بخشی از مقاله
کائوچو
کائوچو مادهاي خام و ضروري است که امروزه در زندگي مدرن به عنوان عنصري حياتي نقش مهمي ايفا ميکند. اهميت آن امروزه به حدي است که سپس از نفت بالاترين مقام صنعتي را در جهان احراز کرده است . اين مادهء ضروري از شيره يا لاتکس برخي از گياهان، در اثر شکاف يا قطع ساقه و ريشه بدست ميآيد.
کائوچو
کائوچو یکی از مواد لاستیکی است. معنی لغوی کائوچو (caoutchouc)، درخت گریان است.
تاریخچه
از نظر قدمت تاریخی برای صنایع لاستیک منشا دقیقی نیست. اما اعتقاد این است که بومیان آمریکای مرکزی از برخی از درختان شیرابههایی استخراج میکردند که این شیرابهها که بعدها نام " لاتکس" را بخود گرفت اولین مواد لاستیکی را تشکیل میدادند.
پدیده ولکانیزاسیون
در سال 1829، "گودیر" از آمریکا و "مکین تاش" از انگلستان، این دو متوجه شدهاند که در اصل مخلوط کردن لاتکس طبیعی با سولفور و حرارت دادن آن، مادهای قابل ذوب و قابل شکل دادن ایجاد میشود که میتوان از آن، محصولات مختلفی از قبیل چرخ ارابه یا توپ تهیه کرد.
این پدیده همان پدیده ولکانیزاسیون است که در طی آن لاستیک اکسیده میشود و سولفور کاهیده و به سولفید تبدیل میشود. البته این عمل در دمای 110 درجه سانتیگراد تهیه میشود. نتیجه این کشف تولید مواد لاستیکی مثل لاستیکهای توپر، پوتین و ... است.
کائوچوی طبیعی و مصنوعی
کائوچوی طبیعی در شیره درختی به نام هوا، Hevea وجود دارد و از پلیمر شدن هیدروکربنی به نام 2- متیل- 1 و 3- بوتادین معروف به ایزوپرن بوجود میآید. با توجه باینکه در فرمول ساختمانی کائوچو یا لاتکس طبیعی هنوز یک پیوند دوگانه وجود دارد، به همین دلیل وقتی کائوچو را با گوگرد یا سولفور حرارت دهیم، این منومرها، پیوند پی را باز میکنند و با ظرفیتهای آزا
د شده، اتم گوگرد را میگیرند. در نتیجه کائوچو به لاستیک تبدیل میگردد.
حرارت دادن کائوچو با گوگرد و تولید لاستیک را اصطلاحا ولکانیزاسیون مینامند. به همین دلیل، لاستیک حاصل را نیز، "کائوچوی ولکانیزه" گویند. چند نوعی کائوچوی مصنوعی نیز ساخته شدهاند که از مواردی مانند 1 و 3- بوتادی ان و جسمی به نام 2- کلرو- 1 و 3- بوتادین معروف به "کلروپرن" و جسم دیگری به فرمول 2 و 3- دی متیل- 1 و 3- بوتادین بتنهایی یا مخلوط درست شدهاند. کلروپرن به راحتی بسپاریده (پلیمریزه) شده و به نوعی کائوچوی مصنوعی به نام "نئوپرن" تبدیل میشود.
تکامل در صنعت لاستیک
بعدها در سال 1888 خواص مکانیکی لاستیکهای تهیه شده توسط گودیر و مکین تاش با استفاده از کربن سیاه به عنوان یک ماده پرکننده و افزودنی بسیار بهبود بخشیده شده و در نتیجه لاستیکهای بادی دانلوب، "تیوپ" تهیه شد. بعد از آن لاستیکهای سنتزی تهیه و به بازار عرضه شد مانند ایزوپرن، بوتادی ان و لاستیکهای تیوکل.
بعدها لاستیکهای سنتزی مثل کوپلیمرهای استیرن و بوتادی ان تهیه شد که در سال 1941 مصرف آن صفر بود. اما در سال 1945 مصرف آن 700000000 میرسید. به موازاتی که مصرف لاستیکهای سنتزی بالا میرود، مصرف لاستیکهای طبیعی پایین میآید. چون لاستیکهای سنتزی اقتصادیتر هستند.
