Получение каучука из каучуконосных растений

Департамент образования и науки Кемеровской области

Государственное бюджетное нетиповое общеобразовательное учреждение

«Губернаторский многопрофильный лицей-интернат»

 

 

 

Химия

 

 

ПОЛУЧЕНИЕ КАУЧУКОВ ИЗ КАУЧКОНОСНЫХ РАСТЕНИЙ.

 

 

 

 

 

Автор: Варвашеня Руслан

Николаевич

Шабалина Екатерина

Сергеевна

Класс: 11

ГБНОУ «ГМЛИ»

Научный руководитель:

Попов Станислав

Юрьевич, учитель химии

 

 

 

 

 

КЕМЕРОВО 2014

 

Содержание

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

В данной работе проводится изучение различных свойств и получение каучука. Натуральные или синтетические эластомеры, характеризующиеся эластичностью, водонепроницаемостью и электроизоляционными свойствами.

Цель: в данной работе мы планируем изучить свойства и получение каучука из каучуконосных растений

  Задачи:

• ознакомиться с доступными растениями – каучуконосами;
• Ознакомиться со способами выделения каучука из каучуконосных растений;
• рассмотреть изученные свойства.

Для выполнения поставленных задач нами были выбранны наиболее доступные растения – каучконосы.

  Актуальность работы заключается в том, что сейчас в странах всё чаще и чаще начал подниматься вопрос о добывание каучука из доступных каучконосных растений.

Предметом исследования является каучук который мы получим из каучуконосов.

Гипотеза: В условиях школьной лаборатории можно подобрать способы получения каучука из каучуконосных растений.

 

 

 

 

Теоретическая часть

Глава I. Что такое каучук?

• История открытия натурального и искусственного каучука.

Натуральный каучук – это высокомолекулярный углеводород (C5H8)n, цис-полимер изопрена; содержится в млечном соке (латексе) гевеи, кок-сагыза(многолетнего травянистого растения рода Одуванчик) и других каучуконосных растений. Каучук существует столько лет сколько и сама природа. Окаменелые останки каучуконосных растений, которые были найдены, имеют возраст около трёх миллионов лет. Каучук на языке индейцев тупи – гуарани означает «слёзы дерева». Каучуковые шары из сырой резины найдены среди руин цивилизаций инков и майя в Центральной и Южной Америке, возраст этих шаров не менее 900 лет.

Первое знакомство европейцев с натуральным каучуком произошло пять веков назад.

Собственно, история каучука началась, как ни странно, с детского мячика и школьной резинки. На острове Гаити (а тогда — Эспаньола) во время своего второго путешествия в 1493 году испанский адмирал Христофор Колумб увидел туземцев, игравших большим плотным мячом. Испанцы были удивлены весёлой игрой индейцев. Они в такт песне подбрасывали чёрные шары. Хотя это казалось невероятным, но, ударяясь о землю, мячи довольно высоко подскакивали в воздух. Взяв эти шары в руки, испанцы нашли, что они довольно тяжелы, липки и пахнут дымом.

Индейцы скатывали их из загустевшего млечного сока, вытекавшего из порезов на коре дерева гевеи. Колумб привёз несколько кусков этого удивительного вещества на родину, но в те времена он никого не заинтересовал. Индейцы делали из него непромокаемые калоши, которые в жару прилипали к ногам, а растянувшись, больше уже не сжимались.

Много лет испанцы пытались повторить водонепроницаемые вещи (обувь, одежду, головные уборы) индейцев, но все попытки были неудачными.

Первые попытки сделать каучуковую обувь вызывали только смех. Галоши или сапоги хорошо служили в дождь, но стоило выглянуть и припечь солнцу, как они растягивались, начинали прилипать. В мороз же такая обувь становилась хрупкой как стекло.

Следующие два века каучук для Европы был просто любопытной заморской диковинкой.

