Изопреновый каучук: назначение, способ получения, технология производства

Введение
Долгое время в промышленности использовался только один вид резины - натуральный каучук, поскольку ученые не могли воспроизвести его химический аналог, что значительно снизило бы стоимость изготовления различных продуктов. Однако изопреновый каучук стал полимерным материалом, который обладает свойствами, подобными натуральному каучуку.
В настоящее время именно изопреновый вид каучука получают с использованием реакции полимеризации в специальных кислотах в присутствии катализаторов реакции. При проведении реакции полимеризации необходимо строго соблюдать температурный режим на стадиях смешения и формования.
Актуальность данной работы обусловлена ​​интересами в области совершенствования технологий производства изопреновых каучуков, поскольку именно каучук имеет обширное распространение в различных сферах.
Целью данной работы является рассмотрение и изучение оценок изопренового каучука среди других видов каучука. Предмет изучения - изопрен в виде каучуковых изделий.
Среди поставленных задач можно выделить следующие:
- определить назначение изопренового каучука;
- дать подробное описание аппарата и деформационно-прочностные свойства изопренового каучука;
- изучить существующие методы производства изопрена в синтетических каучуках;
- исследовать доступный способ получения изопрена;
- рассмотреть область применения изопренового каучука.
НАЗНАЧЕНИЕ ИЗОПРЕНОВОГО КАУЧУКА
Каждый из синтетических каучуков в выпускаемой промышленности, характеризуется определенными свойствами. Некоторые виды каучуков отличаются по механической прочности, другие химически и газонепроницаемы или устойчивы к растворителям, в то время как другие не боятся температурных изменений. По каждому из этих свойств отдельные виды резин превосходят натуральный каучук, который преобладает свойством своей эластичности. Между тем, это свойство наиболее важно при производстве таких важных резиновых изделий, как, например, автомобильные и авиационные шины.
При учете, что ресурсы натурального каучука ограничены, неоднократно было исследован тот факт, чтобы получить резину аналогично той же схеме синтеза резины. Известно, что натуральный каучук является изопреновым полимером, который получают из изобутилена и формальдегида. Об этом можно судить хотя бы потому, что простейшая формула каучука совпадает с молекулярной формулой изопрена, а последняя образуется в продуктах разложения каучука при нагревании.
Среди прочих наиболее перспективным способом получения изопрена стало каталитическое дегидрирование изопентана, который выделяется из нефтяных газов. При этом вещество пентан может быть использовано в качестве исходного материала для производства изопрена, поскольку при нагревании в присутствии соответствующих катализаторов он превращается в изопентан. Был также разработан метод полимеризации изопрена, который позволяет получать каучук, который по структуре похож на натуральный и, следовательно, обладает высокой эластичностью.
Очевидно, что изопреновые каучуки относятся к группе общих каучуков. Так как изопрен получают из изобутилена и формальдегида, его используют для производства синтетических изопреновых каучуков, бутилкаучука. Они являются идеальным выбором для областей применения, где обычно используется натуральный каучук, и особенно там, где важны высокая технологичность и стабильность физико-механических свойств. В отличие от натурального каучука, они не имеют неприятного запаха, биологически инертны, характеризуются хорошей водостойкостью, а химическая стойкость, гистерезисная и окислительная стойкость эластомерных материалов на их основе близки к натуральной резине.
Полимеризация изопренового каучука происходит в специализированных батареях емкостью до 20 кубометров при указанных температурах. Как правило, реакция длится от 2 до 6 часов при заданных температурных параметрах, и этот процесс является непрерывным. После завершения реакции катализатор дезактивируют, вводят антиоксидант, выделяют полимер, а готовый продукт сушат и брикетируют. В процессе производства к каучуковому раствору могут быть добавлены различные компоненты, улучшающие технологические свойства полимерного материала.
Изопреновый каучук имеет относительно низкий диапазон рабочих температур (от - 55 до + 80 градусов), однако, с другой стороны, он имеет отличную стойкость к истиранию, прочность на разрыв и высокое сопротивление электрической изоляции. Кроме того, этот тип полимерного материала обладает высокой водостойкостью, но низкой устойчивостью к бензину и маслам. Вулканизация изопренового каучука, как правило, происходит при температуре, не превышающей 150°С, в присутствии катализаторов, содержащих серу.
