Kaučiukas

Kaučiukas – elastingas stambiamolekulis junginys. Veikiamas išorinių jėgų, jis įgauna suteikiamą formą, nustojus veikti šioms jėgoms – grįžta į pradinę būklę. Kaučiukas elastingas, nes jo makromolekulės yra spiralės formos. Tempiamos molekulės išsitiesia, o atleistos – susisuka.

Vulkanizacija 

Kaučiukai žinomi labai seniai, tačiau ilgai nemokėta pasinaudoti kaučiuko elastingumu – kaučiukiniai dirbiniai greitai netekdavo savo formos ir dalies vertingų savybių. Išmokus kaučiuką vulkanizuoti, buvo pradėta gumos gamyba.

Guma turi kaučiuko elastingumą ir tamprumą, be to, yra mechaniškai stipri, atspari šilumai ir šalčiui, todėl jos dirbiniai plačiai vartojami pramonėje ir buityje.

Spiralės formos kaučiuko makromolekulės, veikiamos išorinių jėgų, gali susispausti ir išsitempti. Tačiau tarp atskirų polimero grandžių veikia labai silpnos molekulinės jėgos, todėl kaučiuko makromolekulės labai lengvai, ypač jeigu yra šildoma, persistumia viena kitos atžvilgiu. Vulkanizuojama tam, kad makromolekulės tvirtai susijungtų ir netektų paslankumo.

Vulkanizuojama ir siera. Ji „tilteliais“ sujungia kaučiuko makromolekulių grandis. Pavyzdžiui, vulkanizuojant linijinės struktūros kaučiuke susidaro tinklinės struktūros makromolekulė su sieros „tilteliais“.

Vulkanizuotas kaučiukas su užpildais vadinamas guma. Guma mechaniškai stipri, atspari šildymui, jos neveikia tirpikliai ir kiti reagentai. Iš gumos gaminamos automobilių ir lėktuvų padangos, pavarų diržai, transporterių juostos, žarnos, mašinų detalės, elektroizoliacinės medžiagos, gumos pagrindu pagaminti audiniai, avalynė, sanitarijos bei higienos reikmenys ir kiti dirbiniai.

Guma 

Guma skirstoma į:

 bendrosios paskirties, eksploatuojamą nuo -50 iki +150 °C temperatūroje (padangos, avalynė, diržai, amortizatoriai ir kt.);

 termiškai atsparią, vartojamą ilgalaikiam darbui, kai temperatūra aukštesnė kaip 150 °C (lėktuvų, mašinų, elektros variklių ir kitos detalės);

 atsparią šalčiui;

 atsparią chemiškai ozonui, deguoniui, rūgštims, šarmams, įvairių druskų tirpalams ir kitoms medžiagoms;

 atsparią tepalams (benzinui, žibalui, naftai);

 akytą, vartojamą šilumai izoliuoti;

 atsparią radiacijai (iš jos gaminamos rentgeno ir kitų aparatų detalės);

 dielektrinę (ja izoliuojami kabeliai).

Kaučiukas 

Kaučiukai skirstomi į natūraliuosius ir sintetinius:

Natūralusis kaučiukas (NK) – augalinis gamtinis polimeras. Jį galima gauti iš daugelio augalų, bet pramoninę reikšmę turi tik jo gamyba iš braziliškosios hevėjos. Šiuo metu natūralusis kaučiukas gaunamas iš hevėjų, auginamų Pietryčių Azijos salų plantacijose. Natūralusis kaučiukas išgaunamas, hevėjos žievėje padarius rieves ir surinkus jose tekančias pieno sultis – lateksą, kuriame būna 20–35 % kaučiuko, t. y. gamtinio stambiamolekulinio izopreno polimero. Taigi natūraliojo kaučiuko
CH3 makromolekulė esti sudaryta iš tokių elementarių grandžių:

[–CH2–C(CH3)=CH–CH2– ]

Norint išskirti kaučiuką, į lateksą, pridedama koaguliatorų – acto arba skruzdžių rūgšties. Susikoaguliavęs kaučiukas nufiltruojamas, praplaunamas ir valcuojamas rifliuotais valcais.
Guma iš natūralaus kaučiuko yra labai stipri ir elastinga plačiame temperatūrų intervale.

