Какими физико механическими свойствами обладает натуральный каучук
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. натуральный синтетический каучук резина
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.
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.
Источник
Под каучуком понимают твердое тело, которое имеет способность кристаллизоваться, сохранять свою форму. Ресурс набухает и потом растворяется в углеводородах, вследствие чего образовываются коллоидные растворы, активно применяемые в технической сфере.
Натуральный каучук формула
Натуральный каучук обладает множественными двойными связями, его общая формула выглядит так: (C5H8) n. Символ n представляет уровень полимеризации, достигает приблизительно 1000-3000 единиц.
В процессе совершения химического исследования каучука становится очевидно, что он включает лишь водород и углерод, потому и относится к углеводородам, что подтверждает формула. Молекулярный вес некоторых единиц является больше полумиллиона грамм на моль. Следовательно, каучук представляет собой натуральный полимер изопрена.
В случае представления формулы не атомарно тонкой ее вполне можно рассмотреть в микроскоп – она длинная. Если еще формулу растянуть по максимуму, получится линия подобная зигзагу, что объясняется разновидностью углеродных связей.
Известно, что в изопрене могут чередоваться двойные и одинарные связи, тогда молекулы вращаются лишь возле одинарных. Такие колебания влияют на молекулу, под некоторым давлением она изгибается и ее концы сближаются в состоянии покоя. Она имеет сходство с круглой пружиной, что дает возможность легко растягиваться, увеличивать собственные размеры в момент разведения концов.
Получение натурального каучука
Главный сырьевой источник натурального каучука – это сок конкретной растительности, могущей выделять латекс, то есть, жидкость белого цвета с наличием особенных характеристик. Сам латекс представляет собой широко распространенную составляющую растений, его можно встретить у представителей каучуконосных различных ботанических групп.
Он присутствует во всяких частях растений, потому те и делятся на отдельные виды:
· латексные – вещество собирается в соке;
· хлоренхимные – когда вещество собирается в молодых побегах и листве;
· паренхимные – когда вещество собирается в стеблях и корнях;
· травянистые растения, относящиеся к семейству сложноцветных, происходит накопление каучука в подземных органах и в минимальном количестве. Данные растения обычно не употребляются в процессе промышленного изготовления каучука.
Известные каучуконосные виды растений – деревья, произрастают на экваторе, данный пояс достигает ширины 1300 км, именуется «каучуковым поясом». Здесь занимаются выращиванием специальных деревьев, которые предназначаются для промышленных целей. В большинстве случаев натуральный продукт получают из латекса тропических деревьев, точнее, гевеи бразильской. Процедура проходит быстро и несложно: на корне пятилетнего дерева делают небольшой надрез, и с одной гевеи выходит два-три килограмма каучука.
Для получения каучука из бразильской гевеи, млечный сок подвергают специальной процедуре свертывания, постепенно добавляя муравьиную кислоту. После тщательного промывания водой, полученное вещество прокатывают, добиваются формы листа, затем коптят.
Применение натурального каучука
В чистом виде натуральный каучук практически не используется из-за его поведения в низких и повышенных температурах. А вот вулканизированный натуральный каучук чаще всего служит сырьем для производства резины и всевозможных изделий из нее. В первую очередь, именно шинная промышленность нуждается в каучуке природного происхождения. Из него производят летние и зимние шины, а также шины для велосипедов, автомобилей, тракторов, специальной техники.
Стоит понимать, что для производства резины и шин, в том числе, используется не только каучук, но и различные наполнители, пластификаторы, противостарители, катализаторы и другие вещества. Это необходимо для ускорения или упрощения процесса производства или же для придания дополнительных свойств изделиям. Например, противостарители нужны для замедления старения резины и тем самым увеличения срока эксплуатации изделий из нее, а катализаторы вводят для того, чтобы ускорить процесс вулканизации.
