Каучуки и кремний органические соединения

С целью предупреждения «старения» каучука, т.е. потери каучуком эластичности и других ценных свойств, в резиновую смесь вводят различные стабилизаторы - антиокислители (например, фенил-в-нафтиламин). Чтобы ускорить процесс вулканизации, в резиновую смесь вводят небольшие количества органических соединений, которые называют ускорителями (меркаптобензтиазол, дифенилгуанидин и др.). Оказалось, что наиболее эффективного использования ускорителей вулканизации необходимо присутствие некоторых других химических веществ (обычно смесей металлов), наиболее эффективно в присутствии растворимых в каучуке мыл (солей жирных кислот), которые могут образоваться в процессе вулканизации.

2.1. Ингредиенты резиновых смесей

Для получения высококачественной резины, которую можно переработать в различные изделия, в каучук необходимо добавить ряд примесей.

Большую роль среди них играют так называемые ускорители вулканизации - органические соединения, содержащие серу или азот. Они значительно сокращают время и снижают температуру процесса, а иногда позволяют проводить его вообще без нагревания (холодная вулканизация). Благодаря этим добавкам можно уменьшить количество вводимой серы.

Очень важны также противостарители, которые уменьшают влияние кислорода воздуха на резину. С течением времени кислород присоединяется к оставшимся в молекулах резины двойным связям и усиливает тем самым образование сетчатых молекул, при этом резина теряет свои характерные качества и становится твердой и ломкой. Противостарители - это антиокислители.

Еще на заре применения каучука-сырца, когда он был довольно дорог, предприимчивые фабриканты нашли дешевый способ увеличить его количество. В каучук-сырец стали добавлять наполнители - сажу, мел, окись цинка и т.д. Каково же было удивление, когда оказалось, что обработанный таким образом каучук не только увеличивается в весе, но и в ряде случаев, приобретал лучшие свойства - увеличивалось сопротивление разрыву и растяжению, твердость. Вскоре стали различать две группы наполнителей:

активные наполнители, которые улучшают качество каучука. К ним среди прочих относятся активная газовая сажа, окись цинка и каолин;

инертные наполнители, которые лишь увеличивают вес продукта, например, сажа, мел и тяжелый шпат.

Наиболее активным наполнителем оказалась поверхностноактивная газовая сажа, которая может быть получена сжиганием газа при недостатке кислорода. Сегодня нет ни одного сорта резины, который не содержал бы различных примесей и наполнителей. Правильный выбор и соответствующее соотношение количества этих примесей определяют качество резины. В этой области, несомненно, предстоит еще интересные и важные открытия.

Примеси и наполнители могут составлять значительную часть общего веса, а нередко вообще превышают вес самого каучука. Как многообразны и сложны могут быть примеси, добавляемые в каучук-сырец, видно на примере резины для автомобильных шин.

Смешение каучука с ингредиентами проводится в специальных аппаратах - резиносмесителях, в которых каучук перетирается вместе с ингредиентами. Вулканизирующий агент вводится в резиновую смесь в последний момент приготовления резиновой смеси во избежание преждевременной вулканизации.

Готовую резиновую смесь, состоящую из каучука, вулканизирующего агента, ускорителя вулканизации, активатора, наполнителей, стабилизатора и т.п., направляют на завершающий процесс резинового производства - вулканизацию. Вулканизацию проводят или после формования из резиновой смеси соответствующих изделий (труб, рукавов, листов и других), или одновременно с процессом формования изделий. Вулканизация протекает при нагревании.

Чтобы повысить эксплуатационные качества некоторых видов резиновых изделий, например, шин, транспортных шин, приводных ремней и т.п., в конструкцию таких изделий вводят корд-безуточную ткань из крученой пряжи, служащую тканевой основой изделий (их каркасом).

Ингредиенты резиновых смесей: главное - это каучук; ускорители процесса вулканизации (дифенилгуанидин, дитио-бис-бензтиазол (альтакс), тетраметилтиурамдисульфид (тиурам), маркаптобензотиавзол (каптакс); мягчители (дибутилфталат, жирные кислоты, вазелин, сосновая смола, рубракс, парафин); противостарители (фенолы, воск, фенил-в-нафтиламин); активные наполнители (сажа, двуокись кремния, цинковые белила, каолин); красители. Ингредиенты улучшают технологические свойства резиновых смесей и повышают качество получаемых изделий. [2]

2.2. Изготовление резиновых изделий

Производство резиновых изделий состоит из трех основных стадий: приготовления сырой резиновой смеси, формования изделия и его вулканизации.

