合成橡膠基礎知識及發展歷史

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硅橡膠

硅橡膠由硅、氧原子形成主鏈，側鏈為含碳基團，用量最大的是側鏈為乙烯基的硅橡膠。既耐熱，又耐寒，使用溫度在－100～300℃之間，它具有優異的耐氣候性和耐臭氧性以及良好的絕緣性。缺點是強度低，抗撕裂性能差，耐磨性能也差。硅橡膠主要用于航空工業、電氣工業、食品工業及醫療工業等方面。

聚氨酯橡膠

聚氨酯橡膠是由聚酯（或聚醚）與二異睛酸酯類化合物聚合而成的。耐磨性能好、其次是彈性好、硬度高、耐油、耐溶劑。缺點是耐熱老化性能差。聚氨酯橡膠在汽車、制鞋、機械工業中的應用最多。

合成橡膠生產工藝

合成橡膠的生產工藝大致可分為單體的合成和精制、聚合過程以及橡膠后處理三部分

單體的生產和精制

合成橡膠的基本原料是單體，精制常用的方法有精餾、洗滌、干燥等。

聚合過程

聚合過程是單體在引發劑和催化劑作用下進行聚合反應生成聚合物的過程。有時用一個聚合設備，有時多個串聯使用。合成橡膠的聚合工藝主要應用乳液聚合法和溶液聚合法兩種。目前，采用乳液聚合的有丁苯橡膠、異戊橡膠、丁丙橡膠、丁基橡膠等。

后處理

后處理是使聚合反應后的物料（膠乳或膠液），經脫除未反應單體、凝聚、脫水、干燥和包裝等步驟，最后制得成品橡膠的過程。乳液聚合的凝聚工藝主要采用加電解質或高分子凝聚劑，破壞乳液使膠粒析出。溶液聚合的凝聚工藝以熱水凝析為主。凝聚后析出的膠粒，含有大量的水，需脫水、干燥。

人類使用合成橡膠的歷史

人類使用天然橡膠的歷史已經有好幾個世紀了。哥倫布在發現新大陸的航行中發現，南美洲土著人玩的一種球是用硬化了的植物汁液做成的。哥倫布和后來的探險家們無不對這種有彈性的球驚訝不已。一些樣品被視為珍品帶回歐洲。后來人們發現這種彈性球能夠擦掉鉛筆的痕跡，因此給它起了一個普通的名字“擦子(rubber)”。這仍是現在這種物質的英文名字。這種物質就是橡膠。

但是直到1839年，美國人古德伊爾(Charles Goodyear)成功地將天然橡膠進行了硫化后，橡膠才成為有使用價值的材料。通過與硫磺一起加熱進行硫化，實現了橡膠分子鏈的交聯，使橡膠具備了良好的彈性。為什么橡膠會有彈性呢？讓我們分析一下橡膠的分子結構。天然橡膠分子的鏈節單體為異戊二烯。我們知道高分子中鏈與鏈之間的分子間力決定了其物理性質。在橡膠中，分子間的作用力很弱，這是因為鏈節異戊二烯不易于再與其他鏈節相互作用。好比兩個朋友想握手，但每個人手上都拿著很多東西，因此握手就很困難了。橡膠分子之間的作用力狀況決定了橡膠的柔軟性。橡膠的分子比較易于轉動，也擁有充裕的運動空間，分子的排列呈現出一種不規則的隨意的自然狀態。在受到彎曲、拉長等外界影響時，分子被迫顯出一定的規則性。當外界強制作用消除時，橡膠分子就又回原來的不規則狀態了。這就是橡膠有彈性的原因。由于分子間作用力弱，分子可以自由轉動，分子鏈間缺乏足夠的聯結力，因此，分子之間會發生相互滑動，彈性也就表現不出來了。這種滑動會因分子間相互纏繞而減弱。可是，分子間的纏繞是不穩定的，隨著溫度的升高或時間的推移纏繞會逐漸松開，因此有必要使分子鏈間建立較強固的聯接。這就是古德伊爾發明的硫化方法。硫化過程一般在攝氏140-150度的溫度下進行。當時古德伊爾的小火爐正好起了加熱的作用。硫化的主要作用，簡單地說，就是在分子鏈與分子鏈之間形成交聯，從而使分子鏈間作用力量增強。

