Кіріспе
Бутадиеннің полимерленуінен түзілетін синтетикалық каучук түрі – полибутадиен [бутадиен каучугі, BR] – синтетикалық каучук. Ол жоғары серпімділік, тозуға жоғары төзімділік, тіпті толтырғыштарсыз жақсы беріктік және толтырылып, вулканизацияланғанда тамаша абразияға төзімділік сипаттайды. "Полибутадиен" – 1,3-бутадиен мономерынің полимерленуінен түзілген гомополимерлердің ұжымдық атауы. IUPAC полибутадиенді "поли(бута-1,3-диен)" деп атайды. Тарихи тұрғыдан алғанда, Германияда Bayer компаниясы натрийді катализатор ретінде пайдаланып шығарған синтетикалық полибутадиен каучугінің алғашқы буыны "Буна каучугі" деп белгілі болған. Полибутадиен әдетте күкіртпен байланыстырылады, бірақ құрамына бисбензофенон қоспаларын енгізгенде ультракүлгін сәулелерге төзімді болатыны да көрсетілген. 2020 жылы синтетикалық каучуктардың жалпы әлемдік тұтынымының шамамен 28%-ын полибутадиен каучугі (BR) құрады, ал стирол-бутадиен каучугі (SBR) ең маңызды сорт болды (S-SBR 12%, E-SBR синтетикалық каучук нарығының 27%-ын құрады). Ол негізінен шина жасауға қолданылады, бұл өндірістің 70%-ын құрайды. Тағы 25%-ы полистирол және акрилонитрилбутадиенстирол (ABS) сияқты пластиктердің беріктігін (соққыға төзімділігін) арттыру үшін қоспа ретінде пайдаланылады. Полибутадиен сонымен қатар гольф доптарын, түрлі серпімді заттарды жасауға, сондай-ақ жоғары электр кедергісіне ие электрондық құралымдарды қаптауға немесе капсулалауға қолданылады.
Polybutadiene [butadiene rubber, BR] is a synthetic rubber. It offers high elasticity, high resistance to wear, good strength even without fillers, and excellent abrasion resistance when filled and vulcanized. "Polybutadiene" is a collective name for homopolymers formed from the polymerization of the monomer 1,3 butadiene. The IUPAC refers to polybutadiene as "poly(buta 1,3 diene)". Historically, an early generation of synthetic polybutadiene rubber produced in Germany by Bayer using sodium as a catalyst was known as "Buna rubber". Polybutadiene is typically crosslinked with sulphur, however, it has also been shown that it can be UV cured when bis benzophenone additives are incorporated into the formulation. Polybutadiene rubber (BR) accounted for about 28% of total global consumption of synthetic rubbers in 2020, whereas styrene butadiene rubber (SBR) was by far the most important grade (S SBR 12%, E SBR 27% of the entire synthetic rubber market). It is mainly used in the manufacture of tires, which consumes about 70% of the production. Another 25% is used as an additive to improve the toughness (impact resistance) of plastics such as polystyrene and acrylonitrile butadiene styrene (ABS). Polybutadiene is also used to manufacture golf balls, various elastic objects and to coat or encapsulate electronic assemblies, offering high electrical resistivity.
Тарих