Виды натурального каучука
В 1969 году вступил в действие стандарт, регламентирующий качества природного продукта. В нем весь каучук разделен на 8 типов, состоящих из 35 сортов. К основным можно отнести:
- рифленый смокед-шит, иногда его называют копченый лист;
- светлый креп, он имеет светло-кремовый цвет и множество других.
Качество природного каучука оценивают по результатам осмотра и верификации его с эталонным образцом. Кроме этого, применяется классификация каучука в соответствии с техническими нормами и правилами. В них нормируются количества допустимых примесей.
Свойства натурального каучука
Натуральный каучук имеет высокие физические и технологические свойства, позволяет совершать обработку на оборудовании предприятий резиновой промышленности. Главное и нестандартное свойство – это эластичность, то есть способность возвращаться к начальной форме после того, как прекратится влияние сил, вызывающих деформацию.
Натуральный каучук настолько эластичен, что даже при малейших усилиях может показывать изменения растяжения до 1000%, тогда как для стандартных тел данная величина составляет не больше 1%. Это качество сохраняется в больших пределах температуры, что выделяет материал среди других. Когда температуры повышена, он становится липким, мягким, в условиях холода – хрупким и твердым. Если каучук хранить на протяжении длительного времени, то он станет очень твердым. Температура 80 °С – это условия, при которых он утратит эластичность, а 120 °С – станет жидкостью, похожей на смолу, после чего уже не вернется к первоначальному виду. Такому преображению помешает процесс, заключающийся в окислении главного вещества – углеводорода. Если температура поднимется до 250 °С, каучук начнет разлагаться, вследствие чего возникнет множество жидких и газообразных веществ. Каучук можно назвать отличным диэлектриком, обладающим пониженной газопроницаемостью и водопроницаемостью.
Вместе с эластичностью материл обладает еще ярко выраженной пластичностью, что сразу очевидно при его изучении. Он может сохранять свою форму, которая получилась под сильным воздействием внешней среды. Если сказать по-другому, то пластичность каучука – это способность деформироваться, что станет необратимым процессом. Она является отличительной характеристикой материала, проявляется в момент сильного нагревания и обработки механического типа. Потому как каучук имеет, вышеперечисленные свойства, в настоящее время его называют пласто-эластическим материалом и широко используют в современной промышленности.
Когда происходит растяжение или охлаждение, разворачивается необычный процесс, заключающийся в переходе из аморфного состояния в кристаллической. По-другому он называется кристаллизацией, на его полное осуществление необходимо внушительное количество времени. При всем этом, когда происходит растяжение каучук может нагреваться от теплоты, появляющейся в результате процесса кристаллизации.
Кристаллы материала отличаются миниатюрностью, не имеют четких очертаний и граней, конкретной формы. При наличии температурных показателей примерно – 70 °С теряется полностью эластичность, возникает масса, подобная обычному стеклу. Вообще каучуки, относящиеся к аморфным веществам, способны преображаться, приобретая три физические формы: стекло, вязко-текучая жидкость и материал с высокой эластичностью. Именно третье состояние обычное для природного каучука.
Источник
Каучук это материал, который широко применяется в промышленности и в быту. Это происходит за счёт наличия у него важных свойств, нашедших применение в большинстве сфер человеческой деятельности. Что он собой представляет, как получают, каковы преимущества — об этом и многом другом будет рассказано в этой статье.
История открытия
Это вещество известно человечеству много сотен лет. Известно, что инки и майя делали из каучука шары для игры в мяч. Археологи находили их при проведении раскопок, причём их возраст достигал 900 лет.
Европейцы узнали об этом материале гораздо позже. Колумб в 1493 г. на Гаити увидел туземцев, которые играли мячом, сделанным из каучука.
Когда испанцы взяли их в руки, они обнаружили, что каучук липкий и тяжёлый, при этом пахнет дымом. Чтобы изготовить такие мячи местные жители собирали млечный сок из гевеи. Из него скатывали мячи и давали изделию загустеть.
