Резина из млечного сока. Американцы тянут серийную резину из русских одуванчиков. Состав и строение натурального каучука

"Хочешь жить – умей вертеться", — гласит народная мудрость. Пока цены на нефть стремительно растут и появляются всё новые разработки в области биотоплива, каучуковая промышленность тоже не дремлет, подыскивая для себя альтернативный источник для производства резины.

Учёные из исследовательских центров OARDC (Ohio Agricultural Research and Development Center) и OBIC (Ohio BioProducts Innovation Center) получили грант в размере $3 миллиона. В сотрудничестве с другими фирмами и университетами им предстоит создать проект перерабатывающего завода, который бы производил из млечного сока корней одуванчиков качественную резину за меньшие деньги.

Этот штат был выбран для подобного эксперимента неслучайно. В Огайо находится одно из крупнейших во всей стране производств изделий из резины (так уж исторически сложилось).

На данный момент дела с доступностью натурального каучука обстоят не лучшим образом. Ведь бразильская гевея (Hevea brasiliensis ) – основной коммерческий источник этого материала в мире — теперь произрастает в основном в Юго-Восточной Азии и Африке (болезнь уничтожила почти все растения в Южной Америке).

Так сложно представить, что кто-то в мире может намеренно выращивать одуванчики, да ещё и выделять под них огромные теплицы (фото Tom Dodge).

После Первой мировой войны во многих странах мира были предприняты попытки отыскать местные растения-каучуконосы. Тех, что содержали каучук и подобные ему соединения, оказалось достаточно много. Однако по разным причинам масштабных проектов по созданию производств на новом сырье так и не появилось.

В СССР также некоторое время резину получали из млечного сока одуванчиков, а именно из вида кок-сагыз (Taraxacum kok-saghyz ), признанного одним из лучших по своим показателям. «Коренной житель» Казахстана, в США более известный как «русский одуванчик», неплохо прижился и в лабораториях OARDC. Её сотрудники недавно ездили в наши края за очередной порцией образцов.

В отличие от одуванчика лекарственного (Taraxacum officinale ), кок-сагыз является куда более эффективным каучуконосом: в его корнях содержится 6-11% каучука (в корнях дикорастущих растений — до 27%). При этом по качеству он не уступает каучуку из гевеи, даже если растения не модифицированы и не отобраны.

Отличить «братьев» обычному человеку почти невозможно: единственная более-менее заметная разница в толщине листьев - у кок-сагыза они более тонкие.

Ещё одно преимущество этого вида в том, что его корни на 45% состоят из инулина, естественного углеводорода, который можно переводить в этанол. Таким образом, из сырья можно получать и каучук, и инулин.

Вероятно, со временем одуванчиковые плантации станут стратегически важными, по крайней мере, так считают в Конгрессе США, который уже сейчас рассматривает млечный сок этого растения как будущую основу производства резины для нужд обрабатывающей и военной промышленности.

Пока исследователи собирают и сортируют растения вручную (фото Tom Dodge).

На данный момент Штаты на все сто процентов зависят от импорта натурального каучука из Юго-Восточной Азии. А между тем цены на него выросли с 2002 года почти в семь раз, что обходилось государству в среднем в $3,3 миллиарда ежегодно.

Мало того, поставки со временем могут значительно сократиться, так как на себя «тянут одеяло» быстроразвивающиеся Китай и Индия вкупе со странами бывшего СССР, да и всё большая индустриализация Юго-Восточной Азии даёт о себе знать.

Синтетические же каучуки не могут заменить натуральные в большинстве отраслей (80% из более чем миллиона тонн импортируемого растительного сырья расходуется на производство покрышек для автомобилей, самолётов и различной техники).

«Сколько бы химических методов мы ни применили, до сих пор нет никакой возможности создать искусственные заместители, способные „противостоять“ натуральному каучуку», — говорит Уильям Рэвлин (William Ravlin), один из вовлечённых в проект учёных.

Подводя итог, можно сказать: с ужасом ждёт Конгресс 2020 года, когда спрос на растительный каучук превысит предложение на 15%. А чтобы не было страшно, всячески поощряет подобные программы.