1910 жылы орыс химигі Сергей Васильевич Лебедев бутадиенді алғаш рет полимерлендірді. 1926 жылы ол этанолдан бутадиен өндіру процесін ойлап тапты, ал 1928 жылы натрийді катализатор ретінде пайдалана отырып, полибутадиен өндіру әдісін жасады. КСРО үкіметі полибутадиенді табиғи каучукқа балама ретінде пайдалануға тырысты және 1930 жылы картоптан алынған этанолды пайдалана отырып, алғашқы пилоттық зауытты салды. Эксперимент сәтті аяқталды және 1936 жылы КСРО әлемдегі бірінші полибутадиен зауытын салды, онда бутадиен мұнайдан алынды. 1940 жылы КСРО жылына 50 000 тонна полибутадиен өндіретін ең ірі өндіруші болды. Лебедевтің жұмысынан кейін Германия мен АҚШ сияқты басқа да өнеркәсіптік елдер табиғи каучукқа балама ретінде полибутадиен мен SBR-ді әзірледі. 1950 жылдардың ортасында катализаторлар саласында маңызды жетістіктер болды, олар полибутадиеннің жақсартылған түрлерін жасауға әкелді. Тірі шина өндірушілер мен кейбір мұнай-химия компаниялары барлық мекенделген континенттерде полибутадиен зауыттарын салуға кірісті; бұл өркендеу 1973 жылғы мұнай дағдарысына дейін жалғасты. Содан бері өндіріс өсу қарқыны баяулады, негізінен Қиыр Шығысқа бағытталды. Германияда Bayer (сол кезде IG Farben конгломератының бір бөлігі) ғалымдары Лебедевтің натрийді катализатор ретінде пайдалана отырып полибутадиен өндіру процесін қайта жаңғыртты. Олар бұл үшін "Буна" деген саудалық атауын пайдаланды, ол бутадиеннің "Bu", натрийдің "Na" әріптерінен (латын тілінде natrium, неміс тілінде Natrium) алынған. Goodrich Corporation 1939 жылы полибутадиен өндіру процесін табысты дамытқанмен, АҚШ федералды үкіметі Екінші дүниежүзілік соғысқа қатысқаннан кейін синтетикалық каучук өнеркәсібін дамыту үшін "Буна S" пайдалануды жөн көрді. Бұл әдіс шина жасау үшін бұрынғы натрийлі полибутадиеннен әлдеқайда тиімді болды. Келесі жылы Firestone Tire and Rubber Company компаниясы бірінші болып бутиллитийді катализатор ретінде қолдана отырып, төмен цис полибутадиенін өндірді. Салыстырмалы түрде жоғары өндіріс шығындары 1960 жылға дейін коммерциялық дамуға кедергі келтірді, содан кейін коммерциялық масштабта өндіріс басталды. Goodrich алғашқы болып жоғары цис полибутадиенін өндіруге арналған зауыттарды салды, одан кейін Shell сияқты мұнай компаниялары мен Bayer сияқты химиялық өндірушілер де осы саладағы жұмыстарды бастады. Бастапқыда АҚШ және Францияда салынған зауыттармен Firestone төмен цис полибутадиенге монополиялық құқыққа ие болды және оны Жапония мен Ұлыбританиядағы зауыттарға лицензиялады. 1965 жылы жапондық JSR Corporation өзінің төмен цис процесін жасап, келесі он жылдық ішінде оны лицензиялауды бастады. 1973 жылғы мұнай дағдарысы синтетикалық каучук өндірісінің өсуін тоқтатты; бірнеше жыл бойы қолданыстағы зауыттардың кеңейтілуі тоқтады. Содан бері жаңа зауыттар негізінен Қиыр Шығыстағы өнеркәсіптік дамыған елдерде (Оңтүстік Корея, Тайвань, Таиланд және Қытай) салынды, ал Батыс елдері қолданыстағы зауыттардың қуатын арттыруды жөн көрді. 1987 жылы Bayer полибутадиенді катализациялау үшін неодим негізіндегі катализаторларды қолдана бастады. Көп ұзамай басқа өндірушілер де осыған ұқсас технологияларды қолданды, мысалы, EniChem (1993) және Petroflex (2002). 2000 жылдардың басында синтетикалық каучук индустриясы қайтадан дағдарысқа ұшырады. Әлемдегі ең ірі полибутадиен өндіруші Bayer компаниясы қаржылық қиындықтарға байланысты күрделі қайта құрылымдаудан өтті; 2002-2005 жылдар аралығында ол Сарния (Канада) және Марл (Германия) қалаларындағы кобальт полибутадиен зауыттарын жауып, оларды Порт-Жером (Франция) және Оранж (АҚШ) қалаларындағы неодим зауыттарына көшірді. Сол уақытта синтетикалық каучук бизнесі Bayer-ден Lanxess-ке берілді, бұл компания 2004 жылы құрылды, Bayer химиялық операцияларын және полимерлік қызметтерінің бір бөлігін бөліп шығарды.