Auganti kaučiukų paklausa bei esanti daugelio valstybių priklausomybės nuo natūralųjį kaučiuką gaminančių šalių, skatino ieškoti būdų gaminti sintetinį kaučiuką (SK). Ilgą laiką mokslininkų pastangos susintetinti kaučiuką buvo nesėkmingos. Sintetinių kaučiukų tėvynė – Tarybų Sąjunga. 1928 m. akademikas S. Lebedevas, polimerizuodamas butadieną (divinilą), gavo butadieninį kaučiuką. 1932 m. pagal S. Lebedevo pasiūlytą technologiją pradėjo veikti sintetinio kaučiuko gamykla.
              
Butadieninis kaučiukas (CKB) gaunamas polimerizuojant butadieną. Butadienas CH2=CH–CH = CH2, pradėjus gaminti kaučiukus, buvo gaunamas iš etilo alkoholio, o šis – iš grūdų, bulvių ir kitų maistinių medžiagų. Dabar etilo alkoholis sintetinamas iš metileno. Butadieną galima gauti dehidrinant butaną, kuris, kaip ir etilenas, yra gaunamas naftos perdirbimo metu ir iš gamtinių dujų.

Butadieninis kaučiukas gaunamas periodinio veikimo autoklave. Dujinis arba skystas butadienas supilamas į autoklavą pro jo dangčio atvamzdį 2. Polimerizuojama blokiniu būdu (masėje); temperatūra 30–40 °C, slėgis 0,88–0,98 MPa, katalizatorius – natrio strypai. Polimerizacijai paspartinti, proceso pradžioje pro autoklavo gaubtą 1 leidžiami vandens garai. Procesas egzoterminis, todėl
vėliau autoklavui aušinti f gaubtą t leidžiamas šaltas vanduo. Pasibaigus polimerizacijos reakcijai, slėgis autoklave sumažinamas, pašalinamas nesureagavęs butadienas ir kiti dujiniai produktai. Kaučiuko blokas iš autoklavo iškraunamas azoto aplinkoje.

Butadieninio kaučiuko guma ne taip stipri ir elastinga, kaip guma iš natūraliojo kaučiuko, be to, ji greičiau susidėvi. Iš butadieninio kaučiuko gaminamos automobilių padangos, avalynė, gumos pagrindu pagaminti audiniai ir kiti dirbiniai.

Butadieno - stireno kaučiukas, gaunamas polimerizuojant butadieną su stirenu. Šio kaučiuko makromolekulės sudarytos iš tokių elementarių grandžių:

[–CH2–CH =CH–CH2–CH2–CH–]
|
C6H5

Polimerizuojama 5–50 °C temperatūros emulsijoje. Butadienas sumaišomas su stirenu, emulgatoriumi (kanifolijos muilu ir kt.) bei vandeniu tada viskas suplakama. Emulsija kartu su iniciatoriaus tirpalu (izopropilbenzolo hidroperoksidu) prateka per polimerizatorių bateriją, sudarytą iš dvylikos reaktorių. Polimerizatorius – 12–20 m³ talpos maišytuvas, iš vidaus padengtas specialia medžiaga. Kol emulsija prateka visus reaktorius, polimerizuojama apie 60 % monomerų. Gaunamas lateksas. Iš jo atskiriami nesureagavę monomerai ir kitos priemaišos. Kaučiukas koaguliuojamas į lateksą pridedamais NaCl, CaCL2 tirpalais, sieros H2SO4 arba acto CH3COOH rūgštimis, paskui praplaunamas, išdžiovinamas. Suformuota iš jo juosta suvyniojama į ritinį. Kad nesuliptų, juosta apibarstoma talku. Iš butadieno – stireno kaučiuko gaminamos padangos, transporterio juostos. Kai kurių rūšių butadieno – stireno kaučiukas yra atsparus šalčiui, kaip ir natūralusis, todėl iš jo gaminami šalčiui atsparūs guminiai gaminiai.