По мнению экспертов из Огайо, более эффективным производство станет тогда, когда специально обученные фермеры сядут на свои тракторы и займутся сбором одуванчиков с помощью машин, разработанных для вытаскивания из земли луковиц тюльпанов.

Но не тут-то было! Фермеры забеспокоились. Нет, дело вовсе не в том, что одуванчик (который, по мнению обывателей, является одним из самых распространённых сорняков) очень даже полезен, может быть употреблён как салатная трава или как лекарство.

Фермеры побоялись другого, а именно опасного соседства – ведь их посевы продовольственных культур могут быть вытеснены полями с одуванчиками для каучукового производства.

На первых порах и тестирование сока – ручная работа (фото Tom Dodge).

Что ж это получается? С одной стороны бесконечные кукурузные поля и пруды, заполненные водорослями (это для топливной промышленности), с другой – массивы солнечных батарей (для электроэнергетики), а с третьей — ещё и бескрайние поля сорняков, которые к тому же будут распространять свои семена по округе (эти для заводов по производству резины).

А ведь в мире свирепствует продовольственный кризис!

Учёные фермеров пока никак не успокаивают, и даже, наоборот, заявляют о том, что уже работают над селекцией растений. Так, группа Мэттью Кляйнхенца (Matthew Kleinhenz) из OARDC говорит, что уже отобрала достаточно большое количество семян растений, дающих 15 килограммов каучука с каждых 100 килограммов сухих корней одуванчиков.

Сначала из высушенных корней в ходе нескольких процессов выделяют инулин. Оставшийся материал смалывают в ёмкости с фарфоровыми шариками, которые снимают с корней кожицу. Затем 90-95% каучука экстрагируется с помощью воды (фото PENRA).

На данный момент отрабатывается технология высадки и сбора урожая кок-сагыза (в какие сроки и на каком расстоянии друг от друга будут выращиваться одуванчики). Учёные подыскивают болезне- и засухоустойчивые растения. И это при том что одуванчик, как известно, весьма неприхотлив.

Первые тесты, проведённые в лабораториях, показали, что каучук из кок-сагыза ничем не уступает тому, что получают из гевеи.

Исследователи надеются, что уже через несколько лет первый завод по производству резины из сока одуванчиков выйдет на рабочую мощность в 20 миллионов тонн ежегодно. А к 2015-му количество продаваемого продукта увеличится втрое.

Каучуки - это высокомолекулярные соединения, которые используются для получения резин, эбонитов и лаков, клеев, вяжущих веществ. Каучуки имеют линейное строение, обладают высокой эластичностью, широким диапазоном рабочих температур. При температуре 100° С они становятся хрупкими, а при температуре 200° С разжижаются (табл. 8.6).

Натуральный каучук (ПК) получают из млечного сока каучуконосных тропических растений. Сок обрабатывают кислотами и затем вальцуют образующийся продукт.

Синтетические каучуки (СК) получают полимеризацией непредельных соединений. В зависимости от вида исходного материала и условий их обработки изготавливают каучуки с различными свойствами и стойкостью (табл. 8.7).

Резина и эбонит - продукты вулканизации каучука. Ее проводят в присутствии веществ-вулканизаторов (часто серы, оксидов металлов)

при повышенной температуре. В зависимости от количества введенного вулканизатора получают мягкую резину (2-Л % 8), полужесткую (12-20% 8) и жесткую резину (30-50% 8). Последняя носит название эбонит.

Резины обладают уникальной способностью к обратной деформации в сочетании с высокой эластичностью и прочностью,

сопротивляемостью к истиранию, воздействию агрессивных сред, газо- и водонепроницаемостью.

Бутадиен-стиролъный каучук (СКС) - сополимер бутадиена и стирола. Эбониты на его основе характеризуются высокой химической стойкостью. Они стойки в сухом и влажном хлоре, в концентрированной уксусной кислоте до 65 °С, могут эксплуатироваться длительное время в 36 %-й соляной кислоте до 80 °С.

Бутадиен-нитржъный каучук (СКН) - сополимер бутадиена и нитрила акриловой кислоты. Резины на его основе обладают бензо-маслостойкостью, высокой сопротивляемостью абразивному износу и высокой теплостойкостью (до 100 °С).

Хлорпреновый каучук носит название наирит. Основным сырьем для его получения являются дешевые и доступные газы - ацетилен и хлористый водород.

