Макромолекулы природного каучука имеет структуру

Состав и строение натурального каучука

Натуральный (природный) каучук (НК) представляет собой высокомолекулярный непредельный углеводород, молекулы которого содержат большое количество двойных связей; состав его может быть выражен формулой (C₅H₈)_n (где величина n составляет от 1000 до 3000); он является полимером изопрена.

Природный каучук содержится в млечном соке каучуконосных растений, главным образом, тропических (например, бразильского дерева гевея). Другой природный продукт — гуттаперча — также является полимером изопрена, но с иной конфигурацией молекул.

Длинную молекулу каучука можно было бы наблюдать непосредственно при помощи современных микроскопов, но это не удаётся, так как цепочка слишком тонка: диаметр её, соответствует диаметру одной молекулы. Если макромолекулу каучука растянуть до предела, то она будет иметь вид зигзага, что объясняется характером химических связей между атомами углерода, составляющими скелет молекулы.

Звенья молекулы каучука могут вращаться не беспрепятственно в любом направлении, а ограниченно — только вокруг одинарных связей. Тепловые колебания звеньев заставляют молекулу изгибаться, при этом концы её в спокойном состоянии сближены.

При растяжении каучука концы молекул раздвигаются и молекулы ориентируются по направлению растягивающего усилия. Если устранить усилие, вызвавшее растяжение каучука, то концы его молекул вновь сближаются и образец принимает первоначальную форму и размеры.

Молекулу каучука можно представить себе как круглую, незамкнутую пружину, которую можно сильно растянуть, разведя её концы. Освобождённая пружина вновь принимает прежнее положение. Некоторые исследователи представляют молекулу каучука в виде пружинящей спирали. Качественный анализ показывает, что каучук состоит из двух элементов — углерода и водорода, то есть, относится к классу углеводородов.

Первоначально принятая формула каучука была С₅Н₈, но она слишком проста для такого сложного вещества как каучук. Определение молекулярной массы показывает, что она достигает нескольких сот тысяч (150 000 — 500 000). Каучук, следовательно, природный полимер.

Экспериментально доказано, что в основном макромолекулы натурального каучука состоят из остатков молекул изопрена, а сам натуральный каучук — природный полимер цис-1,4-полиизопрен.

натуральный каучук – 1,4-полиизопрен

Молекула натурального каучука состоит из нескольких тысяч исходных химических групп (звеньев), соединённых друг с другом и находящихся в непрерывном колебательно-вращательном движении. Такая молекула похожа на спутанный клубок, в котором составляющие его нити местами образуют правильно ориентированные участки.

Основной продукт разложения каучука — углеводород, молекулярная формула которого однозначна с простейшей формулой каучука. Можно считать, что макромолекулы каучука образованы молекулами изопрена. Существуют подобные полимеры, которые не проявляют такой эластичности, какую имеет каучук. Это особое свойство объясняется тем, что молекулы каучука, хотя и имеют линейное строение, не вытянуты в линию, а многократно изогнуты, как бы свёрнуты в клубки. При растягивании каучука такие молекулы распрямляются, образец каучука от этого становится длиннее. При снятии нагрузки, вследствие внутреннего теплового движения, звенья молекулы возвращаются в прежнее свёрнутое состояние, размеры каучука сокращаются. Если же каучук растягивать с достаточно большой силой, то произойдёт не только выпрямление молекул, но и смещение их относительно друг друга — образец каучука может порваться.

Источник

Натуральный каучук.

Натуральный каучук — природный продукт, содержащийся в млечном соке (латексе) каучуконосных растений или в виде отдельных включений в клетках их коры и листьев. Из всех каучуконосных растений лучшим является бразильская гевея. Из млечного сока гевеи добывается почти все количество обращающегося на мировом рынке натурального каучука. Латекс гевеи содержит около 30% каучука, 65% воды, 5% составляют белки, пептиды, минеральные соли, примеси.

Натуральный каучук — продукт биосинтеза, который по строению является полимером изопрена:

Макромолекулы натурального каучука имеют строго регулярное строение в пространстве. Звенья изопрена присоединены в положение 1,4, и метиленовые группы расположены по одну сторону двойной связи. Подобная структура называется 1,4 — цис — формой. 1,4 — транс — изомер полиизопрена называется гуттаперчей. Она добывается из сока гутоносных растений, эластическими свойствами не обладает, но является лучшим диэлектриком.

Натуральный каучук представляет собой твердую массу беловато — желтого (светлый кpeп) или темно — коричневого (смокед-шитс) цвета с плотностью 0,93-0,95 г/см 3 . Характеризуется высокой эластичностью, незначительной гигроскопичностью, достаточной прочностью и является хорошим диэлектриком. Хорошо растворим в бензине, дихлорэтане, бензоле и других растворителях. Обладает большой склеивающей способностью.

Натуральный каучук взаимодействует с кислородом, подвергаясь при этом деструкции с образованием растворимых в спирте продуктов окисления каучука.

