Ugrás a tartalomhoz

Gumik kémiája és technológiája

Gergó Péter (2012)

Pannon Egyetem

BUTIL KAUCSUK (IIR) [16, 17, 18]

BUTIL KAUCSUK (IIR) [16, 17, 18]

A butilkaucsuk az izobutén (2-metilpropén) és kis mennyiségű izoprén (2-metil-1,3-butadién) kopolimerje (9. ábra).

9. ábra A butilkaucsuk szerkezete

Az izoprén egységekkel a polimerláncba bevitt telítetlen részek elősegítik a butilkaucsuk vulkanizálását. A butilkaucsuk első nagyüzemi előállítását az Egyesült Államokban végezték 1937-ben, az I. G. Farbenindustrie 1931-es szabadalma alapján. A butilkaucsuk volt az etilén-propilén-dién kaucsuk (EPDM) mellett az első olyan telített polimer, mely kis mértékben olefines tulajdonságokkal rendelkezett. A butilkaucsuk lineáris poliizobutén és véletlenszerű elhelyezkedő izoprén egységekből áll. Az izobutén hidroxilcsoportja kizárólag fej-farok formációban kapcsolódnak, az izoprén egységek főként transz-1,4-konfigurációjú izoprénből állnak, melynek mintegy 10%-a elágazó szerkezetű.

A butilkaucsuk legjelentősebb tulajdonsága, amely megkülönbözteti azt a többi elasztomertől, a gázáteresztő képessége, ami jelentőssé teszi azokon a felhasználási területeken, ahol ki van téve, a levegő és a vízgőz hatásainak. A butilkaucsuk a szinte teljesen telített polimer láncának következtében jól ellenáll a vegyi anyagok, savak, lúgok károsító hatásainak. A telítetlen polimer láncú, mint a butadién kaucsuk (BR), természetes kaucsuk (NR), kaucsukokkal szemben a butilkaucsukoknak jobb a hő- és ózonállóságuk. Jó az elektromos szigetelési tulajdonságuk és biokompatibilisek. Hátrányuk, hogy szerves oldószerekben és benzinben nagymértékben duzzadnak, továbbá a vulkanizálatlan kaucsuk már szobahőmérsékleten is nagymértékben hajlamos a kúszásra (hidegfolyás), az ilyen módon bekövetkező deformációt vulkanizálással ki lehet küszöbölni.

Nyersszilárdságuk kicsi, ezért hengerszéken csak hűtött hengerekkel dolgozható fel. Azonban a keverék nyersszilárdsága és a vulkanizátum szilárdsága hőkezeléssel javítható. A hőkezelés hatására csökken a keverék Mooney viszkozitása és a vulkanizálás sebessége. Javul a feldolgozhatóság, a kopás- és hőállóság. Általános rendeltetésű kaucsukokkal nehezen társítható, de a szerkezetileg hasonló etilén-propilén-dién kaucsukkal (EPDM) jól keverhető. A keverék szakítószilárdsága jó, de a dinamikus tulajdonságai gyengék, rugalmassága kicsi.

A különböző gyártók által előállított butilkaucsukokat elsősorban az izoprén mennyiségével, illetve a Mooney viszkozitásával, valamint a molekulatömeg és a molekulatömeg eloszlásával jellemzik.

A BUTIL KAUCSUKOK OLDÓSZERES ELŐÁLLÍTÁSÁNAK ALAPJA ÉS SÉMÁJA

Az izobutén és a különböző monomerek, izoprén vagy izoprén és divinil-benzol polimerizációja karbokationos folyamat. A polimerizációs eljárás aktivált Lewis sav, például az AlXnR3-n (ahol, X = Cl, n = 1 - 3, R = Et) iniciátort alkalmazó szuszpenziós vagy oldószeres eljárás. Az iniciátor aktiválása elvégezhető víz, sósav vagy hidrogén-szulfid segítségével. A speciális tulajdonságú polimerek, mint az ExxonMobil Chemical csillag szerkezetű butilkaucsukjának előállítására további monomereket is alkalmaznak.