Наириты растворяются в органических растворителях и дают маловязкие и концентрированные растворы, которые легко можно наносить на защищаемую поверхность. Невулканизированные покрытия из наирита являются термопластичными. Они размягчаются при температуре выше 40°С. Если их выдержать несколько дней в растворе серной кислоты или хлористого натрия при 60-70° С, то покрытие вулканизируется и приобретает свойства резины. Такие покрытия отличаются хорошим сопротивлением старению, могут работать в кислотах, щелочах и растворах солей до 70 °С. Выдерживают кратковременный нагрев до 90-95 °С.

Гуммированием называется покрытие химической аппаратуры резиной или эбонитом. Внутреннюю поверхность аппарата обкладывают одним, двумя или более слоями сырой листовой резины с последующей вулканизацией. Вулканизация производится в специальных котлах, обогреваемых острым паром. Она может быть произведена заполнением аппарата кипящей водой, водными растворами солей, имеющими температуру кипения выше 100°С. Сырая резиновая смесь при нагревании превращается в прочную эластичную резину. Обкладками из хлоропреновых каучуков защищают трубопроводы, электролизеры, резервуары.

Сырая резина в железнодорожных цистернах подвергается самовулканизации без подогрева, которая летом завершается за месяц.

Эбониты обладают хорошей адгезией к металлу. Это свойство используется для создания двухслойного покрытия, которое часто применяется на химических заводах. Нижний слой делают из эбонита, а верхний слой выполняют из мягкой резины. Такие покрытия устойчивы к действию соляной, плавиковой, уксусной, лимонной кислот, щелочей и растворов солей до 65 °С. Они разрушаются только в сильно

окислительных средах - в концентрированной серной кислоте и в азотной кислоте.

В качестве примера рассмотрим защиту теплообменной аппаратуры резиновыми покрытиями. Тонкие и бакелитовые покрытия стальных труб теплообменных аппаратов достаточно хорошо защищают сталь от коррозии. Но они не защищают ее от эрозии и интенсивного гидроабразивного износа. Между тем, часть теплообменной аппаратуры подвергается сильному износу под воздействием вод со взвешенными механическими твердыми частицами. В этом случае надежная защита от коррозионного и абразивного износа может быть достигнута только с помощью резиновых покрытий. Покрытия из наирита показали хорошие защитные свойства. Опыт эксплуатации таких теплообменников имеется на некоторых заводах России и США (рис. 8.6).

Следует учесть только, что у гуммированного теплообменника будет снижен коэффициент теплопередачи по сравнению с теплообменником без защитного покрытия.

Бутжкаучук является продуктом совместной полимеризации изо-бутилена и изопрена. Он отличается инертностью к воздействию агрессивных сред, высокой газонепроницаемостью и малой водона-бухаемостью. Резины на его основе противостоят действию некоторых органических растворителей.

Силиконовые каучуки обладают высокой теплостойкостью до 250- 300 °С и морозостойкостью до - 50 -1-60 °С. Их недостатком является сравнительно низкая коррозионная устойчивость.

Фторкаучуки являются непревзойденным материалом по химической стойкости и теплостойкости. Изделия на их основе можно эксплуатировать в сильно агрессивных средах и окислителях до температуры 200 °С. Недостатком этого вида каучука является его высокая усадка, что затрудняет его применение для защиты химической аппаратуры.

Одни компании по производству шин делают ставку на инновационные материалы компаундов, другие изменяют физическую структуру изделий 3D-формата. Примером этого являются шины Goodyear на основе соевого масла, изделия Pirelli из нижнекамских сортов изопреновых и дивинилстирольных каучуков, модели Bridgestone для полноприводных внедорожников. Что лучше?

Goodyear: ориентир на соевое масло

Компания Goodyear увеличивает экологичность своих шин. Ведущий инженер Волошинек сообщил, что в прошлом году был осуществлён серийный запуск изделий, где протектор выполнен на основе соевого масла. Благодаря инновации долю нефтепродуктов сократили на 60 %. Модели из линейки всесезонных Assurance WeatherReady стали отвечать новым стандартам экологичности, при этом их технические характеристики стали лучше адаптироваться к широкому спектру температур.

