合成橡胶是如何制成的?

橡胶硫化后用途广泛,南美炎热的野生橡胶树切口流出的天然橡胶供不应求。1876年,英国巴西咖啡种植园主威克姆秘密采集了7万多粒野生橡胶树的优良种子作为稀有植物标本,秘密运往利物浦,英国当局立即在皇家植物园精心培育。虽然只有4%的种子发芽,但它们毕竟存活了下来。于是幼苗被运到东南亚殖民地,也就是今天的斯里兰卡、马来西亚等地,开辟了橡胶种植园。于是野生橡胶被种植橡胶取代,橡胶的供应得到缓解。

20世纪50年代初,我国橡胶树试种成功,打破了长期以来国际上认定北纬17度以北为橡胶禁区的结论。橡胶树已在北纬18~24度的广西、云南等地区大面积种植。

1888年,英国人邓禄普创办的橡胶公司,首次为自行车、汽车、飞机制造充气橡胶轮胎,使橡胶制品从雨衣、雨靴变为制造各种车辆轮胎。虽然种植胶供应量已经超过巴西出口1912,但是供不应求。20世纪初,汽车和飞机的需求大增,供给更加不足。1942年,日本占领东南亚,切断了世界90%的橡胶供应,于是人造橡胶按需诞生。

石油化学工业的成就为人造橡胶提供了原料,促进了人造橡胶的生产。

化学家对天然橡胶化学成分的分析和高分子化学理论的研究,使人造橡胶成为可能。

英国化学家法拉第早在1826年就对天然橡胶的化学成分进行了分析,确定它是碳和氢的化合物。

在1860中,英国斯旺西师范学院的化学讲师威廉姆斯(Williams)对橡胶进行蒸馏,得到了产物,经鉴定为异戊二烯,一种分子中含有五个碳原子和两个双键的烯烃CH2CH—CCH3CH2,是正戊烯的异构体,也是橡胶的基本成分。

1879年,法国化学家布歇特在实验室中使异戊二烯与氯化氢反应,得到一种弹性橡胶状物质。

1882年,英国梅森大学的化学教授Thulden从松节油中得到了异戊二烯,并把它放进了瓶子里。几年后,1892打开软木塞时,发现液体中漂浮着淡黄色粘稠体,确定该粘稠体为橡胶。可以认为是最早的人工合成橡胶,现在存在于南肯辛顿科学博物馆。

1905~1912年,德国柏林大学化学系教授哈里斯利用臭氧(O3)降解天然橡胶,确定天然橡胶的分子是线性的,异戊二烯是首尾相连的。

20世纪20年代初,德国化学家施陶丁格提出高分子化合物的概念,将一些具有胶体性质的物质,如淀粉、纤维素、蛋白质、橡胶等当时被视为低分子的物质,视为由几千到几万个碳原子连接而成的大分子,提出了高分子的概念。认为聚合物是指由同一个原子团以正常化合价重复连接的长链分子。

化学家们在知道了天然橡胶的化学成分和分子结构后,着手合成天然橡胶。

由于异戊二烯只能从松节油等少数天然物质中获得,因此将其大规模投入到人造橡胶的生产中似乎是不可能的。因此,化学家们找到了石油化工加工的产品,如丁二烯、苯乙烯、异丁烯和其他具有类似异戊二烯双键的化合物,作为人造橡胶的原料。

第一种合成橡胶是甲基橡胶。1900由俄罗斯化学家康达科夫提出。他发现一种类似异戊二烯的化合物,2,3-二甲基-1,3-丁二烯H2cc (CH3)-C (CH3) CH2,可以聚合成橡胶类似物。这种物质可以由丙酮制成。第一次世界大战期间(1914 ~ 1919),德国在西北化工中心勒沃库森建厂,生产卡车轮胎用甲基橡胶2000多吨。但是,轮胎很快就会磨损。如果加入炭黑,情况可能会有所改变。同时,由于当时没有设计出有效的生产线,需要在30~70℃聚合2~6个月。这种产品不仅质量差,而且成本高。因此,第一次世界大战后停止了生产。

由于对橡胶的需求,德国化学工业继续寻找新的方法。20世纪30年代,德国著名的Badiser苯胺厂和纯碱厂的科学家和技术人员分别用苯乙烯和丙烯腈聚合丁二烯,生产出丁纳S和丁纳N合成橡胶。金属钠在它们聚合中用作催化剂。s是单词苯乙烯的第一个字母;n是单词“丙烯腈”的第一个字母。我们称丁腈橡胶为SBR,丁腈橡胶为NBR。