Az ipari eljárásokban a polimerizáció hőmérséklete alacsony (-90°C), a nagy molekulatömegű polimer termékek előállításának érdekében. A komonomerként alkalmazott izoprén egyszerre méreg és láncátvivő ágens a polimerizáció során. A legtöbb telítetlen szénhidrogén, szubsztituált szénhidrogének és egyes alkil-halidok befolyásolják a polimerizációt. Az úgynevezett polimerizációs mérgek csökkentik az átalakulás mértékét, míg a láncátvivő anyagok a kaucsuk termék molekulatömegét, Mooney viszkozitástát csökkentik. A szuszpenziós eljárásokban az alkalmazott oldószer a metil-klorid vagy széntetraklorid, míg az oldószeres eljárásnál izopentán. Előnyük, hogy a polimerizáció szempontjából inertek.

A 20. század húszas éveinek végén az I.G. Farben kutatói olefinek erős savakkal történő polimerizációjával történő szintetikus olajak előállításán kísérleteztek. Ekkor jöttek rá, hogy a polimerizáció hőmérséklete befolyásolja a termék molekulatömegét. Bór-trifluorid katalizátor alkalmazásával, szárazjéggel hűtött izobuténből olaj helyett gumiszerű terméket nyertek. Az eljárást később az Egyesült Államokban továbbfejlesztették, a Standard Oil Development (most Exxon) kutatói, R. M. Thomas and O. C. Slotterbeck. A butilkaucsuk vulkanizálhatóságának javítására butadién és izoprén monomereket alkalmaztak. A butilkaucsuk előállítása során felhasznált izobutén és izoprén monomerek kőolajipari, petrolkémiai anyagáramokból származhatnak.

SZUSZPENZIÓS ELJÁRÁS

A butilkaucsuk hagyományos eljárása során az alkalmazott katalizátor az alumínium-triklorid, kis mennyiségű víz segédkatalizátorként viselkedik. Az oldószer metil-klorid. A katalizátoroldatot az oldó toronyban szilárd alumínium-trikloridon átvezetett vízmentes és tiszta metil-kloriddal állítják elő, majd ezt a tömény oldatot vízzel hígítják. Ezt követően az így létrehozott katalizátoroldathoz további metil-kloridot adagolnak és lehűtik a reakció hőmérsékletére. A katalizátor aktivitása nagy, így kis mennyiség szükséges a reakció lefolytatásához, a katalizátor-polimer arány elérheti a több ezret is. A katalizátor aktivitását a víztartalom befolyásolja, a nagy víztartalom mérgezi a katalizátort csökkentve annak aktivitását. A katalizátor adagolása a monomerárammal együtt történik, melyben az izobutén tartalom megközelítőleg 30%, kerül bevezetésre a reaktorba. A polimerizációs reakció folyamatos, intenzíven kevert reaktorban történik meg, ahol az alkalmazott hőmérséklet -90°C. A keletkező kaucsuk polimer nem oldódik az oldószerben, így szuszpenziót kialakítva kicsapódik az oldatból. A szuszpenziót hőcserélőn keresztül cirkuláltatják, a recirkulációs arány nagyon magas (>100).

A polimerizáció folyamatának szabályozását a reaktor és az eljárás paramétereinek szabályozásával végzik a kívánt molekulatömeg elérésének érdekében. A Mooney viszkozitás mérésével és a katalizátor betáplálásával ellenőrizhető és szabályozható a reakció. A katalizátor mennyiségének növelésével csökkenthető a Mooney viszkozitás, ezáltal a molekulatömeg. A reakció konverzióját a betáplálási áram izoprén tartalmával szabályozható. A reaktorok jobb szabályozhatóságának érdekében az átalakulás nem teljes, ez az izoprén tartalom növelésével érhető el, mivel az izoprén katalizátorméregként viselkedik, így növelése csökkenti a konverziót. Ha a reaktor nem szabályozható megfelelően, ami a hőcserélő eltömődéséből következhet, a hőmérséklet emelkedhet. A reaktor túlfutásának megakadályozása érdekében a reakciót befagyasztják, majd a reaktort és hőcserélőt kimossák. Az eltömődés megakadályozása stabilizálószerek vagy további oldószerek, például hexán adagolása a megfelelő.

