Công thức hóa học, sản xuất và điều chế Cao su Buna | GCS

Cao su buna (1,3 butadien) là loại cao su tổng hợp phổ biến nhất hiện nay, chiếm hơn 1/4 sản lượng cao su nhân tạo trên thế giới. Bài viết sẽ đề cập những thông tin đầy đủ nhất mà bạn cần đó là những định nghĩa, công thức, thuộc tính và quá trình sản xuất.

Cao su Buna là gì?

• Cao su Buna hay Polybutadiene (viết tắt là BR), còn được gọi là cao su BR, Buna-N, Buna-S. Ngoài ra còn có các tên gọi khác phụ thuộc vào chất độn được sử dụng trong quá trình trùng hợp. Là một trong những cao su lưu hóa điển hình.
• Được sản xuất từ quá trình trùng hợp của các phân tử monome 1,3-butadiene.
• Mang những đặc điểm nổi bật của cao su thiên nhiên, đồng thời có khả năng chống mòn cao, chịu uốn gấp tốt, ít biến dạng.
• Điều đặc biệt của của cao su buna là có thể mang những tính chất đặc biệt như các loại nhựa tổng hợp tùy thuộc vào thành phần chất độn. Có thể kể đến như khả năng chống ăn mòn từ xăng dầu, hóa chất, chịu nhiệt, chống mài mòn, cách âm…
• Hiện tại là loại cao su tổng hợp được sử dụng nhiều, và rộng rãi nhất hiện nay. Chiếm khoảng 1/4 tổng lượng tiêu thụ cao su tổng hợp toàn cầu trong năm 2012. Chủ yếu là trong sản xuất lốp xe chiếm 75%.

Cao su buna là một polymer được hình thành từ sự trùng hợp của monome 1,3 – butadiene

Công thức hóa học và quá trình tổng hợp

Công thức hoá học cao su buna

Cao su Buna là một polymer không bão hòa của các monome butadien khác nhau (1,2-butadiene và 1,3-butadien). Chúng được liên kết với nhau qua các dạng liên kết điển hình là cis, trans và vinyl.

Trong đó, phổ biến nhất là hai dạng liên kết cis và trans.

Quá trình tổng hợp cao su buna

Quá trình tổng hợp cao su buna chính là quy trình trùng ngưng. Nói một cách khác đây là quy trình lê dài những chuỗi monome 1,3 – butadien thành những đại phân tử polymer thông quá những link giữa những phân tử C-C .Các đại phân tử polyme của cao su buna thường được link với những dạng là cis, trans và vinyl. Và những dạng link này, được hình thành và chịu tác động ảnh hưởng của nhiệt độ, áp suất, dung môi trong quy trình trùng ngưng .

• Liên kết cis tạo ra sự uống cong trong chuỗi polymer, tạo ra các vùng vô định hình tạo ra tính đàn hồi cao của Cao su buna.
• Liên kết trans tạo ra các liên kết giữ khá thẳng, tạo thành các chuỗi polymer cố định, tăng tính ổn định của chuỗi polymer.
• Liên kết vinyl thường chỉ xuất hiện với tỷ lệ vài phần trăm so với liên kết cis và trans. Ít ảnh hưởng đến tính chất của chuỗi polymer.

Quá trình điều chế 1,3-butadiene

Qui trình điều chế 1,3 – butadiene, sản xuất cao su vạn vật thiên nhiên khá phong phú từ qui mô phòng thí nghiệm hay qui mô sản xuất công nghiệp. Tóm tắt, GCS sẽ trình làng đến những bạn 04 qui trình phổ cập lúc bấy giờ .

1. Quy trình Cracking từ ​​các hydrocacbon C4

Butadien thường được phân lập từ những hydrocacbon bốn cacbon khác được tạo ra trong quy trình crackinh hơi nước bằng cách chưng cất chiết suất sử dụng dung môi aprotic phân cực như axetonitril, N-metyl-2-pyrrolidon, furfural, hoặc dimetylformamit, sau đó nó được tách ra bằng cách chưng cất .
Đây là quá trình được sử dụng để sản xuất butadiene quy mô công nghiệp lúc bấy giờ .

