Ako sa vyrába syntetická izoprénová guma

2024 Autor: Howard Calhoun | [email protected]. Naposledy zmenené: 2024-01-02 14:02

Prírodný kaučuk má mnoho analógov a izoprénový kaučuk sa považuje za jeden z najtonážnejších. Priemysel vyrába širokú škálu typov týchto produktov, ktoré sa líšia vlastnosťami aj typom použitých katalyzátorov – lítium, komplex a podobne.

Ako sa vyrába guma

Izoprénový kaučuk je syntetický, je stereoregulárny a získava sa polymerizáciou izoprénu umiestneného v inertnom rozpúšťadlovom prostredí s komplexným katalyzátorom. Robí sa to napríklad SKI-3. Polymerizácia izoprénu v roztoku musí byť kontinuálna, na to existujú batérie so štyrmi až šiestimi polymerizátormi, ktoré sú chladené soľankou.

Monomér v zmesi sa skoncentruje na dvanásť až pätnásť percent, potom stupeň premeny dosiahne deväťdesiatpäť percent a trvanie bude dve až tri hodiny pri teplotách od nuly do desať stupňov Celzia. Ak je potrebné získať izoprénový kaučuk s vysokou molekulovou hmotnosťou, čistota činidiel používaných pri polymerizácii je veľmivysoký stupeň.

Stabilizácia a sušenie

Na ochranu polyméru pred oxidáciou je potrebné ho stabilizovať zmesou fenyléndiamínu a neozónu, ktorá sa musí zaviesť do polymerizátu ako roztok alebo vodná suspenzia. Aby sa izoprénový kaučuk oddelil od polymerizátu vo forme drviny, musí sa polymerizát zmiešať s parou a vodou a potom pridať prísady, ktoré zabraňujú aglomerácii (hrudkovaniu). Potom sa musí rozpúšťadlo oddestilovať. Teraz je potrebné vykonať procesy odplyňovania, oddeľovania omrviniek od vody a sušenia v šnekových strojoch a pásových sušičkách. Na konci tohto procesu možno výrobu izoprénového kaučuku považovať za dokončenú.

Teraz to bude briketovanie na automatických zariadeniach pod tlakom. Značka SKI-3 - syntetický izoprénový kaučuk, ktorý sa vyrába v briketách po tridsať kilogramoch. Briketa je zabalená do polyetylénovej fólie a vložená do štvorvrstvového papierového vrecka. Táto fólia je celkom dobre spracovaná súčasne s obsahom, ktorým je izoprénový kaučuk, jeho vlastnosti s teplotou miešania celkom umožňujú polyetylénu zmäknúť a premiešať ho s hlavnou hmotou v gumovom mixéri.

Štruktúra

Každá guma, ktorá sa vyrába v tomto odvetví, má svoje vlastné charakteristiky a vlastnosti, ktoré sú vlastné iba tejto odrode. Niektoré gumy majú dobrú mechanickú pevnosť, iné majú dobrú chemickú odolnosť alebo nepriepustnosť pre plyny, iné sa neboja teplotných zmien atď. Vlastnostijednotlivé syntetické kaučuky v mnohých smeroch a mnohonásobne prevyšujú prírodný kaučuk. Len elasticita prírodného kaučuku ešte nebola prekonaná a to je najdôležitejšia vlastnosť produktov ako sú pneumatiky pre lietadlá alebo autá.

Počas prevádzky vždy zažívajú obrovskú deformáciu – natiahnutie aj stlačenie, čo spôsobuje medzimolekulové trenie, zahrievanie a stratu kvality. To znamená, že čím vyššia je elasticita gumy, tým je výrobok odolnejší. Z tohto dôvodu sa prírodný kaučuk ešte nevytratil a používa sa na výrobu pneumatík pre vysokorýchlostné a vysokovýkonné lietadlá a automobily. Prírodný kaučuk je polymér izoprénu, a preto vedci tak tvrdo pracujú na tom, aby sa izoprénový kaučuk stal analógom prírodného kaučuku.

