Полибутадиен
Полибутадиен [бутадиеновый каучук, BR] — синтетический каучук . Он обеспечивает высокую эластичность, высокую устойчивость к износу, хорошую прочность даже без наполнителей и отличную стойкость к истиранию при наполнении и вулканизации. «Полибутадиен» — собирательное название , образующихся в результате полимеризации мономера гомополимеров 1,3-бутадиена . ИЮПАК . называет полибутадиен «поли(бута-1,3-диен)» Исторически первое поколение синтетического полибутадиенового каучука, производимого в Германии компанией Bayer с использованием натрия в качестве катализатора, было известно как «бунакаучук». Полибутадиен обычно сшивается серой, однако также было показано, что его можно отверждать УФ-излучением, когда в рецептуру включены добавки бис-бензофенона. [1]
На долю полибутадиенового каучука (БК) приходилось около 28% общего мирового потребления синтетических каучуков в 2020 году, тогда как бутадиен-стирольный каучук (БСК) был безусловно самой важной маркой (С-СБК 12%, Э-СБК 27% всего потребления). рынок синтетического каучука). В основном его используют при производстве шин , на которое уходит около 70% продукции. Еще 25% используется в качестве добавки для улучшения ударной вязкости (ударопрочности) пластмасс, таких как полистирол и акрилонитрил-бутадиен-стирол (АБС). [2] Полибутадиен также используется для производства мячей для гольфа , различных упругих предметов, а также для покрытия или герметизации электронных узлов, обеспечивая высокое электрическое сопротивление . [3]
История
[ редактировать ]Русский химик Сергей Васильевич Лебедев первым полимеризовал бутадиен в 1910 году. [4] [5] В 1926 году он изобрел процесс получения бутадиена из этанола, а в 1928 году разработал метод получения полибутадиена с использованием натрия в качестве катализатора .
Правительство Советского Союза стремилось использовать полибутадиен в качестве альтернативы натуральному каучуку и построило первый опытный завод в 1930 году. [6] с использованием этанола, полученного из картофеля. Эксперимент увенчался успехом, и в 1936 году в Советском Союзе был построен первый в мире завод по производству полибутадиена, на котором бутадиен получали из нефти. К 1940 году Советский Союз был крупнейшим производителем полибутадиена с объемом производства 50 000 тонн в год. [7]
Следуя за работой Лебедева, другие промышленно развитые страны, такие как Германия и США, разработали полибутадиен и бутадиен-стирольный каучук в качестве альтернативы натуральному каучуку .
В середине 1950-х годов произошли значительные успехи в области катализаторов , которые привели к разработке улучшенных версий полибутадиена. Ведущие производители шин и некоторые нефтехимические компании начали строить заводы по производству полибутадиена на всех обитаемых континентах; Бум продолжался до нефтяного кризиса 1973 года . С тех пор темпы роста производства стали более скромными, сосредоточенными в основном на Дальнем Востоке .
В Германии ученые из компании Bayer (в то время входившей в конгломерат IG Farben ) воспроизвели лебедевские процессы получения полибутадиена с использованием натрия в качестве катализатора. Для этого они использовали торговое название Buna, производное от Bu для бутадиена и Na для натрия (natrium на латыни, Natrium на немецком языке). [6] Они обнаружили, что добавление стирола в процесс приводит к улучшению свойств, и поэтому выбрали этот путь. Они изобрели бутадиен-стирол , получивший название Buna-S ( S – стирол ). [8] [9]
Хотя корпорация Goodrich успешно разработала процесс производства полибутадиена в 1939 году, [10] федеральное правительство США решило использовать Buna-S для развития своей промышленности синтетического каучука после вступления страны во Вторую мировую войну, [6] с использованием патентов IG Farben, полученных через Standard Oil . Из-за этого в Америке в это время было мало промышленного производства полибутадиена.