К недостаткам изопреновых каучуков относится плохая устойчивость к повышенной температуре и солнечному свету, кроме того, при работе и хранении каучуков необходимо соблюдать определенные условия, например, большинство видов каучуков необходимо хранить в темных помещениях, температура в которых не превышает 40°С.
Физические и химические свойства изопрена и каучука
Свойства высоких механических и упругих характеристик натурального каучука дали основу для разработки методов синтеза изопрена и создания так называемых синтетических изопреновых каучуков. Таким образом, правильная молекулярно-цепная структура, схожая к структуре натурального каучука, способствует образованию кристаллической фазы, благодаря которой каучук из изопрена по прочности в растяжении эквивалентен натуральному каучуку, где каучук, содержащий 35% изопрена, имеет предел прочности при растяжении с хорошим сохранением до 100 ° С. 
  Изопреновые каучуки представляют собой разновидность синтетического каучука, получаемого путем полимеризации изопрена в присутствии катализаторов - металлического лития, пероксидных соединений. В отличие от других синтетических каучуков этот конкретный изопрен, как и натуральный, обладает высокой липкостью и несколько уступает в эластичности. Именно поэтому его используют для изготовления резинотехнических изделий.
Физические свойства изопренового каучука аналогичны природным. Такие каучуки кристаллизуются при -25°С, но по сравнению с натуральным каучуком они характеризуются более низкой скоростью и меньшей степенью кристаллизации (максимальное содержание кристаллической фазы в синтетическом изопреновом каучуке составляет 30%, в натуральном 30-30%). Это в основном из-за более низкой регулярности молекулярных цепей.
Резины из изопренового каучука кристаллизуются меньше при растяжении. Наименьшее удлинение, при котором кристаллическая фаза образуется при 20°C, составляет 600–800% для каучуков, 300–400% на основе синтетического изопренового каучука и 200% на основе натурального каучука. Параметр растворимости синтетических изопреновых каучуков составляет 16,8 (МДж/м3), и они растворяются в тех же растворителях, что и натуральный каучук.
Химические свойства синтетических изопреновых каучуков аналогичны природным. Под влиянием титанового катализатора полимеризации изопрена или ультрафиолетового излучения они могут подвергаться так называемой цис-транс-изомеризации (геометрической изомерии), которая иногда сопровождается реакциями сшивания или циклизации. Циклизация также происходит, когда изопреновые каучуки нагревают в присутствии P205 (оксид фосфора) или SnCL4 (хлорид олова), что приводит к снижению ненасыщенности полимера и увеличению жесткости цепи.
Хлорирование изопреновых каучуков четыреххлористым углеродом СCL4 в присутствии катализаторов дает продукт, содержащий до 65% хлора, растворимый в ароматических растворителях и нерастворимый в алифатических углеводородах. Как и натуральный каучук, синтетические изопреновые каучуки гидрируются в присутствии катализаторов, а их кристалличность увеличивается. Ненасыщенность гидрированных изопреновых каучуков меньше, чем у гидрированного натурального каучука; с уменьшением степени ненасыщенности температура стеклования каучуков увеличивается.
Изопреновые каучуки реагируют с малеиновым ангидридом и другими реакционноспособными соединениями, что позволяет получать продукты, содержащие функциональные группы. Синтетические изопреновые каучуки подвержены окислительной деградации, которая ускоряется металлами переменной валентности (Fe, Co, Ti), озоном, поэтому они стабилизируются введением антиоксидантов во время синтеза.
Разновидность синтетического дисизопренового каучука хорошо растворяются в алифатических, алициклических и ароматических углеводородах

. Однако в меньшей степени растворяются в сложных составах эфира и высших кетонах. Смеси вулканизатов устойчивы к воздействию ацетона, воды, этилового спирта и не устойчивы к действию ряда кислот (азотной, соляной, муравьиной, олеиновой), щелочей и минеральных масел.
