Резина: простое введение

Подумайте о резине, и вы, вероятно, вспомните
резинки, автомобильные шины
или ластики для карандашей. Но этот суперэластичный материал на самом деле находит свое
применение в десятках тысяч различных продуктов — от
резиновых штампов и водонепроницаемой обуви до гидрокостюмов для серфинга,
шапочек для плавания и шлангов для посудомоечных машин.
Резина, которая широко использовалась более 1000 лет,
когда-то поступала исключительно из природных источников; теперь резиновые изделия, скорее всего, будут
изготавливаться искусственно на химических заводах. Во многом это связано
с тем, что мы не можем производить достаточно натурального каучука для удовлетворения всех наших потребностей.
И это, в свою очередь, потому, что каучук настолько фантастически полезен. Давайте
поближе рассмотрим один из самых удивительных материалов в мире!

На фото: Половина каучука в мире используется для изготовления автомобильных шин, и по крайней мере половина из них
отправляется на свалки, сжигается в мусоросжигательных печах или выбрасывается иным образом.

Что такое резина?

Когда люди говорят о «резине», они обычно не уточняют, какой
именно вид. Существует много разных видов резины, но все они делятся на два основных типа: натуральный каучук (латекс, выращенный из растений) и синтетический каучук (изготовленный искусственно на химическом заводе или в лаборатории). С коммерческой точки зрения наиболее важными синтетическими каучуками являются стирол-бутадиен (SBR), полиакрилы и поливинилацетат (PVA); другие виды включают поливинилхлорид (PVC), полихлоропрен (более известный как неопрен) и различные виды полиуретана. Хотя натуральный каучук и синтетический каучук в некотором роде похожи, они производятся совершенно разными процессами и химически весьма различны.

Натуральная резина

На фото: Резинки — очень распространенный повседневный вариант использования латексной резины.

Натуральный каучук производится из текучей, молочно
-белой жидкости, называемой латексом , которая сочится из некоторых растений,
если их разрезать. (Одуванчики обыкновенные, например, производят латекс; если сломать
их стебли, можно увидеть, как из них капает латекс. Теоретически
нет причин, по которым мы не могли бы производить
каучук, выращивая одуванчики, хотя для этого нам понадобится
их очень много.) Хотя в мире насчитывается около 200 растений, производящих латекс,
более 99 процентов всего натурального каучука в мире производится из латекса
, который добывается из вида дерева под названием Hevea brasiliensis , широко известного как каучуковое дерево.

Фото: Гваюла: одно из многих растений, из которых можно получить каучук. Фото Пегги Греб предоставлено Министерством сельского хозяйства США/Службой сельскохозяйственных исследований (USDA/ARS).

Этот латекс примерно на треть состоит из воды и на
треть из частиц резины, удерживаемых в форме, известной как
коллоидная суспензия.
Натуральный каучук — это полимер изопрена (также известного как
2-метилбута-1,3-диен) с химической формулой (C5H8)n. Проще говоря, он сделан из многих
тысяч основных
единиц C5H8 (мономер изопрена), свободно соединенных в длинные, запутанные
цепи. Эти цепи молекул можно довольно легко разорвать и распутать
, но они сразу же возвращаются вместе, если вы
их отпустите, — и именно это делает резину эластичной.

Синтетические каучуки

Синтетические каучуки производятся на химических заводах, используя нефтехимические продукты
в качестве исходного сырья. Одним из первых (и до сих пор одним из самых
известных) является неопрен (торговая марка
полихлоропрена), полученный
путем реакции ацетилена и соляной кислоты.
Эмульсионный стирол-бутадиеновый каучук (E-SBR) , еще один
синтетический каучук, широко используется для изготовления автомобильных шин.

В оставшейся части статьи мы сосредоточимся в основном на натуральном каучуке.

Как производится резина?

Фото: Традиционное выколачивание резины с помощью мачете, сфотографировано в 1920-х годах.
Латекс стекает по надрезам в банку на земле. Фото Bain News Service предоставлено Отделом печати и фотографий Библиотеки Конгресса США
.

Для изготовления продукта из
натурального каучука требуется несколько совершенно разных этапов. Во-первых, вам нужно собрать латекс с каучуковых
деревьев, используя традиционный процесс, называемый подсучиванием каучука
. Он включает в себя выполнение широкого V-образного надреза в коре дерева. По мере того, как латекс
капает, его собирают в чашку. Затем латекс со многих деревьев
фильтруют, промывают и вводят в реакцию с кислотой, чтобы заставить частицы каучука
коагулировать (слипнуться). Каучук, изготовленный таким образом, прессуют в
пластины или листы, а затем сушат, готовый к следующим этапам производства.

