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合成橡胶的制取及性能


实验室k / 2019-05-23

       当你从电影或画报上看到我们祖国美丽的海南风光的时候,你一定会赞赏着奇特、茂盛、常年碧绿的热带植物。在这些热带植物中有一种高大的橡胶树,当人们用刀在树杆上割开一条切口时,便会流出牛奶状的白色树汁。这种树汁就叫做胶乳。若将胶乳经过凝聚、脱水等加工,便得固体的橡胶,这就是天然橡胶。

       橡胶是一种重要的战略物资。一辆解放牌载重汽车就需橡胶200多公斤,一架喷气式飞机要用十万个橡胶零部件,至于现代尖端科学技术的发展,如导弹、火箭、宇宙飞船等更是需要大量不同性能的特种橡胶。在支授农业生产中,排灌用的皮管、水泵及农业机械上的轮胎、胶带、输送电力用的电线和电缆包皮等,都要用橡胶制造。

       然而,天然橡胶的生产受到地区和气候条件的限制,不仅在数量上,而且在性能上都满足不了日益发展的需要。于是人们就想用合成的方法来制得橡胶。要想合成“天然橡胶”,就得了解天然橡胶。经过不断的研究,发现天然橡胶也是一种高分子化合物,它的平均分子量很大(约20万~40万),其基本成分是共轭二烯烃——异戊二烯。但是,在几十年前,异戊二烯只能从松节油中制得,大规模生产有困难,而丁二烯来源较为丰富。因此,就发展了以丁二烯为基础的一系列合成橡胶。随着科学技术的发展,单体种类越来越扩大,至今不但共轭二烯烃,而且许多单烯烃经过聚合或共聚,都可以制得各种合成橡胶,如下表所示:


       从这些单体出发,经过聚合反应,就可得到各种合成橡胶。在合成橡胶中,除了由一种单体参加聚合得到均聚物(如顺丁橡胶)外,也有许多是由二种或二种以上单体通过共聚反应,制得共聚物(如丁苯橡胶)。即:



       在聚合方法上,现在普遍采用的是溶液聚合和乳液聚合法。特别是乳液聚合,其反应产物最初得到的是浆状橡胶,外观和性质很象天然橡胶树汁。在反应中聚合热容易导出,故反应易于控制,制得的合成橡胶分子量较高,而且以水为介质,价廉而又安全。

       合成橡胶具有优异的性能,某些方面甚至可以超过天然橡胶。特别是特种合成橡胶(如丁腈橡胶、硅橡胶、氟橡胶等),有些能适应于长期接触燃料油、溶剂、酸、硷、氧化剂等而不失去原有性能;有些能耐高、低温,或耐真空、耐辐射和具有优良电性能,对于工农业生产和国防工业具有重大的特殊作用。

       合成橡胶的主要品种有丁苯橡胶、顺丁橡胶、异戊橡胶、氯丁橡胶、乙丙橡胶、丁基橡胶等(常称之为通用橡胶)。

       丁苯橡胶是由丁二烯和苯乙烯共聚而成,是目前世界上产量最多的合成橡胶。它比天然橡胶质地均匀、价格低,特别是加入炭黑补强后,其强度与天然橡胶相仿,能和天然橡胶以任意比例混用,以制造各种轮胎、密封配件、电绝缘材料等,但其综合性能不如天然橡胶。

       顺丁橡胶是在发现了定向聚合催化剂后相继发展起来的一个新品种,由丁二烯(CH2=CH-CH=CH2)定向聚合而得。由于采用了定向聚合,所得聚合物在空间的排列很有规律,组成有规立构的化合物。如下列顺丁橡胶的分子结构所示:


其C-C完全是在C=C的一侧,是种顺式结构,因为它是通过1,4-加成方式聚合起来,所以它的全称叫做顺式-1,4聚丁二烯橡胶,简称顺丁橡胶。顺丁橡胶的最大特点是弹性好,耐磨、耐低温、耐老化性能好,超过天然橡胶。但其加工性能不如天然橡胶,做成的轮胎行驶时容易出裂纹,而且抗滑性不好。故一般用作制造三角胶带、耐热胶管、电绝缘制品、鞋底等。

       氯丁橡胶是由氯丁二烯聚合或由氯丁二烯与其他单体共聚而成,为目前世界上名列第三位的合成橡胶品种,具有耐油、耐氧化、耐老化、耐燃烧、耐酸碱、耐曲挠和透气性好等性能,所以人们称它为万能橡胶。例如,它遇火燃烧,便分解出HCl气体阻止燃烧,这一特性是天然和一般合成橡胶所不具备的,故专门用来制造地下采矿用橡胶制品如运输带、胶管、电缆等。氯丁橡胶的缺点主要是耐寒性差,低温下易结晶;比重较大(为1.25),做成同体积的制品时,用量就大,成本便高。

       丁腈橡胶是丁二烯和丙烯腈在水乳液中共聚而制得的,其结构式为,由于分子中有氰基(—CN)存在,所以它具有特别耐油和耐溶剂的优异性能,而且它的综合性能比其他的耐油特种橡胶(如硅橡胶、氟橡胶等)要好,因此广泛用来制造各种油箱、耐油制品、印剧用毯、粘合剂、印刷辊等,其缺点是耐寒性差,耐臭氧性差,电绝缘性能低劣。

       至此,我们看到了合成橡胶虽然在某些性能方面超过了天然橡胶,但在加工性能、弹性、耐寒性等方面还不如天然橡胶,而且做成的轮胎在行驶时生热量大。因此人们就努力设法合成一种非常近似于天然橡胶的合成橡胶,于是发展了异戊橡胶。异戊橡胶的单体是异戊二烯。近年来,由于石油化工的迅速发展,从炼厂气得到的丙烯经过二聚、异构化、裂解反应,或者从油田气、轻汽油、石油加工过程中得到的C5成分——异戊烷和异戊烯——经脱氢后,都可大量制得异戊二烯。


       异戊橡胶也是属于有规立体结构,其结构与天然橡胶相同。因此,它的性能与天然橡胶基本ー样,具有良好的弹性和耐磨性,优良的耐热性和较好的化学稳定性,并且有比天然橡胶较好的电绝缘性能,所以实际上已用来代替天然橡胶的各种用途。


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