Технологические свойства изопренового каучука производятся с заданной вязкостью. При обработке, в отличие от натурального каучука, они не нуждаются в предварительной пластификации, а пластоупругие свойства аналогичны свойствам пластических соединений натуральных каучуков. Однако из-за большой склонности синтетики к деградации во время обработки необходимо строго соблюдать температурные режимы смешивания, нагрева и формования.
Основным недостатком изопренового каучука, связанным с особенностями молекулярной структуры, является пониженная когезионная прочность резиновых смесей на их основе. Так, предел прочности резиновой смеси на основе натурального каучука составляет 1,5-2,0 МПа, на основе синтетического изопренового каучука - всего 0,2-0,4 МПа, для смесей эта величина еще ниже. Поэтому при сборке неформованных, клееных и других изделий (например, на основе синтетического изопренового каучука, такого как СКИ-3) возникают трудности из-за повышенной липкости смесей и полуфабрикатов, недостаточного остова и текучести во время транспортировки и хранения. Каучуки, полученные с использованием литиевых катализаторов, трудно обрабатывать из-за их повышенного упругого восстановления и низкой когезионной прочности. Синтетические изопреновые каучуки хорошо сочетаются со всеми диеновыми каучуками.
При составлении рецептуры резиновых смесей на основе изопренового каучука типа СКИ-3 используются пластификаторы, наполнители и антиоксиданты тех же типов, что и в рецептурах смесей на основе натурального каучука. Для повышения когезионной прочности резиновых смесей на основе СКИ-3 в них вводят полиэтилен высокой плотности и термопластичные эластомеры, а также специальные конструкционные добавки, например, резорциноловые и уротропиновые комплексы. Используя примерно 0,1-0,5% п-нитрозодифениламина (ПНДФА), малеинового ангидрида и других модификаторов на конечных стадиях производства, можно получить синтетический изопреновый каучук с улучшенными технологическими свойствами. Например, прочность сцепления смесей на основе СКИ-3 с 0,1% ПНПА составляет не менее 0,6 МПа.
Структура изопренового каучука
 Как уже известно, изопреновый каучук является продуктом полимеризации изопрена. Непосредственно его молекулы состоят из повторяющихся изопентеновых групп. Изопрен является основным звеном для конструирования макромолекул натурального каучука, однако, только в последние десятилетия научились синтезировать каучук из изопрена, который по своему комплексу свойств близок к природному. До организации промышленного производства стереорегулярного изопренового каучука изопрен использовался в промышленности в небольших количествах.
Применение литиевых катализаторов дает возможность получать каучуки типа синтетического изопренового каучука со средним содержанием цис-1,4-звеньев, использование комплексных катализаторов на основе производных титана и алюминия - каучуки типа СКИ-3 с высоким содержанием цис-1,4-звеньев, а чаще всего совершенная структура получается при использовании лактаноидных катализаторов.
Следовательно, данный каучук готовят на основе изопреновых и стирол-бутадиеновых каучуков. Реакция с индикаторным раствором позволяет уточнить наличие изопренового каучука. Первоначальное окрашивание индикаторного раствора в пурпурный цвет свидетельствует о наличии натурального каучука. 
Свойства полимеров зависят от их структуры, которая, в свою очередь, определяется условиями синтеза. Наиболее ценными свойствами обладают полимеры с правильной, то есть строго повторяющейся структурой. Например, мономерное звено изопренового каучука (синтетического или натурального) содержит двойную связь и может иметь цис- или траксконфигурацию.
Использование новых комплексных катализаторов для стереоспецифической полимеризации в растворителях позволило получить синтетические стереорегулярные изопреновые каучуки, близкие по структуре и свойствам к натуральному каучуку.
Синтетические изопреновые каучуки характеризуются менее регулярной полимерной структурой, более низким содержанием не каучуковых компонентов и отсутствием функциональных групп в молекулярных цепях полимера. Синтетические изопреновые каучуки полимеризации лития имеют узкое молекулярно-массовое распределение. Каучук типа СКИ-3 содержит до 30% гелевой фракции, а каучук типа СКИ-5 не содержит гелевой фракции.