Приготовление сырых резиновых смесей включает операции:

подготовка каучука и ингредиентов (развеска, дозировка, прорезинивание тканей, раскрой, получение заготовок и т.п.);

приготовление сырой резиновой смеси (смешение);

листование полученных смесей. [2]

Глава 3. Кремнийорганические

высокомолекулярные соединения и их

области получения

Кремний, как и углерод, находится в IV группе периодической системы и по типу простейших соединений является аналогом последнего.

Исследователей давно привлекала перспектива получения полимерных соединений, сочетающих теплостойкость хрупкого кварца и пластичность неустойчивых к нагреванию полиакрилатов или полистиролов.

Открытие К.А.Андриановым в 1937 году способности алкил- и арилалксисиланов при гидролизе превращаться в полимерные кремнийорганические соединения привело к получению принципиально новых соединений, имеющих весьма отдаленную аналогию с природными полимерами.

Большая перспективность использования органических соединений кремния в технике была отмечена еще в 1923 году Б.А. Долговым.

Изменяя строение кремнийорганических полимеров и варьируя в них соотношение кремния, кислорода и углерода, удалось получить продукты с разнообразными свойствами. По строению полимерных цепей различают несколько типов кремнийорганических полимеров.

Осуществлены синтезы кремнийорганических полимеров с циклосетчатой заданной структурой, обладающей высокими диэлектрическими показателями:

Термин «органо» означает, что кремний в полимерной цепи свободными валентностями связан с органическими остатками. Наибольшее практическое применение получили силоксановые высокомолекулярные соединения.

Помимо строения полимерной цепи, кремнийорганические полимеры отличаются остатками, связанными с атомами кремния, образующими полимерную цепь. Обычно это алкильные (арильные) радикалы, реже алкоксильные группы.

Кремневодороды - силаны - очень неустойчивые соединения, самовозгорающиеся на воздухе.

Первые члены ряда силанов - газы или легкокипящие жидкости: силан SiH4 (температура кипения -1120С), дисилан Si2H6 (температура кипения -150С), трисилан Si3H8 (температура кипения +530С).

Так же мало устойчивы и очень реакционноспособны хлорпроизводные силанов: хлорсилан SiH3Cl, трихлорсилан SiHCl3 (силанохлороформ), четыреххлористый кремний SiCl4. Все эти вещества энергично гидролизуются с водой. Так, с цинк- и магнийорганическими соединениями они дают кремнийорганические соединения - алкилсиланы:

Практически вместо магнийгалоизоорганических соединений применяют галоидный алкил и магний:

Более устойчивыми являются алкилсиланы, в которых нет атомов водорода при кремнии, - тетраалкилсиланы.

Получение кремнийорганических полимеров.

Полимеры часто получают двумя способами: поликонденсации и ступенчатой полимеризации.

Полиорганосилоксаны обладают ценными физико-химическими свойствами и нашли большое техническое применение. Способ их получения заключается в гидролизе мономерных кремнийорганических соединений, содержащих способные к гидролизу группы. Наибольшее значение имеют хлор- и алкоксиметилсиланы. При гидролизе водой в присутствии щелочных или кислых катализаторов сначала образуются силанолы, которые затем поликонденсируются с образованием полисилоксановых полимеров:

В зависимости от относительной молекулярной массы полисилоксаны представляют собой подвижные или вязкие жидкости или эластичные твердые вещества.

Высокая прочность связи -Si-O- делает ее устойчивой к воздействию теплоты и окислителей. Большая разница в электроотрицательности кремния и углерода придает подвижность -органическим радикалам и определяет повышенную гибкость полисилоксановых цепей. Вследствие этого полисилоксановые цепи имеют спиральное строение, при котором компенсируется полярность связи -Si-O-, а сами цепи оказываются окруженными нейтральными углеводородными радикалами (рис.1). Подобное строение полисилоксановых полимеров объясняет их специфические свойства: термостабильность, хорошие диэлектрические свойства, незначительные силы межмолекулярного сцепления, резко отличающие их от углеродных полимеров.

Рис.1. Строение полисилоксановых полимеров

Кремнийорганические соединения получили разнообразное техническое применение. Они придают материалам гидрофобность (стеклу, керамике, бетону, текстилю), образуют на поверхности самых различных материалов пленки, отталкивающие воду. Так, диметилдихлорсилан, адсорбированный на поверхности керамического материала, при гидролизе водой образует пленку толщиной 1,9-10-5 см, состоящую примерно из 300 молекул. Причина гидрофобности заключается в ориентации молекул кремнийорганического полимера: углеводородные радикалы направлены наружу, а кислород - в сторону гидрофильной поверхности.

