Исследователи из Японии разработали синтетический каучук, который обладает той же прочностью при растяжении, что и натуральный. Это имеет большое значение для мировой резиновой промышленности и позволяет снизить зависимость от этого важного природного материала.
Натуральный каучук применяют при производстве шин и других деталей автомобилей, напольных покрытий, одежды, клея, антивибрационных прокладок и креплений, ластиков, резиновых лодок, воздуховодов, шлангов, звукопоглощающих материалы и многого другого — всего он используется более чем в 40 000 коммерческих продуктов. Источник натурального каучука — растения, в основном — бразильское каучуковое дерево Hevea brasilensis.
Резина обладает такими привлекательными свойствами, как упругость, эффективное рассеивание тепла, эластичность, ударопрочность, превосходная электроизоляция и стойкость к истиранию. Синтетические каучуки, несмотря на то, что они их активно исследовали в последние десятилетия, пока не могут легко имитировать характеристики натурального.
Однако, несмотря на свою полезность, добыча и переработка натурального каучука наносят огромный ущерб окружающей среде. Каучуковые плантации являются серьезной причиной обезлесения. Кроме того, отсутствие биоразнообразия ресурсов приводит к ненадежности поставок из-за таких факторов, как сокращение посевных площадей и потенциальный неурожай. Сокращение зависимости от натурального каучука является ключевым направлением для исследователей.
С начала девятнадцатого века структура натурального каучука изучалась и анализировалась многими исследователями. Ранние работы были сосредоточены на первичной структуре натурального каучука. Более поздние исследования показали, что каучук представляет собой нанокомпозит. Его основным компонентом является цис -1,4-полиизопропен с второстепенными некаучуковыми компонентами, такими как белки и липиды. Исследования показали, что вулканизация натурального каучука включает роль некаучуковых компонентов посредством взаимодействия между белками и ионами цинка.
Реакции и расслоение фаз при биосинтезе вызывают образование в натуральном каучуке нанофазно-разделенной структуры. Структура состоит из частиц натурального каучука диаметром около 1 мкм и матрицы некаучуковых компонентов толщиной в несколько десятков нанометров.
Группа ученых из ACS Applied Polymer Materials разработала синтетический каучук, идентичный натуральному. Процесс синтеза был вдохновлен биосинтезом натурального каучука и процессом, который формирует то, что исследователи назвали «островно-наноматричной структурой». В своих исследованиях авторы химически прикрепили наночастицы к частицам синтетического каучука размером ~ 1 мкм, диспергированным в воде. За этим процессом следовали стадии коагуляции и сушки. Авторы отдавали предпочтение органическим наночастицам из-за органической природы белков. Прививочная полимеризация при низких температурах подходящего мономера, являющегося предшественником полимера, обладающего относительно высокой температурой стеклования, на частицах каучука способствовала прикреплению органических наночастиц.
В качестве источника исследователи использовали синтетический цис -1,4-полиизопрен, который содержал не менее 98,5% цис -1,1-изопрена. Материал готовили методом полимеризации в растворе. Синтетический материал растворяли в летучих веществах с последующим эмульгированием с водой и этапами выпаривания растворителя для создания синтетического латекса. Исследователи стабилизировали латекс, покрыв частицы цис -1,4-полиизопрена канифолью с последующей заменой додецилсульфатом натрия непосредственно перед привитой сополимеризацией стирола.
Конверсия стирола при привитой сополимеризации при комнатной температуре оказалась недостаточной — всего 15% — лишь незначительно увеличиваясь при росте концентрации инициатора. Присутствие канифоли ингибировало привитую полимеризацию. Повышение температуры инкубации до 90 градусов по Цельсию решило эту проблему.
Для визуализации наноструктуры приготовленного синтетического каучука была использована ТЭМ, которая показала, что это та же островково-наноматричная структура натурального каучука. Анализ напряжения-деформации показал, что когда синтетический каучук содержит эту структуру, механические свойства материала идентичны свойствам натурального каучука.
Кроме того, результаты исследования показали, что оптимальное время вулканизации для этого синтетического каучука было таким же, как и для его натурального аналога. В целом результаты этих исследований свидетельствуют о синтезе синтетического каучука, который решает традиционные проблемы, связанные с его производством.
Читать далее
Самое большое генеалогическое древо человечества показало историю нашего вида
Физики воссоздали способности Т-1000 из «Терминатора-2» в лаборатории
Ученые, возможно, нашли недостающее звено между одноклеточными и клетками человека