Для защиты каучуков от старения при хранении и переработке их наполняют наностабилизаторами (стабилизаторами): не красящими (например, 2,6-дитрет-бутил-4-метилфенолом) или окрашивающими (фенил-R-нафтламин и дифенилп - фепилендиамин). Марка резины приправлена ​​не окрашивающим антивозрастным средством, обозначается как СКИ-ЗС.
При рассмотрении структуры изопренового каучука выделяется два уровня: молекулярный и надмолекулярный.
Молекулярный уровень характеризуется структурой повторяющихся звеньев в качестве структуры полимерной цепи, конфигурацией, приведенной на стадии синтеза и неизменной и конформацией в виде формы, полученной в результате теплового движения цепи.
Надмолекулярный уровень полимеров определяется взаимным расположением молекулярных цепей и супрамолекулярных образований и взаимодействием между ними в различных фазовых состояниях.
Модель молекул каучука состоит в том, что при любом положении молекул в пространстве их концы всегда находятся близко друг к другу: некоторые исследователи представляют молекулу каучука в виде пружинной спирали.
СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ИЗОПРЕНОВОГО КАУЧУКА
Изопентан на прямую используется для производства самого изопренового каучука. Специальное формирование изобутана может значительно увеличить производство алкилата, например, на нефтеперерабатывающих заводах. Также в результате процесса изомеризации при легких прямогонных бензиновых фракций антидетонационные характеристики автомобильного бензина значительно улучшаются.
Изопреновый каучук получают способом полимеризацией изопрена с использованием специальных катализаторов процесса стереоспецифической полимеризации. В зависимости от используемого катализатора получают полиизопрены цис-L,A (аналог натурального каучука), транс-, A (аналог гуттаперчи) и другие стереорегулярные формы.
Следовательно, использование изопренового каучука вместо других синтетических каучуков в народном хозяйстве приведет к значительной экономии капитала и эксплуатационных расходов. По предварительным расчетам, в случае использования изопренового каучука вместо других синтетических каучуков будет достигнуто снижение капитальных затрат на 30–50% производства шин на 25-40% и трудозатрат на 35-50%. 
Изопреновый каучук, способ производства которого заключается в полимеризации мономера в присутствии каталитической системы на основе триизобутилалюминия (ТИБА) или гидрида диизобутилалюминия (ДИБАГ) и сольвата неорганической соли редкоземельного металла (РЗЭ), а именно, хлорид лантана, церий, хлорид неодима или молибден, лиганд, выбранный из группы одноатомных спиртов или трибутилсульфата. Каталитическая система готовится путем смешивания компонентов в присутствии пиперилена. После выдерживания в течение 2-4 часов каталитическую систему подают в реактор, содержащий раствор изопрена в алифатическом растворителе, и регулятором молекулярной массы является ТИБА или ДИБАГ. Процесс полимеризации проводят при температуре от 20 до 50°С, преимущественно при 20°С. Использование регуляторов молекулярной массы позволяет достичь требуемых значений характеристической вязкости полимера.
Недостатком этого способа является то, что индекс полидисперсности каучука достигает значения 10. Такое широкое молекулярно-массовое распределение снижает способность каучука к ориентационной кристаллизации, что является одним из основных преимуществ цис-полиизопренов. Так, температуры плавления, определенные термомеханическим методом при прочности на разрыв 500%, лежат в отрицательных температурных диапазонах: в пределах минус 5 - минус 8°С. В этом случае предел прочности не превышает 9 МПа при 20°С и 7 МПа при 100°С, тогда как в натуральном каучуке эти показатели находятся на уровне значения более 14 и 10 МПа соответственно.
Изопреновые каучуки в соответствии с определенным патентом получают при полимеризации изопрена при температуре, равной или ниже 0°С, преимущественно при минус 55-20°С в углеводородном растворителе или при его отсутствии, с использованием каталитических систем, полученных реакцией суспензия, предварительно синтезированная соль неодима и диалкилфосфорных кислот, алюминийорганические соединения (ТИБА или ДИБАГ) и галогенид алкилалюминия