Сама по себе необработанная резина не так уж и полезна. Она имеет тенденцию быть
хрупкой на холоде и вонючей и липкой при нагревании. Дальнейшие
процессы используются для превращения ее в гораздо более универсальный материал.
Первый из них известен как жевание (
слово, которое мы обычно используем для описания того, как животные пережевывают пищу). Жевательные
машины «пережевывают» сырую резину с помощью механических роликов и прессов, чтобы
сделать ее мягче, легче поддающейся обработке и более липкой. После
жевания резины в нее добавляют
дополнительные химические ингредиенты для улучшения ее свойств (например, чтобы сделать ее более
износостойкой). Затем резину
сдавливают в форму роликами (процесс, называемый каландрированием )
или выдавливают через отверстия специальной формы, чтобы сделать полые трубки (
процесс, известный как экструзия ).
Наконец, резину вулканизируют (варят): добавляют серу и нагревают резину примерно до 140 °C (280 °F)
в автоклаве (разновидность промышленной скороварки).

Фото: Вулканизированная резина нагревается в гигантской герметичной «печке», подобной этой, используемой
для изготовления шин для землеройных машин, на фото Firestone Tire Company в 1942 году. В то время это был
самый большой вулканизатор резины в мире, высотой примерно с 2,5 этажа, если его широко раскрыть.
Я раскрасил людей на фотографиях красным цветом, чтобы дать вам представление о масштабе.
Фотографии Альфреда Т. Палмера предоставлены Библиотекой Конгресса США.

Откуда берется резина?

Как следует из названия, каучуковое дерево Hevea brasiliensis
изначально пришло из Бразилии, откуда оно было завезено в такие
страны Дальнего Востока, как Малайзия, Индонезия, Бирма, Камбоджа,
Китай и Вьетнам. Во время Второй мировой войны поставки натурального каучука
из этих стран были прекращены как раз тогда, когда на него был огромный спрос со стороны
военных, и это ускорило развитие синтетического
каучука, особенно в Германии и Соединенных Штатах. Сегодня большая часть натурального
каучука по-прежнему поступает с Дальнего Востока, в то время как Россия и ее бывшие
республики, Франция, Германия и Соединенные Штаты являются одними из ведущих мировых
производителей синтетического каучука.
Крупнейшим в мире источником латексного каучука является плантация каучука Харбел
недалеко от Монровии в Либерии, Африка, основанная в 1920-х и 1930-х годах
шинной компанией Firestone.

Диаграммы: Слева: Откуда берется каучук? Почти три четверти мирового каучука производится в Азии, а остальная часть делится в основном между Европой (включая Россию) и Америкой. Почти весь каучук, производимый в Африке (в данном случае включая Ближний Восток), является натуральным, тогда как большая часть американского и весь европейский каучук — синтетическим. Азия производит примерно 60% натурального и 40% синтетического каучука. Справа: В целом, в мире сейчас производится больше синтетического, чем натурального каучука. Обе диаграммы составлены с использованием последних доступных данных Международной группы по изучению каучука, 2020 г.

Каким образом вулканизация делает резину прочнее?

Каучук — тот, что вы получаете из дерева — сначала представляет собой белый и жидкий латекс. Даже когда он помещается в продукт, этот
натуральный каучук на основе латекса очень вязкий, довольно вонючий и не очень полезный. Тот вид резины, который вы видите в окружающем мире
, в таких вещах, как автомобильные и велосипедные шины, вулканизирован: сварен с серой (и часто другими добавками),
чтобы сделать его более твердым, прочным и долговечным.

Так в чем же разница между сырой латексной резиной и вареной вулканизированной резиной? В своем естественном состоянии молекулы
в резине представляют собой длинные цепочки, которые запутаны и лишь слабо связаны друг с другом.
Их относительно легко разорвать — и именно поэтому латексная резина такая эластичная и упругая. Когда латекс вулканизируется
, добавленные атомы серы помогают образовывать дополнительные связи между молекулами резины, которые известны как поперечные связи.
Они работают немного как фермы, которые вы видите на мосту, связывая молекулы вместе и делая их гораздо более трудными
для разрыва.

Художественное произведение: Вверху: Натуральный латексный каучук легко разъединить, поскольку длинные полимерные молекулы, которые он содержит (состоящие из атомов углерода и водорода), слабо связаны друг с другом. Внизу: Когда натуральный каучук варят с серой, атомы серы образуют дополнительные поперечные связи (показаны здесь желтыми полосами), «скрепляя» молекулы вместе и значительно затрудняя их разъединение. Этот процесс называется вулканизацией, и он делает прочную, долговечную черную резину, которую мы видим на таких вещах, как автомобильные шины.