آزمایش
هدف آزمایش
تهیه کائوچوی مصنوعی یا لاستیک سنتزی
تئوری آزمایش
پلیمرهایی که در مولکول آنها ، گروههای عاملی فعال یافت میشود، میتوانند در واکنشهای شیمیایی شرکت نمایید. این نوع واکنشهای شیمیایی، خصوصیات پلیمر را در جهت دلخواه تغییر داده و امکان سنتز پلیمرهای جدید را فراهم سازند. کائوچوی طبیعی در شیره درختی به نام هوا (Hevea) وجود دارد و از پلیمر شدن هیدروکربنی به نام ایزوپرن بوجود میآید.
این پلیمر ، یک الاستیک است.
یعنی اگر از این پلیمرها توپی درست کنیم و به زمین بزنیم، ساعتها طول میکشد که مستقر شود. پس نمیتوان از آن ، تایر ماشین درست کرد. بنابراین باید از آن یک پلیمر مشبک درست کنیم و از الاستیسیته آن بکاهیم. برای این کار ، کائوچو را با گوگرد حرارت میدهیم. در نتیجه کائوچو را به الاستیک تبدیل میکنیم. حرارت دادن کائوچو با گوگرد و تولید لاستیک را اصطلاحا Volcanization می نامند که به معنای "پل زدن" و عمل پخت لاستیک است. به همین دلیل ، لاستیک حاصل را نیز "کائوچوی ولکانیزه" گویند.
نتیجه این کشف و واکنش پلیمریزاسیون ، تولید مواد لاستیکی مختلف مثل لا
ستیکهای توپر ، پوتین و.. میباشد. بعدها ، در سال 1888 ، خواص مکانی
ر بهبود بخشیده شده ، نهایتا لاستیکهای بادی دانلوب (تیوپ) تهیه شد. بعد از آن لاستیکهای سنتزی از جمله لاستیک 1و3-بوتادین-استایرن تهیه شد که اکنون مصرف این لاستیکها در صنعت بسیار بالاست. به موازاتی که مصرف لاستیکهای سنتزی بالا میرود، مصرف لاستیکهای طبیعی پایین میآید. چون لاستیکهای سنتزی از نظر اقتصادی بسیار مقرون به صرفهاند.
وسایل مورد نیاز
ارلن
سه عدد بشر
کائوچوی 1و3بوتادین- استایرن
بنزین
کلرید گوگرد SCl2
روش آزمایش
داخل یک ارلن 2,0 گرم ، 1و3 بوتادین- استایرن را در 100 میلیلیتر بنزن حل میکنند. محلول را بطور مساوی ، داخل 2 بشر پخش میکنند. به یکی از بشرها 1 میلیلیتر کلرید گوگرد میافزایند. بعد از 5 دقیقه ، گرانروی محلول حاوی کلرید گوگرد افزایش مییابد و بعد از گذشت 10 دقیقه به شکل ژل در آمده و پس از 20 دقیقه کاملا جامد میشود.
نتیجه آزمایش
تولید کوپلیمر فوق ، از نظر صنعتی اهمیت فراوان دارد. مصرف صنعتی فراوان این نوع لاستیک سنتزی بسیار بالاست. مصرف این کوپلیمر در سال 1941 صفر بود. ولی در سال 1945 به 700000000 کیلوگرم رسید و اکنون رقمهای نجومی دارد.
سوالات
شما در مورد واکنش ولکانیزاسیون چه میدانید؟
فرمول گسترده 1و3 بوتادین - استایرن را بیابید.
لاستیک چیست؟
تاریخچه تولید لاستیک به چه سالی و به چه کسانی باز میگردد؟
نقش کلرید گوگرد در این واکنش چیست؟
خواص شیمیایی کائوچوی طبیعی
در کائوچوی طبیعی همواره مقدار کمی مواد غیر کائوچویی وجود دارد که با وجود اینکه مقدار این مواد بسیار کم می باشد ( 5تا8 درصد) ولی اثر عمیقی بر خواص کائوچو میگذارند . این مواد از ابتدا در شیرابه موجود بوده و مقدار آنها در کائوچوی خشک بستهه به روش تهیه ی آن متفاوت است. با این حال چون مقدار این مواد در شیرابه نیز در فصول مختلف و دفعات مختلف در طول روز شیرابه گیری تغییر میکند ، کائوچوهایی که در شرایط کاملا یکسان نیز تهیه میشوند خواص مشابهی ندارند. پروتئین مجود در کائوچو سبب فعال کردن سیستم پخت شده و تغیر آن خواص پس از پخت کائوچو را تغییر میدهد.
