Polübutadieen – sünteetiline kumm: omadused, tootmine ja kasutused

Avasta polübutadieeni omadused, tootmine ja kasutusvaldkonnad – kõrge kulumiskindlus rehvides, sitkus plastides ja tugev elektritakistus elektri‑ ning elastsete toodete jaoks.

Polübutadieen on polümeer, mida kasutatakse peamiselt sünteetilise kumina: seda valmistatakse monomeerist 1,3-butadieen. Polübutadieenil on kõrge kulumiskindlus. Umbes 70% toodangust kasutatakse rehvide jaoks. Umbes 25% kasutatakse plastide, näiteks polüstüreeni ja akrüülnitriilbutadieenstüreeni (ABS) sitkuse (löögikindlus) parandamiseks. Polübutadieenkautšuk moodustas 2012. aastal umbes veerandi sünteetilise kummi kogutarbimisest maailmas. Seda kasutatakse ka golfipallide ja mitmesuguste elastsete esemete valmistamiseks ning elektrooniliste sõlmede katmiseks või kapseldamiseks, pakkudes suurt elektritakistust.

Keemiline koostis ja mikrostruktuur

Polübutadieen on lineaarne polümeer, mille jämedus ja omadused sõltuvad butadieeni polymerisatsiooni mikrostruktuurist. Peamised mikrostruktuurid on:

• 1,4-cis — annab hea elastsuse ja madala klaasistumistemperatuuri;
• 1,4-trans — jäigem ja kristalliseeruvam struktuur;
• 1,2-vinüüline (või 1,2-) — sisaldab külgsidemeid, mis mõjutavad jäikust ja sulamispunkti.

Klaasistumistemperatuur (Tg) võib varieeruda sõltuvalt mikrostruktuurist, kuid tüüpiliselt on see madal (umbes -80 °C kuni -100 °C), mistõttu polübutadieen säilitab head elastsed omadused madalatel temperatuuridel.

Tootmine ja polümerisatsioonimeetodid

Polübutadieeni toodetakse peamiselt 1,3-butadieeni polymerisatsiooni teel. Levinumad protsessid on:

• Emulsioonpolümerisatsioon — sobib suure tootmismahu jaoks, tulemuseks emulgeeritud lateks, mida töödeldakse nagu kummi lateks;
• Lahusepolümerisatsioon — võimaldab paremat kontrolli molekulmasside ja mikrostruktuuri üle;
• Anioonpolümerisatsioon (elav polümerisatsioon) — tagab täpsema mikrostruktuuri ja madala dispersiooni, kasutatakse teadus- ja eritoodetes;
• Koordinaatorlikud katalüsaatorid (nt neodüüm- või níkel-katalüsaatorid) — võimaldavad kõrge cis-sisaldusastmega polümeeri valmistamist, mis parandab elastsust ja kulumiskindlust.

Füüsikalised ja mehaanilised omadused

• Suur elastsus ja hea taastuvus — polübutadieenil on kõrge venivus ja elastsus, sobib vedeliku ja löökide summutamiseks;
• Kulumiskindlus — eriti tähtis rehvitööstuses, kus söövitus- ja kulumisomadused mõjutavad ära- ja pidamiskindlust;
• Madal Tg — jääb elastseks ka madalatel temperatuuridel;
• Hea elektriline isolaator — sobib elektroonika kapseldamiseks ja potting-materjalideks;
• Keemiline aktiivsus — kaksikside backbone'is muudab polübutadieeni vastuvõtlikuks oksüdatsioonile ja ozonihävitusele, seetõttu kasutatakse stabilisaatoreid ja antiozonante.

Töötlemine ja töötlemistingimused

Polübutadieeni töödeldakse enamasti nagu tavasünteetilist kummitoodet: segamine (mõnikord koos loodusliku kummi või teiste sünteetiliste kummidega), täiteainete (süsinikmust, kaoliin), plastifikaatorite ja stabilisaatorite lisamine ning seejärel vulkaamimine (tüüpiliselt rikki- või peroksiidivulkaamimine sõltuvalt lõpptootest). Vulcaniseerimine koos lämmastiku- või väävlipõhiste süsteemidega annab lõplikud mehaanilised omadused.

Peamised kasutusalad

• Rehvitööstus — suurim tarbija: polübutadieeni kasutatakse peamiselt rehvide hõõrdumistakistuseks ja elastsuse parandamiseks; sageli segatakse SBR-i ja loodusliku kummi (NR)ga;
• Plastide löögikindluse parandamine — PB-tükkidena või kaugenenud faasina lisatakse polüstüreeni (PS) ja ABS-i, et suurendada löögitaluvust;
• Sport ja vaba aeg — golfipallide kihid, spordivarustus ja elastsed mänguasjad;
• Elektroonika — potting- ja encapsulating-materjalid, kus vajalik on kõrge elektritakistus;
• Hüdraulika- ja õliühendid — mõned tihendid ja voolikud, juhul kui keemiline vastupidavus on sobiv (mõningaid modifikatsioone nõutakse);
• Muut — vibratsiooni- ja müra summutajad, konveieride rihmad, kummeeritud lõiked ja kaitsevärvid.

Stabiilsus, vananemine ja ohutus

Sest polübutadieeni molekulaarne struktuur sisaldab palju topeltseoseid, on see tundlik:

• Oksüdatsiooni ja ozoni mõjul võivad tekkida lõhed ja pindamine — seetõttu kasutatakse antiozonante ja antioksüdante;
• 1,3-butadieen monomeer on toksiline ja kantserogeenne, seega tootmises peab tagama hea ventilatsiooni, monomeeri eemaldamise ja ohutu käitlemise;
• põlemisel võib tekkida kahjulikke ühendeid; nõutav on sobiv häda- ja jäätmekäitlus;
• pikaajaline välitingimustes UV-kiirgus nõuab stabilisaatorite lisamist, et vähendada murdumist ja värvimuutusi.

Ringlussevõtt ja keskkonnamõjud

Rehvidest ja kummitoodetest pärinev jäätmekäitlus on globaalselt oluline probleem. Polübutadieeni sisaldavad tooted on taastöödeldavad ja rafineeritavad, kuid tihti eelistatakse energia- või kemikaalset ringlussevõttu (nt pürolüüs) või mehhaanilist taaskasutust segametoodetes. Keskkonna- ja kemikaalohutuse aspektid rõhutavad monomeeri vähendamist tootmisjääkides ja kasutatud toodete nõuetekohast käitlemist.

Lõppsõna

Polübutadieen on mitmekülgne sünteetilise kummi materjal, mille peamised tugevused on kõrge kulumiskindlus ja hea elastsus madalatel temperatuuridel. Selle tähtsus rehvitööstuses ning löögikindluse parandajana plastides (nt PS ja ABS) teeb sellest ühe olulisema kummitüübi maailmas. Samas nõuab polübutadieen tööstuslik tootmine ja kasutamine korralikku stabiilimist, ventilatsiooni ja jäätmekäitlust, et vähendada tervise- ja keskkonnariske.

Otsing