Вулканизация каучука серой — случайное открытие, которое вывело шины на дороги

Работайте в хорошо проветриваемом помещении или под вытяжным шкафом. Наденьте химические защитные очки, нитриловые перчатки и лабораторный халат. Пары скипидара легко воспламеняются и при высокой концентрации могут вызывать головокружение. На последующем этапе нагрева образуются следы диоксида серы — того же удушливого газа, который выделяется при производстве серной кислоты. Убедитесь, что на рабочем месте нет открытого огня. Для стадии вулканизации используйте электрическую печь или нагревательную плиту — никогда не используйте открытое пламя рядом со скипидаром или резиной.

Нарежьте 20 г листового натурального каучука на маленькие кусочки размером примерно 5 мм с помощью тяжёлых ножниц. Чем меньше кусочки, тем быстрее они растворяются в скипидаре. Натуральный каучук (цис-1,4-полиизопрен) — это длинноцепочечный полимер: каждая молекула содержит тысячи изопреновых звеньев (C₅H₈), соединённых последовательно. Цепи не сшиты между собой, поэтому каучук можно растворить: молекулы растворителя проникают между цепями и разделяют их.

Поместите куски каучука в стеклянную банку и добавьте 100 мл скипидара (живичного скипидара). Плотно закройте банку и оставьте на 12–24 часа, периодически встряхивая. Каучук постепенно набухает, а затем растворяется, образуя густой вязкий раствор — по сути, резиновый клей. Скипидар — растворитель из группы терпенов, который проникает между цепями полиизопрена и разделяет их. Сам Гудьир использовал скипидар и нафту для работы с каучуком ещё до своего открытия вулканизации.

Взвесьте 2 г серного цвета (мелкодисперсная элементарная сера, S₈). Это составляет примерно 10% серы по массе относительно каучука — умеренная степень вулканизации, которая дает твердую, но гибкую резину. Меньше серы (1–3%) дает более мягкую, эластичную резину; больше серы (25–30%) дает эбонит — твердый, жесткий материал, который был первой коммерческой термореактивной пластмассой. Измельчите серу, чтобы обеспечить равномерное распределение.

Добавьте порошок серы в растворённый каучук и тщательно перемешивайте в течение 5 минут. Сера должна равномерно распределиться по всему вязкому раствору — в виде мелких жёлтых частиц, взвешенных в янтарном каучуковом клее. Если раствор слишком густой, добавьте небольшое количество скипидара для улучшения перемешивания. Такое тесное диспергирование имеет решающее значение: при вулканизации сера должна находиться близко к полимерным цепям, чтобы образовать поперечные связи. В промышленных процессах серу смешивают с твёрдым каучуком на обогреваемых двухвалковых вальцах.

Вылейте раствор каучука с серой в неглубокую металлическую или стеклянную форму — хорошо подойдёт небольшая противень для выпечки или чашка Петри. Равномерно распределите до толщины 3–5 мм. Чем тоньше слой, тем быстрее испаряется скипидар и тем равномернее идёт вулканизация. При необходимости получить более толстое изделие позже можно наслоить несколько тонких отливок.

Оставьте форму в хорошо проветриваемом месте на 12–24 часа, чтобы скипидар полностью испарился. По мере удаления растворителя резина затвердевает, превращаясь в гибкий липкий лист с равномерно распределёнными в нём частицами серы. Плёнка может казаться слегка жёлтой из-за диспергированной серы. Не нагревайте для ускорения сушки — пары скипидара и нагрев представляют пожароопасность. Скипидар必须 полностью удалён перед вулканизацией: остаточный растворитель, захваченный резиной, образует пузыри и ослабляет конечный продукт.

Поместите высушенный резино-серный лист (всё ещё в форме) в электрическую духовку, предварительно разогретую до 140–160 °C. Это критический этап — случайное открытие Гудйира. При этой температуре кольца S₈ раскрываются, и атомы серы атакуют двойные связи в цепях полиизопрена, образуя ковалентные серные мостики (-C-Sₓ-C-) между соседними цепями. Каждая поперечная связь необратимо соединяет две полимерные цепи, создавая трёхмерную сеть, которая больше не может плавиться или растворяться. Нагревайте в течение 45–60 минут. Слабый запах диоксида серы указывает на то, что реакция идёт.

Извлеките форму из духовки и дайте ей остыть до комнатной температуры. Резина должна легко отделяться от формы. Цвет потемнел с исходного янтарного до коричневого или тёмно-бежевого — серные поперечные связи сдвигают спектр поглощения. Поверхность должна быть твёрдой и сухой, а не липкой — отсутствие поверхностной липкости является признаком успешной вулканизации. Если поверхность всё ещё липкая, вулканизация была неполной: верните форму в духовку ещё на 30 минут.

Растяните вулканизированную резину — она должна значительно удлиниться и вернуться к исходной форме после того, как её отпустят. Эта упругая способность к восстановлению является определяющим свойством вулканизированной резины и причиной того, что открытие Гудьира преобразило промышленность. Сравните с кусочком невулканизированного натурального каучука: невулканизированный образец остаётся деформированным после растяжения (остаточная деформация), тогда как вулканизированный возвращается. Проверьте термостойкость: поднесите кусочек близко (но не касаясь) к тёплой поверхности — вулканизированная резина остаётся упругой, тогда как невулканизированный каучук размягчится и станет липким. Проверьте стойкость к растворителям: поместите небольшой кусочек в скипидар — вулканизированная резина слегка набухает, но не растворяется, поскольку поперечные связи не позволяют цепям разделиться.

Вулканизированная резина теперь представляет собой стабильный, прочный материал, который будет сохранять свои свойства в течение многих лет. Храните вдали от прямого солнечного света и источников озона (электродвигатели производят озон, который разрушает резину). Патент Гудイヤ 1844 года на этот простой процесс — смешивание каучука с серой и нагревание — положил начало современной резиновой промышленности и сделал возможными шины, шланги, прокладки, уплотнители, подошвы для обуви и тысячи других изделий. Мировая резиновая промышленность сегодня потребляет более 30 миллионов тонн в год, и каждый кусок резины в каждой шине, уплотнителе и ремне был вулканизирован той же фундаментальной реакцией, которую Гудйир открыл на своей кухонной плите.