Изопрен

Изопреновый каучук

Каждый из выпускаемых промышленностью синтетических каучуков характеризуется теми или иными свойствами. Одни каучуки отличаются механической прочностью, другие химически стойки и газонепроницаемы, третьи устойчивы к действию растворителей, четвертые не боятся изменений температуры и т. д.

По каждому из этих свойств отдельные синтетические каучуки превзошли натуральный каучук. Только в одном свойстве не превзойден натуральный каучук — в его эластичности. Между тем это свойство является самым главным при изготовлении таких важных изделий из каучука, как автомобильные и авиационные шины.

Во время движения шины испытывают многократную деформацию — сжатие, растяжение и т. п. Это вызывает постоянное межмолекулярное трение в резине, вследствие чего она нагревается и постепенно теряет свои качества. Чем выше эластичность резины, тем она легче поддается таким деформациям, повышение температуры в ней происходит меньше, и шины оказываются долговечнее. Поэтому натуральный каучук, как наиболее эластичный, до сих пор применяется в производстве шин, особенно для большегрузных и скоростных автомобилей и самолетов.

Так как ресурсы натурального каучука ограничены, ученые много работали над тем, чтобы получить аналогичный каучук синтетическим путем.

Натуральный каучук, как мы знаем, представляет собой полимер изопрена . Об этом можно судить хотя бы потому, что простейшая формула каучука С₅Н₈ та же, что и молекулярная формула изопрена, и последний образуется в продуктах разложения Каучука при нагревании.

Задача, следовательно, состояла в том, чтобы, во-первых, найти доступный способ получения изопрена, во-вторых, суметь так провести реакцию полимеризации его, чтобы получился каучук, аналогичный по строению натуральному.

Наиболее перспективным способом получения изопрена оказалось каталитическое дегидрирование изопентана, выделяемого из нефтяных газов:

В качестве исходного вещества для получения изопрена может быть использован и пентан CH₃-CH₂-CH₂-CH₂-CH₃, так как при нагревании в присутствии соответствующих катализаторов он превращается в изопентан:

Разработан и способ полимеризации изопрена, дающий возможность получать каучук, аналогичный по строению натуральному и обладающий, следовательно, высокой эластичностью.

В нашей стране производство синтетического изопренового каучука будет быстро развиваться, и к концу семилетки доля его в общем производстве каучука составит почти 24 %.

Вопросы и упражнения

69. Как практически обнаружить непредельные углеводороды в продуктах разложения каучука?

70. Составьте уравнение полимеризации изопрена, структурную формулу изопренового каучука и схему вулканизации его при помощи серы.

71. Чем объясняется, что при изготовлении шин для большегрузных и скоростных автомобилей и самолетов до сих пор используется натуральный каучук (в смеси с синтетическим)?

72. Полимеризацией хлоропрена получают хлоропреновый каучук, характеризующийся высокой устойчивостью к действию света, тепла и растворителей. Составьте уравнение полимеризации хлоропрена и приведите структурную формулу хлоропренового каучука.

Применение

Синтез полимеров

Химическая структура цис-1,4-полиизопрена — основы изопренового синтетического каучука и основной компонент натурального каучука.

Бо́льшая часть производимого изопрена используется в синтезе цис-1,4-полиизопрена — изопренового каучука, который по свойствам и строению похож на природный каучук и широко применяется в производстве автомобильных шин. Другой продукт полимеризации изопрена — транс-1,4-полиизопрен — имеет свойства гуттаперчи и не находит широкого использования в промышленности, кроме изготовления шаров для гольфа и изоляции проводов.

Важную область применения изопрена составляет синтез блок-сополимеров типа стирол-изопрен-стирол. Подобные продукты используются как термопластические полимеры и адгезивы, чувствительные к давлению. Изопрен также используется в синтезе бутилового каучука — продукта сополимеризации изопрена с изобутиленом, где мольная доля изопрена составляет от 0,5 до 3,0 %.