Butadieno - nitrilo kaučiukas (CKH, Buna-N) – butadieno ir akrilo rūgšties nitrilo (CH2=CHCN) kopolimeras.

[CH2CH=CHCH2CHC=N-] n

Kopolimerizuojamas vandeninėje emulsijoje. Šie kaučiukai atsparūs tepalams ir benzinui. Iš jų gaminama benzinui ir tepalams atsparios žarnos, tarpikliai ir kiti aviacijai, naftos ir kitoms pramonės šakoms reikalingi gaminiai.

Izopreninis kaučiukas (CKH)

[–CH2–C(CH3)=CH–CH2– ] n

Gaunamas polimerizuojant izopreną 30–40 °C temperatūroje. Katalizatorius – litis arba kompleksiniai metalų organiniai junginiai. Sintetinio izopreninio kaučiuko struktūra panaši į natūraliojo kaučiuko, panašios ir daugelis jų savybių.

Chloropreninis kaučiukas – chloropreno polimeras.

[– CH2–C–CH–CH2– ] n
       |
       Cl

Chloroprenas gaunamas iš vinilacetileno. Potimerinamas emulsijoje 40 °C temperatūroje. Emulgatorius – kanifolijos muilas ir kt. Chloropreninis kaučiukas nedega, atsparus cheminiams reagentams, tepalams, šviesai ir šilumai. Pagrindinis jo trūkumas – neatsparus šalčiui.

Chloropreninio kaučiuko negalima vulkanizuoti siera, todėl, norint gauti tinklinės struktūros makromolekules, pridedama cinko, gyvsidabrio ir kitų metalų oksidų. Chloropreninis kaučiukas, kaip antikorozinė danga, vartojamas kabelių gamybai, iš jo gaminami klijai.

Silicio organinių junginių kaučiukų (siloksaninių) makromolekulės sudarytos iš grandžių, būdingų silicio organinių junginių polimerams.

Silicio organinių junginių kaučiukai labai atsparūs termiškai ir labai elastingi. Jų savybės nesikeičia nuo –60 iki +300 °C temperatūros. Atsparūs vandeniui, geri elektroizoliatoriai, netirpsta tepaluose, benzine ir kituose tirpikliuose.

Iš silicio organinių junginių kaučiukų gaminami tarpikliai, membranos, vožtuvai, elektroizoliacinės ir kitos detalės, kurias veikia aukšta ir žema temperatūra.

Silikoninis kaučiukas, arba tiesiog silikonas, išrastas šeštajame dešimtmetyje, cheminiu požiūriu yra labai inertiškas, atsparus aplinkos poveikiui: deguoniui, ozonui, vandeniui ir šviesai, įvairiems plovikliams. Jis gali būti naudojamas esant ir aukštoms, ir žemoms temperatūroms. Tai labai ekologiška medžiaga, neveltui ji naudojama krūties liaukos protezų gamybai. Šiandien silikonas yra naudojamas ne tik medicinoje, bet ir versle ar buityje. Beje, prie silikoninių ar silikonu dengtų paviršių kepiniai neprisvyla.

Fluoro kaučiukai gaminami iš fluorintų etileno darinių. Labiausiai paplitę kaučiukai, gauti kopolimerizuojant trifluorchloretile n CF2-CFC1 ir vinilideniluoridą CF2-CH2. Fluoro kaučiukai labai atsparus termiškai ir chemiškai, stiprus. Šie kaučiukai labai brangūs, todėl jų gaminama nedaug.
Sintetiniuose lateksuose kaučiuko būna 20–33 %. Jais impregnuojamas padangų kordinis audinys, oda, popierius ir kiti techniniai dirbiniai.