Гидрофобизация стекла (обычно метилхлорсиланами) повышает точность и воспроизводимость результатов при работе и лабораторной посудой и уменьшает обледенение стекол самолетов и автомашин.

Гидрофобизация строительных материалов (бетона, известняка, кирпича) предохраняет их от преждевременного разрушения под влиянием атмосферных условий, а в некоторых случаях является непременным условием их применения (гипс, гипсосилановый бетон). Хорошие результаты дают водные растворы алкилсиликонатов натрия.

Текстильные материалы после гидрофобизации не смачиваются и не пропускают воду, однако сохраняют проницательность для воздуха и водяных паров. Влагопоглощение понижается примерно в 20 раз при расходе 1,5-2,5% кремнийорганического соединения от массы текстиля.

Кренийорганические теплоносители (мономерные и полимерные эфиры кремниевой кислоты) термоустойчивы, не коррозируют большинство материалов, почти негорючи и поэтому с успехом заменяют такие распространенные теплоносители, как воду, водяной пар, топочные газы.

Силиконовые жидкости (полимерные метилсилоксаны, метилдифенилсилоксаны) вследствие малой зависимости вязкости от температуры успешно применяются в качестве гидравлических масел. В пределах от +500С до -700С минеральные масла изменяют вязкость в 400 раз, а метилсилоксаны - в 29 раз.

Полиметилфенилсилоксаны образуют термоустойчивые смазки различных трущихся металлических поверхностей. Метилсиликоновые масла являются эффективными пеногасителями, они химически инертны и применяются в минимальных концентрациях (1:1000, 1:10000).

Силиконовые смолы используют в качестве изоляционных лаков, защитных покрытий, стойких и к высокой температуре, и к химическим воздействиям. Их обычно получают из метилтрихлорсилана, диметилдихлорсилана, финилтрихлорсилана, дифенилдихлорсилана, которые гидролизуются и поликонденсируются при нагревании в инертных растворителях. Смешанные с термостойкими наполнителями, они выдерживают нагревание в течение нескольких часов при 5000С и нескольких суток до 2500С.

Кремнийорганические соединения выгодно отличаются от каучуков: а) прежде всего незначительной изменчивостью свойств в широком интервале температур и, следовательно, высокой морозостойкостью (при рабочих температурах до 2000С их механические свойства мало меняются, при -600С они также сохраняют упругость); б) значительной химической стойкостью, особенно к кислороду и озону, гидрофобностью; в) негорючестью при нагревании без соприкосновения с пламенем; г) диэлектрическими свойствами.

Силиконовые каучуки (состоят из полимера, наполнителя и вулканизатора) представляют собой обычные линейные полидиметилсилоксаны с относительной молекулярной массой 250000-450000. Нагревание приводит к сшивке линейных полимеров поперечными связками.

Наполнители, например, различные типы аэрогелей оксида кремния (IV), улучшают механические свойства полимеров, повышают их прочность при растяжении и придают способность к удлинению до 60%. Вулканизацию проводят в присутствии перекисей. Силиконовые каучуки применяют в качестве электроизоляционного материала, прокладок различной аппаратуры и электродвигателей.

Кремнийорганические соединения получают из алкилхлорсиланов или аркилхлорсиланов. Это SiCl2(СН2)2, Si(С2Н5)2Cl2, С6Н5SiCl3. Схема последовательного гидролиза и поликонденсации при получении кремнийорганических полимеров следующая:

И так дальше до образования полимера, имеющего формулу:

На основе кремнийорганических смол изготавливают прессовочные и слоистые материалы. Характеристика различных типов этих материалов проведена в таблице 1.

Таблица 1

Прессовочные и слоистые материалы

Различают следующие виды материалов, сделанных на основе кремнийорганических соединений.

3.1. Стеклопласты

Стеклопласты - пластические массы, у которых связующим веществом служат синтетические полимеры, а наполнителем или армирующим материалом - стеклянное волокно или стеклянная ткань, придающие стеклопластикам особую прочность.

Большинство изделий из стеклопластиков изготавливают с применением в качестве связующих ненасыщенных полиэфиров - полиэфирмалоинатов или полиэфиракрилатов, а также эпоксидных и кремнийорганических полимеров.