• В 1731 году правительство Франции отправило математика и географа Шарля Кондамина (Charles Marie de La Condamine) в географическую экспедицию по Южной Америке. В 1736 он отправил обратно во Францию несколько образцов каучука вместе с описанием продукции, производимой из него людьми, населяющими Амазонскую низменность. После этого резко возрос научный интерес к изучению этого вещества и его свойств.
• В 1770 году британский химик Джозеф Пристли (Joseph Priestley) впервые нашёл ему применение: он обнаружил, что каучук может стирать то, что написано графитовым карандашом. Тогда такие куски каучука называли гуммиэластиком («смолой эластичной»).
• В 1791 году английский фабрикант Самуэль Пил (Samuel Peal) запатентовал способ сделать одежду водонепроницаемой с помощью обработки её раствором каучука в скипидаре.
• Во Франции к 1820 г. научились изготовлять подтяжки и подвязки из каучуковых нитей, сплетённых с тканью.
• В Англии британский химик и изобретатель Чарльз Макинтош (Charles Macintosh) предложил класть тонкий слой каучука между двумя слоями ткани и из этого материала шить водонепроницаемые плащи. В 1823 году в Глазго он начал мануфактурное производство водонепроницаемой одежды. Непромокаемый плащ из прорезиненной ткани до сих пор носит его имя. Но эти плащи зимой становились твёрдыми от холода, а летом расползались от жары.
• В США вещи из каучука стали популярными в 1830-х годах, резиновые бутылки и обувь, сделанные южноамериканскими индейцами, импортировались в больших количествах. Другие резиновые изделия завозились из Англии, а в 1832 году в городе Роксбери штата Массачусетс Джон Хаскинс (John Haskins) и Эдвард Шафе (Edward Chaffee) организовали первую «каучуковую» фабрику в США. Но производимые вещи, как и импортируемые, становились хрупкими зимой, и мягкими и липкими летом.
• В 1834 году немецкий химик Фридрих Людерсдорф (Friedrich Ludersdorf) и американский химик Натаниель Хейвард (NathanielHayward) обнаружили, что добавление серы к каучуку уменьшает или даже вовсе устраняет липкость изделий из каучука.
• Американский изобретатель Чарльз Гудьир (Charles Goodyear) с 1834 г. упорно пытался «спасти» каучук. Но только в 1839 г. ему повезло. В этом году он, используя открытия этих двух химиков, обнаружил, что нагревание каучука с серой устраняет его неблагоприятные свойства. Он положил на печь кусок покрытой каучуком ткани, на которую был нанесён слой серы. Через некоторое время он обнаружил кожеподобный материал — резину. Этот процесс был назван вулканизацией.

Открытие резины привело к широкому её применению: к 1919 году было предложено уже более 40 000 различных изделий из резины.

Внимание всех стран обратилось на добычу каучука. Бразилия оказалась владетельницей громадных богатств. Чтобы сохранить их, правительство Бразилии издало закон, запрещающий под страхом смерти вывоз семян и молодых деревьев гевеи. Но было поздно.

По совету ботаника Дж. Гукера, англичанин Генри Викгем (Henry Wickham) поехал в 1876 году на берега Амазонки, где собрал 70 000 семян гевеи и контрабандно вывез их из Бразилии. Тайком доставил их в Королевский ботанический сад в Лондоне. Семена были высеяны, но взошло только 4%.

Однако через несколько дней сеянцы достигли полуметровой высоты и были использованы для высадки на плантациях сперва в Шри-Ланке, а затем в других тропических районах Восточного полушария. Затем такие же плантации были устроены в полосе 1100—1300 км по обе стороны от экватора. Около 99% плантационного каучука приходит из Юго-Восточной Азии.

Попытки высадить каучуконосные деревья в тропических областях Западного полушария закончились неудачей из-за болезней растений в тех местностях.

Компании, организовывавшие добычу, сбор и перевозку каучука, безжалостно калечили людей, занятых его сбором, стремясь как можно больше и дешевле получить его

Сборщику каучука много приходилось бродить по лесу в поисках гевей, так как они растут друг от друга на расстоянии 20—100 м. Серингеро, добывая сок гевеи, сам же его и обрабатывал в каучук.

Тут же в лесу раскладывал костёр, вырезал лопаточку в виде весла и обмазывал её глиной. Он садился на корточки, обмакивал лопаточку в сосуд с соком гевеи и держал в белом дыму костра, поворачивая над огнём. А когда вода испарялась, и вокруг лопаточки образовывалась тонкая плёнка каучука, серингеро снова макал её в сок гевеи и снова коптил в дыму костра. Это продолжалось до тех пор, пока вокруг лопатки не образовывался большой ком килограммов в 5 весом. Затем серингеро разрезал его и снимал с лопатки в виде листа толщиной в 10 см. Это был лучший и, благодаря копчению, не загнивавший каучук. Но серингеро гибли от тяжёлого труда, укусов змей, малярии и других болезней. Вот что писал один инженер, прибывший в 1907 году в район Путумайо: «Индейцы имеют ужасный вид, они еле двигаются от слабости и истощения. С каждого индейца в месяц требуется до 25 кг каучука.

Каждые 10 дней индейцы сдают собранный каучук. Если стрелка весов показывает норму, они смеются и пляшут. При нехватке каучука индеец бросается на землю и ждёт наказания. Не выдерживая такой работы, истязаний, индейцы бегут. Если беглеца находят в какой-либо хижине, то её обливают керосином и сжигают вместе со всеми жителями. В выбегающих стреляют». Всё это происходит в XX веке.

Первым синтетическим каучуком, имевшим промышленное значение, был полибутадиеновый (дивиниловый) каучук, производившийся синтезом по методу С. В. Лебедева.

Исследованиями в области получения синтетического каучука на грани XIX-XX вв. занимались многие научные лаборатории мира. Впервые каучукоподобное вещество при обработке изопрена (2-метилбутадиена-1,3) соляной кислотой получил в 1879 французский химик Г. Бушарда. Русский химик И. Кондаков (г. Юрьев) синтезировал эластичный полимер из диметилбутадиена в 1901 году.