• Bước 1: CH4 ra C2H2

• Bước 2: C2H2 ra C4H4

• Bước 3: C4H4 ra C4H6

• Bước 4: C4H6 ra polybutadien

2. Từ quá trình dehydro hóa n-butan

Butadiene cũng hoàn toàn có thể được sản xuất bằng cách xúc tác dehydro hóa butan ( n-butan ). Ngày nay, butadien từ n-butan được sản xuất thương mại bằng quy trình tiến độ Houdry Catadiene, được tăng trưởng trong Thế chiến II. Điều này yên cầu phải giải quyết và xử lý butan trên alumin và crom ở nhiệt độ cao .

3. Từ ethanol

Quy trình này được sử dụng phổ cập ở trong thế chiến thứ II, tuy nhiên lúc bấy giờ nó đã không còn được sử dụng nữa và được sửa chữa thay thế bằng giải pháp Cracking .
Quá trình sản xuất butadiene từ ethanol có 2 quy trình

• Quy trình do Sergei Lebedev phát triển, etanol được chuyển đổi thành butadien, hydro và nước ở 400–450 ° C không qua bất kỳ loại xúc tác oxit kim loại nào.

Quy trình thứ hai di Ivan Ostromislensky tăng trưởng, etanol được oxy hóa thành axetaldehyt, phản ứng với etanol bổ trợ trên chất xúc tác silica xốp được thực thi bởi tantali ở 325 – 350 ° C để tạo ra butadien .

4. Từ butenes

1,3 – Butadiene cũng hoàn toàn có thể được sản xuất bằng cách xúc tác dehydro hóa butenes thường thì. Quá trình này tiết kiệm chi phí hơn nhiều so với từ Ethanol hoặc n-butan .
Đây cũng là một quy trình được sử dụng nhiều trong thế chiến thứ II, nhưng lúc bấy giờ đã được sửa chữa thay thế bằng quy trình cracking .

Qui trình sản xuất cao su Buna

Có nhiều qui trình sản xuất cao su buna, tuy nhiên sự độc lạ đa phần của những qui trình này là chất độn. Chất độn được thêm vào trong quy trình sản xuất sẽ quyết định hành động những đặc tính đặc biệt quan trọng của cao su buna .

Bước 1: Trộn tạo hỗn hợp cho phản ứng tạo polymer.

• Hỗn hợp các monome butadien (1,3-butadiene, 1,2-butadiene được nhủ hóa từ dầu mỏ).
• Các chất kích hoạt tạo gốc và chất xúc tác được thêm vào các bể phản ứng.
• Các bể phản ứng này chứa nước với vai trò là môi trường cho phản ứng tổng hợp polymer.

Bước 2: Quá trình gia nhiệt cho phản ứng tổng hợp các nhánh mono polymer.

• Bể phản ứng được gia nhiệt từ 30 đến 40°C nhằm thúc đẩy sự hình thành các nhánh mono polymer (hình thành liên kết cis và trans).

1,3-butadiene + 1,3-butadien + 2-propenenitrile + 1,3-butadiene + 1,2-butadiene → nitrile butadien

• Quá trình phản ứng tạo ra các mono polymer thường từ 5 đến 12 giờ, với hiệu suất khoảng 70% các thành phần nguyên liệu sẽ được tổng hợp thành các chuỗi polymer.

Bước 3: Kích thích phản ứng tạo mono polymer nhằm tối ưu hiệu suất.

• Hai hoạt chất dimethyldithiocarbamate hay diethyl hydroxylamine sẽ được thêm vào bể phản ứng, thúc đẩy phản ứng của 30% thành phần còn lại. Các thành phần không phản ứng sẽ bị loại bỏ thông qua hơi nước.
• Hiệu suất tổng hợp các mono polymer thường đạt gần 100%, sau khi thu hồi các mono polymer này sẽ được lọc để loại bỏ các chất rắn không mong muốn.

Bước 4: Ổn định các chuỗi polymer thành phẩm.

Sản phẩm này sẽ được chuyển qua bể trộn, nơi nó được không thay đổi bằng những chất chống oxy hóa. Sau đó được đông tụ bằng canxi nitrat ( Buna – N ), hay nhôm sunfat ( Buna – S ). Các chất đông tụ dư sẽ được rửa và sấy khô tạo ra mẫu sản phẩm sau cuối là Cao su Buna nguyên vật liệu .