Изначально соевое масло рассматривалось как добавка к резиновой смеси. Но после того, как концерн Ford с Советом по производству сои получил весомые результаты при задействовании соевых продуктов, специалисты фирмы углубили и ускорили исследования в этой области. Благодаря триглицеридам смеси на основе масла стали полноценным заменителем основы для компаундов.

Термопластичность, эластичность и энергосберегающее микширование

Для всесезонных изделий показатель термопластичности важен, поскольку сцепление зоны контакта шин с мокрой, сухой, заснеженной, покрытой льдом поверхностью трассы напрямую зависит от характеристик резины. Обычно не удаётся избежать ухудшения каких-либо показателей. Поэтому оптимальный баланс между сцеплением шин и дорожного полотна обусловил выбор соевого масла.

Эластичность шин на основе соевого масла, их пластичность, экономичность в сравнении с нефтепродуктами стали другими движущими факторами замены. Лёгкое смешивание масла с составляющими компаунда, куда входит диоксид кремния, полимеры, обусловлено пониженной вязкостью и присутствием полиненасыщенных жирных кислот.

При микшировании затрачивается меньшее количество энергии, чем при использовании нефтепродуктов. Компания рассматривает вопрос использования высокоолеинового масла, которое задействуется в пищевой отрасли. Сейчас проводятся эксперименты, которые определяют его качество и пригодность для производства шин.

Вместо природного каучука для шин - искусственный из Татарстана

Нефтегазохимический комплекс Татарстана стал золотой жилой для предпринимателей. Ввиду роста цен на природный каучук его качественные заменители все больше интересуют производителей шин. Именно поэтому компания «Нижнекамскнефтехим» в декабре 2017 года подписала долгосрочный контракт о поставках искусственного каучука концерну Pirelli.

Минниханов, президент Татарстана, отметил, что за 10 лет объём поставок Pirelli вырос в 3 раза. Сейчас нижнекамцы и итальянцы сотрудничают не только по выпускаемой продукции, но совместно разрабатывают перспективные виды каучука, планируемого к серийному производству. Ввиду того, что Pirelli входит в пятёрку крупнейших производителей автошин (19 заводов, поставки в 160 стран мира), потребность в синтетическом каучуке и пластике позволит максимально загрузить производственные мощности «Нижнекамскнефтехима».

Планируется расширение выпуска изопренового каучука СКИ-3 до 330 тысяч тонн за год. В ближайших перспективах до 2021 года - увеличить выпуск всех видов искусственного каучука до миллиона тонн. Азат Бикмурзин, глава «Татнефтехиминвест-холдинга», сообщает, что через 2 года будут синтезировать 60 тыс. тонн дивинилстирольных каучуков для производства шин нового поколения. Сюда войдут 5 марок, рассчитанных на шины разного типажа и сезона.

Шины Bridgestone для полноприводных кроссоверов и внедорожников

Компания сделала акцент на экстерьере продукции. Она выпустила новую нешипованную зимнюю шину Blizzak DM-Z3З. Инновационный вариант рассчитан на владельцев полноприводных автомобилей. Отличие новой модели от старых состоит в комплексном совмещении микроскопических пор и специальных микроканавок, которые усиливают защиту от аквапланирования, предотвращают скольжение по льду. Контакт протектора с поверхностью дорожного полотна сопровождается впитыванием влаги (эффект «губки»), после чего она отводится через систему микродренажа.

Протектор оснащён кромками и ламелями формата 3D, которые имеют опорные вставки для предотвращения их деформации. За счёт этих инноваций давление в зоне контакта оптимизируется и распределяется равномерно. Кромка 3D-блока усиливает сцепление шины на промежутках дороги с крошащимся снежно-ледовым покрытием, что усиливает прохождение участка.

Поиск дешёвого сырья для производства побудил компанию начать строить лабораторию в Мекленбурге (Германия) для культивации русского одуванчика, последующего его использования в шинной промышленности вместо природного каучука. Ожидается, что стоимость запуска проекта составит 35 млн. евро, а млечный сок одуванчика успешно заменит сок гевеи из тропических регионов. Важную роль играет снижение стоимости транспортировки сырья, отказ от выжиганий тропических плантаций для расширения зон выращивания каучуконосных деревьев.