Бутадиен нитрильный каучук: свойства, получение, применение

Бутадиен-нитрильный каучук (БНК) – основной вид сырья для производства различных типов резины с оптимальной стойкостью. Это синтетический полимерный материал, полученный путем сополимеризации бутадиена с акрилонитрилом (НАК). Его могут называть нитрильным, дивинил-нитрильным, бутадиен-акрилонитрильным каучуками или бутакрилом. В международном обозначении этот материал имеет маркировку NBR (nitrile-butadienerubber), в отечественном – СКН (синтетический каучук нитрильный).

Где применяется

Этот вид каучуков чаще всего используются в тех сферах промышленности, где важна оптимальная устойчивость резинотехнических изделий к химически агрессивным средам. Большое значение имеют такие свойства бутадиен-нитрильного каучука, как высокая эластичность и небольшая остаточная деформация. Этот материал широко применяется в производстве резиновых элементов, которые имеют непосредственный контакт с химически активными материалами – это могут быть всевозможные уплотнители, сальники, резиновые компенсаторы, топливные и масляные шланги, приводные ремни, топливные баки авто, авиа и нефтяной промышленности, полиграфические офсетные пластины и другие изделия.

Продукция, изготовленная на основе этого каучука, не разбухает в маслянистых жидкостях, антифризах и воде. Из некоторых типов такого материала выполняют оболочку электрической проводки и резиновые перчатки, обладающие особой прочностью и износостойкостью. Его используют в производстве различных клеев, герметиков и монтажной пены. Каучук является основой в производстве адгезивов.

Когда и где появился этот каучук?

Получение бутадиен-нитрильного каучука было зафиксировано в 1934 году в Германии. В то время немецкие ученые создали уникальный по своим свойствам материал и запатентовали его под названием Buna-N. Во время Второй мировой войны новый материал стал крайне востребованным в военных видах промышленности.

Из-за нехватки природного сырья высшее руководство США запустило специальную программу, предполагающую активное развитие производства бутадиен-нитрильного каучука и других видов синтетического сырья для РТИ. Изготавливаемый в рамках этой программы материал носил название GR-N. На сегодняшний день БНК стал одним из самых востребованных каучуков специального назначения. Его изготавливают более чем в 20 странах мира.

Производство БНК

Данный вид материала получают путем конструктивной полимеризации в водной эмульсии. Процесс проводят как при высоких, так и при низких температурах. Основные мономеры для их производства - это бутадиен-1,3 и нитрил акриловой кислоты (НАК), смешанные в определенной пропорции. Эти вещества не зависят от температуры. Принимая во внимание закономерности статистической сополимеризации, нужно отметить, что этот тандем мономеров должен обладать свойствами азеотропного состава, содержащего около 40% акрилонитрила в смеси мономеров.

При производстве данного вида каучука появляется необходимость более полного очищения при коагуляции эмульгаторов, используемых для полимеризации. В изготавливаемых каучуках допускается незначительное количество золы минеральных и летучих примесей (не более 1%). Они могут быть заправлены окрашиваемыми или неокрашиваемыми противостарителями.

Что представляет собой БНК

В нашей стране изготавливают каучуки таких типов, как бутадиен-нитрильный каучук-18 (СКН-18), бутадиен-нитрильный каучук-26 (СКН-26) и бутадиен нитрильный каучук-40 (СКН-40). Числительный показатель в марках показывает число звеньев акрилонитрила в полимерах. Они могут содержать соответственно 18, 26 или 40% нитрила акриловой кислоты.

Меняя количество составляющих ингредиентов, можно добиться различных свойств получаемого материала. В зависимости от процентного содержания акрилонитрила, свойства каучуков могут изменяться по твердости, вязкости масло - и бензостойкости. Процентное содержание НАК влияет на межмолекулярное воздействие структурных единиц. Именно этот фактор сказывается на применении бутадиен нитрильного каучука в тех или иных областях народного хозяйства. Тем не менее его используют в качестве сырья для изготовления огромного ассортимента резинотехнических изделий промышленного назначения.