Бутадиеннің полимерленуі
1,3 Бутадиен – екі көміртектік қос байланысы бар қарапайым конъюгацияланған диен көмірсутегі болып табылатын органикалық қосылыс (диендерде екі көміртектік қос байланыстар болады). Полибутадиен көптеген 1,3 бутадиен мономерлерін біріктіру арқылы әлдеқайда ұзын полимерлік тізбек молекуласын құрайды. Полимерлік тізбектің байланыс түрі тұрғысынан, бутадиен үш түрлі жолмен полимерлене алады: цис, транс және винил. Цис және транс түрлері бутадиен молекулаларын тізбектей жалғау арқылы пайда болады, бұл 1,4 полимерлендіру деп аталады. Полибутадиеннің пайда болған изомерлік түрлерінің қасиеттері әртүрлі. Мысалы, "жоғары цис" полибутадиен жоғары серпімділікке ие және өте танымал, ал "жоғары транс" деп аталатын түр пластикалық кристалл болып табылады және пайдалы қолданыстары шектеулі. Полибутадиеннің винил құрамы әдетте бірнеше проценттен аспайды. Осы үш байланыс түрінен басқа, полибутадиендер тармақтану және молекулалық салмақтары бойынша да ерекшеленеді. Полимерлену кезінде түзілген транс қос байланыстар полимерлік тізбектің түзу болуын қамтамасыз етеді, бұл полимерлік тізбектің бөліктерінің материалдағы микрокристаллдық аймақтарды қалыптастыру үшін қатарлануына мүмкіндік береді. Цис қос байланыстар полимерлік тізбектің иілуіне себеп болады, полимерлік тізбектердің кристаллдық аймақтарды қалыптастыру үшін қатарлануына кедергі келтіреді, нәтижесінде аморфты полимердің кең аумақтары пайда болады. Полимердегі цис қос байланыстар конфигурациясының жеткілікті мөлшері икемді эластомерлік (резеңке тәрізді) қасиеттері бар материалды тудыратыны анықталды. Эркін радикалдар полимерленуі кезінде цис және транс қос байланыстар температураға байланысты әртүрлі проценттік арақатынаста түзіледі. Катализаторлар цис-транс арақатынасына ықпал етеді.
Трансбутадиеннің жоғары мөлшері
Полибутадиенді 90%-дан астам транс-изомерлі күйде неодим, лантан және никель сияқты жоғары цис-полимеризацияға қолданылатын катализаторлар арқылы өндіруге болады. Бұл материал пластикалық кристалл болып табылады (яғни, эластомер емес) және шамамен 80°C температурада еруге бастайды. Бұрын ол гольф доптарының сыртқы қабаты ретінде қолданылған. Бүгінде ол тек өнеркәсіптік қолданыста ғана қолданылады, бірақ Ube сияқты компаниялар оның басқа да қолданылу мүмкіндіктерін зерттеп жатыр.
Металлоценді полибутадиен
Жапондық зерттеушілер бутадиенді полимерлеу үшін металлоцен катализаторларын пайдалануды зерттеп жатыр. Бұл, молекулалық массаның таралуы және цис/транс/винил арақатынасы бойынша жоғары дәрежеде бақылау мүмкіндігін беретін сияқты. 2006 жылға дейін ешбір өндіруші "металлоценді полибутадиенді" коммерциялық түрде өндірмейді.
Кополимерлер
1,3 бутадиен әдетте стирол және акрилонитрил сияқты басқа мономерлермен кополимерленіп, әртүрлі қасиеттері бар каучук немесе пластиктерге айналады. Ең көп таралған түрі – стирол-бутадиен сополимері, ол автомобильдердің шиналарын жасау үшін қолданылатын негізгі материал болып табылады. Ол блок-кополимерлерде және ABS пластигі сияқты берік термопластиктерде де пайдаланылады. Осы арқылы жақсы қаттылыққа, қаттылыққа және төзімділікке ие сополимерлік материал жасауға болады. Полимер тізбегінің әрбір қайталама бөлігінде қос байланыс болғандықтан, материал озондық жарықтарға сезімтал болады.
Өндіріс
Полибутадиеннің жылдық өндірісі 2003 жылы 2,0 миллион тоннаны құрады. Бұрын жоғары цис полибутадиен мен төмен цис полибутадиенді өндіру процестері өте ерекше болды және олар жеке зауыттарда жүзеге асырылды. Соңғы кезде бір зауытты пайдаланып, барынша көп түрлі резеңке өндіруге бағытталды, оның ішінде төмен цис полибутадиен, жоғары цис (катализатор ретінде неодим қолданыла отырып) және SBR.
Өңдеу
Полибутадиен каучугі көбінесе жеке қолданылмайды, оның орнына басқа каучуктермен араластырылады. Полибутадиенді екі роликті араластыру машинасымен араластыру қиын. Оның орнына, полибутадиеннен жұқа қабат дайындап, бөлек сақтауға болады. Содан кейін табиғи каучук дұрыс араластырылғаннан кейін, полибутадиен каучугін екі роликті араластыру машинасына қосуға болады. Осындай тәсіл, мысалы, полибутадиенді стирол-бутадиен каучугімен (SBR) араластырғанда да қолданылуы мүмкін. *Полибутадиен каучугін соққыға төзімділігін арттыру үшін стиренмен бірге қосуға болады. Жоғары дозалар стиреннің мөлдірлігіне әсер етуі мүмкін. Ішкі араластырғышта алдымен табиғи каучук және/немесе стирол-бутадиен каучугі салынып, содан кейін полибутадиен қосылады. Полибутадиеннің пластикалық қасиеттері артық араластырудан төмендемейді.
