Jak powstaje syntetyczna guma izoprenowa

2024 Autor: Howard Calhoun | [email protected]. Ostatnio zmodyfikowany: 2024-01-02 14:01

Kauczuk naturalny ma wiele analogów, a kauczuk izoprenowy jest uważany za jeden z najbardziej wielotonażowych. Przemysł wytwarza szeroką gamę rodzajów tych produktów, różniących się zarówno właściwościami, jak i rodzajem zastosowanych katalizatorów - litowych, kompleksowych i tym podobnych.

Jak powstaje guma

Kauczuk izoprenowy jest syntetyczny, jest stereoregularny i jest otrzymywany przez polimeryzację izoprenu umieszczonego w obojętnym rozpuszczalniku ze złożonym katalizatorem. Odbywa się to na przykład SKI-3. Polimeryzacja izoprenu w roztworze musi być ciągła, w tym celu istnieją baterie składające się z czterech do sześciu polimeryzatorów chłodzonych solanką.

Monomer w mieszaninie jest zagęszczany do dwunastu – piętnastu procent, wtedy stopień konwersji osiągnie dziewięćdziesiąt pięć procent, a czas trwania będzie wynosił od dwóch do trzech godzin w temperaturach od zera do dziesięciu stopni Celsjusza. W przypadku konieczności uzyskania kauczuku izoprenowego o wysokiej masie cząsteczkowej czystość odczynników stosowanych w polimeryzacji jest bardzowysoki stopień.

Stabilizacja i suszenie

Aby chronić polimer przed utlenianiem, należy go stabilizować mieszaniną fenylenodiaminy i neozonu, którą należy wprowadzić do polimeryzacji w postaci roztworu lub zawiesiny wodnej. W celu oddzielenia kauczuku izoprenowego od polimeryzatu w postaci okruchów, polimeryzat należy wymieszać z parą wodną i wodą, a następnie dodać dodatki zapobiegające aglomeracji (zbrylaniu). Rozpuszczalnik należy następnie oddestylować. Teraz konieczne jest przeprowadzenie procesów odgazowania, oddzielenia okruchów od wody i suszenia w maszynach ślimakowych i suszarkach taśmowych. Pod koniec tego procesu produkcję kauczuku izoprenowego można uznać za zakończoną.

Teraz będzie brykietowanie w automatycznych instalacjach pod ciśnieniem. Marka SKI-3 - syntetyczny kauczuk izoprenowy, który produkowany jest w brykietach po trzydzieści kilogramów każdy. Brykiet owija się folią polietylenową i umieszcza w czterowarstwowym worku papierowym. Folia ta jest dość dobrze przetwarzana jednocześnie z zawartością, jaką jest kauczuk izoprenowy, jego właściwości w temperaturze mieszania pozwalają na zmiękczenie polietylenu i wymieszanie go z główną masą w gumowym mieszalniku.

Struktura

Każda guma produkowana przez przemysł ma swoje własne cechy i właściwości właściwe tylko tej odmianie. Niektóre gumy mają dobrą wytrzymałość mechaniczną, inne mają dobrą odporność chemiczną lub nieprzepuszczalność gazów, inne nie boją się zmian temperatury i tak dalej. Nieruchomościposzczególne kauczuki syntetyczne pod wieloma względami i wielokrotnie przewyższają kauczuk naturalny. Jedynie elastyczność kauczuku naturalnego nie została jeszcze przekroczona i jest to najważniejsza właściwość dla produktów takich jak opony lotnicze czy samochodowe.

Podczas pracy zawsze doświadczają ogromnej deformacji - zarówno rozciągania, jak i ściskania, co powoduje tarcie międzycząsteczkowe, nagrzewanie i utratę jakości. Oznacza to, że im wyższa elastyczność gumy, tym trwalszy produkt. Z tego powodu kauczuk naturalny jeszcze nie wyszedł z użycia i to właśnie on jest używany do produkcji opon do samolotów i samochodów o dużej prędkości i dużej ładowności. Kauczuk naturalny jest polimerem izoprenu, dlatego naukowcy tak ciężko pracują, aby kauczuk izoprenowy był analogiem kauczuku naturalnego.