Az oldószer és a reagálatlan monomerek eltávolítását gőzzel és forróvízzel végzik kifúvató, sztripper kolonnákban. A víz eltávolítása a recirkulációs gáz szárítóban kondenzációval és adszorpcióval történik, de glikol abszorbenssel is elvégezhető ez a művelet. Az így vízmentesített elegyből a recirkulációs kolonnában desztillációval választják szét a metil-klorid oldószert és az izobutén monomert, melyet visszavezetnek a polimerizációs folyamatba. Az így visszavezetett metil-klorid oldószert a katalizátor toronyban a katalizátor oldat elkészítésénél használják fel. A katalizátortoronyból kilépő, még vegyes összetételű maradékot a visszanyerő folyamatban hasznosítják a lerakódások és a nemkívánatos szennyeződések eltávolítására.

A kaucsuktermék vizes szuszpenzió formájában van jelen, az összeállás elkerülésének érdekében zsírsavakat adnak a szuszpenzióhoz. Ebben a szakaszban adagolják az antioxidánsokat, illetve a savas katalizátor maradékok semlegesítésére nátrium-hidroxidot. A befejező lépésben a kaucsuk szuszpenziót szűrik, ezáltal a víz nagy mennyiségét eltávolítva, a teljes szárítás extruderekben, illetve ezt követően fluidágyas szárítóban történik. Az immár száraz kaucsukot hűtik, csökkentve a hidegfolyást, majd bálázzák vagy dobozolják a szállítás előtt. Az eljárás sémáját a 10. ábra szemlélteti.

10. ábra A butilkaucsuk előállításának sémája

Amennyiben a kaucsuk azonnal további feldolgozásra kerül, például halogénezésre, a polimert közvetlenül a reaktorban vissza lehet nyerni forró oldószer (hexán) hozzáadásával. A következő lépésben a gumikoncentráció beállítható a további feldolgozásnál megkívánt szintre. A monomerek eltávolítása ebben az esetben is fontos, mert a feldolgozás során a telítetlen vegyületek halogéneződhetnének, nemkívánatos vegyületeket létrehozva.

OLDÓSZERES ELJÁRÁS

A butilkaucsuk oldószeres előállítási eljárását az egykori Szovjetunióban fejlesztették ki. A polimerizáció hőmérséklete -60 – -90°C. Az oldószer valamilyen szerves vegyület, például ez lehet az izopentán. A katalizátor ebben az esetben alumínium-alkil-halogenid. Az oldószeres eljárás kiküszöböli a metil-klorid használatát, valamint elhagyható a vizes szuszpenzió előállítása, így egyszerűbben tovább feldolgozható a polimer. A polimer koncentrációja az oldatban kisebb, ezáltal az oldatviszkozitás értéke is alacsonyabb, ezáltal a hőelvonás és hűtés hatékonyabb.

A BUTILKAUCSUKOK FELHASZNÁLÁSA

Az előállított butilkaucsuk nagy részét a halogénezett butilkaucsuk alapanyagaként használják fel, de jelentős mennyiséget használnak fel a gumigyártás során, gumibelsők, gumiabroncsok alapanyagaként. Kisebb mennyiségben ipari felhasználási területeken is alkalmazzák, tömítőanyagok, membránok alapanyaga, alkalmazzák az építőiparban tetőfedés és vízzáró rétegek kialakítására, illetve a csomagolóiparban, gyógyszeres kupakokhoz. Az élelmiszeriparban csomagolóanyagok, illetve egyes élelmiszerek, például rágógumi alapanyaga lehet. Speciális fajtáit tömítő-cementként is alkalmazzák. A már említett hidegfolyási tulajdonságai miatt vulkanizálás után használják fel. Kén, fenolgyanta vagy kinon-dioximok felhasználásával végezhető el a polimer térhálósítása. A vulkanizált kaucsuk tulajdonságait a vulkanizáló rendszer fajtája, az alkalmazott töltőanyagok és lágyítók típusa befolyásolja.