Hogyan készül a szintetikus izoprén gumi

2024 Szerző: Howard Calhoun | [email protected]. Utoljára módosítva: 2024-01-02 13:56

A természetes guminak számos analógja van, és az izoprén gumit az egyik legtöbb tonnás tömegű guminak tartják. Az ipar ezeknek a termékeknek a legkülönfélébb típusait gyártja, amelyek mind tulajdonságaikban, mind a felhasznált katalizátorok típusában különböznek – lítium, komplex és hasonlók.

Hogyan készül a gumi

Az izoprén gumi szintetikus, sztereoreguláris, és inert oldószeres közegbe helyezett izoprén komplex katalizátorral történő polimerizálásával nyerik. Ilyen például a SKI-3. Az izoprén oldatban történő polimerizációjának folyamatosnak kell lennie, ehhez négy-hat polimerizátorból álló akkumulátorok vannak, amelyeket sóoldattal hűtenek.

A keverékben lévő monomer 12-15 százalékra koncentrálódik, ekkor az átalakulás mértéke eléri a kilencvenöt százalékot, és az időtartam két-három óra lesz nulla és tíz Celsius-fok közötti hőmérsékleten. Ha nagy molekulatömegű izoprén gumi előállítása szükséges, akkor a polimerizációban használt reagensek tisztasága nagyon magas.felsőfokú.

Stabilizálás és szárítás

A polimer oxidáció elleni védelme érdekében fenilén-diamin és neozon keverékével kell stabilizálni, amelyet oldat vagy vizes szuszpenzió formájában kell bevinni a polimerizátumba. Ahhoz, hogy az izoprén gumit a polimerizátumtól morzsaként leválaszthassuk, a polimerizátumot gőzzel és vízzel kell összekeverni, majd hozzáadni az agglomerációt (csomósodást) megakadályozó adalékokat. Ezután az oldószert le kell desztillálni. Most el kell végezni a gáztalanítás, a morzsák víztől való elválasztása és a szárítás folyamatait csigagépekben és szalagos szárítókban. A folyamat végén az izoprén gumi gyártása befejezettnek tekinthető.

Most nyomás alatti automata üzemeken brikettezni fog. SKI-3 márka - szintetikus izoprén gumi, amelyet egyenként harminc kilogramm brikettben állítanak elő. A brikettet polietilén fóliába csomagoljuk és egy négyrétegű papírzacskóba helyezzük. Ez a fólia az izoprén gumi tartalommal egyidejűleg meglehetősen jól feldolgozható, keverési hőmérsékleti tulajdonságai lehetővé teszik, hogy a polietilén meglágyuljon, és gumikeverőben keverje össze a fő masszával.

Struktúra

Az iparág által gyártott minden guminak megvannak a maga sajátosságai és tulajdonságai, amelyek csak erre a fajtára jellemzőek. Egyes gumiknak jó a mechanikai szilárdsága, másoknak jó a vegyszerállóságuk vagy gázáteresztő képességük, mások nem félnek a hőmérséklet változásától stb. TulajdonságokAz egyedi szintetikus gumik sok tekintetben és többszörösen felülmúlják a természetes gumit. Csak a természetes gumi rugalmasságát még nem sikerült felülmúlni, és ez a legfontosabb tulajdonság az olyan termékeknél, mint a repülőgép- vagy autógumik.

Működés közben mindig hatalmas deformációt tapasztalnak – nyúlást és összenyomódást egyaránt, ami intermolekuláris súrlódást, melegedést és minőségromlást okoz. Vagyis minél nagyobb a gumi rugalmassága, annál tartósabb a termék. Ez az oka annak, hogy a természetes gumi még nem szűnt meg a használatból, és ezt használják a nagy sebességű és nagy teherbírású repülőgépek és személygépkocsik gumiabroncsainak gyártásához. A természetes gumi az izoprén polimerje, ezért a tudósok olyan keményen dolgoznak azon, hogy az izoprén gumit a természetes gumi analógjává tegyék.