Formuła

Zasoby do pozyskiwania naturalnego kauczuku są bardzo ograniczone. Normalna, naturalnie występująca guma ma wzór C₅H₈, jak się okazało, jest absolutnie identyczna ze wzorem cząsteczkowym izoprenu, który jest powstają podczas podgrzewania gumy, w produktach jej rozkładu. Wyzwaniem jest znalezienie rozsądnie przystępnego sposobu. Kauczuk izoprenowy pozyskiwany jest natomiast podczas reakcji polimeryzacji i tutaj ważne jest prawidłowe zbudowanie przebiegu tej reakcji. Polimeryzacja przebiega w następujący sposób: nCH₂ =C(CH₃) - CH=CH₂ -- (-CH₂ - C(CH₃)=CH - CH_2)n.

Jak dotąd najbardziej obiecującą metodą jest metoda katalitycznego odwodornienia izopentanu, który jest uwalniany z gazów ropopochodnych. Materiałem wyjściowym do produkcji izoprenu może być również pentan: CH₃-CH₂-CH₂- CH ₂-CH_{3, ponieważ po podgrzaniu iz katalizatorami zamienia się również w izopentan. Istnieje również metoda polimeryzacji, w której reakcja otrzymywania kauczuku izoprenowego jest zbudowana w taki sposób, że otrzymuje się kauczuk bardzo zbliżony strukturą do kauczuku naturalnego, a zatem ma te same doskonałe właściwości.}

Izopren

Izopren to nienasycony węglowodór należący do serii dienów. Jest lotną, bezbarwną cieczą. Zapach jest bardzo charakterystyczny. Kauczuk izoprenowy jest naturalnym monomerem, ponieważ pozostała część jego cząsteczki jest zawarta w wielu innych naturalnych związkach - izoprenoidach, terpenoidach i tym podobnych. Rozpuszcza się w rozpuszczalnikach organicznych. Na przykład z alkoholem etylowym można go mieszać w dowolnym stosunku. Ale nie rozpuszcza się dobrze w wodzie.

Ale łatwo tworzy jednostkę strukturalną kauczuku izoprenowego podczas polimeryzacji, dzięki czemu otrzymuje się gutaperkę i kauczuki izoprenowe. Również izopren może wchodzić w różne reakcje podczas kopolimeryzacji. W przemyśle jest niezastąpiony, gdyż służy do syntezy gum, leków, a nawet niektórych substancji zapachowych. W naszym kraju produkcja syntetycznego kauczuku izoprenowego rozwija się od dłuższego czasu i stanowi około dwudziestu czterech procent światowej produkcji.

Historia

Pierwszy izopren uzyskano w 1860 r. w wyniku pirolizy kauczuku naturalnego. Piroliza to termiczny (w wysokich temperaturach) rozkład wielu związków nieorganicznych i organicznych w warunkach braku tlenu. Później wynaleziono lampę izoprenową – elektryczną z podgrzewaną wężownicą, za pomocą której olej terpentynowy był termicznie rozkładany w laboratoriach.

Druga wojna światowa przyniosła ogromne zapotrzebowanie na kauczuki izoprenowe, dlatego też izopren nauczono się wytwarzać na skalę przemysłową poprzez pirolizę limonenu. Mimo to izopren był zbyt drogi do masowej produkcji kauczuków syntetycznych. Sytuacja zmieniła się, gdy znaleziono sposób na jej pozyskanie z ropy. Wtedy szybko zaczęły rozwijać się technologie polimeryzacji izoprenu.

Rola w gospodarce

Najważniejszą rzeczą w planowaniu produkcji produktu takiego jak kauczuk izoprenowy jest właściwy wybór lokalizacji, ponieważ konieczne będzie dostarczenie frakcji separacji C₅ do przeznaczenia od kilku przedsiębiorstw na raz, które przeprowadzają kraking. Na drugim miejscu ważne jest uwzględnienie w planach składowiska pozostałych węglowodorów z frakcji C_5..

Do początku lat dziewięćdziesiątych XX wieku Europa Zachodnia wyprodukowała około osiemdziesięciu pięciu tysięcy ton dienów C_{5, z czego czterdzieści cztery tysiące ton stanowił zdimeryzowany cyklopentadien i dwadzieścia trzy tysiące ton to izopren. Reszta – około piętnastu tysięcy ton – to piperyleny. Dziesięć lat później światowa produkcja izoprenu wzrosła do 850 000 ton rocznie.}

Właściwości

W standardowych warunkach izopren, jak już wspomniano, jest lotną, bezbarwną cieczą, prawie nierozpuszczalną w wodzie, ale mieszającą się w dowolnym stosunku z alkoholem dietylowym, wzorcem, benzenem, acetonem. Izopren może tworzyć mieszaniny azeotropowe z szeroką gamą rozpuszczalników organicznych. Rozpatrując dane z badań spektroskopowych można zauważyć, że już w temperaturze pięćdziesięciu stopni Celsjusza większość cząsteczek izoprenu przyjmuje stabilną konformację s-trans, tylko piętnaście procent cząsteczek ma konformację s-cis. Między tymi stanami różnica energii wynosi 6,3 kJ.