اسید های چرب،استرولها واسترها از اهمییت کمتری برخوردارند با این حال خاصیت ضد اکسیداسیونی در کائوچو ایجاد میکنند.
مقدار خاکستر موجود در کائوچوی طبیعی از این نظر که حاوی مس و منگنز است حائز اهمیت می باشد زیرا این دو ماده اثر کاتالیزوری قوی بر فرایند اکسیده شدن کائوچو دارند و در کائوچوهای با کیفیت بالا مقدار آنها باید کمتر از 001/0 درصد باشد . پوسته ی در
خت نیز حاوی مقدار نسبتا زیادی منگنز است و به همین دلیل باید مقدار آن در کائوچو حداقل باشد.
بخش هیدرو کربنی کائوچوی طبیعی همانطور که قبلا گفته شد
بیش از 99/99 درصد سیس 1و 4پلی ایزوپرن است که خواصی کاملا متفاوت از ترانس 1و4 پلی ایزوپرن (گوتاپرچا) دارد. وزن مولکولی متوسط پلی ایزوپرن در کائوچوی طبیعی از 200000 تا400000 تغییر میکند .یعنی در هر زنجیره حدود 3000 تا 5000 واحد ایزوپرن وجود دارد . بعلت همین توزیع وسیع وزن مولکولی است که فرایند پذیری کائوچوی طبیعی بسیار عالی ست.
در پلی ایزوپرن به ازای هر واحد ایزوپرن یک باند دوگانه وجود دارد . این باند دوگانه مانند یک باز عمل میکند و تمایل به واکنش با موادی که در واکنش های الکترون ستانی شرکت می کنند دارد. وجود گروه متیل در1و4 پلی ایزوپرن سبب افزایش فعالیت باند دوگانه شده و به همین دلیل است که کائوچوی طبیعی نسبت به SBR یا پلی بوتادین قابلیت واکنش با محدوده ی وسیع تری از مواد شیمیایی (از جمله مواد سیستم پخت ) را دارا می باشد.
کائوچوی طبیعی به دلیل وجود باند دوگانه (غیر اشباع بودن)به سهولت با عوامل اکسید کننده مانند پراکسید ها ،پراکسی اسید ها،پتاسیم پر منگنات،ازون،کلرو... واکنش میدهد. از طرفی چون NR حاوی مقداری ضد اکسید کننده است امکان نگهداری آن برای مدت طولانی در شرایط معمولی وجود دارد . با این حال با افزایش دما و یا قرار گرفتن در معرض نور،NR اکسیده میشود و هیدروپراکسید ها در آن تشکیل میشوند. وجود حتی مقدار کمی نمکهای مس و منگنز سبب می شود که این هیدروپراکسیدها به رادیکال فعال تبدیل شده و عمل اکسیداسیون پلیمر ادامه یابد.
خواص شیمیایی کائوچوی طبیعی
در کائوچوی طبیعی همواره مقدار کمی مواد غیر کائوچویی وجود دارد که با وجود اینکه مقدار این مواد بسیار کم می باشد ( 5تا8 درصد) ولی اثر عمیقی بر خواص کائوچو میگذارند . این مواد از ابتدا در شیرابه موجود بوده و مقدار آنها در کائوچوی خشک بست
هه به روش تهیه ی آن متفاوت است. با این حال چون مقدار این مواد در شیرابه نیز در فصول مختلف و دفعات مختلف در طول روز شیرابه گیری تغییر میکند ، کائوچوهایی که در شرایط کاملا یکسان نیز تهیه میشوند خواص مشابهی ندارند. پروتئین مجود در کائوچو سبب فعال کردن سیستم پخت شده و تغیر آن خواص پس از پخت کائوچو را تغییر میدهد.
اسید های چرب،استرولها واسترها از اهمییت کمتری برخوردارند با این حال خاصیت ضد اکسیداسیونی در کائوچو ایجاد میکنند.