После войны производство синтетического каучука пришло в упадок из-за снижения спроса, когда натуральный каучук снова стал доступен. Однако интерес возобновился в середине 1950-х годов после открытия катализатора Циглера-Натта . [11] Этот метод оказался намного лучше для производства шин, чем старый полибутадиен натрия. В следующем году компания Firestone Tire and Rubber Company первой произвела полибутадиен с низким содержанием цис, используя бутиллитий в качестве катализатора.
Относительно высокие производственные затраты препятствовали коммерческому развитию до 1960 года, когда началось производство в коммерческих масштабах. [11] Производители шин, такие как Goodyear Tire and Rubber Company [12] и Goodrich были первыми, кто произвел установки для получения полибутадиена с высоким содержанием цис , за ними последовали нефтяные компании, такие как Shell , и производители химической продукции, такие как Bayer.
Первоначально, имея заводы, построенные в США и Франции, Firestone пользовалась монополией на полибутадиен с низким содержанием цис , лицензируя его заводам в Японии и Великобритании. В 1965 году японская корпорация JSR разработала собственный процесс с низким цис-содержимым и начала лицензировать его в течение следующего десятилетия.
Нефтяной кризис 1973 года ознаменовал остановку роста производства синтетического каучука; расширение существующих заводов почти прекратилось на несколько лет. С тех пор строительство новых заводов в основном происходило в промышленно развитых странах Дальнего Востока (таких как Южная Корея, Тайвань, Таиланд и Китай), в то время как западные страны предпочли увеличить мощность существующих заводов.
В 1987 году компания Bayer начала использовать катализаторы на основе неодима для катализа полибутадиена. Вскоре после этого другие производители внедрили аналогичные технологии, такие как EniChem (1993) и Petroflex (2002).
В начале 2000-х годов индустрия синтетического каучука вновь пострадала от одного из периодических кризисов. Крупнейший в мире производитель полибутадиена компания Bayer претерпела масштабную реструктуризацию, поскольку понесла финансовые потери; в период с 2002 по 2005 год она закрыла заводы по производству кобальта и полибутадиена в Сарнии (Канада) и Марле (Германия), [13] перенос своего производства на неодимовые заводы в Порт-Жероме (Франция) и Ориндже (США). [14] В то же время бизнес по производству синтетического каучука был передан от Bayer к Lanxess , компании, основанной в 2004 году, когда Bayer выделила свои химические подразделения и часть своей деятельности по производству полимеров. [15]
Полимеризация бутадиена
[ редактировать ]1,3-Бутадиен — органическое соединение , представляющее собой простой сопряженный диеновый углеводород углерод-углеродные (диены имеют две двойные связи ). Полибутадиен образуется путем связывания многих мономеров 1,3-бутадиена с образованием молекулы с гораздо более длинной полимерной цепью. Что касается связности полимерной цепи, бутадиен может полимеризоваться тремя различными способами: цис , транс и винил . Цис- и транс-формы возникают в результате соединения молекул бутадиена встык, так называемая 1,4-полимеризация. Свойства полученных изомерных форм полибутадиена различаются. Например, «высокий цис»-полибутадиен обладает высокой эластичностью и очень популярен, тогда как так называемый «высокий транс » представляет собой пластиковый кристалл, имеющий мало полезных применений. Содержание винила в полибутадиене обычно не превышает нескольких процентов. Помимо этих трех видов связей, полибутадиены различаются разветвлением и молекулярной массой.
Двойные транс - связи, образующиеся во время полимеризации, позволяют полимерной цепи оставаться достаточно прямой, позволяя участкам полимерных цепей выравниваться, образуя микрокристаллические области в материале. Двойные цис- связи вызывают изгиб полимерной цепи, предотвращая выравнивание полимерных цепей с образованием кристаллических областей, что приводит к образованию более крупных областей аморфного полимера. Было обнаружено, что значительный процент конфигураций цис- двойных связей в полимере приводит к получению материала с гибкими эластомерными (резиноподобными) свойствами. При свободнорадикальной полимеризации двойные связи как цис , так и транс образуются в процентном соотношении, которое зависит от температуры. Катализаторы - влияют на цис соотношение транс .