Gumos dirbinių gamyba 

Guminių dirbinių gamybos procesą sudaro trys pagrindinės stadijos: žalio gumos mišinio paruošimas, gaminių formavimas ir jų vulkanizavimas. Į gumos mišinį, be kaučiuko – pagrindinės sudėtinės dalies, įeina organinės ir neorganinės medžiagos, vadinamos ingredientais. Ingrediento rūšis ir kiekis priklauso nuo kaučiuko kokybės ir nuo tų savybių, kurių norima, kad turėtų gumos gaminys.

Dažniausiai žalią gumos mišinį sudaro tokios medžiagos: kaučiukas, vulkanizatorius (siera ir kt.), vulkanizacijos greitikliai (difenilguanidinas ir kt.), plastifikatoriai (riebiosios rūgštys, vazelinas, pušų derva, parafinas ir kt.), medžiagos, lėtinančios senėjimą (fenolis, fenil - p-naftilaminas ir kt.), užpildai (suodžiai, silicio dioksidas SiO2, cinko baltalai ZnO, kaolinas ir kt.), dažai. Guminių dirbinių kokybė priklauso nuo to, ar tolygiai žalios gumos mišinyje pasiskirstę visi ingredientai. Kad būtų plastiškesnė guma ir lengviau kaučiukas maišytųsi su ingredientais, mišinys šildomas.

Ruošiant gumos mišinį, reikia laikytis nustatyto technologinio režimo (temperatūros, mechaninio poveikio stiprumo ir trukmės ir t. t.), nes labai svarbu, kad nepasikeistų kaučiuko makromolekulės ir nesuskiltų ingredientai.

Dažniausiai maišoma uždaruose, labai našiuose maišytuvuose. Maišytuvą sudaro kamera, kurioje priešpriešiais skirtingu greičiu sukasi du ovalūs arba tribriauniai su šukomis rotoriai (velenai, būgnai). Kamera ir rotorius vėsinami, nes, plastifikuojant kaučiuką, skiriasi šiluma.

Gumos mišinį galima maišyti ir valcuose, kurių velenai 1 x 3 sukasi skirtingu greičiu. Kad kaučiukas nepradėtų vulkanizuotis prieš laiką, sieros į mišinį pridedama baigiant maišyti.
Paruoštas gumos mišinys valcais suformuojamas į vienodo storio begalinio ilgio juostą. Ši juosta vėliau supjaustoma į lakštus ir iš jų karpomi arba štampuojami guminių dirbinių ruošiniai. Tolesnis guminių ruošinių perdirbimas priklauso nuo gaminamų detalių formos, paskirties ir eksploatavimo sąlygų.

Guminės žarnelės, vamzdeliai formuojami švirkštinėmis mašinomis: gumos mišinys praspaudžiamas pro reikiamo dydžio ir formos angas.

Vulkanizacija – paskutinė guminių dirbinių gamybos stadija. Kaučiuką galima vulkanizuoti kambario (šaltasis vulkanizavimas) ir aukštesnėje nei kambario temperatūroje (karštasis vulkanizavimas). Šaltai vulkanizuojama 2–3 % koncentracijos sieros monochlorido tirpalu. Procesas trunka 1–3 minutes. Sis vulkanizacijos būdas taikomas tik plonasieniams guminiams dirbiniams formuoti. Pagrindiniai šio metodo trūkumai – tirpiklio gamybiniai nuostoliai ir kenksmingos darbo sąlygos. Dažniau taikomas karštasis vulkanizavimas siera 125–160 °C temperatūroje. Karštai vulkanizuojama presuose arba autoklavuose karštu oru arba sočiaisiais vandens garais.

Kaučiuko ir gumos pramonės vystymas 

Daugiausia kaučiukų ir gumos reikia aviacijai ir autotransportui. Be jos neišsiverčiama ir kitose pramonės šakose, žemės ūkyje, buityje. Didėja ne tik reikalingo kaučiuko bei gumos kiekis, bet ir jų gaminių asortimentas.

Guminiai gaminiai naudojami įvairiomis sąlygomis. Pagrindiniai gumos pramonės uždaviniai yra naujų žaliavų monomerams gaminti suradimas ir sintezės metodų tobulinimas.

Polimerai
Guma