Синтез терпенов

С 1972 года компанией Rhodia Incorporated (США) была начата разработка методов промышленного синтеза терпенов из изопрена, ацетона и ацетилена. Синтетическая схема включала в себя присоединение хлороводорода к изопрену с образованием пренилхлорида, который затем в две стадии превращали в дегидролиналоол. Последний служил в качестве исходного соединения для синтеза различных терпенов, например, линалоола, гераниола, цитраля, β-ионона и их производных. Позже завод был закрыт, однако японский производитель Kuraray продолжил выпускать по этой схеме не только указанные продукты, но также сквалан и другие соединения. Rhodia Incorporated разработала также способ синтеза лавандулола из двух молекул изопрена при помощи синтеза Гриньяра.

Природные терпены состоят из фрагментов изопрена, соединённых друг с другом по принципу «голова — хвост». Синтетические аналоги также должны иметь такую структуру, а также содержать двойные связи в определённых положениях. В связи с этим, промышленный синтез терпенов методами олигомеризации и теломеризации затруднён, и обычно пользуются другими подходами. Тем не менее предложен способ синтеза мирцена димеризацией изопрена на катализаторе (натрий/диалкиламин). Этот способ реализуется в промышленном масштабе компанией Nissan Chemical Industries. Теломеризация изопрена под действием диэтиламина и бутиллития в качестве катализатора приводит к N,N-диэтилнериламину, который далее может быть превращён в линалоол, гераниол, нерол, цитронеллаль, гидроксицитранеллаль и ментол.

Моль

Все вещества состоят из атомов и молекул

В химии важно точно измерять массу веществ, вступающих в реакцию и получающихся в результате нее. По определению моль является единицей количества вещества в СИ

Один моль содержит точно 6,02214076×10²³ элементарных частиц. Это значение численно равно константе Авогадро NA, если выражено в единицах моль⁻¹ и называется числом Авогадро. Количество вещества (символ n) системы является мерой количества структурных элементов. Структурным элементом может быть атом, молекула, ион, электрон или любая частица или группа частиц.

Постоянная Авогадро N_A = 6.02214076×10²³ моль⁻¹. Число Авогадро — 6.02214076×10²³.

Другими словами моль — это количество вещества, равное по массе сумме атомных масс атомов и молекул вещества, умноженное на число Авогадро. Единица количества вещества моль является одной из семи основных единиц системы СИ и обозначается моль. Поскольку название единицы и ее условное обозначение совпадают, следует отметить, что условное обозначение не склоняется, в отличие от названия единицы, которую можно склонять по обычным правилам русского языка. Один моль чистого углерода-12 равен точно 12 г.

Формула синтетического изопренового каучука

Виды синтетических каучуков

За время с момента организации промышленного производства синтетического каучука прошло почти сто лет. И специалисты в области органической химии за это время разработали и внедрили в производство большое количество видов этого сырья. Ниже приведен небольшой список.

Виды синтетического каучука

Виды синтетического каучука

Каучук бутадиеновый – основная область его применения это производство шин и камер. Параметры этой продукции выполненной из бутадиенового сырья существенно выше чем изделий этого класса но изготовленных из природного (натурального) качества. Кроме автомобильной промышленности бутадиеновый каучук применяют для производства химически стойкой резины и эбонита.

Бутилкаучук обладает уникальной способностью по удержанию воздуха. Именно это обеспечило его преимущества перед другими материалами при изготовлении покрышек, камер, диафрагм и пр. На основании многократных испытаний, проводимых на заводах по производству покрышек и можно утверждать, что камеры, изготовленные из этого сорта синтетического каучука, удерживают давление воздуха в 8 – 10 раз больше, чем аналогичные изделия, выполненные из природного каучука. Бутилкаучук отличается от природного еще и тем, что стойко воспринимает воздействие озона, не реагирует на действие к маслам разного типа (животному, растительному), но вместе с тем, этот материал необходимо оградить от контактов с минеральными маслами.

Если сравнивать параметры прочности, то натуральный продукт выигрывает с существенным отрывом. Между тем, этот материал обладает низкой скоростью вулканизации, плохая адгезия к металлическим поверхностям. Быстрое нагревание при знакопеременных деформациях и в довершение, низкая эластичность при нормальной температуре и влажности.

Полихлоропреновый каучук или хлоропреновый, как иногда его называют, поставляется потребителю в виде светло-желтой массы. К основным свойствам этого материала можно отнести:

• стойкость к воздействию огня;
• адгезия к тканям, металлу и многим другим материалам;
• невосприимчивость к действию озона, атмосферных явлений, в частности, к низким температурам.