В зависимости от взятого связующего стеклопластики могут перерабатываться в изделия при обычной температуре без давления или при небольшом давлении. Наибольшее значение приобретают стеклопластики, которые могут перерабатываться в изделия методом так называемого «контактного» формования с постепенным нанесением слоев связующего на каркас из армирующего материала.

Стеклопластики могут применяться для изготовления таких крупногабаритных изделий, как корпуса мелких судов, шлюпки, кузова автомобилей, крыши железнодорожных вагонов и т.п. Пока изделия можно изготавливать только с помощью «контактного» метода формования, т.е. по существу вручную, но нет сомнения, что в ближайшем будущем производство таких изделий будет механизировано и стеклопластики благодаря своей исключительной прочности и дешевизне найдут самое широкое применение во многих отраслях народного хозяйства. В зависимости от вида армирующего материала стеклопластики делятся на следующие группы:

А) Стеклотекстолиты - пластики, армированные стеклянными тканями. Изделия получаются обычно методом «контактного» формования.

Б) Стекловолокниты - пластики, в которых армирующим наполнителем служит войлок из стеклянного волокна. Перерабатываются методом литья или прессования.

В) Анизотропные стеклопластики - пластики с армирующим материалом в виде однонаправленной стеклянной нити. Изделия получают методом намотки стеклянного волокна, предварительно обработанного синтетическим полимером.

Г) Изотропные стеклопластики - пластики, армированные стекломатами (рубленое стеклянное волокно). Перерабатываются методом контактного формования.

Стеклопласты - материалы, полученные из синтетических смол и наполнителей. В качестве наполнителя используются стекловолокнистые материалы. Разновидности промышленно выпускаемых стеклопластиков приведены в таблице 2.

3.2. Стеклотекстолиты

Стеклотекстолиты - это слоистые листовые материалы, получаемые методом горячего прессования уложенных правильными рядами полотнищ стеклянной ткани, пропитанной связующими. Они используются при изготовлении фюзеляжей самолетов, кузовов автомобилей, судов.

Таблица 2

Свойства стеклопластов

3.3. Стекловолокниты

Стекловолокниты готовят из волокон и связующего прямым или литьевым прессованием при высоком давлении. Они используются для изготовления деталей для обшивки вагонов, облицовочных панелей, строительных конструкций, оконных переплетов, огнестойких перегородок, вкладышей, подшипников, фрикционных деталей, термостойких изделий и как электроизоляционный материал.

3.4. СВАМ

Стекловолокнистый анизотропный материал (СВАМ) - получают путем параллельной их укладки при одновременном нанесении на них связующего. Из СВАМ изготавливают трубы, стойкие к воздействию химических реагентов, как электроизоляционный материал в радиотехнике и радиоэлектронике.

заключение

Народнохозяйственное значение каучука (являющегося основной составной частью резины) очень велико. Громадные и все возрастающие количества каучука потребляют автомобильная, авиационная и тракторная промышленность. Большое количество его идет на изготовление приводных ремней и транспортных лент, шлангов и рукавов, электроизоляционных изделий, прорезиненных тканей, изделий широкого потребления (обувь, спортивные товары, игрушки), изделий санитарии и гигиены и многое другое. Достаточно привести данные о ежегодном мировом производстве натурального и синтетического каучука - свыше 4 миллионов тонн, чтобы принять роль каучука в жизни человека.

Каучуки непосредственно связаны с высокомолекулярными кремнийорганическими соединениями.

Например, силиконовые (силоксановые каучуки).

Химические соединения, вырабатываемые промышленностью основного органического синтеза служат полупродуктами для производства пластических масс, синтетических волокон, синтетических каучуков, синтетических моющих средств и многого другого.

список литературы

Грандберг И.И. Органическая химия. - М.: Высшая школа, 1980. - 463 с.

Жиряков В.Г. Органическая химия. - М.: Химия, 1974. - 407 с.

Павлов Б.А. и др. Курс органической химии. - М.: Химия, 1972. - 648 с.

Перекалин В.В. и др. Органическая химия. - М.: Просвещение, 1982. - 543 с.

Третьяков Ю.Д. Химия: Справочные материалы. - М.: Просвещение, 1984. - 239 с.

Фурмер И.Э. Общая химическая технология. - М.: Высшая школа, 1987. - 334 с.

Хомченко Г.П. Химия для поступающих в ВУЗы. - Высшая школа, 1985. - 357 с.

Шпсусцус З. Путешествие в мир органической химии. - М.: Мир, 1967. - 218 с.

Страницы: 1, 2