人造橡膠是怎么進行的?
作者:化工綜合網發布時間:2022-04-18分類:橡膠制品瀏覽:65
橡膠硫化后使它獲得較廣泛的應用,從炎熱的南美洲野橡膠樹切口流出的天然橡膠供不應求了。1876年,英國的巴西咖啡種植園主維克漢秘密收集了7萬多顆野生橡膠樹的優良種子作為稀有植物標本偷偷運送到英國港口城市利物浦,英國當局立即在皇家植物園進行精心栽培,雖然僅有4%的種子發芽,但畢竟成活了。于是幼苗被運往東南亞殖民地即今天的斯里蘭卡、馬來西亞等地,開辟了橡膠園。于是野生橡膠被種植橡膠代替,橡膠供應得到緩解。
20世紀50年代初,橡膠樹北遷試種在我國獲得成功,打破了國際上長期認為北緯17度以北是橡膠禁區的結論。在北緯18~24度的廣西、云南等地區大面積種植了橡膠樹。
1888年,英國人鄧洛普組建的橡膠公司首先制成可以充氣的橡膠車胎,供自行車、汽車、飛機使用,使橡膠制品從雨衣、雨鞋轉入各種車輛輪胎的制造。種植橡膠的供應量雖然到1912年已經超過了巴西的出口量,但已供不應求了。20世紀初,汽車、飛機需要量大增,更感供應不足。1942年,日本占領東南亞,割斷全世界90%的橡膠供應,于是人造橡膠應需求而生。
石油化工的成果給人造橡膠提供了原料,促進了人造橡膠的生產。
化學家們對天然橡膠化學成分的分析和高分子化學理論的研究使人造橡膠得以實現。
天然橡膠的化學成分早在1826年經英國化學家法拉第分析,確定它是碳和氫的化合物。
1860年,英國斯旺西師范學院化學講師威廉斯將橡膠蒸餾,獲得產物,鑒定是異戊二烯,是分子中含有5個碳原子并且有2個雙鍵的烯烴CH2CH—CCH3CH2,是正戊烯的同分異構物,是橡膠的基本組成成分。
1879年,法國化學家布卻特在實驗室中將異戊二烯與作用,得到具有彈性的類似橡膠的物質。
1882年,英國馬遜大學化學教授蒂爾登從松節油得到異戊二烯,盛裝在瓶中。幾年后,在1892年打開瓶塞時,發現淡黃色黏稠體漂浮在液體中,確定此黏稠體正是橡膠。這可被認為是最早合成的人造橡膠,現在存在于英國南肯辛頓科學博物館中。
1905~1912年,德國柏林大學化學教授哈里斯利用臭氧(O3)使天然橡膠降解,確定天然橡膠的分子是線型分子,分子中組成單位異戊二烯頭尾相接。
20世紀20年代初,德國化學家斯陶丁格提出高分子化合物概念,把當時看作是低分子的一些具有膠體特性的物質,淀粉、纖維素、蛋白質、橡膠等,認為是由幾千到幾萬個碳原子連結成的大分子,提出聚合物概念。認為聚合物是指同一原子團重復以正常化合價聯結起來的長鏈分子。
化學家們在了解到天然橡膠的化學組成和分子構造后就著手合成它了。
由于異戊二烯只能從松節油等少數天然物質中取得,要大規模地將它投入生產人造橡膠似乎有些不可能。于是,化學家們找到來自石油化學加工的產品如丁二烯、苯乙烯、異丁烯等與異戊二烯類似的具有雙鍵的化合物作為人造橡膠的原料。
第一個人工合成的人造橡膠是甲基橡膠。1900年俄羅斯化學家康達柯夫提出的。他發現一種與異戊二烯相似的化合物2,3-二甲基-1,3-丁二烯【H2CC(CH3)—C(CH3)CH2】,可以聚合成橡膠類似物。這一物質可以利用丙酮制取。德國在第一次世界大戰期間(1914~1919年)在西北部化學工業中心萊弗庫森建廠生產了甲基橡膠2000噸以上,供卡車輪胎制造。但是輪胎很快就被磨損,如果添加炭黑,情況也許會改變,同時由于當時沒有設計盛一條比較有效的生產線,需要在30~70℃下聚合2~6個月,產品不但質量差,而且成本也高,因此第一次世界大戰后即停止生產。
由于對橡膠的需求,德國化學工業不斷繼續尋找新方法。20世紀30年代,德國聞名的巴迪舍苯胺和純堿工廠的科技人員用丁二烯分別與苯乙烯、丙烯腈共聚合,生產布納S和布納N兩種合成橡膠。金屬鈉在它們聚合反應中用作催化劑。S是“苯乙烯”一詞的第一個字母;N是“丙烯腈”一詞中“腈”的第一個字母。我們將布納S稱為丁苯橡膠,布納N稱為丁腈橡膠。
