Натуральный каучук (полиизопрен) представляет собой высокомолекулярный природный полимер, состоящий преимущественно из цис-1,4-полиизопрена. Молекулы характеризуются высокой гибкостью цепей, что обеспечивает значительную упругость материала. Основной источник — латекс тропических растений, прежде всего Hevea brasiliensis. Химическая структура природного каучука состоит из повторяющихся звеньев изопренового мономера с цис-конфигурацией двойной связи, что критично для проявления эластичных свойств.
Молекулярная масса натурального каучука колеблется в пределах 500 000–1 000 000 г/моль, а степень полидисперсности может достигать 2–5. Высокая молекулярная масса и наличие неполярного углеводородного скелета обуславливают его гидрофобность и низкую химическую активность, однако цис-конфигурация двойной связи делает полимер чувствительным к окислительной деградации, озоноразрушению и действию солнечного света.
Синтетические каучуки включают широкий спектр полимеров, получаемых контролируемой полимеризацией мономеров. Основные классы:
Химическая структура синтетических каучуков может быть цис- или транс-изомерной, что напрямую влияет на механические свойства. Например, бутадиен с высокой цис-фракцией формирует мягкий, эластичный каучук, тогда как транс-структуры увеличивают кристалличность и жесткость.
Натуральный каучук добывается в виде латекса, который затем коагулируется кислотой, фильтруется и высушивается. Для улучшения свойств часто применяется вулканизация, где под действием серы образуются дисульфидные мостики между цепями, что повышает прочность, упругость и термостойкость. Степень вулканизации определяется количеством серы, температурой и временем обработки.
Синтетические каучуки получают радикальной, анионной или катализируемой полимеризацией. Примеры:
Эластичность и прочность зависят от молекулярной массы, распределения цепей и степени сшивания. Натуральный каучук обладает выдающейся упругостью при растяжении до 600%, а синтетические аналоги могут быть адаптированы под конкретные требования (стойкость к маслам, озону, температурным колебаниям).
Тепловые свойства: каучуки демонстрируют стеклование при отрицательных температурах (для натурального каучука (T_g ≈ -70°C)), а термическая деградация начинается выше 200°C без стабилизаторов. Синтетические каучуки могут иметь (T_g) от -80°C до -40°C в зависимости от состава.
Химическая стойкость: натуральный каучук чувствителен к кислороду и озону, синтетические каучуки могут включать функциональные группы для повышения устойчивости к углеводородным средам, кислотам, щелочам и растворителям.
Вулканизация и сшивание регулируют механические свойства, создавая термореактивные эластомеры. Добавление пластификаторов, антиоксидантов и армирующих наполнителей (углеродный черный, кремнезем) позволяет создавать материалы с высокой прочностью и долговечностью.
Применение каучуков охватывает:
Натуральный и синтетический каучук дополняют друг друга: натуральный обеспечивает высокую эластичность и восстановление формы, синтетический — химическую и термическую стойкость, что позволяет создавать композитные материалы с оптимизированными свойствами для специализированных областей.
Основной реакционной зоной каучука являются двойные связи в изопреновых или бутадиеновых звеньях. К ним относятся:
Контроль над структурой и полимеризацией позволяет синтетическим каучукам имитировать свойства натурального, а также превосходить его по термостойкости, химстойкости и долговечности, создавая широкий диапазон функциональных материалов для промышленного и бытового применения.