Состав и строение натурального каучука

Содержание

Происхождение названия

Слово «каучук» происходит от двух слов языка тупи-гуарани: «кау» — дерево, «учу» — течь, плакать. «Каучу» — сок гевеи, первого и самого главного каучуконоса. Европейцы прибавили к этому слову всего одну букву.

Получение натурального каучука

Натуральный каучук получают коагуляцией млечного сока (латекса) каучуконосных растений. Основной компонент каучука — углеводород полиизопрен (91-96%).

Распространение каучуконосов

Природный каучук встречается в очень многих растениях, не составляющих одного определённого ботанического семейства. В зависимости от того, в каких тканях накапливается каучук, каучуконосные растения делят на:

  • паренхимные — каучук в корнях и стеблях;
  • хлоренхимные — каучук в листьях и зелёных тканях молодых побегов;
  • латексные — каучук в млечном соке.

Травянистые латексные каучуконосные растения из семейства сложноцветных (кок-сагыз, крым-сагыз и другие), произрастающие в умеренной зоне, в том числе в южных республиках, содержащие каучук в небольшом количестве в корнях, промышленного значения не имеют.
Среди травянистых растений России есть всем знакомые одуванчик, полынь и молочай, которые тоже содержат млечный сок.

Промышленное значение имеют латексные деревья, которые не только накапливают каучук в большом количестве, но и легко его отдают; из них наиважнейшее — гевея бразильская (Hevea brasiliensis), дающая по разным оценкам от 90 до 96% мирового производства натурального каучука.

Сырой каучук из других растительных источников обычно засорён примесями смол, которые должны быть удалены. Такие сырые каучуки содержат гуттаперчу — продукт некоторых тропических деревьев семейства сапотовых (Sapotaceae).

В течение Второй мировой войны (1939-1945) по экономическим причинам были культивированы другие, нетропические источники каучука: гуайуль (guayule) мексиканского происхождения, а также одуванчик кок-сагыз (Taraxatum kok- saghyz), произрастающий на территории Западного Туркестана.

Каучуконосы лучше всего произрастают не далее 10° от экватора на север и юг. Поэтому эта полоса шириной 1300 километров по обе стороны от экватора известна как «каучуковый пояс». Дело в том, что для каучуконосов требуется очень тёплый и влажный климат и плодородная почва. Развитие автомобильной промышленности значительно повысило потребности в резине и, соответственно, в каучуке. Поэтому появились новые плантации гевей: молодые деревца из Южной Америки посадили в Малайзии, на Шри-Ланке и в Индонезии. Они отлично прижились и дают большой урожай.

Сбор латекса и производство натурального каучука

Это высокое стройное дерево может достигать 45 метров в высоту при 2,5—2,8 м в обхвате. Родиной гевеи является бассейн Амазонки — великой водной магистрали. Отсюда вывозился первый каучук в Европу.

Состав и строение натурального каучука

Каучук в гевее содержится в млечном соке — латексе, распределённом в млечных каналах, которые образуют в стволе концентрические кольца.

Латекс состоит из мельчайших частичек жидкости, твёрдых частиц и других примесей. Только около 33% латекса составляет каучук, 66% вода и около 1% другие вещества.

Для сбора латекса с деревьев на коре делается диагональный остроугольный надрез, вершиной угла направленный вниз, затем надрез расширяют до 0,3—0,5 от окружности ствола. Из надреза выделяется латекс и стекает в небольшую чашу. С каждого надреза получается около 30 мл латекса. После этого обычно на следующий день ниже первоначального надреза обдирается тонкая полоска коры, чтобы получить новый сок. Когда надрезы достигают поверхности земли, ствол оставляют в покое, чтобы он смог восстановить кору на дереве перед новой подсочкой. На 1 гектаре высаживается около 250 деревьев, в год с 1 гектара получают около 450 кг сухого необработанного каучука. Со специально выведенных высокоурожайных деревьев можно получить 2225 кг с гектара в год, были разработаны опытные деревья с урожайностью до 3335 кг с гектара в год.

