От плантаций до пробирки: как появился каучук и его синтетический аналог

Время прочтения: 28 минут

30 декабря 1927 года считается днем, когда русский химик Сергей Лебедев презентовал свой способ получения синтетического каучука и навсегда изменил вектор промышленного производства упругого вещества. Исследуем важное открытие и выясняем, как складывалась судьба материала на протяжении нескольких веков в еженедельной рубрике «Имени языка Эйнштейна».  

Что такое каучук, откуда он взялся и зачем понадобилось его синтезировать

Под каучуком понимают вещество, отличающееся высокой степенью эластичности, водонепроницаемостью и свойствами электроизоляции. Благодаря таким характеристикам эластомер становится универсальным продуктом для создания множества товаров различных сфер назначения: от лакокрасочных материалов и напольных покрытий до детских игрушек и канцелярских принадлежностей.

Популяризацию каучук получил во многом благодаря Христофору Колумбу и «сувенирам», привезенным им из Нового Света. Одной из диковин стал материал, получивший название «каучук», что дословно с индейского означает «слезы дерева». Мореплаватель обратил внимание на эластичный и прыгучий мяч, которым играли индейцы, и заинтересовался методом его изготовления. Оказалось, что каучук изначально представляет собой липкий белый сок, который племена научились собирать с растений гевеи. При нагревании жидкость превращалась в темный продукт, который легко поддавался воздействию и позволял изготавливать из него предметы обихода племени: водонепроницаемую одежду и обувь, сосуды, игрушки, культовые фигуры. 

Метод получения сока из гевеи. Источник: techinsider.ru

В Европе же пройдет еще несколько столетий, прежде чем в XVIII веке каучук обретет должный интерес. В 1738 французский исследователь Шарль Мари де ла Кондамин представил образцы каучука, предметы из него и описание способов добычи в странах Южной Америки. Материал был взят на вооружение и приспособлен для изготовления подтяжек и подвязок во Франции, галош в Америке, непромокаемых плащей в Великобритании (знаменитые макинтоши) и многих других изделий по всему миру. Огромную популярность получила прорезиненная ткань, получаемая при растворении сырого каучука в скипидаре с добавлением сажи. Из такого материала делали обувь, одежду и головные уборы, покрытия для крыш домов.

Казалось бы, найдено универсальное вещество, простое в применении и не требующее крупных затрат. Однако производителей и покупателей совсем скоро ждали большие разочарования. Эластичность каучука проявляется лишь в небольшом температурном интервале, из-за чего при холодной погоде изделия затвердевали и трескались, тогда как в тепле размягчались почти до первоначального состояния, источая при этом неприятные запахи. Страшно представить, что приходилось испытывать жильцам домов с прорезиненными крышами. Интерес к материалу быстро угас. 

И снова каучуку грозило бы впасть в забвение, если бы не труды американского химика Нельсона Гудьира. Ученый потратил несколько лет и почти все свои сбережения, чтобы избавить материал от недостатков. В 1839 году при нагревании каучука с небольшим количеством серы он обнаружил, что улучшается прочность вещества, его твердость, а также устойчивость к перепадам температур. Новый материал мы знаем как резину, а открытый Гудьиром процесс называем вулканизацией каучука.

Так вещество обрело новое дыхание и даже вызвало своеобразную «каучуковую лихорадку». Из резины изготавливали совершенно разные изделия: ленты конвейеров, покрытия электроизоляции, обувь, воздушные шары. Однако основное и наиболее масштабное применение материал получил в экипажной, а затем и автомобильной промышленности. Вулканизированный каучук стал незаменимым элементом при производстве покрышек, приводных ремней, амортизаторов, различных прокладок и многих других важных деталей транспортных средств.

Всеобщая автомобилизация способствовала многократному увеличению спроса на каучук. Имеющихся зарослей дикой гевеи перестало хватать, ее начали выращивать в тропиках Суматры, Явы, Малайского архипелага. Однако даже крупные каучуковые плантации не удовлетворяли запросы промышленности. Тогда ученые в очередной раз задались вопросом: может ли химическое вещество заменить природное? И ответ был найден.

Как участие в конкурсе академика-вольнодумца заново сотворило каучук 

Идеями получения искусственного каучука на стыке XIX и XX веков были полны умы многих ученых в лабораториях всего мира. Причиной этому стало во многом нежелание стран, удаленных от экваториальной «каучуковой» зоны, впадать в зависимость от импорта.

Проводились многочисленные успешные и не очень опыты, синтезировались каучукоподобные вещества и даже запускались промышленные партии изделий из него, однако глобально положение это не меняло. Переломными стали работы русского ученого Сергея Васильевича Лебедева. Именно его принято считать основателем первого в мире крупномасштабного производства синтетического каучука.

С. В. Лебедев, портрет в лаборатории. Источник: m.realnoevremya.ru

Еще в школьные годы Лебедев решил выбрать химию делом всей своей жизни и до конца был верен этой позиции. Успешно поступил в Санкт-Петербургский университет и обучался у великих умов своего времени: слушал лекции Дмитрия Менделеева, писал диплом под руководством будущего академика Алексея Фаворского. Однако за участие в студенческих волнениях был исключен и продолжал научные поиски уже самостоятельно. 

Значительную часть своей деятельности Сергей Васильевич посвятил полимеризации диенов. В 1910 году он представил на заседании Русского химического общества несколько граммов вещества, синтезированного из дивинила и напоминающего каучук.  

В 1932 году академик вернется к работе над процессом полимеризации, доработает формулу и даже примет участие в конкурсе, где презентует плоды синтезации. Страна остро нуждалась в материалах и правительство попыталось найти решение проблемы среди работ ученых. Условия участия требовали серьезной подготовки: необходимо было описать способ получения синтетического каучука, предоставить два килограмма материала, а также схему, применимую для заводского использования, при том из доступного и дешевого сырья. И Лебедев справился — получил синтетический каучук полимеризацией бутадиена под действием металлического натрия. Бутадиен Сергей Васильевич получил из этилового спирта, сырьем для которого служила обычная картошка. 

Использование продукта этанола из растительного сырья значительно удешевляло производство материала. Так, благодаря разработке Лебедева, Советский Союз стал первой страной, запустившей промышленное широкомасштабное производство синтетического каучука. Вплоть до 1990 года СССР занимал первое место в мире по объемам производства синтетического каучука в мире. Не последнюю роль открытие сыграло и в победе над фашистской Германией: заводы смогли быстро и экономно оснастить технику шинами собственного производства.  

Ярославский завод СК-1 — первый в мире завод по производству синтетических каучуков по технологии Лебедева. Источник: in-w.ru 

Как обстоят дела в каучуковой промышленности сегодня 

По сей день синтетический каучук остается важным элементом всей производственной системы. В первую очередь, конечно, затрат требуют авиационная и автомобильная промышленность, каучук в которых применяется для изготовления приводных ремней и транспортных лент, шлангов и рукавов, электроизоляционных изделий. Однако и многие совершенно привычные нам предметы также изготавливаются из этого материала: спортивные товары, игрушки, обувь, плащи, краски и клеи. 

Не забыт и природный каучук, доля которого составляет около 20% в общем производстве. Он прочнее искусственного, поэтому более приспособлен для изготовления изделий, рассчитанных на значительную нагрузку, таких как, например, шины большегрузной техники. 

Ежегодно порядка четырех миллионов тонн натурального и синтетического каучука участвуют в производстве, чтобы стать частью жизни человека.

На обложке: Ярославский завод СК-1, первый в мире завод синтетического каучука. Источник: ussrvopros.ru