Formula

A természetes gumi kitermeléséhez rendelkezésre álló erőforrások nagyon korlátozottak. A normál, természetben előforduló gumi képlete C₅H₈, mint kiderült, teljesen azonos az izoprén molekulaképletével, amely a gumi hevítésekor keletkezik bomlástermékeiben. A kihívás az ésszerűen megfizethető mód megtalálása. Az izoprén gumit a polimerizációs reakció során nyerik, és itt fontos a reakció lefolyásának helyes felépítése. A polimerizáció a következőképpen megy végbe: nCH₂ =C(CH₃) - CH=CH₂ -- (-CH₂ - C(CH₃)=CH - CH_2)n.

Az eddigi legígéretesebb módszer a kőolajgázokból felszabaduló izopentán katalitikus dehidrogénezése. Az izopréngyártás kiindulási anyaga lehet pentán is: CH₃-CH₂-CH₂- CH ₂-CH_{3, mert hevítve és katalizátorokkal is izopentánná alakul. Létezik olyan polimerizációs eljárás is, amelyben az izopréngumi előállítására szolgáló reakciót úgy építik fel, hogy olyan gumit kapjanak, amely szerkezetében nagyon hasonló a természetes gumihoz, és ezért ugyanolyan kiváló tulajdonságokkal rendelkezik.}

Izoprén

Az izoprén a diének sorozatába tartozó telítetlen szénhidrogén. Ez egy illékony, színtelen folyadék. Az illata nagyon jellegzetes. Az izoprén gumi természetes monomer, mivel molekulájának fennmaradó része sok más természetes vegyületben - izoprenoidokban, terpenoidokban és hasonlókban - megtalálható. Szerves oldószerekben oldódik. Például etil-alkohollal bármilyen arányban keverhető. De nem oldódik jól vízben.

De könnyen szerkezeti egységet képez az izoprén gumiból a polimerizáció során, aminek köszönhetően izoprén guttapercha és gumik keletkeznek. Ezenkívül az izoprén különféle reakciókba léphet a kopolimerizáció során. Az iparban nélkülözhetetlen, hiszen gumik, gyógyszerek, sőt néhány illatos anyag szintetizálására használják. Hazánkban a szintetikus izoprén gumi gyártása régóta fejlődik, és a világ termelésének körülbelül huszonnégy százalékát teszi ki.

Előzmények

Az első izoprént 1860-ban nyerték pirolízissel természetes gumiból. A pirolízis számos szervetlen és szerves vegyület termikus (magas hőmérsékletű) bomlása oxigénhiányos körülmények között. Később feltaláltak egy izoprén lámpát – egy elektromosat, fűtött tekercses, amellyel a terpentinolajat termikusan lebontották laboratóriumokban.

A második világháború hatalmas keresletet hozott az izoprén gumik iránt, és ezért megtanulták, hogy az izoprént ipari méretekben, limonén pirolízisével állítsák elő. Ennek ellenére az izoprén túl drága volt a szintetikus gumik tömeggyártásához. A helyzet megváltozott, amikor megtalálták a módját, hogy olajból nyerjék. Ezután az izoprén polimerizációs technológiái gyorsan fejlődni kezdtek.

Szerep a gazdaságban

Egy olyan termék, mint például az izoprén gumi gyártásának megtervezésekor a legfontosabb a hely megfelelő megválasztása, mert a C₅ elválasztási frakcióit el kell szállítani a egyszerre több vállalkozástól, amelyek repedést végeznek. A második helyen fontos szerepet játszik a C_{5. frakcióból megmaradt szénhidrogének elhelyezésére vonatkozó tervek figyelembevétele.}

A huszadik század kilencvenes éveinek elejére Nyugat-Európa mintegy nyolcvanötezer tonna C_{5 diént állított elő, ebből negyvennégyezer tonna dimerizált ciklopentadién és huszonháromezer tonna izoprén volt. A többi - körülbelül tizenötezer tonna - piperilén volt. Tíz évvel később a világ izopréntermelése évi 850 000 tonnára emelkedett.}

Tulajdonságok

Normál körülmények között az izoprén, mint már említettük, illékony, színtelen folyadék, vízben szinte oldhatatlan, de bármilyen arányban elegyedik dietil-alkohollal, standarddal, benzollal, acetonnal. Az izoprén sokféle szerves oldószerrel képes azeotróp keverékeket képezni. A spektroszkópiai vizsgálatok adatait figyelembe véve látható, hogy már ötven Celsius-fokon az izoprén molekulák többsége stabil s-transz konformációt vesz fel, a molekulák mindössze tizenöt százaléka van s-cisz konformációban. Ezen állapotok között az energiakülönbség 6,3 kJ.

