Jump to content

Полибутадиен

Около 70% полибутадиена используется в производстве шин.

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]

Сергей Васильевич Лебедев , русский химик, первым полимеризовал бутадиен.

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 .

Катализатор, используемый в производстве, существенно влияет на вид полибутадиенового продукта.

Типичный состав полибутадиена по катализатору [16]
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]

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]

Гоночные шины

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 ]
Поперечное сечение мяча для гольфа; его ядро ​​состоит из полибутадиена

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 ]
  1. ^ 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 .
  2. ^ «Исследование рынка синтетического каучука» . Цересана. Январь 2022.
  3. ^ 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
  4. ^ Мортон 1987 , с. 235
  5. ^ 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
  6. ^ Перейти обратно: а б с Фелтон, Майкл Дж., Нефть и продукты переработки (PDF) , Предприятие химических наук, стр. 11–15.
  7. Сегодня в истории науки: 25 июля (страница получена 18 октября 2007 г.)
  8. ^ «Рождение Буны» .
  9. ^ «Исторический портал Evonik - История Evonik Industries» . degussa-history.com .
  10. ^ Биография Уолдо Л. Семона
  11. ^ Перейти обратно: а б Мортон 1987 , с. 236
  12. ^ odyear.com/corporate/history/history_byyear.html Cronología de Goodyear. Архивировано 11 июля 2013 г. в Wayback Machine.
  13. ^ «Bayer Polymers прекращает производство полибутадиена кобальта (CoBR) в Марле» . chemie.de . Архивировано из оригинала 29 июня 2012 года.
  14. ^ 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 ]
  15. ^ «Брифинг мирового бизнеса: Европа: Германия: выделение химической продукции» . Нью-Йорк Таймс . 17 июля 2004 года . Проверено 26 августа 2011 г.
  16. ^ Перейти обратно: а б с д и Химические системы (2004). Нью-Йорк: Нексант (ред.). Бутадиен-стирольный каучук / Бутадиеновый каучук .
  17. ^ Фельдман и Барбалата 1996 , с. 134
  18. ^ Перейти обратно: а б с Кент 2006 , с. 704
  19. ^ Перейти обратно: а б с Кент 2006 , с. 705
  20. ^ Перейти обратно: а б с д «Полибутадиен, техническая статья» (PDF) . Международный институт производителей синтетического каучука . Архивировано из оригинала (PDF) 9 декабря 2006 г.
  21. ^ 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
  22. Веб-сайт Ube. Архивировано 15 декабря 2005 г. на Wayback Machine (страница получена 28 апреля 2006 г.).
  23. ^ Кайта, С.; и др. (2006), «Полимеризация бутадиена, катализируемая комплексами лантанидов металлоцен-алкилалюминий с сокатализаторами» , Macromolecules , 39 (4): 1359, doi : 10.1021/ma051867q
  24. ^ Фельдман и Барбалата 1996 , с. 133
  25. ^ 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
  26. ^ «Как делают шины» . Архивировано из оригинала 10 октября 2007 г. Проверено 18 октября 2007 г.
  27. ^ Ботфорты. Архивировано 31 марта 2012 г. в Wayback Machine в Техцентре полибутадиенового каучука в Ланксессе.
  28. ^ Кент 2006 , стр. 705–6
  29. ^ Арли, Жан-Пьер (1992), Синтетические каучуки: процессы и экономические данные , Editions TECHNIP, с. 34, ISBN  978-2-7108-0619-6
  30. ^ Кент 2006 , с. 706
  31. ^ Шеппард, Лорел М. « Мяч для гольфа из книги «Как производятся продукты» . Проверено 18 октября 2007 г.
  32. ^ 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
[ редактировать ]

СМИ, связанные с полибутадиеном, на Викискладе?

Arc.Ask3.Ru: конец переведенного документа.
Arc.Ask3.Ru
Номер скриншота №: 096e016ae94798e8a85dc4f34e20713f__1720606140
URL1:https://arc.ask3.ru/arc/aa/09/3f/096e016ae94798e8a85dc4f34e20713f.html
Заголовок, (Title) документа по адресу, URL1:
Polybutadiene - Wikipedia
Данный printscreen веб страницы (снимок веб страницы, скриншот веб страницы), визуально-программная копия документа расположенного по адресу URL1 и сохраненная в файл, имеет: квалифицированную, усовершенствованную (подтверждены: метки времени, валидность сертификата), открепленную ЭЦП (приложена к данному файлу), что может быть использовано для подтверждения содержания и факта существования документа в этот момент времени. Права на данный скриншот принадлежат администрации Ask3.ru, использование в качестве доказательства только с письменного разрешения правообладателя скриншота. Администрация Ask3.ru не несет ответственности за информацию размещенную на данном скриншоте. Права на прочие зарегистрированные элементы любого права, изображенные на снимках принадлежат их владельцам. Качество перевода предоставляется как есть. Любые претензии, иски не могут быть предъявлены. Если вы не согласны с любым пунктом перечисленным выше, вы не можете использовать данный сайт и информация размещенную на нем (сайте/странице), немедленно покиньте данный сайт. В случае нарушения любого пункта перечисленного выше, штраф 55! (Пятьдесят пять факториал, Денежную единицу (имеющую самостоятельную стоимость) можете выбрать самостоятельно, выплаичвается товарами в течение 7 дней с момента нарушения.)