Bước 5: Sản xuất các thành phẩm cao su buna.

Quá trình này sử dụng cao su nguyên vật liệu từ bước 4 cùng với hỗn hợp những chất độn. Mục đích tạo ra những mẫu sản phẩm cao su hoàn thành xong mang những đặc tính mong ước. Hoặc được sử dụng làm chất độn để tăng đặc thù mới cho những loại polymer khác .

Ví dụ: Cải thiện độ dẻo dai (khả năng chống va đập) của nhựa như polystyrene và acrylonitrile butadiene styrene (ABS).

Cao su buna có tính đàn hồi và độ bền tốt hơn cao su thiên nhiên

Đây chính là điểm chiếm lợi thế của cao su buna nói riêng và cao su tổng hợp nói chung. Khi những loại cao su tổng hợp đều có tính đàn hồi và độ bền tốt hơn rất nhiều so với cao su vạn vật thiên nhiên. Do chính những thành phần cấu trúc nên chúng và những thành phần này thuận tiện tùy chỉnh trong quy trình sản xuất .

• Phần lớn butadien được trùng hợp để sản xuất cao su tổng hợp. Bản thân polybutadiene là một vật liệu rất mềm, gần như lỏng có giá trị thương mại cao nhất.
• Các chất đồng trùng hợp như acrylonitrile butadien styren (ABS), nitrile-butadien (NBR) và styren-butadien (SBR) rất dai và đàn hồi được điều chế từ butadien và styren/acrylonitril. Đều là các loại cao su tổng hợp được sử dụng rất rộng rãi hiện nay. Đơn cử như SBR là vật liệu được sử dụng phổ biến nhất để sản xuất lốp ô tô.
• Một lượng nhỏ butadien được sử dụng để tạo ra nylon, adiponitrile, bằng cách bổ sung một phân tử hydro xyanua vào mỗi liên kết đôi trong một quá trình được gọi là hydrocyanation do DuPont phát triển.
• Các vật liệu cao su tổng hợp khác như chloroprene và dung môi sulfolane cũng được sản xuất từ ​​butadien.
• Butadien được sử dụng trong sản xuất công nghiệp 4-vinylcyclohexene thông qua phản ứng đime hóa Diels Alder. Vinylcyclohexene là một tạp chất phổ biến được tìm thấy trong butadien khi bảo quản do quá trình đime hóa.
• Cyclooctadiene và cyclododecatriene được tạo ra thông qua phản ứng đime hóa và trime hóa xúc tác niken hoặc titan, tương ứng.
• Butadiene cũng hữu ích trong quá trình tổng hợp xycloalkane và xycloalkene, vì nó phản ứng với các liên kết carbon-carbon kép và ba thông qua phản ứng Diels-Alder.

Độc tính của cao su Buna và an toàn môi trường

• Butadien có độc tính cấp tính thấp, LC50 là 12,5-11,5 vol% đối với các thí nghiệm trên chuột.
• Tiếp xúc lâu dài có liên quan đến bệnh tim mạch, có mối liên quan nhất quán với bệnh bạch cầu, cũng như mối liên quan đáng kể với các bệnh ung thư khác.
• 1,3-Butadiene đã được IARC chỉ định là chất gây ung thư Nhóm 1 và cũng đã được liệt kê là chất gây ung thư bởi Cơ quan đăng ký dịch bệnh do các chất độc hại và EPA Hoa Kỳ.
• Hội nghị các nhà vệ sinh công nghiệp của chính phủ Hoa Kỳ (ACGIH) liệt kê nó là chất bị nghi ngờ gây ung thư.

Tổng kết

• Cao su buna chính là loại cao su tổng hợp quan trọng nhất, mang những đặc điểm nổi trội của cao su thiên nhiên đồng thời là những đặc tính riêng biệt.
• Đó chính là nguyên nhân cao su buna chiếm đến 1/4 lượng cao su tổng hợp được tiêu thụ trên thế giới (số liệu 2012).
• Hi vọng qua bài viết bạn đã phần nào hiểu về cao su buna. Mọi ý kiến đóng góp vui lòng để lại bình luận, GCS sẽ trả lời các bạn trong vòng 72h.

GCS – Wiki

3.5 / 5 – ( 2 bầu chọn )

Source: http://wp.ftn61.com
Category: Hỏi Đáp