Для чего мы используем резину?

Фото: Три повседневных применения резины. Вверху: Латексный ластик для карандашей; В середине: Прочный вулканизированный резиновый приводной ремень пылесоса; Внизу: Водонепроницаемая резиновая прокладка, которая герметично закрывает дверцу стиральной машины.

Физические и химические свойства материала
диктуют, для чего мы его используем. Даже если вы абсолютно ничего не знаете о
реальном использовании резины, вы, вероятно, можете сделать несколько очень хороших
догадок. Например, все знают, что резина прочная, эластичная,
гибкая (эластичная), долговечная и водонепроницаемая, поэтому неудивительно, что
ее используют в таких вещах, как водонепроницаемая одежда и резиновые сапоги,
лейкопластыри и клеи.

Самое важное применение резины — это шины для транспортных средств;
около половины всей резины в мире оказывается намоткой
на колеса автомобилей, велосипедов
и грузовиков! Вы найдете резину в твердой, черной вулканизированной
внешней части шин и (там, где они есть) в их внутренних камерах и
подкладках. Внутренние части шин обычно изготавливаются из
немного другого, очень гибкого бутилкаучука, который
очень непроницаем для газов (очень эффективно их улавливает), поэтому шины
(как правило) остаются накачанными в течение длительного времени.

Фото: Такие шапочки для плавания изготавливаются из мягкой и эластичной латексной резины.

Тот факт, что резину можно сделать мягкой или
твердой, значительно расширяет спектр ее применения. Мягкий
и эластичный латекс используется во всех видах повседневных вещей, от ластиков для карандашей,
воздушных шаров на день рождения и презервативов до защитных перчаток, клеев (например, липкого белого ПВА) и
красок. Более твердые резины нужны для более жестких применений, таких как
кровельные мембраны, водонепроницаемые бутиловые покрытия в садовых прудах и
жесткие надувные лодки (RIB), используемые аквалангистами. Поскольку резина
прочная, гибкая и очень плохо проводит тепло и электричество,
ее часто используют в качестве прочного, тонкого материала оболочки для электрических
кабелей, оптоволоконных кабелей и тепловых трубок. Но спектр ее
применения поистине широк: вы найдете ее во всем, от
искусственных сердец (в резиновых диафрагмах, перекачивающих кровь) до водонепроницаемых прокладок, которые герметизируют двери
стиральных машин!

Неопрен (полихлоропрен) наиболее известен как
теплоизоляционное внешнее покрытие
гидрокостюмов, но у него гораздо больше
применений, чем известно большинству людей.
Его используют в медицинских поддерживающих приспособлениях разного рода, поскольку, будучи плотно прилегающим, он сжимает и согревает
травмированные части тела, способствуя более быстрому заживлению. Поскольку он
гибкий и водонепроницаемый, его также широко используют в качестве строительного
материала, например, в качестве герметика для крыш и полов, а также в качестве
губчатого поглотителя звука и вибрации в дверных и оконных прокладках.

Хотя в мире огромный аппетит на новую
резину, мы также производим огромное количество резиновых отходов, особенно из выброшенных автомобильных покрышек, и это само по себе
становится важным сырьем . По данным Ассоциации производителей резины, только в Соединенных Штатах в 2011 году было произведено почти 270 миллионов отработанных резиновых автомобильных покрышек, что составляет около трети всех шин, используемых в мире. Хотя некоторые из них восстанавливаются, а другие измельчаются для получения низкосортного заполнителя, который можно использовать для полов в таких местах, как детские игровые площадки, более половины из них выбрасываются (либо сжигаются в качестве топлива, либо закапываются на свалках). Производители резины в последнее время обратили свое внимание на переработку шин всевозможными новыми способами, производя все: от ковриков для мышек и спортивных сумок до подошв обуви и автомобильных деталей.

Фото: Половина всей резины используется в автомобильных шинах, и сотни
миллионов ежегодно выбрасываются. Я немного изменил ситуацию,
купив этот коврик для мыши из переработанной резины, сделанный из старой автомобильной шины. Он
черного цвета, потому что сделан из твердой вулканизированной резины.

