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). Các monome butadien được liên kết với nhau qua các liên kết cis, trans và vinyl.
Quá trình tổng hợp cao su buna
Quá trình trùng hợp cao su buna là quá trình tạo các liên kết carbon-carbon giữ các monome 1,3-butadien để tạo ra một phân tử chuỗi polymer dài hơn nhiều.
Xét về khả năng kết nối của chuỗi polymer, các monome 1,3-butadiene có thể trùng hợp theo ba cách khác nhau là cis, trans và vinyl.
- 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.
Trong phản ứng trùng hợp các chuỗi polymer, cả hai liên kết đôi cis và trans sẽ hình thành theo tỷ lệ phần trăm phụ thuộc vào nhiệt độ và các chất xúc tác.
Quá trình điều chế 1,3-butadiene
Có nhiều qui trình để điều chế ra 1,3-butadiene ở cả qui mô phòng thí nghiệm và công nghiệp. Tuy nhiên, ở đây mình chỉ nêu ra 03 phương pháp lớn được sử dụng tương đối phổ biến.
1. Quy trình Cracking từ các hydrocacbon C4
Butadien thường được phân lập từ các hydrocacbon bốn cacbon khác được tạo ra trong quá 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 quy trình được sử dụng để sản xuất butadiene quy mô công nghiệp hiện nay.
- 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 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 Houdry Catadiene, được phát triển trong Thế chiến II. Điều này đòi hỏi phải xử lý butan trên alumin và crom ở nhiệt độ cao.
3. Từ ethanol
Quy trình này được sử dụng phổ biến ở trong thế chiến thứ II, tuy nhiên hiện nay nó đã không còn được sử dụng nữa và được thay thế bằng phương pháp Cracking.
Quá trình sản xuất butadiene từ ethanol có 2 quá 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 phát triển, etanol được oxy hóa thành axetaldehyt, phản ứng với etanol bổ sung trên chất xúc tác silica xốp được xúc tiến bởi tantali ở 325–350 ° C để tạo ra butadien.
3. Từ butenes
1,3-Butadiene cũng có thể được sản xuất bằng cách xúc tác dehydro hóa butenes thông thường. Quá trình này tiết kiệm hơn nhiều so với từ Ethanol hoặc n-butan.
Đây cũng là một quá trình được sử dụng nhiều trong thế chiến thứ II, nhưng hiện nay đã được thay thế bằng quá trình cracking.
Qui trình sản xuất 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 ổn định bằng các 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 sản phẩm cuối cùng là Cao su Buna nguyên liệu.
Bước 5: Sản xuất các thành phẩm cao su buna.
Quá trình này sử dụng cao su nguyên liệu từ bước 4 cùng với hỗn hợp các chất độn. Mục đích tạo ra các sản phẩm cao su hoàn thiện mang những đặc tính mong muốn. Hoặc được sử dụng làm chất độn để tăng tính chất mới cho các 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 ưu thế của cao su buna nói riêng và cao su tổng hợp nói chung. Khi các loại cao su tổng hợp đều có tính đàn hồi và độ bền tốt hơn rất nhiều so với cao su thiên nhiên. Do chính các thành phần cấu tạo nên chúng và các thành phần này dễ dàng tùy chỉnh trong quá 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