Formula

Zdroje na ťažbu prírodného kaučuku sú veľmi obmedzené. Normálny, prirodzene sa vyskytujúci kaučuk má vzorec C₅H₈, ako sa ukázalo, je úplne identický s molekulárnym vzorcom izoprénu, ktorý je vznikajúce pri zahrievaní gumy v produktoch jej rozkladu. Výzvou je nájsť rozumne dostupný spôsob. A izoprénový kaučuk sa získava počas polymerizačnej reakcie a tu je dôležité správne zostaviť priebeh tejto reakcie. Polymerizácia prebieha takto: nCH₂ =C(CH₃) - CH=CH₂ -- (-CH₂ - C(CH₃)=CH - CH_2)n.

Najsľubnejšou metódou je zatiaľ metóda katalytickej dehydrogenácie izopentánu, ktorý sa uvoľňuje z ropných plynov. Východiskovým materiálom na výrobu izoprénu môže byť aj pentán: CH₃-CH₂-CH₂- CH ₂-CH_{3, pretože pri zahrievaní a s katalyzátormi sa tiež mení na izopentán. Existuje aj polymerizačná metóda, pri ktorej je reakcia na získanie izoprénového kaučuku postavená tak, že sa získa kaučuk, ktorý je štruktúrou veľmi podobný prírodnému kaučuku, a preto má rovnaké vynikajúce vlastnosti.}

Izoprén

Izoprén je nenasýtený uhľovodík patriaci do radu diénov. Je to prchavá bezfarebná kvapalina. Vôňa je veľmi charakteristická. Izoprénový kaučuk je prírodný monomér, pretože zvyšok jeho molekuly je obsiahnutý v mnohých iných prírodných zlúčeninách - izoprenoidy, terpenoidy a podobne. Rozpúšťa sa v organických rozpúšťadlách. Napríklad s etylalkoholom sa môže miešať v akomkoľvek pomere. Ale vo vode sa dobre nerozpúšťa.

Počas polymerizácie však ľahko tvorí štruktúrnu jednotku izoprénového kaučuku, vďaka čomu sa získava izoprénová gutaperča a kaučuky. Tiež izoprén môže vstúpiť do rôznych reakcií počas kopolymerizácie. V priemysle je nepostrádateľný, pretože sa používa na syntézu kaučukov, liekov a dokonca aj niektorých vonných látok. Výroba syntetického izoprénového kaučuku sa u nás dlhodobo rozvíja a tvorí približne dvadsaťštyri percent svetovej produkcie.

História

Prvý izoprén bol získaný v roku 1860 pyrolýzou z prírodného kaučuku.pyrolýza je tepelný (pri vysokých teplotách) rozklad mnohých anorganických a organických zlúčenín v podmienkach nedostatku kyslíka. Neskôr bola vynájdená izoprénová lampa – elektrická s vyhrievanou špirálou, pomocou ktorej sa v laboratóriách tepelne rozkladal terpentínový olej.

Druhá svetová vojna priniesla obrovský dopyt po izoprénových kaučukoch, a preto sa izoprén naučil vyrábať v priemyselnom meradle pyrolýzou limonénu. Napriek tomu bol izoprén príliš drahý na masovú výrobu syntetických kaučukov. Situácia sa zmenila, keď sa našiel spôsob, ako ju získať z ropy. Potom sa začali rýchlo rozvíjať technológie na polymerizáciu izoprénu.

Úloha v ekonomike

Najdôležitejšou vecou pri plánovaní výroby produktu, akým je izoprénový kaučuk, je správna voľba miesta, pretože bude potrebné dodávať frakcie separácie C₅ do určenia z niekoľkých podnikov naraz, ktoré vykonávajú cracking. Na druhom mieste dôležitosti je zohľadnenie v plánoch skládky zvyšných uhľovodíkov z frakcie C_5..

Začiatkom deväťdesiatych rokov dvadsiateho storočia vyrobila západná Európa asi osemdesiatpäťtisíc ton C_{5 diénov, z ktorých štyridsaťštyritisíc ton bol dimerizovaný cyklopentadién a dvadsaťtritisíc ton bol izoprén. Zvyšok – asi pätnásťtisíc ton – tvorili piperylény. O desať rokov neskôr vzrástla svetová produkcia izoprénu na 850 000 ton ročne.}

Vlastnosti

Za štandardných podmienok je izoprén, ako už bolo spomenuté, prchavá bezfarebná kvapalina, takmer nerozpustná vo vode, ale miešateľná v akomkoľvek pomere s dietylalkoholom, štandardom, benzénom, acetónom. Izoprén je schopný vytvárať azeotropické zmesi so širokou škálou organických rozpúšťadiel. Keď vezmeme do úvahy údaje zo spektroskopických štúdií, možno vidieť, že už pri päťdesiatich stupňoch Celzia väčšina molekúl izoprénu naberá stabilnú s-trans konformáciu, iba pätnásť percent molekúl je v s-cis konformácii. Medzi týmito stavmi je energetický rozdiel 6,3 kJ.