Типы
[ редактировать ]Катализатор, используемый в производстве, существенно влияет на вид полибутадиенового продукта.
Катализатор | Молярная доля (%) | ||
---|---|---|---|
цис | транс | винил | |
Неодим | 98 | 1 | 1 |
Кобальт | 96 | 2 | 2 |
Никель | 96 | 3 | 1 |
Титан | 93 | 3 | 4 |
Литий | 10–30 | 20–60 | 10–70 |
Высокий цис- полибутадиен
[ редактировать ]Для этого типа характерна высокая доля цис (обычно более 92%). [17] и небольшая доля винила (менее 4%). Его производят с использованием катализаторов Циглера-Натта на основе переходных металлов . [18] В зависимости от используемого металла свойства незначительно различаются. [16]
Использование кобальта дает разветвленные молекулы , в результате чего получается материал с низкой вязкостью, который прост в использовании, но его механическая прочность относительно низка. Неодим дает наиболее линейную структуру (и, следовательно, более высокую механическую прочность) и более высокий процент цис -98% . [19] Другие менее используемые катализаторы включают никель и титан. [16]
Низкий цис- полибутадиен
[ редактировать ]Использование алкиллития (например, бутиллития ) в качестве катализатора дает полибутадиен, называемый «низким цис », который обычно содержит 36% цис , 54% транс и 10% винила. [18]
Несмотря на высокий уровень перехода жидкое стекло, полибутадиен с низким содержанием цис используется в производстве шин и смешивается с другими полимерами для шин, а также может быть выгодно использован в качестве добавки в пластмассах из-за низкого содержания гелей. [20]
Высоковиниловый полибутадиен
[ редактировать ]В 1980 году исследователи японской компании Zeon обнаружили, что полибутадиен с высоким содержанием винила (более 70%), несмотря на высокий уровень перехода жидкое стекло, может быть выгодно использован в сочетании с высоким содержанием цис-иона в шинах. [21] Этот материал производится с использованием алкиллитиевого катализатора.
Высокий транс- полибутадиен
[ редактировать ]более 90%, Полибутадиен можно получить с содержанием транс используя катализаторы, аналогичные катализаторам с высоким содержанием цис : неодим, лантан , никель. Этот материал представляет собой пластиковый кристалл (т.е. не эластомер), который плавится при температуре около 80 °C. Раньше его использовали для внешнего слоя мячей для гольфа. Сегодня он используется только в промышленности, но такие компании, как Ube, исследуют другие возможные применения. [22]
Другой
[ редактировать ]Металлоценовый полибутадиен
[ редактировать ]возможность использования металлоценовых катализаторов для полимеризации бутадиена. Японские исследователи изучают [23] Преимущества, по-видимому, заключаются в более высокой степени контроля как распределения молекулярной массы, так и соотношения цис/транс/винила. По состоянию на 2006 год ни один производитель не производит «металлоценполибутадиен» на коммерческой основе.
Сополимеры
[ редактировать ]1,3-бутадиен обычно сополимеризуется с другими типами мономеров, такими как стирол и акрилонитрил, с образованием каучуков или пластмасс различного качества. Наиболее распространенной формой является сополимер стирола и бутадиена , который является товарным материалом для автомобильных шин . Он также используется в блок-сополимерах и прочных термопластах, таких как АБС-пластик . Таким образом, можно получить сополимерный материал с хорошей жесткостью , твердостью и ударной вязкостью .Поскольку цепи имеют двойную связь в каждой повторяющейся единице , материал чувствителен к озоновому растрескиванию .