Хлоропреновый каучук под воздействием растяжения кристаллизуется. Это его свойство, позволяет резинам, произведенным на его основе показывать высокие прочностные характеристики.

Предприятие химического производства каучука

Предприятия химической промышленности выпускают множество типов синтетических каучуков, причем некоторые из них превосходят натуральные. Широкое применение получили так называемые сополимерные соединения, получение при совместной реакции бутадиена и с ненасыщенными соединениями, например, такими как стирольный каучук СКС.

Ведя речь о сырье искусственного происхождения нельзя забывать и таком веществе как латекс синтетический. Это, по сути, раствор искусственного каучука и других полимерных веществ, например, полистирола.

Латексы синтетические применяют для изготовления клеев, водоэмульсионных красок. Их применяют и в строительстве при создании полимербетона.

1.1 Физико-химические характеристики изопрена

Изопрен
при стандартных условиях представляет собой бесцветную летучую жидкость, с
температурой кипения-35, температурой плавления -146 и
плотностью (в жидком состоянии при -20) 0,681 г/см3. Он практически не
растворяется в воде (0,029 мол. %), но смешивается во всех соотношениях с
этанолом, диэтиловым эфиром, ацетоном и бензолом. Изопрен образует двойные
азеотропные смеси с метиловым или этиловым спиртом. Важнейшее свойство изопрена
— их способность к полимеризации, которая используется для получения
синтетических изопреновых каучуков:

Согласно данным спектроскопических исследований, при 50 °C большинство
молекул изопрена находится в более устойчивой s-транс-конформации, и только 15
% молекул имеют s-цис-конформацию. Разность энергий между этими состояниями
составляет 6,3 кДж/моль .

Полимеризация изопрена под действием таких инициаторов, как натрий или
калий в малополярных растворителях, приводит к образованию 1,2-, 3,4- и
транс-1,4-полиизопрена. Инициирование полимеризации литием в неполярном
растворителе ведёт к получению каучука, содержащего 94% цис-звеньев:

Использование катализаторов Циглера-Натта позволяет получить каучук,
практически идентичный натуральному. При полимеризации изопрена в отсутствие
стереохимического контроля в принципе возможно образование различных полимерных
продуктов. Для предотвращения самопроизвольной полимеризации, изопрен хранят в
присутствии ингибиторов, например гидрохинона .

Безопасность

В высоких концентрациях в отношении животных изопрен проявляет анестетические свойства с последующим параличом и летальным исходом. Изопрен не вызывает точечных мутаций в тесте Эймса. Метаболизм происходит, в основном, в дыхательной системе: при этом происходит превращение изопрена в соответствующие эпоксиды и затем диолы. Насыщение происходит при атмосферных концентрациях, равных 300—500 м. д.; при более низких концентрациях скорость метаболизма прямо пропорциональна концентрации. Изопрен также синтезируется эндогенно: для мышей и крыс скорость синтеза оценивается в 0,4 и 1,9 мкмоль·ч–1·кг–1 соответственно.

В высоких концентрациях изопрен оказывает на человека наркотическое действие, а также может вызывать раздражение кожи, глаз, слизистых оболочек и дыхательной системы. Предельно допустимая концентрация, установленная для изопрена в СССР, составляет 40 мг/м³.

Изопрен взрывоопасен и легко воспламеняется.

Свойства и применение

Свойства синтетического каучука во многом превышают основные параметры натурального продукта. Так, его плотность меньше плотности воды и поэтому он спокойно плавает.

Химические свойства синтетического каучука позволяют ему не растворяться в воде, именно это позволяет его использовать для изготовления покрытий не проницаемых для воды. Это свойство позволяет их использовать для шитья одежды, спортивного инвентаря и пр. Такие вещества как бензин, бензол растворяют каучуки. Это свойство позволяет их применять для производства клеевых составов. Каучук – это диэлектрик, которые широко применяют для создания изоляторов силового и слаботочного оборудования. Каучуки обладают гибкостью, прочностью, и повышенной стойкость к истиранию. Кроме этого каучуки сохраняют свои свойства при циклических деформациях.