Полученный латекс растягивают, разбавляют водой и подвергают коагуляции путём обработки кислотой, чтобы частицы каучука в латексе сцепились друг с другом. Затем производят протягивание между валками, придавая листам толщину 0,25 дюйма (?0,6 см), полученные листы высушивают путём обдувания сухим тёплым воздухом или дымом, и отправляют на погрузку.

Физические и химические свойства натурального каучука

Состав и строение натурального каучука

Каучук — высокоэластичный продукт, обладает при действии даже малых усилий обратимой деформацией растяжения до 1000%, а у обычных твёрдых тел эта величина не превышает 1%. Эластичность каучука сохраняется в широких температурных пределах, и это является характерным его свойством. Но при долгом хранении каучук твердеет.
При температуре жидкого воздуха –195°C он жёсткий и прозрачный; от 0 ° до 10 °C — хрупкий и уже непрозрачный, а при 20 °C — мягкий, упругий и полупрозрачный. При нагреве свыше 50 °C он становится пластичным и липким; при температуре 80 °C натуральный каучук теряет эластичность; при 120 °C — превращается в смолоподобную жидкость, после застывания которой уже невозможно получить первоначальный продукт. Если поднять температуру до 200—250 °C, то каучук разлагается с образованием ряда газообразных и жидких продуктов.

  • Каучук — хороший диэлектрик, он имеет низкую водо- и газопроницаемость.
  • Каучук не растворяется в воде, щёлочи и слабых кислотах; в этиловом спирте его растворимость небольшая, а в сероуглероде, хлороформе и бензине он сначала набухает, а уж затем растворяется.
  • Легко окисляется химическими окислителями, медленно — кислородом воздуха.
  • Теплопроводность каучука в 100 раз меньше теплопроводности стали.
  • Наряду с эластичностью, каучук ещё и пластичен — он сохраняет форму, приобретённую под действием внешних сил. Пластичность каучука, проявляющаяся при нагревании и механической обработке, является одним из отличительных свойств каучука. Так как каучуку присущи эластические и пластические свойства, то его часто называют пласто-эластическим материалом.
  • При охлаждении или растяжении натурального каучука наблюдается переход его из аморфного в кристаллическое состояние (кристаллизация). Процесс происходит не мгновенно, а во времени. При этом в случае растяжения каучук нагревается за счёт выделяющейся теплоты кристаллизации. Кристаллы каучука очень малы, они лишены чётких граней и определённой геометрической формы.
Читать также:  Ток зарядки аккумулятора автомобиля

При температуре около –70 °C каучук полностью теряет эластичность и превращается в стеклообразную массу.

  • Вообще все каучуки, как аморфные материалы, могут находиться в трёх физических состояниях: стеклообразном, высокоэластическом и вязкотекучем.

Высокоэластическое состояние для каучука наиболее типично.

  • Каучук легко вступает в химические реакции с целым рядом веществ: кислородом (O2), водородом (H2), галогенами (Cl2, Br2), серой (S) и другими. Эта высокая реакционная способность каучука объясняется его ненасыщенной химической природой. Особенно хорошо реакции проходят в растворах каучука, в которых каучук находится в виде молекул сравнительно крупных коллоидных частиц.

Почти все химические реакции приводят к изменению физических и химических свойств каучука: растворимости, прочности, эластичности и других. Кислород и, особенно, озон, окисляют каучук уже при комнатной температуре. Внедряясь в сложные и большие молекулы каучука, молекулы кислорода разрывают их на более мелкие, и каучук, деструктурируясь, становится хрупким и теряет свои ценные технические свойства.
Процесс окисления лежит также в основе одного из превращений каучука — перехода его из твёрдого в пластичное состояние.