Az izoprén kémiai tulajdonságai tipikus konjugált diénként mutatják be, amely szubsztitúciós, addíciós, komplexképző, ciklizációs, telomerizációs reakciókba lép be. Aktív reakcióban elektrofilekkel és dienofilekkel.

Alkalmazás

A jelenleg előállított izoprén nagy részét izopréngumi szintézisében használják fel, szerkezetében és tulajdonságaiban hasonló a természetes gumihoz. Különösen széles körben használják gumiabroncsok gyártásához. Van egy másik izoprén polimerizációs termék is, a poliizoprén, amelyet jóval kevesebben használnak, mert rendelkezik a guttapercha tulajdonságaival. Például huzalszigetelésre és golflabdák készítésére használják. Az izoprén gumit mindenféle gumitermék előállítására használják, amelyek kombinálják a természetes és más szintetikus gumikat.

Például a ragadósság csökkentése érdekében hozzáadjukbutadién-metilsztirol gumik, ráadásul a fáradtságállóság megnő, ha az alakváltozások ismétlődnek. A nitritek növelik az ózonállóságot és ellenállnak a hővel szembeni öregedésnek. Így egy sor műszaki tulajdonságot figyelembe véve az izoprén gumik tökéletesen megmutatkoznak szállítószalagok, szívó- vagy nyomótömlők használatakor, géptengelyek bélelésekor, lábbelik, orvosi és egyéb termékek gyártása során.

Környezeti veszély

Az izoprén erősen robbanásveszélyes és gyúlékony. Magas koncentrációban a szervezetben bénuláshoz és halálhoz vezethet. Ez főleg a légköri telítettségnél fordul elő, ezért az anyagcsere a légzőrendszerben megy végbe, amikor az izoprén epoxidokká és diolokká alakul.

Negyven milligramm köbméterenként magas koncentrációnak számít – ez a maximális adag. Az izoprén kis koncentrációja a levegőben kábító hatással lehet az emberre, és irritálhatja a szemet, a bőrt, a légutakat és a nyálkahártyákat.

Biológia

Modern tudósok felfedezték, hogy az izoprén gőzök szinte az összes növényt a légkörbe bocsátják. A fitogén izoprén globális mennyiségét hozzávetőlegesen (180-450)^.10^{12 grammra becsülik. szén évente. Ez a folyamat felgyorsul, ha a levegő hőmérséklete megközelíti a harminc Celsius-fokot, és akkor is, ha a napsugárzás intenzitása nagy, miközben a fotoszintézis már teljesen telített. Az izoprén bioszintézisét a fosmidomycin és az egész vegyületei gátoljákszámos sztatin. Hogy a növények miért teszik ezt, nem teljesen érthető. Talán az izoprén ad nekik extra ellenállást a túlmelegedés ellen. Ezenkívül gyökfogó, ami azt jelenti, hogy megvédheti a növényeket a reaktív oxigénfajtáktól és az ózontól.}

A tudósok azt is sugallják, hogy az izoprén szintézise állandó NADPH és ATP molekulák fogyasztását okozza, amelyeket a növény a fotoszintézis során termel. Ennélfogva az izoprén felszabadulása megakadályozza a fotooxidatív lebomlást és a túlzott megvilágítás esetén az újraredukciót. Ennek a védekező mechanizmusnak az egyik hátránya lehet: a fotoszintézis során oly nehezen kinyert szenet az izoprén felszabadítására fordítják. A tudósok nem álltak meg a növényeknél, és rájöttek, hogy az emberi szervezet is képes dién-szénhidrogéneket termelni, és ezek közül a legelterjedtebb az izoprén.