Применение синтетического каучука

Синтетические каучуки подразделяют на общие и специальные. К общим относят:

• изопреновые;
• бутадиен-стирольные и пр.

Их основные свойства – морозостойкость, высокая износостойкость. Кроме этого они обладают высокой масло бензо- и озоностойкостью.

Бутадиеновые каучуки(ПБ), иногда их называют дивиниловыми, относят к материалам общего назначения. Их применяют для изготовления проекторных и обкладочных резин для шин (каркаса, боковины и пр.). Этот материал применяют для производства материалов, применяемых в кабельной промышленности, инструмента для абразивной обработки металла и других материалов, антифрикционных изделий.

https://youtube.com/watch?v=yb5hmr2X67g

Сырье на основании этилен — пропилена используют для создания ударопрочных полимеров, шин для велосипедов, тканей с водоотталкивающими свойствами, конвейерных лент для работы в термически сложных условиях.

Фторокремнийорганические каучуки (фторсиликоны или фторкаучки). Особенностью этих материалов – это сочетание стойкости к действию температуры, как низкой, так и высокой и различным агрессивным средам. Кроме того, сырье этого класса отличается стойкостью к истиранию, воздействию открытого пламени. Он не пропускает газы. Его диэлектрические свойства позволяют его применять для создания изоляции, как для силовых кабелей, так и слаботочной аппаратуры. Это сырье применяют для производства материалов, применяемых для гумирования емкостей, предназначенных для транспортировки агрессивных веществ.

Еще одно важное свойство этих материалов – стойкость к радиации. Отличия искусственного материала от природного заключаются в том, что при получении синтетического сырья применяют множество сополимеров и химических элементов, которые добавляют новые характеристики этому материалу

Отличия искусственного материала от природного заключаются в том, что при получении синтетического сырья применяют множество сополимеров и химических элементов, которые добавляют новые характеристики этому материалу.

Устойчивый спрос на синтетический каучук привел к появлению целой отрасли, которая задействована на производстве этого сырья. На рынке этого сырья отмечается постоянный рост спроса на эту продукцию. Лидером по потреблению синтетического сырья можно считать самую динамично, развивающуюся экономику мира – китайскую. Динамика рынка показывает, что после кризисных явлений 2008 – 2009 года, и падения спроса на эту продукцию в пределах 4%, на сегодня прирост сбыта составляет до 7%, от прошлогоднего уровня.

Среди стран, которые лидируют по производству синтетического сырья надо назвать КНР, РФ, США и ряд других.

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

1.2.2 Синтез изопрена из пропилена

Процесс получения изопрена проводится в три стадии.

Димеризация пропилена в 2-метилпентен-1 на металлорганических
катализаторах:

В результате реакции получается нестабильный алюминийалкил, который
впоследствии, взаимодействуя с пропиленом, распадается по схеме:

Изомеризация 2-метилпентена-1 в 2-метилпентен-2 на кислотных
катализаторах:

 

Пиролиз 2-метилпентена -2 в присутствии бромистого водорода:

Применение бромистого водорода в качестве инициатора пиролиза
2-метилпентена-2 требует изготовление печи из специальных жаро- и
коррозионностойких сталей. Достоинством метода является использование в
качестве сырья доступного и дешевого пропилена. Существенный
недостаток-многостадийность, низкая селективность, сложные условия пиролиза,
необходимость очистки изопрена .

Техника безопасности

По степени воздействия на организм человека каучук относится к
малоопасным веществам: 4-й класс по ГОСТ 12.1.007. При непосредственном
контакте местное раздражающее действие на кожу и слизистые оболочки глаз
отсутствует. Кожно-резорбтивное и сенсибилизирующие действия отсутствуют.
Кумулятивные свойства не выявлены .

Производственные помещения должны быть оборудованы общеобменной
приточно-вытяжной вентиляцией, местными отсосами. Кратность обмена воздуха
должна быть не менее 3. При производстве и применении каучука должно
использоваться оборудование в антистатическом пожаро- и взрывозащищенном
герметичном исполнении.