Разделы: Химия

Цели урока:

  1. закрепить знания учащихся о диеновых углеводородах;
  2. рассмотреть историю открытия каучука и историю его применения;
  3. изучить строение, свойства натурального каучука и его значение в жизни;
  4. создать условия для развития умения самостоятельно приобретать знания, используя различные источники информации;
  5. формировать опыт творческой деятельности, опыт делового общения.

Тип урока: комбинированный.

Практикум к уроку: Демонстрация: разложение каучука при нагревании и испытание продуктов разложения.

План урока:

  1. Орг. момент.
  2. Тест по теме: «Диеновые углеводороды».
  3. Новая тема: «Природный каучук».
  1. История открытия каучука.
  2. История применения каучука.
  3. Состав и строение каучука.
  4. Физические свойства каучука.
  5. Значение каучука в нашей жизни.
  • Закрепление изученного материала. (Химический диктант).
  • Домашнее задание.
  • Подведение итогов.
  • Ход урока

    I. Организационный момент.

    Цель нашего сегодняшнего урока:

    1. закрепить знания о диеновых углеводородах.
    2. рассмотреть историю открытия каучука и историю его применения.
    3. изучить строение, свойства и значение натурального каучука.
    4. уметь самостоятельно приобретать знания, используя различные источники информации.
    5. формировать опыт творческой деятельности, опыт делового общения.

    II. Актуализация знаний.

    На прошлом уроке мы изучали тему: «Диеновые углеводороды». И сейчас проведем небольшой тестовый опрос по данной теме – Приложение 1.

    III. Новая тема.

    Переходим к изучению новой темы: «Природный каучук» – Приложение 3. (Слайд 1.1)

    1. История открытия каучука.

    Выслушаем выступление по теме: «История открытия каучука» – Приложение 2. (Выступление студента сопровождается показом презентации – Приложение 4).

    2. История применения каучука.

    Каучук не сразу получил признание у европейцев. Они сначала просто не знали, что с ним делать. Одним из первых нашел применения каучуку английский химик Джозеф Пристли. Он приспособился стирать карандашные заметки шариком каучука.

    В Вене в 1821 году открылась первая фабрика по производству изделий из каучука. (Слайд 1.3)

    В Англии, когда в городах начали вводить газовое освещение, на газовых заводах скопилось довольно много продуктов сухой перегонки каменного угля. Шотландский химик Макинтош закупил их, чтобы использовать для изготовления непромокаемой одежды. Он растворял в этих продуктах каучук, а затем покрывал таким раствором ткани. С того времени плащ из непромокаемой ткани носит название «макинтош». (Слайд 1.4)

    Однако вскоре пришлось убедиться, что при всей своей полезности изготовленная таким образом одежда имеет существенные недостатки, при низкой температуре ткань становится жесткой и ломкой, а при нагревании наоборот, делается липкой. (Слайд 1.5)

    Стало ясно, что у нового материала есть огромные недостатки, и фабрики по производству изделий из него придется закрыть (Слайд 1.6)

    Имя человека, который спас каучук, Чарльз Гудьир. Этот одержимый изобретатель решил вылечить каучук. Для этого он смешивал его с любыми попадавшимися под руку предметами: солью, сахаром, перцем, речным песком. Результата никакого. В ход пошли орехи, сыр. Не подошло. Не помогли и чернила. А тут еще кончились деньги. И тут помог случай. Последний кусок каучука и сера лежали рядом всю ночь около печки. Получилась известная всем резина – она была эластичной и прочной при различных температурах, не твердела при умеренном холоде и не расползалась на жаре. Ясно, что открыт, был новый процесс. Но как его назвать? Поскольку жар и сера были главными атрибутами римского бога огня Вулкана, процесс назвали вулканизацией. (Слайд 1.7)

    Читать также:  Как проверить трансформатор на работоспособность

    (Рассказ преподавателя сопровождается показом презентации).

    3. Состав и строение природного каучука.

    Для выяснения строения молекулы природного каучука, проведем небольшой эксперимент. (Для его проведения вызывается один из студентов группы).