При повышенных температурах натуральный каучук взаимодействует с серой, превращаясь в резину. Этот процесс носит название вулканизации. При вулканизации за счет раскрытия двойных связей полимера и образования сульфидных мостиков образуются поперечные связи между линейными макромолекулами и структура из линейной превращается в сшитую. При этом повышается модуль упругости, прочность вулканизатов на раздир, но утрачивается способность к растворению и плавлению. Химизм процесса вулканизации можно представить схемой:

Основные характеристики натурального каучука и его вулканизата представлены в таблице

Модуль упругости, МН/м 2

Модуль при растяжении на 500%, МН/м 2

Сочетание хороших технологических свойств натурального каучука с комплексом ценных свойств вулканизатов обусловило их широкое применение в производстве различных резиновых изделий общего и специального назначения, шин, изделий народного потребления, санитарии и гигиены. Однако натуральный каучук дефицитен, ресурсы его ограничены, а стоимость высока.

Синтетические каучуки

Для синтетических каучуков не обязательно полное совпадение свойств со свойствами натурального каучука. Однако, поскольку синтетические каучуки предназначаются в основном для изготовления различных резиновых изделий, наиболее приемлемым является определение этого термина, предложенное Б.А. Догадкиным: «Синтетическими каучуками будем называть получаемые в промышленном масштабе синтетические продукты, способные к вулканизации и обладающие в сыром или вулканизированном виде сходными с натуральным каучуком эластическими свойствами. Все они принадлежат к классу высокомолекулярных линейных полимеров, содержащих в своих цепях двойные связи. Последний признак и определяет их способность к вулканизации, что в свою очередь, обеспечивает их применение в резиновой промышленности, поскольку технология последней основана на использовании пластических свойств сырых резиновых смесей при изготовлении (формовании) изделий и на возможности сообщения этим смесям необходимых эластических свойств в результате последующей вулканизации».

Таким образом, характерными свойствами синтетических каучуков как полимерных материалов следует считать высокие эластические деформации и способность к вулканизации.

В настоящее время для получения синтетических каучуков используют различные мономеры. Среди них основное место занимают соединения с сопряженной системой двойных связей.

Каучуки, выпускаемые промышленностью, различаются по природе взятых мономеров, соотношению мономеров при сополимеризации, способам полимеризации и т. д. Однако, несмотря на большое разнообразие выпускаемых в промышленности каучуков, их можно подразделить на группы, объединяющие каучуки с более или менее близкими свойствами: полибутадиеновые (дивиниловые), сополимеры бутадиена со стиролом (бутадиен-стирольные), сополимеры бутадиена с акрилонитрилом (бутадиен-нитрильные), сополимеры изобутилена с диеновыми углеводородами (бутилкаучуки), хлоропреновые и др. В каждой группе имеются каучуки, полученные из одних и тех же мономеров. Охарактеризовав наиболее распространенный каучук каждой группы, можно достаточно точно перенести эту характеристику на другие марки каучуков, входящих в данную группу.

Источник

4. Состав, свойства и применение каучуков

Они отличаются высокой эластичностью и упругостью — при действии силы растягиваются или сжимаются, а затем восстанавливают исходные размеры и форму. Причина эластичности заключается в том, что линейные макромолекулы каучука скручены в клубки. При растягивании они выпрямляются и образец каучука удлиняется. Если его отпустить, то молекулы опять скручиваются. При большой нагрузке каучук может разорваться, так как его макромолекулы могут не только распрямиться, но и сместиться по отношению друг к другу.

В воде каучуки не растворяются, а в неполярных растворителях (например, в бензине) сначала набухают, а затем растворяются.

Каучукам характерны реакции ненасыщенных соединений (присоединение и окисление), так как в их макромолекулах имеются двойные связи. Из-за окисления каучук через некоторое время теряет свою эластичность, «стареет».

К недостаткам каучука можно отнести плохую устойчивость к низким и высоким температурам, недостаточную прочность, химическую активность.

Вулканизация — это взаимодействие каучука с серой, в результате которого происходит сшивание макромолекул дисульфидными мостиками \(-S-S-\) в трёхмерную структуру.

Резина более прочная, более устойчивая к колебаниям температуры и действию растворителей. Из неё изготавливают шины для колёс, шланги, обувь.

Все структурные звенья в макромолекуле природного каучука имеют цис-строение, это стереорегулярный полимер.

Бутадиеновый, или дивиниловый, каучук был получен в \(1932\) г. по методу С. В. Лебедева. Исходным сырьём служил этиловый спирт, из которого в присутствии катализатора получали мономер — бутадиен-\(1\), \(3\):

В настоящее время в качестве сырья для производства бутадиенового и изопренового каучуков используют углеводороды нефти.

Хлоропреновый каучук получают полимеризацией \(2\)-хлорбутадиена-\(1\),\(2\) (хлоропрена). Он отличается повышенной устойчивостью к действию органических растворителей:

.

Источник