При пожаре опасность представляют продукты сгорания полимера, оксиды
углерода, сажа. При температуре переработки каучук невзрывоопасен и горит
только при внесении в источник огня. Температура воспламенения каучука — 290°С,
температура самовоспламенения — 340°С. Средства пожаротушения — вода со
смачивателем, воздушно-механическая пена, водяной пар, углекислотные
огнетушители, специальные порошки, асбестовое полотно, мел, песок

Обслуживающий персонал при производстве и переработке каучука должен
соблюдать нормы промышленной гигиены и промышленной санитарии, проходить
предварительный (при приеме на работу) и периодические профилактические
осмотры. Он должен проводить все работы, связанные с производством и
переработкой каучука, в специальной одежде и специальной обуви в соответствии с
требованиями ГОСТ 12.4.103 и ГОСТ 12.4.011 и типовых норм бесплатной выдачи
рабочим и служащим специальной одежды, обуви и др. .

Транспортная маркировка — по ГОСТ 14192. На каждое грузовое место наносят
манипуляционные знаки «Беречь от влаги» и «Беречь от солнечных лучей» по ГОСТ
14192, а также следующие данные:

а) наименование или товарный знак предприятия-изготовителя;

б) наименование и марку каучука;

в) номер партии;

г) номер места;

д) массу нетто;

е) месяц и год изготовления;

ж) обозначение настоящего стандарта и документа, по которому выпускают
каучук.

Биология

Современные учёные обнаружили, что пары изопрена выделяют в атмосферу почти все растения. Мировой объём фитогенного изопрена приблизительно оценивают в (180-450) _. 10 12 граммов углерода в год. Этот процесс ускоряется, если температура воздуха приближается к тридцати градусам по Цельсию, а также если высока интенсивность солнечного излучения в то время как фотосинтез уже насыщен полностью. Биосинтез изопрена ингибирован фосмидомицином и соединениями целого ряда статинов. Зачем растения делают это — до конца не выяснено. Возможно, изопрен даёт им дополнительную устойчивость к перегреванию. Помимо этого, он является уловителем радикалов, значит, может защищать растения от активных форм кислорода и от воздействия озона.

Также учёные предполагают, что синтез изопрена заставляет постоянно затрачивать молекулы НАДФН и АТФ, которые растение нарабатывает во время фотосинтеза. Значит, выделение изопрена предохраняет от фотоокислительного разрушения и перевосстановления, если освещение чрезмерно. Недостаток у этого механизма защиты может быть один: углерод, который с таким трудом добывается в процессе фотосинтеза, тратится на выделение изопрена. На растениях учёные не остановились и выяснили, что человеческий организм тоже умеет вырабатывать диеновые углеводороды, и изопрен среди них встречается наиболее часто.

Литература

• Химическая энциклопедия / Гл. ред. И. Л. Кнунянц. — М.: Советская энциклопедия, 1990. — Т. 2. — С. 191—192.
• The Chemistry and Biology of Volatiles / Edited by A. Herrmann. — Wiley, 2010. — ISBN 9780470777787.
• Каримов Э.Х., Касьянова Л.З., Мовсумзаде Э.М., Даминев Р.Р., Каримов О.Х., Ялалов М.Р. СОВМЕЩЕНИЕ ПРОЦЕССОВ ОКИСЛЕНИЯ И ДЕГИДРИРОВАНИЯ ИЗОАМИЛЕНОВ В ПРОИЗВОДСТВЕ ИЗОПРЕНА НА ЖЕЛЕЗОКАЛИЕВОМ КАТАЛИЗАТОРЕ // Теоретические основы химической технологии. 2016. Т. 50. № 1. С. 95
• COMBINATION OF OXIDATION AND DEHYDROGENATION PROCESSES OF ISOAMYLENES IN THE PRODUCTION OF ISOPRENE ON IRON POTASSIUM CATALYST Karimov E.K., Kas’yanova L.Z., Movsumzade E.M., Daminev R.R., Karimov O.K., Yalalov M.R. Theoretical Foundations of Chemical Engineering. 2016. Т. 50. № 1. С. 92-96.

Роль в экономике

Самое главное в планировании производства такого продукта, как изопреновый каучук, — правильный выбор места расположения, потому что придётся доставлять фракции разделения С₅ к месту назначения из сразу нескольких предприятий, которые проводят крекинг. На втором месте по значимости — учёт в планах места утилизации оставшихся углеводородов от фракции С₅.