丁苯橡膠在當時由于質量遠不能與天然橡膠相比,未立即投入工業生產。而丁腈橡膠因具有耐油特性。1935年就開始有商品出售。第二次世界大戰期間(1941~1946年),由于天然橡膠奇缺,經過改進生產工藝后生產出耐磨損、耐老化和抗臭氧等優良質量的橡膠,并能與天然橡膠以任意比例混合,成為今天合成橡膠中生產量最大的品種。我國生產的丁苯橡膠有丁苯-10、丁苯-30和丁苯-50等不同品種。后面的數字表示單體苯乙烯在單體總重量分數(100重量分數)中所占的重量分數。苯乙烯含量增多,耐溶劑性能增加、彈性下降、可塑性上升、耐磨性提高、硬度加大。登山運動員穿著的登山鞋便是丁苯—50橡膠的制品。如果苯乙烯配比在50重量分數以上所得的丁苯橡膠稱為高苯乙烯丁苯橡膠。它具有塑料的屬性了。
美國生產的第一種人造橡膠是聚硫化物,是在1927年由帕特里克和諾金用二氯乙烷【Cl(CH2)2Cl】和四硫化鈉(Na2S4)進行縮聚反應制得。縮聚反應和聚合反應一樣生成聚合物,只是除生成聚合物外還生成了小分子副產物。
它是一種抗溶劑的彈性體,我們稱為聚硫橡膠。這種橡膠具有令人非常不愉快的嗅味,用做包裹電纜外皮和制作汽油軟管。這種橡膠還可以制成低聚的液體,若在室溫下添加二氧化鉛,很容易轉變成固體彈性體,廣泛用做堵塞漏縫的材料和固體火箭推進劑的包裝材料。
另一種美國首創的人造橡膠是新戊二烯,我們稱它為氯丁橡膠,是20世紀30年代尼龍創造人卡羅澤斯和他的同事們研制成功的。這是利用氯丁二烯(CH2CCl-CHCH2)聚合而成,是利用乙炔為基本原料制成的。
氯丁橡膠的耐磨耐熱性能都比較好,有“萬能橡膠”的美稱,用做電纜包皮、膠管、運輸帶、輪胎的制造。
20世紀30年代,美國還開拓一種丁基橡膠,是由異丁烯和少量(2.5%)異戊二烯在三氯化鋁AlCl3催化作用下共聚合制成,它是由美國標準石油公司的兩位化學家斯帕克斯和托麥斯研究制成的。
這種橡膠的氣體密封性很好,是其他任何橡膠不可相比的,是制造輪胎內胎、探測氣球、防輻射手套和其他氣密要求高的制品材料。它還有很好的耐酸和有機溶劑性能,因此用于化工設備的內襯。
在前蘇聯,差不多和在德國、美國一樣,也在從事人造橡膠的研究。1926年,前蘇聯最高經濟會議懸賞征求制取合成橡膠的方法。1927年12月31日懸賞征求限期前一天,前蘇聯化學家列別捷夫上交了實驗室中合成的人造橡膠2000克。1928年兩座試驗工廠開工,1933年開始工業生產。這是利用丁二烯在金屬鈉的催化作用下聚合而成。
因而它被我們稱為丁鈉橡膠。列別捷夫還創造從乙醇制取丁二烯的方法,而乙醇可以利用廉價的馬鈴薯發酵制取,于是土豆變成了橡膠。可惜聚丁二烯橡膠質量不好,沒有得到大力發展。
1953~1955年出現齊格勒·納塔催化劑,定向聚合物得以合成。定向聚丁二烯得到化學家們的青睞,于是在1958~1962年,合成橡膠工業發展了三種新型品種:順式聚丁二烯橡膠(簡稱順丁橡膠)、順式聚異戊二烯橡膠(又稱異戊橡膠)和乙丙橡膠。
化合物的分子是有立體結構的。天然橡膠分子中的單體異戊二烯就有順式和反式兩種立體異構聚合物。天然橡膠98%以上是順式結構,古塔膠(又稱古塔波橡膠)和杜仲膠是反式結構。古塔膠由馬來西亞、印度尼西亞等熱帶地區產的山欖科植物的樹成和樹葉中的乳膠制得。我國的杜仲樹也含這種膠。
順丁橡膠就是順式丁二烯的聚合物順丁橡膠彈性好而且耐磨顯著,并在20世紀60年代中期和末期發展很快,就產量而言,它僅次于丁苯橡膠而高于氯丁橡膠居第二位。
異戊二烯橡膠中的單體異戊二烯本是化學家們長期以來想從天然橡膠中找到的單體。化學家們在尋找它以聚合成天然橡膠期間里不得不以它的類似化合物取代,制成了各式各樣的橡膠。隨著石油化學加工方法的不斷發展,異戊二烯被生產出來。但是由于許多生產異戊二烯的方法還不夠完善,因而用它聚合成聚異戊二烯橡膠仍有不少困難。這種橡膠與其他合成橡膠相比,就成分來說,它是一種合成的天然橡膠;就性能來說,雖然在某些方面超過了天然橡膠,但是在加工性能、彈性等方面還不如天然橡膠,而且做成的輪胎在行駛中產生的熱量大。
乙丙橡膠是由乙烯和丙烯共聚合而成。
乙丙橡膠于1954年合成,1960年正式投入工業生產。各國普遍重視乙丙橡膠生產的原因是原料豐富,價廉易得,產品具有耐臭氧、耐老化、電絕緣性等性能。但不易硫化和不易黏接等問題限制了它的應用。
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