Недостатки материала

Несмотря на то, что резинотехнические изделия, изготовленные с добавлением БНК, обладают целым комплексом превосходных показателей (высокой прочностью и пластичностью при растяжении, относительным удлинением, сопротивлением на разрыв и истирание, превосходной масло- и бензостойкостью), имеются у этого материала и некоторые недостатки.

Ужесточение условий эксплуатации, связанное с увеличением скоростей механизмов и недостатком охлаждающего масла, приводит к тому, что резиновые элементы могут работать только при температурах до +150 градусов. При повышении рабочей температуры выше этого значения, происходит структурирование, а затем и разрушение резин, созданных на базе БНК. Другими словами, нагретая резина становится твердой и хрупкой.

Воздействие низких температур так же отрицательно сказывается на резиновых изделиях, в производстве которых использовался бутадиен-нитрильный каучук. Оптимальной для них считается рабочая температура не ниже -35˚С.

Современные модификации каучуков

Для создания резинотехнических изделий, имеющих уникальный комплекс свойств, применяют более современные модификации каучуков. Одной из перспективных разработок в модифицировании считаются гидрированные бутадиен-нитрильные каучуки. Они имеют превосходные технологические свойства при различных видах производства резины.

Резина, изготовленная на основе модифицированных поливинилхлоридом каучуках, дает более стабильные показатели по погодной износостойкости (до -50 градусов) и экстремальной рабочей температуры до +160 градусов. Она значительно превосходит изделия, изготовленные на базе бутадиен-нитрильных каучуков, по сопротивляемости раздиру и износостойкости. Имеет отличную стойкость к активному воздействию химически агрессивных сред. Однако эта резина не так прочна и эластична. Поэтому, чтобы улучшить технологические свойства материала, его чаще всего применяют в комбинации с обычными типами бутадиен-нитрильных каучуков.

Вулканизация

Процесс вулканизации бутадиен-нитрильных каучуков осуществляется с помощью серы, а также тиурама, органических перекисей, алкилфенолформальдегидных смол и хлорорганических соединений. Температура при этом может варьироваться от 140˚ до 190˚ Цельсия. При проведении данного процесса наблюдается появление большого плато вулканизации. Повышенное содержание НАК способствует увеличению скорости вулканизации. Качество полученных каучуков оценивают по свойственным характеристикам вулканизаторов.

Свойства

Свойства БНК определяются содержанием акрилонитрила. Данный тип каучуков хорошо растворим в кетонах, некоторых углеводородных растворах и сложных эфирах. Алифатические углеводороды и спирт практически никак не влияют на растворение бутадиен-нитрильных каучуков. Увеличение в составе материала акрилонитрила способствует межмолекулярному воздействию между цепями полимера: чем больше НАК в составе материала, тем выше возрастает плотность и температурный режим стеклования. Повышенное содержание НАК снижает диэлектрические свойства, уменьшает степень растворимости в ароматических растворителях и способствует увеличению стойкости к набуханию в алифатических углеводородах.

В зависимости от течения полимеризации каучука, его могут выпускать с различными пластоэластическими показателями. Они могут быть:

• Очень твердыми (жесткость по Дефо 21,5 - 27,5 Н). При маркировке такого каучука к его названию добавляется буква «Т».
• Твердыми (жесткость по Дефо 17,5 - 21,5 Н).
• Мягкими (жесткость по Дефо 7,5 - 11,5 Н). При маркировке такого каучука к его названию добавляется буква «М».

Для БНК, изготавливаемых с участием алкилсульфонатов в качестве эмульгаторов, в маркировке добавляется буква «С». К примеру, СКН-26МС - это мягкий каучук, в котором присутствует 26% связанного НАК, и в получении был использован биологически разлагаемый алкилсульфонатный эмульгатор.