    Небольшой кусочек каучука помещаем в пробирку и закрываем ее пробкой с газоотводной трубкой. Конец газоотводной трубки помещаем в пробирку с раствором KMnO4.

    При нагревании каучука, продукты его разложения поступают в приёмник с раствором KMnO4, который постепенно обесцвечивается.

    Вопрос: Почему обесцветился раствор? Какие соединения обесцвечивают раствор KMnO4?

    Вывод: Вещество, поступающее в приемник – непредельный углеводород (вывод делают учащиеся).

    Правильно, в продуктах разложения природного каучука содержатся непредельные соединения. Экспериментально доказано, что это два метил 1,3 бутадиен (изопрен).

    Состав и строение натурального каучука

    Следовательно, макромолекула натурального каучука состоит из макромолекул изопрена. (Слайд 1.8)

    Процесс полимеризации изопрена можно изобразить так:

    Состав и строение натурального каучука

    Обратите внимание на то, что -CH2– группы находятся по одну сторону двойных связей.

    Такое пространственное строение молекул полимеров называется стереорегулярным. Именно такое строение молекул придает натуральному каучуку эластичность. (Слайд 1.9)

    В состав природного каучука будет входить:

    1. углеводород полиизопрен – 91,9%;
    2. белки и аминокислоты – 2,2-3,8%;
    3. высшие органические кислоты – 1,5 – 4%;
    4. металлы побочных подгрупп:
      • медь до 0,0008%;
      • железо до 0,01%;
      • марганец до 0, 001%.
      • вода. (Слайд 1.10)

      4. Физические свойства природного каучука.

      Для рассмотрения физических свойств природного каучука возьмем образец каучука.

      Если мы придадим ему внешнюю силу, он сжимается. А если ее убрать, она принимает прежнюю форму. Ценным свойством является водо- и газонепроницаемость. Кроме того, он является хорошим электроизолятором. При повышенной температуре каучук становится мягким и липким, а на холоде – твердым и хрупким. При долгом хранении каучук твердеет.

      5. Значение каучука в нашей жизни.

      Выслушаем выступление по теме: «Значение каучука в нашей жизни» – Приложение 2. (Выступление студента сопровождается показом презентации – Приложение 5).

      IV. Закрепление изученного материала.

      Для закрепления знаний по пройденной теме проведем химический диктант.

      1. Млечный сок дерева гевеи называется (латекс).
      2. Реакция, в процессе которого получают из многих одинаковых молекул более крупные называется (реакцией полимеризации).
      3. Стереорегулярное строение молекулы натурального каучука придает ему свойство (эластичности).
      4. Мономером природного каучука является (изопрен).
      5. При повышенной температуре каучук становится (мягким) и (липким).
      6. В результате процесса вулканизации каучука получают (резину).

      V. Домашнее задание.

      Состав и строение натурального каучука

      VI. Подведение итогов.

      Сегодня на уроке мы с вами постарались "вникнуть в суть" вопроса, не боялись ошибаться и исправляться. Не бойтесь своих мыслей и в жизни, не бойтесь признавать ошибки, но помните слова китайского мыслителя – "при этом важно самому исправиться". (Выставляются оценки за урок.)

      Смелых вам идей и хорошего настроения!

      Список литературы:

      1. Каучук и резина. Наука и технология под ред. Дж. Марка, Б. Эрмана, Ф. Эйрича.
      2. Догадкин Б.А. Справочник резинщика. – М., 1971.
      3. К.Я. Парменов, Л.М. Сморгонский, Л.А. Цветков «Книга для чтения по химии (часть вторая)».
      4. Справочник химика. Т. 2. – Л.: Лен.отд. ГХИ, 1963.
      5. Компьютерная энциклопедия «Природа».
      6. Компьютерная энциклопедия «Наука».
      7. Расчеты и конструирование резиновых изделий. – Л., 1987.