Краткая история резины

• 1000 н. э.: Индейцы, живущие в Центральной и Южной Америке, научились
  делать водонепроницаемую одежду и обувь из латекса каучуковых деревьев.
  Они называют каучуковые деревья «cahuchu» (плачущее дерево), поэтому французы
  до сих пор называют каучук caoutchouc (произносится как
  «коу-чу»).
• 1731: Во время экспедиции в Южную Америку французский исследователь
  Шарль Мари де ла Кондамин (1701–1774) отправляет
  в Европу образцы каучука, что вызывает большой научный интерес.
• 1770: Открыватель кислорода, английский ученый
  Джозеф Пристли (1733–1804), обнаруживает, что он может использовать
  кусочки
  резины, чтобы стирать следы, сделанные карандашом на бумаге. В Англии ластики
  до сих пор широко называют «резинками».
• 1791: Англичанин Сэмюэль Пил разрабатывает
  метод водонепроницаемости ткани с помощью резинового раствора.
• 1818: Шотландский студент-медик Джеймс Сайм
  (1799–1870) использует прорезиненную ткань для изготовления
  плащей.
• 1823: Шотландец Чарльз Макинтош
  узнает об открытии Сайма, совершенствует его и патентует, зарабатывая славу
  и богатство как изобретатель прорезиненного, водонепроницаемого пальто. Водонепроницаемые пальто с тех пор
  известны как «Макинтоши» (с небольшим изменением в написании).
• 1829: английский химик и физик Майкл Фарадей
  (1791–1867) анализирует образцы гевеи и выясняет, что
  химическая формула каучука изопренового типа — C5H8.
• 1839: Американский изобретатель Чарльз Гудиер
  (1800–1860) случайно открывает способ вулканизации резины,
  бросив кусок материала (обработанного серой) на горячую плиту.Фото: В 1839 году американский изобретатель Чарльз Гудиер (1800–1860) разработал процесс вулканизации (термической обработки), который делает резину более твердой и долговечной. Он провел много лет как борющийся изобретатель, отчаянно пытаясь превратить резину в полезный продукт, когда он случайно уронил немного резины на горячую плиту и наблюдал, как она «готовится» в гораздо более полезную форму: черный вулканизированный материал, который большинство из нас знает как резину по сей день. Несмотря на разработку одного из самых полезных материалов всех времен, Гудиер так и не заработал много денег на своем изобретении и умер по уши в долгах. К счастью, его имя живет в шинной компании Goodyear, и его выдающийся вклад в технологию материалов
  никогда не будет забыт. Фото любезно предоставлено Библиотекой Конгресса США.
• 1830–1840 годы: Ботаник Томас Лобб открывает в Малайзии резиноподобное вещество под названием гуттаперча
  ( Palaquium gutta );
  доктор Уильям Монтгомери , хирург, работавший в том же регионе, в 1843 году отправляет образцы обратно в Великобританию.
  Согласно современному отчету Уильяма Далтона,
  оно обладает «замечательными свойствами, огромной полезностью и применением в научных и декоративных целях» во всем: от «ботинок и туфель»
  до «профилактики зубной боли».
• 1876: Бесстрашный английский исследователь сэр Генри
  Уикхем (1846–1928) вывозит контрабандой тысячи семян каучукового
  дерева Hevea brasiliensis из Бразилии
  обратно в Англию.
  Англичане выращивают семена в садах Кью недалеко от Лондона и экспортируют
  их в различные азиатские страны,
  создавая гигантские плантации, которые теперь поставляют большую часть мирового
  каучука.
• 1877: Американский производитель резины Chapman Mitchell
  разрабатывает первый коммерческий процесс переработки резины с нуля.
• 1882: Джон Бойд Данлоп (1840–1921)
  изобретает
  пневматическую (наполненную воздухом) резиновую шину. Развитие
  автомобилей с бензиновым двигателем и резиновыми шинами приводит к огромному росту потребности
  в резине.
• 1883: Американский химик Джордж Оэнслагер (1873–1956) разрабатывает гораздо более быстрый способ вулканизации резины с использованием
  химических веществ, называемых органическими (на основе углерода) ускорителями.
• 1906–12: Bayer , немецкая химическая компания, разрабатывает метилкаучук (полимер метилизопрена).
  Он становится критически важным для Германии во время Первой мировой войны, когда поставки натурального каучука прекращаются,
  но выходит из моды, когда в конечном итоге разрабатываются лучшие альтернативы.
• 1910: Английский химик С. С. Пиклз становится первым человеком, который предположил (правильно), что каучук состоит из
  длинных цепей изопрена. Технически, гевея имеет химическое название цис-1,4-полиизопрен,
  в то время как гуттаперча — это вариация, известная как транс-1,4-полиизопрен.
• 1930: Немецкая химическая компания IG Farben разрабатывает тип синтетического каучука общего назначения
  под названием Buna-S («bu» от бутадиена, «na» от химического символа натрия и «S» от стирола).
  Технически это сополимер бутадиена (75 процентов) и стирола (25 процентов), поэтому
  теперь он более известен как стирол-бутадиен или стирол-бутадиен-каучук (SBR); он также продается под
  торговыми наименованиями, такими как Neolite® компании Goodyear. Сегодня стирол-бутадиен остается, безусловно, самым важным синтетическим каучуком в мире.
• 1930: Группа американских химиков из компании DuPont под руководством
  Уоллеса Карозерса (1896–1937) разрабатывает
  революционный синтетический каучук, названный полихлоропреном и продаваемый как
  неопрен. (Вскоре после этого та же группа разработала еще более
  революционный материал: нейлон.)
• 1940-е годы: В США впервые производятся синтетические каучуки такими компаниями, как
  Firestone, Goodyear и Goodrich.