Основателем первого в мире крупномасштабного производства синтетического каучука по праву считается русский ученый С.В. Лебедев. Он впервые получил синтетический бутадиеновый каучук в 1910 г.. К процессу полимеризации бутадиена Лебедев вернулся в 1932 г., когда правительство СССР объявило конкурс на разработку промышленного производства синтетического каучука. Лебедевым и его сотрудниками был успешно разработан недорогой и эффективный метод. Настоящей находкой был одностадийный способ получения бутадиена из этилового спирта на смешанном цинкалюминиевом катализаторе:

 2С2H5OH 425ºC; Al2O3; ZnO  CH2=CH-CH=CH2 + 2H2O + H2

     В условиях аграрного в то время Советского Союза использование в качестве исходного продукта этанола, получаемого из растительного сырья, значительно удешевляло производство. Благодаря работам Лебедева промышленное широкомасштабное производство синтетического каучука начато в Советском Союзе в 1932 - впервые в мире. С 1932 г. и вплоть до 1990 г.  СССР по объемам производства синтетического каучука занимал первое место в мире. И сегодня Россия сохраняет позиции экспортера мирового значения. Основными потребителями синтетического каучука являются шинные заводы.

Все бутадиеновые каучуки подразделяются на:

- стереорегулярные,

- нестереорегулярные.

К стереорегулярным относятся каучуки, в молекулах которых не меньше 85%  мономерных групп.  К ним относятся бутадиеновые каучуки, получаемые с помощью комплексных катализаторов Циглера-Натта кобальтового, никелевого и титанового типов, а также каучук, получаемой с помощью литий-органического катализатора.

К бутадиеновым и эмульсионным каучуком нестереорегулярного строения относятся каучуки, получаемые в присутствии щелочных металлов.

 

Нестереорегулярные бутадиеновые каучуки

Нестсреорегулярный и натрий-бутадиеновый каучук (СКВ), получаемый по способу С. В. Лебедева, является первым синтетическим каучуком, производство которого было организовано в крупных масштабах в нашей стране. Долгое время он был основным каучуком общего назначения и вместе с натуральным применялся при изготовлении разнообразных резиновых изделий.

СКВ получают полимеризацией бутадиена в массе в присутствии металлического натрия. Полимеризация длится несколько десятков часов при температуре 50-60 оС  и максимальном давлении в полимеризаторе 0,9 МПа.

Цвет СКВ— желтый с зеленоватым или коричневатым оттенком; по степени полимеризации и пластичности каучук неоднороден, легко окисляется, содержит примеси летучих веществ, а также металлического натрия и его соединений.

 

Применение. В  настоящее время СКБ, СКВ, СКБМ  применяются  как

специального назначения и используются при изготовлении некоторых пищевых, морозостойких, кислотощелочестоиких резин, а также эбонитовых и асбестовых изделий. В дальнейшем предполагается заменить их в производите этих изделий на бутадиеновые каучуки типа СКБС (линейной структуры) и СКБСР (разветвленной структуры), которые получаются более совершенной растворной полимеризацией. Их вулканизаты отличаются высокой стойкостью к термоокислительной деструкцией к тепловому старению и по комплексу физикомеханических свойств близки к резинам из СКБ.

 

Стереорегулярные бутадиеновые каучуки

Стереорегулярные бутадиеновые каучуки получают полимеризацией бутадиена в растворителях в присутствии комплексного катализатора.

Непрерывная полимеризация производится в батарее полимеризаторов при температурах 25—30°С и давлении до 1,0 МПа в течение 4 - 8 ч. После удаления основной массы непрореагировавшего мономера и части растворителя в вакуумиспарителе к полимеризату добавляется антиоксидант (противостаритель), затем полимеризат подвергают водной дегазации. Обработкой паром отделяют растворитель от каучука, при этом удаляется большая часть оставшихся продуктов распада катализатора, растворившихся в воде.

Стереорегулярные бутадиеновые каучуки выпускают в виде брикетов массой около 30 кг, завернутых в полиэтиленовую пленку и упакованных в четырехсложные бумажные мешки.

Свойства 

Относительно высокая гибкость макромолекул и подвижность макромолекулярных цепей СКД является причиной более низкой температуры стеклования по сравнению с температурой стекловании натурального каучука.

Каучуки СКД разных марок отличаются вязкостью, вальцуемостью и физико-механическими свойствами вулканизатов (наполненных техническим углеродом).

Резины на основе СКД обладают рядом ценных свойств:

- высокоэластичностью,

- повышенной износостойкостью  и исключительно высокой морозостойкостью.

С увеличением молекулярной массы каучука жесткость и вязкость повышаются, а пластичность и вальцуемость ухудшаются. Одновременно повышаются условное напряжение резин (при удлинении 300%), прочность при растяжении, эластичность по отскоку и снижаются относительное и остаточное удлинение, истираемость, теплообразование и сопротивление разрастанию пореза.