метаболізм йде в дихальній системі, коли ізопрен перетворюється в епоксиди та диоли. Високою концентрацією вважається сорок міліграмів на кубічний метр - це гранична доза. Невеликі концентрації ізопрену в повітрі можуть чинити на людину наркотичну дію, викликати подразнення очей, шкіри, дихальних шляхів і слизових оболонок.

Біологія

Сучасні вчені виявили, що пари ізопрену виділяють в атмосферу майже всі рослини. Світовий обсяг фитогенного ізопрену приблизно оцінюють в (180-450) . 10 12 г вуглецю на рік. Цей процес прискорюється, якщо температура повітря наближається до тридцяти градусів за Цельсієм, а також якщо висока інтенсивність сонячного випромінювання в той час як фотосинтез вже повністю насичений. Біосинтез ізопрену ингибирован фосмидомицином і з'єднаннями цілого ряду статинів. Навіщо рослини роблять це - до кінця не з'ясовано. Можливо, ізопрен дає їм додаткову стійкість до перегрівання. Крім цього, він є уловлювачем радикалів, значить, може захищати рослини від активних форм кисню і від впливу озону. Також вчені припускають, що синтез ізопрену змушує постійно витрачати молекули НАДФН і АТФ, які рослина напрацьовує під час фотосинтезу. Отже, виділення ізопрену оберігає від фотоокислювального руйнування і перевосстановления, якщо освітлення надмірно. Недолік у цього механізму захисту може бути один: вуглець, який з такою працею здобувається в процесі фотосинтезу, витрачається на виділення ізопрену. На рослинах вчені не зупинилися і з'ясували, що людський організм теж вміє виробляти диеновие вуглеводні, і ізопрен серед них зустрічається найбільш часто.