Современная промышленность предлагает широкий ассортимент синтетических каучуков (СК), которые различаются как по исходному сырью, так и по своим конечным физико-химическим свойствам. Ключевыми технологическими процессами в их производстве являются полимеризация в эмульсии и полимеризация в растворе, каждый из которых имеет свои особенности и область применения.
Эмульсионная полимеризация
Этот метод широко используется для получения таких каучуков, как бутадиен-стирольные, бутадиен-нитрильные и хлоропреновые. Процесс ведется в водной среде при температурах от 5 до 50 °C. Мономер эмульгируется в воде с помощью поверхностно-активных веществ (ПАВ) при интенсивном перемешивании. Образующаяся суспензия полимера обладает относительно низкой вязкостью. Полимеризация обычно осуществляется непрерывно в каскаде из 6-12 вертикальных реакторов (полимеризаторов) объемом от 3 до 20 кубометров. Для контроля температуры в аппаратах используются наружные "рубашки" и внутренние змеевики, через которые циркулирует хладагент — вода или рассол (при низкотемпературном процессе).
Полимеризация в растворе
Данная технология является более распространенной, особенно для получения стереорегулярных каучуков с упорядоченной структурой макромолекул. К ним относятся полиизопреновые (СКИ), полибутадиеновые (СКД), этилен-пропиленовые (СКЭП) каучуки, а также бутилкаучук. Процесс проходит в органическом растворителе с использованием комплексных катализаторов и может проводиться в широком температурном диапазоне — от -100 °C до повышенных температур. Аппаратурное оформление здесь сложнее и дороже, чем при эмульсионном методе, поскольку вязкость раствора полимера на несколько порядков выше. Реакторы оснащены мощными теплообменными системами и часто — скребковыми устройствами для очистки стенок от налипающего полимера. Для некоторых процессов, например синтеза полиизобутилена, применяются специальные конструкции — ленточные или червячные полимеризаторы.
Особенности червячного полимеризатора
В червячном (шнековом) аппарате реакционная смесь продвигается вдоль оси вращающегося шнека, что минимизирует разбрызгивание и налипание продукта на стенки. Частично прореагировавшая смесь затем поступает в вакуумную зону для первичного удаления летучих компонентов.
Последующая обработка полимера: дегазация и выделение
Важнейшим этапом после синтеза является удаление из полимера непрореагировавшего мономера, растворителей и других летучих веществ — процесс дегазации.
Для эмульсионных каучуков промежуточным продуктом является латекс (водная дисперсия каучука). Его дегазируют в колонных аппаратах с нагревом и вакуумированием. Каучук из латекса выделяют либо химической коагуляцией, либо физическим методом — вымораживанием водной фазы с последующим срезанием образовавшейся замороженной пленки.
Для каучуков, полученных в растворе, процесс сложнее и включает стадии разложения катализатора, отмывки и собственно дегазации. Часто применяется водная дегазация с острым паром, в результате которой полимеризат распадается на мелкие пористые гранулы (крошку). Также используется безводная дегазация на валковых или червячных машинах, где полимер тонкой пленкой наносится на нагретые валки в вакуумной камере.
Заключительные стадии переработки
После дегазации крошка каучука проходит стандартный набор операций: отжим, сушку (в червячных, ленточных или вибрационных сушилках) и формование. Конечный продукт брикетируется и упаковывается.
Пример производства: каучук СКИ-3
В качестве конкретного примера можно рассмотреть производство синтетического изопренового каучука марки СКИ-3, свойства которого близки к натуральному каучуку. Его получают полимеризацией изопрена в растворе (чаще всего в пентан-пентеновой фракции) с использованием стереоспецифического каталитического комплекса на основе тетрахлорида титана и трибутилалюминия. Процесс ведется при 20-40 °C. После достижения высокой степени конверсии (до 95%) катализатор разрушают спиртом, полимер отмывают, дегазируют и обезвоживают. Финальная сушка происходит в червячном прессе, где каучук нагревается до 180 °C за счет внешнего обогрева и внутреннего трения. Готовый продукт формуется в ленты, нарезается на пластины, брикетируется и упаковывается.