Не хотите читать наши статьи? Попробуйте вместо этого послушать

Если вы предпочитаете слушать наши статьи, а не читать их, подпишитесь на наш новый подкаст
на Apple Podcasts,
Spotify,
Amazon,
Podchaser
или в вашем любимом приложении для подкастов или слушайте ниже:

Узнать больше

На этом сайте

• Биопластики и биоразлагаемые пластики
• Композиты (композитные материалы) и ламинаты
• Пластик

На других сайтах

• История резины: узнайте об истории и развитии резины в Учебном центре по науке о полимерах.
• Международный институт производителей синтетического каучука: Сайт содержит некоторые полезные PDF-сводки по синтетическим каучукам, включая полибутадиеновый каучук, бутилкаучук и различные виды синтетических эластомеров. Нажмите «Синтетический каучук» в меню.
• Ассоциация производителей шин США: У торговой ассоциации производителей шин США есть довольно много полезных новостей и статистических данных.
• Ассоциация стран-производителей натурального каучука (ANRPC): полезная статистика по производству и выпуску продукции от межправительственной организации, базирующейся в Малайзии.
• Международная группа по изучению каучука: базирующаяся в Сингапуре организация, которая следит за мировой торговлей каучуком.

Статьи

• Ужасающие последствия токсичного прошлого резины, Тим Харфорд. BBC News, 24 июля 2019 г. Подробный взгляд на противоречивую историю резины.
• Светящиеся шины Goodyear обещают совершенно новый рубеж в автомобильной моде Эвана Акермана. IEEE Spectrum, 28 февраля 2017 г. Увлекательная история автомобильных шин Neothane, которые светились в темноте.
• Почему мы до сих пор (не можем) жить без резины Чарльза К. Манна. National Geographic, декабрь 2015 г., 24 июля 2019 г. Откуда в мире берется наша резина?
• В Таиланде падение цен на резину имеет политические издержки Томаса Фуллера. The New York Times, 29 августа 2013 г. Легко забыть, что такие товары, как резина, обеспечивают средства к существованию для многих людей в мире. Что происходит с их жизнями, когда цены растут и падают?
• Рецепт зеленых шин: растения, а не нефть Стивена Эшли. The New York Times, 18 июня 2010 г. В этой статье рассматриваются различные способы снижения воздействия автомобильных шин на окружающую среду: от переработки до новых видов синтетического каучука.
• Программа США по синтетическому каучуку: Национальный исторический химический памятник: Американское химическое общество, 1998. Подробный отчет об истории синтетического каучука в Германии и (позже) в Соединенных Штатах.

Книги

Для читателей старшего возраста

• «Всемирная история резины: империя, промышленность и повседневность» Стивена Л. Харпа. John Wiley & Sons, 2016. Краткое (184 страницы), но обширное введение, которое помещает резину в глобальный контекст.
• Технология резины Мориса Мортона. Springer, 1999. Объясняет основы науки о резиновых полимерах, прежде чем рассмотреть натуральные и синтетические каучуки.
• Резиновые смеси: принципы, материалы и методы, второе издание Фреда Барлоу. CRC Press, 1993. Подробное руководство по производству резиновых смесей с использованием различных добавок.
• Натуральный каучук: биология, выращивание и технология, автор М. Р. Сетурадж (редактор) и Нинан Т. Мэтью. Elsevier, 1992. Подробное, очень полное руководство по каучуку как культуре, включая смежные темы, такие как гваюла.

Для юных читателей

• «Резина против стекла: интересно, почему» Лоуренса Лоури. NSTA, 2014. 36-страничное введение в контрастные свойства двух повседневных материалов для детей 5–8 лет.
• «Резина» Кэсси Майер. Heineman, 2008. Базовое введение на 24 страницах, вероятно, лучше всего подойдет для детей 6–9 лет.
• «Резина» Криса Окслейда. Pearson Education, 2003. Введение на 32 страницах для детей 9–12 лет.