مقدار خاکستر موجود در کائوچوی طبیعی از این نظر که حاوی مس و منگنز است حائز اهمیت می باشد زیرا این دو ماده اثر کاتالیزوری قوی بر فرایند اکسیده شدن کائوچو دارند و در کائوچوهای با کیفیت بالا مقدار آنها باید کمتر از 001/0 درصد باشد . پوسته ی درخت نیز حاوی مقدار نسبتا زیادی منگنز است و به همین دلیل باید مقدار آن در کائوچو حداقل باشد.
بخش هیدرو کربنی کائوچوی طبیعی همانطور که قبلا گفته شد بیش از 99/99 درصد سیس 1و 4پلی ایزوپرن است که خواصی کاملا متفاوت از ترانس 1و4
پلی ایزوپرن (گوتاپرچا) دارد. وزن مولکولی متوسط پلی ایزوپرن در کائوچوی طبیعی از 200000 تا400000 تغییر میکند .یعنی در هر زنجیره حدود 3000 تا 5000 واحد ایزوپرن وجود دارد . بعلت همین توزیع وسیع وزن مولکولی است که فرایند پذیری کائوچوی طبیعی بسیار عالی ست.
در پلی ایزوپرن به ازای هر واحد ایزوپرن یک باند دوگانه وجود دارد . این باند دوگانه مانند یک باز عمل میکند و تمایل به واکنش با موادی که در واکنش های الکترون ستانی شرکت می کنند دارد. وجود گروه متیل در1و4 پلی ایزوپرن سبب افز
ایش فعالیت باند دوگانه شده و به همین دلیل است که کائوچوی طبیعی نسبت به SBR یا پلی بوتادین قابلیت واکنش با محدوده ی وسیع تری از مواد شیمیایی (از جمله مواد سیستم پخت ) را دارا می باشد.
کائوچوی طبیعی به دلیل وجود باند دوگانه
(غیر اشباع بودن)به سهولت با عوامل اکسید کننده مانند پراکسید ها ،پراکسی اسید ها،پتاسیم پر منگنات،ازون،کلرو... واکنش میدهد. از طرفی چون NR حاوی مقداری ضد اکسید کننده است امکان نگهداری آن برای مدت طولانی در شرایط معمولی وجود دارد . با این حال با افزایش دما و یا قرار گرفتن در معرض نور،NR اکسیده میشود و هیدروپراکسید ها در آن تشکیل میشوند. وجود حتی مقدار کمی نمکهای مس و منگنز سبب می شود که این هیدروپراکسیدها به رادیکال فعال تبدیل شده و عمل اکسیداسیون پلیمر ادامه یابد
شيميدان¬ها براي توليد کائوچو به آفتابگردان رو مي¬آورند
تهيه مواد اوليه کارخانه¬هاي لاستيک، از جمله کائوچوي مورد نياز، يکي از چالش¬هاي اصلي اين کارخانه¬ها مي¬باشد. تامين کائوچوي خام، هزينه زيادي را براي لاستيک¬سازي مي¬طلبد. در حال حاضر توليد کائوچوي طبيعي عمدتاً در انحصار کشورهاي شرق آسياست و کشورهاي صنعتي از جمله آمريکا براي دستيابي به منابع طبيعي جديد توليد کائوچو، اقداماتي انجام داده¬اند که گياه آفتابگردان يکي از آنهاست. مطلب زير برگرفته از سايت¬هاي www.ualberta.ca و www.ars.usda.gov است که تحقيقات اخير آمريکا و کانادا را براي اصلاح ژنتيکی و بهره¬برداري از اين گياه جهت توليد کائوچو دربردارد:
ممکن است در آينده گياه آفتابگردان به ¬عنوان منبع توليدکائوچو و لاتکس مورد استفاده قرارگيرد. در داخل اين¬ گياه، لاتکس حاوي ذرات کائوچو که توسط آب و اجزاء ديگر احاطه شده¬اند قرار دارد. اين لاتکس را مي¬توان براي توليد محصولاتي نظير دستکش-هاي خانگي يا کالاهاي لاستيکي نظير تاير اتومبيل بکار برد.