Производство
[ редактировать ]Годовой объем производства полибутадиена в 2003 году составил 2,0 миллиона тонн. [18] Это делает его вторым по объему производства синтетическим каучуком после бутадиен-стирольного каучука (SBR). [16] [24]
Раньше процессы производства сильно полибутадиена с высоким и низким содержанием цис различались и осуществлялись на разных заводах. В последнее время изменилась тенденция использовать один завод для производства как можно большего количества различных типов каучука, включая с низким содержанием цис полибутадиен , полибутадиен с высоким содержанием цис (с использованием неодима в качестве катализатора) и бутадиен-стирольный каучук.
Обработка
[ редактировать ]Полибутадиеновый каучук редко используется отдельно, вместо этого его смешивают с другими каучуками. Полибутадиен трудно обвязывать в двухвалковой смесительной мельнице. Вместо этого можно приготовить тонкий лист полибутадиена и хранить его отдельно. Затем, после надлежащего пластификации натурального каучука, в двухвалковую смесительную мельницу можно добавить полибутадиеновый каучук. Аналогичная практика может быть принята, например, если полибутадиен необходимо смешать со стирол-бутадиеновым каучуком (SBR). *Полибутадиеновый каучук может быть дополнен стиролом в качестве модификатора ударопрочности. Высокие дозировки могут повлиять на прозрачность стирола.
В внутренний смеситель сначала можно поместить натуральный каучук и/или бутадиен-стирольный каучук, а затем полибутадиен.
Пластичность полибутадиена не снижается при чрезмерном пластификации.
Использование
[ редактировать ]Годовое производство полибутадиена — 2,1 млн тонн (2000 г.). Это делает его вторым по объему производства синтетическим каучуком после бутадиен-стирольного каучука (SBR). [25]
Шины
[ редактировать ]Полибутадиен широко используется в различных частях автомобильных шин; производство шин потребляет около 70% мирового производства полибутадиена, [19] [20] причем большинство из них имеют высокий цис . Полибутадиен используется в основном в боковинах грузовых шин. Это помогает увеличить срок службы до отказа из-за постоянного изгиба во время эксплуатации. В результате шины не взорвутся в экстремальных условиях эксплуатации. Он также используется в протекторе шин гигантских грузовых автомобилей для улучшения истирания, то есть меньшего износа, а также для сравнительного охлаждения шины, поскольку внутреннее тепло быстро уходит. Обе части формируются методом экструзии . [26]
Его основными конкурентами в этом применении являются бутадиен-стирольный каучук (SBR) и натуральный каучук. Полибутадиен имеет преимущество по сравнению с бутадиен-стирольным бутадиен-стирольным каучуком в более низкой температуре перехода из жидкого стекла , что придает ему высокую стойкость к износу и низкое сопротивление качению. [19] [27] Это обеспечивает длительный срок службы шин и низкий расход топлива. Однако более низкая температура перехода также снижает трение на мокрых поверхностях, поэтому полибутадиен почти всегда используется в сочетании с любым из двух других эластомеров. [16] [28] На одну шину легковых автомобилей расходуется около 1 кг полибутадиена, а на грузовых автомобилях — 3,3 кг. [29]
Пластмассы
[ редактировать ]Около 25% производимого полибутадиена используется для улучшения механических свойств пластмасс, в частности ударопрочного полистирола (HIPS) и в меньшей степени акрилонитрилбутадиенстирола (АБС). [20] [30] Добавление от 4 до 12% полибутадиена в полистирол превращает его из хрупкого и деликатного материала в пластичный и прочный.
Качество процесса более важно при производстве пластмасс, чем при производстве шин, особенно когда речь идет о цвете и содержании гелей, которые должны быть как можно меньшими. Кроме того, продукция должна соответствовать списку санитарных требований в связи с ее использованием в пищевой промышленности.