      Материал из ТеплоВики – энциклопедия отоплении

      Каучуки — натуральные или синтетические материалы, характеризующиеся эластичностью, водонепроницаемостью и электроизоляционными свойствами, из которых путём специальной обработки получают резину. Природный каучук получают из жидкости молочно-белого цвета, называемой латексом, — млечного сока каучуконосных растений.

      Содержание

      Состав и строение натурального каучука

      • Качественный анализ показывает, что каучук состоит из двух элементов – углерода и водорода, т. е. относится к классу углеводородов.
      • Количественный анализ его приводит к простейшей формуле С5Н8.
      • Определение молекулярной массы показывает, что она достигает нескольких сот тысяч (150 000–500 000).
      • Каучук – это природный полимер.
      • Молекулярная формула его – (С5Н8)n.
      • Макромолекулы каучука образованы молекулами изопрена.
      • Молекулы каучука хотя и имеют линейное строение, не вытянуты в линию, а многократно изогнуты, как бы свернуты в клубки.
      • При растягивании каучука такие молекулы распрямляются, образец каучука от этого становится длинее.

      Основные свойства каучука

      1. Важнейшее свойство каучука – это его эластичность. Эластичность – это свойство испытывать значительные упругие деформации при сравнительно небольшой действующей силе, например растягиваться, сжиматься, а затем восстанавливать прежнюю форму после прекращения действия силы;
      2. Ценным для практического использования свойством каучука является также непроницаемость для воды и газов. В Европе изделия из каучука (калоши, непромокаемая одежда) стали распространяться с начала ХIХ в. Известный ученый Гудьир открыл способ вулканизации каучука – превращения его в резину путем нагревания с серой, что позволило получать прочную и упругую резину.
      3. Резина обладает еще лучшей эластичностью, в этом с ней не может сравниться никакой другой материал; она прочнее каучука и более устойчива к изменению температуры. По своему значению в народном хозяйстве каучук стоит в одном ряду со сталью, нефтью, каменным углем.

      Натуральный каучук

      Каучук существует столько лет, сколько и сама природа. Окаменелые остатки каучуконосных деревьев, которые были найдены, имеют возраст около трёх миллионов лет. Первое знакомство европейцев с натуральным каучуком произошло пять веков назад, а в США вещи из каучука стали популярными в 1830-х годах, резиновые бутылки и обувь, сделанные южноамериканскими индейцами, продавались в больших количествах. В 1839 году Американский изобретатель Чарльз Гудьир (Charles Goodyear) 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 выпущено на рынок уже более 40 000 различных изделий из резины.

      Читать также:  Что такое вид в черчении определение

      Синтетический каучук

      Синтетические каучуки — синтетические полимеры, способные перерабатываться в резину путем вулканизации, составляют основную массу эластомеров. Синтетический каучук — высокополимерный, каучукоподобный материал. Его получают полимеризацией или сополимеризацией бутадиена, стирола, изопрена, неопрена, хлорпрена, изобутилена, нитрила акриловой кислоты. Подобно натуральным каучукам, синтетические имеют длинные макромолекулярные цепи, иногда разветвленные, со средним молекулярным весом, равным сотням тысяч и даже миллионам. Полимерные цепи в синтетическом каучуке в большинстве случаев имеют двойные связи, благодаря которым при вулканизации образуется пространственная сетка, получаемая при этом резина, приобретает характерные физико-механические свойства.

      Резина

      Каучук имеет огромное народнохозяйственное значение. Чаще всего его используют не в чистом виде, а в виде резины. Резиновые изделия применяют в технике для изоляции проводов, изготовления различных шин, в военной промышленности, в производстве промышленных товаров: обуви, искусственной кожи, прорезиненной одежды, медицинских изделий.

      Резина — высокоэластичное, прочное соединение, но менее пластичное, чем каучук. Она представляет собой сложную многокомпонентную систему, состоящую из полимерной основы (каучука) и различных добавок.