Қолданылуы
Полибутадиеннің жылдық өндірісі 2,1 миллион тоннаны құрайды (2000). Бұл оны көлем бойынша екінші ең көп өндірілетін синтетикалық каучук етеді, стирол-бутадиен каучугінен (SBR) кейін.
Түйіндер
Полибутадиен автомобиль шиналарының түрлі бөліктерінде кеңінен қолданылады; шина өндірісі полибутадиеннің әлемдік өндірісінің шамамен 70% құрайды, оның көп бөлігі жоғары цис-изомерлі. Полибутадиен негізінен жүк көліктері шиналарының қабырғасында қолданылады, бұл қозғалыс кезіндегі үздіксіз иілуден туындаған шаршауға төзімділігін арттыруға көмектеседі. Осының нәтижесінде, шиналар қиын жағдайларда жарылмайды. Сонымен қатар, ол ірі жүк көліктері шиналарының протектор бөлігінде тозуға төзімділікті арттыру үшін, яғни азырақ тозуын қамтамасыз ету үшін және шинаның салыстырмалы түрде салқын болуын қамтамасыз ету үшін қолданылады, себебі ішкі жылу тез таралады. Екі бөлік те экструзия әдісімен жасалады. Бұл қолданыстағы басты бәсекелестері – стирол-бутадиен каучугі (SBR) және табиғи каучук. Полибутадиеннің SBR-ге қарағанда артықшылығы – төмен сұйық кристалдық температураға ие болуы, бұл оған тозуға жоғары төзімділік және төмен дөңгелеу кедергісін береді. Бұл шиналардың ұзақ қызмет ету мерзімін және отынның үнемді жұмсалуын қамтамасыз етеді. Дегенмен, төмен температура салқын, ылғалды беттерде ағу қаупін арттырады, сондықтан полибутадиен көбінесе басқа екі эластомердің біреуімен бірге қолданылады. Автомобильдерде бір шинаға шамамен 1 кг полибутадиен, ал қосалқы көліктерде 3,3 кг қолданылады.
Пластмасса
Өндірілген полибутадиеннің шамамен 25%-ы пластиктердің, әсіресе жойқын соққыға төзімді полистиролдың (HIPS) және аз дәрежеде акрилонитрилбутадиенстиролының (ABS) механикалық қасиеттерін жақсарту үшін қолданылады. Полистиролға 4-12% полибутадиен қосылғанда, ол ұсақ және көміртекті материалдан серпімді және төзімді материалға айналады. Пластиктердегі процесс сапасы шиналардағыдан маңыздырақ, әсіресе бояу мен гельдің мөлшеріне қатысты, олардың деңгейі мүмкіндігінше төмен болуы керек. Бұған қоса, өнімдер азық өнеркәсібінде қолданылуына байланысты денсаулық сақтау талаптарының тізіміне сәйкес келуі тиіс.
Гольф доптары
Көптеген гольф доптары қатты материалдың қабатымен қоршалған полибутадиеннің серпімді өзегінен жасалады. Полибутадиен жоғары серпімділігінің арқасында басқа эластомерлерге қарағанда артықшылыққа ие. Доптардың өзегі химиялық реакциялардың көмегімен қысыммен қалыптастырылады. Біріншіден, полибутадиен қоспалармен араластырылады, содан кейін экструзияланады, календерден өтетін сығымдалады және қалыпқа салынатын бөліктерге кесіледі. Қалып шамамен 30 минут бойы жоғары қысым мен жоғары температураға ұшыратылады, бұл материалды вулканизациялау үшін жеткілікті уақыт. Гольф доптарын өндіру үшін жылына шамамен 20 000 тонна полибутадиен қолданылады (1999). Жоғары серпімділік қасиетіне байланысты, 100% полибутадиен каучугінен жасалған вулканизат "шақ доптары" ретінде қолданылады, яғни үйдің 6-қабатынан түсірілген доп, ауа кедергісі болмаса, 5 ½ - 6-қабатқа дейін секіріп көтеріледі. Полибутадиен сонымен қатар түрлі қатты ракеталық күштеуіштерде, мысалы, Жапонияның H IIB зымыран тасымалдағышында және Еуропа Ғрыш агенттігінің (ESA) Ariane 5 ұшыру құралында, окистендіргіш пен отынмен бірге байланыстырғыш ретінде қолданылады. Көбінесе гидроксилдік полибутадиен (HTPB) немесе карбоксилдік полибутадиен (CTPB) түрінде қолданылады.