Chemické vlastnosti izoprénu ho predstavujú ako typický konjugovaný dién, ktorý vstupuje do substitučných, adícií, komplexácií, cyklizácií, telomerizačných reakcií. Aktívne v reakcii s elektrofilmi a dienofilmi.

Aplikácia

Hlavná časť v súčasnosti vyrábaného izoprénu sa používa pri syntéze izoprénového kaučuku, ktorý má podobnú štruktúru a vlastnosti ako prírodný kaučuk. Široko sa používa na výrobu pneumatík. Existuje aj ďalší produkt polymerizácie izoprénu, polyizoprén, ktorý sa používa oveľa menej, pretože má vlastnosti gutaperče. Vyrába sa z neho napríklad izolácia drôtov a golfové loptičky. Izoprénový kaučuk sa používa na výrobu všetkých druhov gumových výrobkov, ktoré kombinujú prírodné a iné syntetické kaučuky.

Pridávajú sa napríklad na zníženie lepivostibutadién-metylstyrénové kaučuky, navyše sa pri opakovaných deformáciách zvyšuje únavová odolnosť. Dusitany dodávajú odolnosť voči ozónu a odolnosť voči starnutiu teplom. Pri dodržaní súboru technických vlastností sa teda izoprénové kaučuky dokonale prejavia pri použití dopravných pásov, sacích alebo tlakových hadíc, pri obložení hriadeľov strojov, pri výrobe obuvi, zdravotníckych a iných výrobkov.

Environmentálne nebezpečenstvo

Izoprén je vysoko výbušný a horľavý. Vo vysokých koncentráciách v tele môže viesť k paralýze a smrti. K tomu dochádza hlavne pri nasýtení atmosféry, a preto metabolizmus prebieha v dýchacom systéme, keď sa izoprén premieňa na epoxidy a dioly.

Štyridsať miligramov na meter kubický sa považuje za vysokú koncentráciu – toto je maximálna dávka. Malé koncentrácie izoprénu vo vzduchu môžu na človeka pôsobiť narkoticky, spôsobiť podráždenie očí, pokožky, dýchacích ciest a slizníc.

Biológia

Moderní vedci zistili, že izoprénové výpary vypúšťajú do atmosféry takmer všetky rastliny. Globálne množstvo fytogénneho izoprénu sa približne odhaduje na (180-450)^.10^{12 gramov uhlíka za rok. Tento proces sa urýchľuje, ak sa teplota vzduchu blíži k tridsiatim stupňom Celzia a tiež ak je intenzita slnečného žiarenia vysoká, pričom fotosyntéza je už plne nasýtená. Biosyntéza izoprénu inhibovaná fosmidomycínom a zlúčeninami celkumnožstvo statínov. Prečo to rastliny robia, nie je úplne pochopené. Možno im izoprén dáva dodatočnú odolnosť voči prehriatiu. Okrem toho je to lapač radikálov, čo znamená, že môže chrániť rastliny pred reaktívnymi formami kyslíka a ozónom.}

Vedci tiež naznačujú, že syntéza izoprénu spôsobuje neustálu spotrebu molekúl NADPH a ATP, ktoré rastlina produkuje počas fotosyntézy. Uvoľňovanie izoprénu teda zabraňuje fotooxidačnej degradácii a re-redukcii, ak je osvetlenie nadmerné. Nevýhodou tohto obranného mechanizmu môže byť jedna: uhlík, ktorý sa tak ťažko extrahuje v procese fotosyntézy, sa minie na uvoľňovanie izoprénu. Vedci nezostali len pri rastlinách a zistili, že ľudské telo dokáže produkovať aj diénové uhľovodíky a izoprén je medzi nimi najbežnejší.