کاترينا کورنيش، فيزيولوژيست گياهي در يکي از موسسات تحقيقاتي آمريکا، مي¬گويد: "اين نوآوري مي¬تواند وابستگي آمريکا به وارد کردن لاتکس، ک
ائوچوی طبيعي و محصولات لاستيکي را کاهش دهد. در سال 2000 آمريکا حدود 1.2 ميليون تن واردات کائوچو طبيعي به ارزش بيش از يک ميليارد دلار داشته است و بيش از 8 ميليارد دلار صرف واردات کالاهايي کرده است که حاوي 350 هزار تن لاستيک بوده¬اند."
اخيراً وزارت کشاورزي امريکا (USDA) يک بودجهه است و يکي از آنها دکتر جان ودراس استاد شيمي دانشگاه البرتا در کانادا مي¬باشد.
کلرو کائوچو : کائوچو در طبيعت نئوپرن يا ايزوپرن با فرمول کلی پليمری با زنجيره فنر مانند که خاصيت ارتجاعی دارد
دید کلی
لاستیک به ماده مهم اقتصادی و راهبردی تبدیل شده است. در ایالات متحده ، مصرف سرانه لاستیک تقریبا 16.8 و در هندوستان تنها 0.22 است. صنایع حمل و نقل ، شیمیایی ، برق و الکترونیک و همچنین فضایی همگن از مصرف کنندگان اصلی لاستیک هستند. وقتی تولید لاستیک طبیعی (کائوچو) بدلیل تهاجم ژاپن به مناطق تولید لاستیک سنتزی کرد که به سرعت هم توسعه یافت. بطوری که در حال حاضر 88 درصد لاستیک مصرفی در ایالات متحده منشا سنتزی دارد. صنعت لاستیک موارد زیر را شامل میشود. تولید مواد اولیه لاستیکهای سنتزی ، انواع گوناگون لاستیک ، واردات لاستیک طبیعی ، تولید افزودنیهای لاستیک و نهایتا ساخت فراوردههای لاستیکی.
در ابتدای جنگ جهانی دوم وقتی تولید لاستیک طبیعی (کائوچو) بدلیل تهاجم ژاپن به مناطق تولید لاستیک متوقف شد. ایالات متحده اقدام به ساخت واحدهای تولید لاستیک سنتزی کرد که به سرعت هم توسعه یافت. به طوری که در حال حاضر 88 درصد لاستیک مصرفی در ایالات متحده منشا سنتزی دارد. بنابراین عموما لاستیکها را به دو نوع لاستیک طبیعی و لاستیک سنتزی طبقه بندی میکردند. امروزه لاستیکها را به روشهای مختلف
دسته بندی میکنند.
تاریخچه
کریستف کلمب دریافت که بومیان آمریکا با توپهای لاستیکی بازی می کنند. اشیای لاستیکی نیز از چاه مقدس مایا در یوکاتان بدست آمده بود. لاستیک ، تا جایی که میدانیم محصول سرزمین آمریکا است ولی تنها از طریق انتقال آن به خاور دور و کشت در آنجا به این حد توسعه یافته است. نام Rubber به معنی پاک کن را پریستلی کاشف اکرد. مواد لاستیکی تنها نتیجه تلاش در جهت تفلیحی و حفظ موادی چون افتیون ، بوتادیان و ایزوپرن بودند که از تقطیر تخریبی لاستیک طبیعی بدست میآمدند، بدین ترتیب راه تولید لاستیک سنتزی گشوده شد.
با آغاز جنگ جهانی اول ، انواع نامرغوب لاستیک از دی متیل بوتادیان در آلمان و روسیه تولید شد. گو دید با کشف پخت لاستیک توسط گوگرد در سال 1839 به شهرت رسید. این کشف مشکل چسبانکی طبیعی لاستیک را حل کرد و آن را به صورت تجاری در آورد. بیشترین تغییرات به لحاظ تاریخی نتیجه محدودیت واردات لاستیک طبیعی به آمریکا بر اثر تهاجم نیروهای ژاپنی در سال 1941 بوده است. این حرکت سبب پژوهش و ساخت انواع لاستیکهای سنتزی طی سالهای بعد شد.