在過去的幾千年間，人們所坐的車使用的一直是木制輪子，或者再在輪子周圍加上金屬輪輞。在古德伊爾發明了實用的硫化橡膠之后的1845年，英國工程師R．W．湯姆森在車輪周圍套上一個合適的充氣橡膠管，并獲得了這項設備的專利，到了1890年，輪胎被正式用在自行車上，到了1895年，被用在各種老式汽車上。盡管橡膠是一種柔軟而易破損的物質，但卻比木頭或金屬更加耐磨。橡膠的耐用、減震等性能，加上充氣輪胎的巧妙設計，使乘車的人覺得比以往任何時候都更加舒適。 隨著汽車數量的大量增加，用于制造輪胎的橡膠的需求量也變成了天文數字。如此廣泛的應用使天然橡膠供不應求。面對橡膠生產的嚴峻形勢，各國競相研制合成橡膠。

人們首先想到的是用天然橡膠的結構單元--異戊二烯來制造合成橡膠。早在1880年，化學家們就發現，異戊二烯放置過久就會變軟發動，經酸化處理后則會變 成類似橡膠的物質。德皇威廉二世曾讓人用這種物質制成皇家汽車的輪胎，借以炫耀德國化學方面的高超技藝。然而，用異戊二烯作為合成橡膠的原料，有兩個困難：一是異戊二烯的主要來源正是天然橡膠本身；二是在天然橡膠長鏈中，所有的異戊二烯單元都朝向同一方向；在固塔坡膠長鏈中，它們則是嚴格地按照一正一反的方向排列的，而人工聚合時異戊二烯單元往往是毫無規律地聚合在一起，得到的是一種既不是橡膠也不是固塔坡膠的物質。這種物質缺少橡膠的彈性和柔性，用不了多久就會變粘，所以不能用來制造汽車輪胎（僅用于國事活動的皇家汽車當然是個例外）。

在第一次世界大戰期間，迫于橡膠匾乏，德國人采用了二甲基丁二烯聚合而成甲基橡膠，這種橡膠可以 大量生產，而且價格低廉。在第一次世界大戰期間，德國大約生產了2500噸甲基橡膠。盡管這種橡膠的耐壓性能不理想，戰后便被淘汰了，但它畢竟是第一種具有實用價值的合成橡膠。

大約在1930年，德國和蘇聯用丁二烯作為單體，金屬鈉作為催化劑，合成了一種叫做丁鈉橡膠。作為一種合成橡膠，丁鈉橡膠對于應付橡膠匾乏而言還算是令人滿意的。與其它單體共聚可以改善了鈉橡膠的性能。如與苯乙烯共聚得到丁苯橡膠(Buna-S)，它的性質與天然橡膠極其相似。事實上，在第二次世界大戰期間，德國軍隊就是因為有丁苯橡膠，橡膠供應才沒有出現嚴重短缺現象。 蘇聯也用同樣的方法向自己的軍隊提供橡膠。

美國在戰后大力研究合成橡膠。首先合成了氯丁橡膠，氯原子使氯丁橡膠具有天然橡膠所不具備的一些抗腐蝕性能。例如，它對于汽油之類的有機溶劑具有較高的抗腐蝕性能，遠不像天然橡膠那樣容易軟化和膨脹。因此，像導油軟管這樣的用場，氯丁橡膠實際上比天然橡膠更為適宜。氯丁橡膠首次清楚地表明，正如在許多其他領域一樣，在合成橡膠領域，試管中的產物并不一定只能充當天然物質的代用品，它的性能能夠比天然物質更好。

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