      Наиболее крупными потребителями резиновых технических изделий являются автомобильная промышленность и сельскохозяйственное машиностроение. Степень насыщенности резиновыми изделиями — один из основных признаков совершенства, надёжности и комфортабельности массовых видов машиностроительной продукции. В составе механизмов и агрегатов, современных автомобиля и трактора имеются сотни наименований и до тысячи штук резиновых деталей, причём одновременно с увеличением производства машин возрастает их резиноёмкость.

      Виды резины и их применение

      В зависимости от структуры резину делят на непористую (монолитную) и пористую.

      Непористую резину изготовляют на основе бутадиенового каучука. Она отличается высоким сопротивлением истиранию. Срок износа подошвенной резины в 2—3 раза превышает срок износа подошвенной кожи. Предел прочности резины при растяжении меньше, чем натуральной кожи, но относительное удлинение при разрыве во много раз превышает удлинение натуральной подошвенной кожи. Резина не пропускает воду и практически в ней не набухает.

      Резина уступает коже по морозостойкости и теплопроводности, что снижает теплозащитные свойства обуви. И, наконец, резина является абсолютно воздухо- и паронепроницаемой. Непористая резина бывает подошвенная, кожеподобная, и транспарентная. Обычную непористую резину применяют для изготовления формованных подошв, накладок, каблуков, полукаблуков, набоек и других деталей низа обуви.

      Пористые резины применяют в качестве подошв и платформ для весенне-осенней и зимней обуви.

      Кожеподобная резина — это резина для низа обуви, изготовленная на основе каучука с высоким содержанием стирола (до 85%). Повышенное содержание стирола придаёт резинам твёрдость, вследствие чего возможно снижение их толщины до 2,5—4,0 мм при сохранении хороших защитных функций. Эксплуатационные свойства кожеподобной резины сходны со свойствами натуральной кожи. Она обладает высокой твёрдостью и пластичностью, что позволяет создавать след обуви любой формы. Кожеподобная резина хорошо окрашивается при отделке обуви. Она имеет высокую износостойкость благодаря хорошему сопротивлению истиранию и устойчивости к многократным изгибам.

      Кожеподобную резину выпускают трёх разновидностей: непористой структуры с плотностью 1,28 г/см3, пористой структуры, имеющую плотность 0,8—0,95 г/см3, и пористой структуры с волокнистым наполнителем, плотность которых не выше 1,15 г/см3. Пористые резины с волокнистыми наполнителями называются «кожволон». Эти резины по внешнему виду сходны с натуральной кожей. Благодаря волокнистому наполнителю повышаются их теплозащитные свойства, они отличаются лёгкостью, эластичностью, хорошим внешним видом.

      Транспарентная резина — это полупрозрачный материал с высоким содержанием натурального каучука. Отличается высоким сопротивлением истиранию и твёрдостью, по износостойкости превосходит все виды резин. Разновидностью транспорентной резины является стиронип, который содержит большее количество каучука. Сопротивление многократному изгибу у стиронипа в три с лишним раза выше, чем у обычных непористых резин. Стиронип применяется при изготовлении обуви клеевого метода крепления.

      Резина пористой структуры имеет замкнутые поры, объём которых в зависимости от вида резины колеблется от 20 до 80 % её общего объёма. Эти резины имеют ряд преимуществ по сравнению с непористыми резинами: повышенные мягкость, гибкость, высокие амортизационные свойства, упругость. Недостатком пористых резин является способность давать усадку, а также выкрашиваться в носочной части при ударах. Для повышения твёрдости пористых резин в их состав вводят полистирольные смолы.

      В настоящее время освоено производство новых видов пористых резин: порокрепа и вулканита. Порокреп отличается красивым цветом, эластичностью, повышенной прочностью. Вулканит — пористая резина с волокнистыми наполнителями, обладающая высокой износостойкостью, хорошей теплозащитностью. Пористые резины применяют в качестве подошв для весенне-осенней и зимней обуви.

      Оцените статью
      Добавить комментарий

      Adblock detector