Właściwości chemiczne izoprenu przedstawiają go jako typowy sprzężony dien, który wchodzi w reakcje podstawienia, addycji, kompleksowania, cyklizacji i telomeryzacji. Aktywny w reakcji z elektrofilami i dienofilami.

Aplikacja

Główna część obecnie produkowanego izoprenu jest wykorzystywana w syntezie kauczuku izoprenowego, podobnego strukturą i właściwościami do kauczuku naturalnego. Stosowany jest szczególnie szeroko do produkcji opon. Istnieje również inny produkt polimeryzacji izoprenu, poliizopren, który jest używany znacznie rzadziej, ponieważ ma właściwości gutaperki. Wykorzystywany jest na przykład do izolacji przewodów i piłek golfowych. Kauczuk izoprenowy jest używany do produkcji wszelkiego rodzaju wyrobów gumowych, które łączą w sobie kauczuki naturalne i inne kauczuki syntetyczne.

Na przykład w celu zmniejszenia lepkości, dodaje siękauczuki butadienowo-metylostyrenowe dodatkowo zwiększają wytrzymałość zmęczeniową w przypadku powtarzających się odkształceń. Azotyny zwiększają odporność na ozon i odporność na starzenie cieplne. Tym samym, obserwując szereg właściwości technicznych, kauczuki izoprenowe doskonale sprawdzają się przy stosowaniu taśm przenośnikowych, węży ssących lub ciśnieniowych, przy wykładaniu wałów maszyn, w produkcji obuwia, wyrobów medycznych i innych.

Zagrożenie dla środowiska

Izopren jest wysoce wybuchowy i łatwopalny. W wysokich stężeniach w organizmie może prowadzić do paraliżu i śmierci. Dzieje się tak głównie przy nasyceniu atmosfery, a zatem metabolizm zachodzi w układzie oddechowym, kiedy izopren jest przekształcany w epoksydy i diole.

Czterdzieści miligramów na metr sześcienny jest uważane za wysokie stężenie – jest to maksymalna dawka. Niewielkie stężenia izoprenu w powietrzu mogą działać narkotycznie na człowieka, powodować podrażnienia oczu, skóry, dróg oddechowych i błon śluzowych.

Biologia

Współcześni naukowcy odkryli, że opary izoprenu emitują do atmosfery prawie wszystkie rośliny. Ogólną ilość fitogenicznego izoprenu szacuje się w przybliżeniu na (180-450)^.10^{12 gramów węgla rocznie. Proces ten ulega przyspieszeniu, gdy temperatura powietrza zbliża się do trzydziestu stopni Celsjusza, a także gdy natężenie promieniowania słonecznego jest duże, a fotosynteza jest już w pełni nasycona. Biosynteza izoprenu hamowana przez fosmidomycynę i związki całościliczba statyn. Dlaczego rośliny to robią, nie jest w pełni zrozumiałe. Być może izopren zapewnia im dodatkową odporność na przegrzanie. Ponadto jest wymiataczem radykalnym, co oznacza, że może chronić rośliny przed reaktywnymi formami tlenu i ozonem.}

Naukowcy sugerują również, że synteza izoprenu powoduje stałe zużycie cząsteczek NADPH i ATP, które roślina wytwarza podczas fotosyntezy. W związku z tym uwalnianie izoprenu zapobiega degradacji fotooksydacyjnej i ponownej redukcji, jeśli oświetlenie jest nadmierne. Wadą tego mechanizmu obronnego może być to, że węgiel, który z takim trudem jest ekstrahowany w procesie fotosyntezy, zużywa się na uwalnianie izoprenu. Naukowcy nie poprzestali na roślinach i odkryli, że organizm ludzki może również wytwarzać węglowodory dienowe, a izopren jest wśród nich najpowszechniejszy.