منابع لاستیک طبیعی (کائوچو)
گیاهان بیشماری از جمله قاصدک ، گوایل ، گل روبینه و توت آمریکایی به عنوان منبع لاستیک پیشنهاد شده بودند. ولی هیچ یک توفیق درخت شیرابه ساز هوآ برزیلینسیس و همچنین صمغ درخت ساپوریلا و درخت بالاتا را نداشته است. لاستیک طبیعی عمدتا در کشتزارهای مالزی ، اندونزی ، لیبریا و همساگیانثی تولید شد، احتمالا به این علت که آنها مشکل بیماریهای قارچی و حشرات را که کشتزاهای بومی در آمریکا را تهدید میکرد نداشتند. حدود 7 سال زمان لازم است تا این درختان به سن باروری برسند و پس از آن به مدت چند سال بار میدهند. بهره باردهی در طول جنگ دوم افزایش یافت و در حال حاضر از کشف انواع اصلاح شده درخت ، بهرهای بیش از 3000 کیلوگرم در هکتار (در سال) بدست میآید.
ساختار لاستیک طبیعی
لاستیک طبیعی یا کائوچو ، سیس- 1 ، 4- پلی ایزوپرن است و مولکولهای آن بر اثر کشش ، بلوری میشوند، بدین ترتیب شکل مطلوبی از تقویت حاصل میشود. به عنوان پیش نیاز ساختاری ، مولکولهای لاستیکهای طبیعی و سنتزی باید طویل باشند. خاصیت مشخصه کشیدگی برگشتپذیر به دلیل ترتیب اتفاقی و کلافی زنجیرهای بلند بسپاری است. بر اثر کشش ، زنجیرها بهم میخورند ولی مثل یک فلز ، پس از رها کردن تنش به شکل کلافی خود بر می
گردند. لاستیک طبیعی 6 تا 8 درصد مواد غیر پلاستیکی دارد و در برابر گرما اندوزی مقاومت زیادی نشان میدهد.
روش تهیه لاستیک طبیعی
برای بدست آوردن شیرابه ، پوست درخت را طوری برمیدارند
که مایع در فنجانهای کوچکی جمع شود، فنجانها باید مرتبا جمعآوری شوند تا از گندیدگی یا آلودگی شیرابه جلوگیری شود. پس از آن شیرابه به محل جمع آوری برده میشود و در آنجا پس از صاف شدن با افزودن آمونیاک محافظت میشود. لاستیک از طریق فرآیندی موسوم به انعقاد جدا میشود. این کار با افزودن اسیدها یا نمکهای مختلف انجام می گیرد. در طی این عمل ، لاستیک به شکل یک توده سفید خمیری از مایع جدا می شود، و سپس از آن با استفاده از غلتک ورقهای و در نهایت خشک می گردد.
روش جدیدتر این است که با استفاده تیغههای دوار یا اعمال برش بین دو غلتکی که با سرعت متفاوت می چرخند ، شیرابه منعقد شده را به دانه تبدیل میکنند. دانهها سپس به مدت چند ساعت در خشک کنهای مکانیکی خشک میشوند، این عمل در روش قدیمی که از هوا یا دود چوب برای خشک کردن استفاده می شد چندین روز به طول میانجامید. به هر صورت ورقه یا دانه خشک شده متراکم و از آن مدلهایی به وزن 33 کیلوگرم می سازند.
مقداری از لاستیک طبیعی بصورت شیرابه به بازار عرضه میشود. پیش از آنکه لاستیک را بتوان با انواع افزودنیهای لازم آمیزه کاری مثل دوده (به عنوان پرکن) گوگرد یا ترکیبات گوگردی ، تسریع کننده و ولکانش ، ضد اکسنده محافظ و روغن بر روی همان غلتکها یا مخلوطکن ممکن است به ارتفاع یک ساختمان دو طبقه باشد و در عین حال تنها مقدار کمی لاستیک را در یک زمان میتوانند عمل آورند. یک نمونه مخلوطکن ممکن است به ارتفاع یک ساختمان دو طبقه باشد و در عین حال تنها بستههای 250 کیلوگرمی را جوابگو باشد. پس از اختلاط ، لاستیک با روزن رانی یا قالب گیری به شکل محصول دلخواه در می آید و بعد پخت می شود. و ولکانشی ب
ه یک پلیمر سخت شبکهای میانجامد که با گرمادهی مجدد نرم و با ذوب نمیشود.
منبع
ویکپدیا
دانشنامه رشد.
برگرفته از «http://fa.wikipedia.org/wiki/%DA%A9%D8%A7%D8%A6%D9%88%DA%86%D9%88»