Применение необычного материала этим не ограничивалось. Индейцы из него делали калоши. Хотя они не пропускали воду, но в жару начинали плавиться и прилипали к ногам. Если получалось так, что эта обувь растягивалась, то она уже никогда не сжималась так, чтобы соответствовать прежнему размеру.
Колумб привёз образцы каучука в Европу, однако там в течение долгого времени не удалось изготовить предметы подобные тем, которыми пользовались индейцы.
В течение двух веков этот материал оставался диковинкой до тех пор, пока в 1730 г. британский химик Джозеф Пристли не выяснил, что каучук может вытирать то, что написано графитовым карандашом. В 1791 г. бизнесмен из Англии Самуэль Пил получил патент на изобретённый им способ обработки одежды, позволяющий сделать её водонепроницаемой с помощью каучука. Начиная с 1820 г. во Франции научились на основе этого материала изготавливать подвязки для женщин и подтяжки для мужчин. Для этого использовались каучуковые нити, которые были сплетены с тканью.
Британский учёный Чарльз Макинтош придумал, что между слоями ткани можно прокладывать слой каучука и таким образом получить водонепроницаемый материал для изготовления плащей. В 1823 г. им было начато производство такой одежды. К сожалению плащ, изготовленный таким образом не выдерживал холода или жары. В первом случае он становился задубевшим, а во втором – начинал расползаться.
Учёные стали искать способы сделать из каучука материал, который был бы лишён упомянутых недостатков. Американский изобретатель Чарльз Гудьир в 1839 г. решил эту проблему, добавив серу в каучук.
Оказалось, что если положить на печь ткань, покрытую каучуком, а затем нанести слой серы и подогреть, то получившийся материал будет лишён указанных недостатков.
Обогащение каучука серой стало называться вулканизацией. В результате была получена резина, которую стали активно использовать. К 1919 г. существовало около 40 тысяч различных видов резиновых изделий.
То, чем отличается каучук от резины, состоит в следующем:
у резины высокий уровень эластичности, прочности, стойкости к неблагоприятным воздействиям;
каучук ценен в первую очередь не своими эксплуатационными качествами, а тем, что он является сырьём для производства резины.
Знаете ли вы, в каком из городов производят каучук в России? Это Ярославль. Завод работает с 1932 года.
Физико-химические свойства каучука
Этот материал является эластичной массой, которую первоначально получали из гевеи. С течением времени млечный сок свёртывается и образует вязкий материал. Для того, чтобы этого не происходило, в него добавляют гидросернистый натрий или формалин.
Только что добытый сок каучука (латекс) характеризуется следующими свойствами:
Удельный вес составляет 0,9794 (при содержании каучука 35 г в 100 куб. см).
При температуре, равной 30 градусов тепла, вязкость находится в пределах от 12 до 15.
Размер каучуковых частиц равен 0,5-5 мк. В 1 куб. см сока их количество достигает 200 миллионов.
Каучук представляет собой полимер ненасыщенного углеводорода. Его химическая формула выглядит следующим образом: (C5H8)n – он представляет собой изопреновый полимер. Молекулярная масса этого вещества составляет 15000-30000. После проведения исследований учёные выяснили, что каучук состоит из полимера 2-метилбутадиена.
Натуральный каучук
99% такого материала получают из дерева гевеи. Для этого на коре делают надрезы в виде буквы V. В нижней части перпендикулярно поверхности устанавливается желобок, по которому постепенно стекает сок в миску, установленную ниже. Вытекание латекса (млечного сока гевеи) длится в течение полутора часов.
Содержание каучука в нём может быть различным. Это зависит от:
того, какой возраст у дерева, с которого собирают сок;
важное значение имеет состав почвы, в которой растёт гевея;
времени года, когда происходит сбор;
того, какая была в это время погода;
времени и качества сделанных надрезов;
других особенностей сбора латекса.
Для того, чтобы натуральный каучук можно было использовать, он должен пройти следующую обработку:
Сначала производится отжим. Он необходим для того, чтобы удалить из латекса излишнюю влагу.
После этого полученные полосы обматывают вокруг палки и просушивают над костром.