К началу девяностых годов двадцатого века Западная Европа производила около восьмидесяти пяти тысяч тонн диенов С₅, из которых сорок четыре тысячи тонн составлял димеризованный циклопентадиен и двадцать три тысячи тонн — изопрен. Остальное — около пятнадцати тысяч тонн — составляли пиперилены. Через десять лет мировой объём производства изопрена возрос до восьмисот пятидесяти тысяч тонн в год.

Молярная масса элементов и соединений

Соединения — вещества, состоящие из различных атомов, которые химически связаны друг с другом. Например, приведенные ниже вещества, которые можно найти на кухне у любой хозяйки, являются химическими соединениями:

• соль (хлорид натрия) NaCl
• сахар (сахароза) C₁₂H₂₂O₁₁
• уксус (раствор уксусной кислоты) CH₃COOH

Молярная масса химических элементов в граммах на моль численно совпадает с массой атомов элемента, выраженных в атомных единицах массы (или дальтонах). Молярная масса соединений равна сумме молярных масс элементов, из которых состоит соединение, с учетом количества атомов в соединении. Например, молярная масса воды (H₂O) приблизительно равна 1 × 2 + 16 = 18 г/моль.

Изопрен

Изопрен является ненасыщенным углеводородом, принадлежащим к диеновому ряду. Представляет собой летучую бесцветную жидкость. Запах очень характерный. Изопреновый каучук — мономер натурального, поскольку остаток его молекулы вошёл во многие другие природные соединения — изопреноиды, терпеноиды и тому подобные. В органических растворителях растворяется. С этиловым спиртом, например, может быть смешан в любом соотношении. А вот в воде растворяется плохо.

Зато легко образует структурное звено изопренового каучука при полимеризации, за счёт чего получаются изопреновые гуттаперчи и каучуки. Также изопрен может вступать в разные реакции при сополимеризации. В промышленности он незаменим, поскольку с его помощью происходит синтез каучуков, медицинских препаратов и даже некоторых душистых веществ. В нашей стране производство синтетического изопренового каучука развивается давно, и составляет примерно двадцать четыре процента от мирового производства.

Стабилизация и сушка

Чтобы полимер оградить от окисления, нужно его стабилизировать при помощи смеси фенилендиамина и неозона, которые нужно ввести в полимеризат как раствор или водную суспензию. Чтобы выделить изопреновый каучук из полимеризата как крошку, полимеризат нужно смешать с паром и водой, затем ввести добавки, которые предотвращают агломерирование (комкование). После этого необходимо отогнать растворитель. Теперь предстоит провести процессы дегазации, отделения крошки от воды и сушки в червячных машинах и ленточных сушилках. По окончании этого процесса получение изопренового каучука можно считать оконченным.

Теперь предстоит его брикетирование на автоматических установках под прессом. Марка СКИ-3 — синтетический изопреновый каучук, который выпускается в брикетах по тридцать килограммов каждый. Брикет завёрнут в полиэтиленовую плёнку и помещается в четырёхслойный бумажный мешок. Эта плёнка вполне хорошо перерабатывается одновременно с содержимым, которое составляет изопреновый каучук, свойства его с температурой смешения вполне позволяют полиэтилен размягчить и перемешать его с основной массой в резиносмесителе.

Структура

Каждый каучук, который выпускается промышленностью, имеет собственную характеристику и присущие только этой разновидности свойства. У одних каучуков хороша механическая прочность, у других — стойкость к химическим воздействиям или газонепроницаемость, у третьих нет боязни при изменениях температуры и так далее. Свойства отдельных синтетических каучуков превосходят натуральный по многим параметрам и во много раз. Только эластичность натурального каучука превзойти пока не удалось, а это важнейшее свойство для таких изделий, как авиационные или автомобильные шины.

При эксплуатации они всегда испытывают огромную деформацию — и растяжение, и сжатие, что вызывает межмолекулярное трение, нагрев и потерю качеств. То есть, чем выше эластичность каучука, тем долговечнее изделие. Именно по этой причине натуральный каучук пока не вышел из обихода, и именно он используется для производства шин скоростных и большегрузных самолётов и автомобилей. Натуральный каучук — полимер изопрена, именно поэтому столь велики работы учёных над тем, чтобы аналогом натуральному стал изопреновый каучук.