丁苯橡胶当时没有投入工业生产,因为其质量与天然橡胶相差甚远。但是,NBR具有耐油性。商品从1935开始卖。第二次世界大战期间(1941~1946),由于天然橡胶的短缺,经过生产工艺的改进,生产出了耐磨、耐老化、耐臭氧等品质优良的橡胶,并可与天然橡胶任意比例混合,成为当今合成橡胶中品种最多的橡胶。国内生产的SBR有不同种类,如SBR -10、SBR -30、SBR -50等。下图显示了单体苯乙烯在总单体重量分数中的重量分数(100重量分数)。随着苯乙烯含量的增加,耐溶剂性增加,弹性降低,塑性增加,耐磨性增加,硬度增加。登山运动员穿的登山鞋是用丁苯橡胶制成的。如果苯乙烯的比例高于50重量%,则所得的丁苯橡胶称为高丁苯橡胶。它具有塑料的特性。

美国生产的第一种人造橡胶是聚硫橡胶,由Patrick和Nogin在1927中用二氯乙烷Cl(CH2)2Cl和四硫化钠(Na2S4)缩聚而成。缩聚和聚合一样产生聚合物,只是除了聚合物之外还会产生小分子副产物。

它是一种耐溶剂的弹性体,我们称之为聚硫橡胶。这种橡胶有一种非常难闻的气味,用于包裹电缆护套和制作汽油软管。这种橡胶也可以制成低聚物液体。如果在常温下加入二氧化铅,很容易转化为固体弹性体,广泛用作堵漏材料和固体火箭推进剂的包装材料。

美国首创的另一种人造橡胶是氯丁橡胶,我们称之为氯丁橡胶。它是由尼龙创造者卡洛斯和他的同事在20世纪30年代研制成功的。它由氯丁二烯聚合而成,由乙炔制成。

氯丁橡胶具有良好的耐磨性和耐热性,有“万能橡胶”的美誉,用于制造电缆护套、橡胶软管、传送带和轮胎。

20世纪30年代,美国还研制出一种丁基橡胶,由异丁烯和少量(2.5%)异戊二烯在AlCl3催化下进行* *聚合而成。它是由美国标准石油公司的两位化学家斯帕克斯和托马斯制造的。

这种橡胶气密性好,是其他任何橡胶都无法比拟的。是制造轮胎内胎、探测气球、防辐射手套等气密性要求高的产品的材料。它还具有良好的耐酸性和耐有机溶剂性,因此用作化工设备的衬里。

在前苏联,几乎同在德国和美国一样,它也在从事人造橡胶的研究。1926前苏联最高经济会议悬赏制作合成橡胶的方法。1927 65438+2月31悬赏截止前一天,前苏联化学家列别杰夫在实验室上交了2000克合成橡胶。1928两个中试厂开工,1933开始工业化生产。这是由丁二烯在金属钠的催化下聚合而成的。

所以叫钠丁橡胶。列别杰夫还发明了用乙醇生产丁二烯的方法,乙醇可以通过发酵廉价的土豆来生产,于是土豆就成了橡胶。可惜聚丁二烯橡胶质量不好,没有大力发展。

齐格勒-纳塔催化剂出现在1953~1955,合成了取向聚合物。定向聚丁二烯受到化学家的青睐,于是在1958~1962年,发展了合成橡胶工业的三种新类型:顺丁橡胶(顺式聚丁二烯橡胶)、顺式聚异戊二烯橡胶(又称异戊二烯橡胶)、乙丙橡胶。

化合物的分子具有三维结构。天然橡胶分子中的单体异戊二烯有顺式和反式立体异构聚合物。天然橡胶98%以上是顺式结构,而杜仲胶(也叫古塔胶橡胶)和杜仲胶是反式结构。古塔胶是由产于热带地区如马来西亚和印度尼西亚的毛茛科植物的树和叶中的胶乳制成的。我国的杜仲也含有这种胶质。

顺丁橡胶是顺丁的聚合物,弹性好,耐磨性显著,60年代中后期发展迅速。产量仅次于丁苯橡胶,高于氯丁橡胶。

异戊二烯橡胶中的单体异戊二烯,就是化学家们早就想从天然橡胶中寻找的单体。化学家们在寻找过程中不得不用它的类似化合物来代替它,使它聚合成天然橡胶,并制成各种橡胶。随着石油化工加工方法的不断发展,产生了异戊二烯。但目前生产异戊二烯的方法很多都不完善,要将其聚合成聚异戊二烯橡胶仍有一定难度。与其他合成橡胶相比,这种橡胶从成分上来说是合成天然橡胶;就性能而言,虽然在某些方面超过天然橡胶,但在加工性能和弹性方面不如天然橡胶,行驶过程中轮胎产生的热量较大。

乙丙橡胶由乙烯和丙烯聚合而成。

1954合成乙丙橡胶,1960投入工业生产。由于乙丙橡胶原料丰富、廉价易得,产品具有耐臭氧、耐老化、电绝缘等性能,各国普遍重视乙丙橡胶的生产。然而,硫化困难和粘结问题限制了它的应用。