Мячи для гольфа
[ редактировать ]Большинство мячей для гольфа состоят из эластичного сердечника из полибутадиена, окруженного слоем более твердого материала. Полибутадиен предпочтительнее других эластомеров из-за его высокой упругости. [31]
Сердцевина шариков формируется путем компрессионного формования с применением химических реакций. Сначала полибутадиен смешивают с добавками, затем экструдируют, прессуют каландром и разрезают на куски, которые помещают в форму. Форма подвергается воздействию высокого давления и высокой температуры в течение примерно 30 минут, этого времени достаточно для вулканизации материала.
Производство мячей для гольфа потребляет около 20 000 тонн полибутадиена в год (1999 г.). [20]
Другое использование
[ редактировать ]- Полибутадиеновый каучук может использоваться во внутренней трубке шлангов для пескоструйной обработки вместе с натуральным каучуком для повышения устойчивости. Эту резину также можно использовать для покрытия шлангов, в основном пневматических и водяных.
- Полибутадиеновый каучук также может использоваться в железнодорожных подушках, мостовых блоках и т. д.
- Полибутадиеновый каучук можно смешивать с нитрильным каучуком для облегчения обработки. Однако широкое использование может повлиять на маслостойкость нитрильного каучука.
- Полибутадиен используется при производстве с высокой реституцией игрушки Super Ball . [32] Благодаря высокой упругости вулканизат на основе 100% полибутадиенового каучука используется в качестве сумасшедших мячей — то есть мяч, упавший с 6-го этажа дома, отскочит до 5½-6-го этажа (при условии отсутствия сопротивления воздуха).
- Полибутадиен также используется в качестве связующего в сочетании с окислителем и топливом в различных твердотопливных ракетных ускорителях , таких как японская H-IIB ракета-носитель и Ariane 5 Европейского космического агентства; обычно используется как полибутадиен с концевыми гидроксильными группами (HTPB) или полибутадиен с концевыми карбоксильными группами (CTPB) .
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ Кэрролл, Грегори Т.; Девон Триплетт, Л.; Москателли, Альберто; Коберштейн, Джеффри Т.; Турро, Николас Дж. (5 октября 2011 г.). «Фотогенерация студенистых сетей из уже существующих полимеров» . Журнал прикладной науки о полимерах . 122 (1): 168–174. дои : 10.1002/app.34133 .
- ^ «Исследование рынка синтетического каучука» . Цересана. Январь 2022.
- ^ Хайнц-Дитер Брандт, Вольфганг Нентвиг, Никола Руни, Рональд Т. Лафлэр, Юте У. Вольф, Джон Даффи, Юдит Э. Пушкас, Габор Кашас, Марк Дрюитт и Стефан Гландер в «Каучук, 5. Растворные каучуки», Энциклопедия Ульмана Промышленная химия, 2011, Wiley-VCH, Вайнхайм. два : 10.1002/14356007.o23_o02
- ^ Мортон 1987 , с. 235
- ^ Вернадский, Джордж (январь 1969 г.), «Расцвет науки в России 1700–1917 гг.», The Russian Review , 28 (1): 37–52, doi : 10.2307/126984 , JSTOR 126984
- ^ Перейти обратно: а б с Фелтон, Майкл Дж., Нефть и продукты переработки (PDF) , Предприятие химических наук, стр. 11–15.
- ↑ Сегодня в истории науки: 25 июля (страница получена 18 октября 2007 г.)
- ^ «Рождение Буны» .
- ^ «Исторический портал Evonik - История Evonik Industries» . degussa-history.com .
- ^ Биография Уолдо Л. Семона
- ^ Перейти обратно: а б Мортон 1987 , с. 236
- ^ odyear.com/corporate/history/history_byyear.html Cronología de Goodyear. Архивировано 11 июля 2013 г. в Wayback Machine.
- ^ «Bayer Polymers прекращает производство полибутадиена кобальта (CoBR) в Марле» . chemie.de . Архивировано из оригинала 29 июня 2012 года.