Полосы раскладывают в один слой и оставляют под лучами солнца.
Теперь осталось подержать над дымом.
Подготовленный таким образом каучук может служить сырьем для производства резины.
Сок добывают из тех деревьев, которым уже исполнилось 12 лет. В год может быть получено от 3 до 5,5 кг латекса.
Состав латексного раствора:
до 70% воды;
содержание каучука в различных случаях колеблется от 25% до 70%;
содержание других химических веществ, включая протеин, не превышает 1-2%.
Синтетический каучук и его основные виды
Бутадиеновый каучук применяется для изготовления автомобильных камер и шин. Эксплуатационные, а также физико-химические свойства изделий гораздо лучше по сравнению с натуральным материалом.
Одной из его особенностей является способность надёжно удерживать воздух. Она превосходит аналогичное качество природного материала примерно в 10 раз. Химия позволила создать материалы, которые по своим характеристикам существенно превосходят природный каучук.
Ещё одна область применения – изготовление эбонита или химически стойкой резины.
Хлоропреновый каучук поставляется клиентам в виде светло-жёлтой массы. Отличительные качества продукта:
высокая стойкость к огню и температурному воздействию;
он отличается невосприимчивостью к озону, низким температурам и другим видам погодного воздействия;
у него имеется высокий уровень адгезии к тканям, металлам и другим материалам.
Материал под действием растяжения способен кристаллизоваться. Это качество повышает его прочностные характеристики.
Материал, изготовленный на основе этилен-пропилена используется там, где нужна ударопрочная резина.
Кремнийорганические каучуки обладают повышенной стойкостью к температурному и химическому воздействию, к истиранию. Этот материал не пропускает газы.
Дивиниловый каучук используется для создания прокладок в установках высокого давления.
Получение синтетического каучука
Когда резина стала массово применяться в промышленности, природного каучука для её производства стало остро не хватать. Эта ситуация поставила перед учёными задачу синтеза искусственного материала с такими же физическими и химическими свойствами.
Получение синтетического каучука по методу Лебедева
Установка для получения этого материала была впервые введена в действие в тридцатых годах XX века.
Синтетический каучук производят из дивинила, который добывают при помощи реакции разложения спирта. Мономером искусственного каучука является изопрен. Материал получают в результате полимеризации.
Применение каучука
В чистом виде этот материал применяется редко. В большинстве случаев его используют в качестве основы для изготовления резины.
После того, как каучук привезли в Европу, до XVIII века каучук считался просто одной из заморских диковинок. Эластичность и водоотталкивающие свойства позволяли применять материал для изготовления обуви и одежды, не пропускающих воду, тем не менее низкие эксплуатационные качества мешали его распространению.
После того, как была открыта вулканизация каучука, позволившая изготавливать резину, использование нового материала стало очень распространённым. Постепенно качество резины улучшилось и из неё стали делать большое количество различных товаров.
В качестве примеров можно привести:
шины;
детские резиновые игрушки;
обувь;
одежду;
электрическую изоляцию для проводов;
конвейерные ленты;
медицинские изделия;
резиновые защитные перчатки.
Сейчас сложно назвать область человеческой жизни, где не применялась бы резина.
Натуральный каучук продолжает использоваться в настоящее время. Из него делают покрышки, амортизаторы, некоторые изделия для санитарных и гигиенических целей.
Интересные факты о каучуке
После того, как был открыт процесс вулканизации, материал стал активно использоваться в промышленности. При этом сока гевеи, который добывали в бразильских джунглях, стало не хватать.
Для того, чтобы увеличить производство каучука, на островах Ява и Суматра были созданы большие плантации гевеи.
Хотя основной источник натурального каучука – это гевея, тем не менее в природе есть и другие варианты получения этого сырья из растений.
Заключение
Использование каучука многогранно, однако при выборе материала нужно учитывать особенности различных его видов. Для этого будет полезным более подробно разобраться в том, что из себя представляет этот материал.
Источник