- ^ http://corporate.lanxess.com/en/no_cache/corporate-home/media/press-releases/pi-singleview.html?tx_ttnews%5BpL%5D=2678399&tx_ttnews%5Barc%5D=1&tx_ttnews%5BpS%5D=1146434400&tx_ttnews %5Btt_news%5D=8006&tx_ttnews%5BbackPid%5D=148&cHash=a9c49dba22 [ постоянная мертвая ссылка ]
- ^ «Брифинг мирового бизнеса: Европа: Германия: выделение химической продукции» . Нью-Йорк Таймс . 17 июля 2004 года . Проверено 26 августа 2011 г.
- ^ Перейти обратно: а б с д и Химические системы (2004). Нью-Йорк: Нексант (ред.). Бутадиен-стирольный каучук / Бутадиеновый каучук .
- ^ Фельдман и Барбалата 1996 , с. 134
- ^ Перейти обратно: а б с Кент 2006 , с. 704
- ^ Перейти обратно: а б с Кент 2006 , с. 705
- ^ Перейти обратно: а б с д «Полибутадиен, техническая статья» (PDF) . Международный институт производителей синтетического каучука . Архивировано из оригинала (PDF) 9 декабря 2006 г.
- ^ Ёсиока, А.; Комуро, К.; Уэда, А.; Ватанабэ, Х.; Акита, Сейджи; Масуда, Т.; Накадзима, А. (1 января 1986 г.), «Структура и физические свойства полибутадиеновых каучуков с высоким содержанием винила и их смесей», Pure and Applied Chemistry , 58 (12): 1697–1706, doi : 10.1351/pac198658121697 , S2CID 55681564
- ↑ Веб-сайт Ube. Архивировано 15 декабря 2005 г. на Wayback Machine (страница получена 28 апреля 2006 г.).
- ^ Кайта, С.; и др. (2006), «Полимеризация бутадиена, катализируемая комплексами лантанидов металлоцен-алкилалюминий с сокатализаторами» , Macromolecules , 39 (4): 1359, doi : 10.1021/ma051867q
- ^ Фельдман и Барбалата 1996 , с. 133
- ^ Ларс Фрибе, Оскар Нуйкен и Вернер Обрехт «Катализаторы Циглера/Натта на основе неодима и их применение в полимеризации диенов» Достижения в науке о полимерах, 2006, том 204, страницы 1-154. дои : 10.1007/12_094
- ^ «Как делают шины» . Архивировано из оригинала 10 октября 2007 г. Проверено 18 октября 2007 г.
- ^ Ботфорты. Архивировано 31 марта 2012 г. в Wayback Machine в Техцентре полибутадиенового каучука в Ланксессе.
- ^ Кент 2006 , стр. 705–6
- ^ Арли, Жан-Пьер (1992), Синтетические каучуки: процессы и экономические данные , Editions TECHNIP, с. 34, ISBN 978-2-7108-0619-6
- ^ Кент 2006 , с. 706
- ^ Шеппард, Лорел М. « Мяч для гольфа из книги «Как производятся продукты» . Проверено 18 октября 2007 г.
- ^ Фарралли, Мартин Р.; Кокран, Аластер Дж. (1998). Наука и гольф III: материалы Всемирного научного конгресса по гольфу 1998 года . Кинетика человека. стр. 407, 408. ISBN. 978-0-7360-0020-8 .
- Библиография
- Фельдман, Дорел; Барбалата, Алла (1996), Синтетические полимеры: технология, свойства, применение , Springer, ISBN. 978-0-412-71040-7
- Кент, Джеймс А. (2006), Справочник по промышленной химии и биотехнологии (11-е изд.), Springer, ISBN 978-0-387-27842-1
- Мортон, Морис (1987), Rubber Technology (3-е изд.), Springer, ISBN 978-0-412-53950-3
Внешние ссылки
[ редактировать ]СМИ, связанные с полибутадиеном, на Викискладе?