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HISTÓRIA DA TECNOLOGIA, TECNOLOGIA, OBJETOS AO REDOR DE NÓS
Borracha sintética. História da invenção e produção
Diretório / A história da tecnologia, tecnologia, objetos ao nosso redor As borrachas são elastômeros naturais ou sintéticos caracterizados pela elasticidade, resistência à água e propriedades isolantes elétricas, das quais são obtidas borrachas e ebonites por vulcanização.
A Europa aprendeu sobre a borracha no século XNUMX. Cristóvão Colombo trouxe da América junto com muitas outras curiosidades. Enquanto os navios estavam ancorados perto da ilha do Haiti, Colombo e seus companheiros observaram os indígenas brincando com uma bola feita de algum tipo de material elástico, completamente desconhecido na Europa. As bolas quicavam facilmente quando atingiam o chão, comprimiam e novamente restauravam sua forma original. Voltando à Espanha, Colombo levou consigo amostras deste maravilhoso material, que mais tarde ficou conhecido no Velho Mundo sob o nome de "borracha". Traduzido do índio "borracha" significa "lágrimas de uma árvore". Como ficou conhecido mais tarde, era um suco coletado de incisões na casca de uma árvore tropical - a hevea brasileira. Foi tirado de uma árvore quando a hevea tinha sete anos: a uma altura de meio metro, uma incisão foi feita na casca, e quando o suco branco como leite começou a fluir debaixo dela, eles o coletaram em copos pendurados, e, em seguida, derramou-o em um grande recipiente. No ar, o suco coagulou de forma relativamente rápida e se transformou em um produto resinoso escuro - borracha.
Os europeus não apreciaram imediatamente os méritos deste material. Durante dois séculos trataram a borracha como uma curiosidade selvagem. Enquanto isso, os viajantes que vinham para a América do Sul continuavam a entregar cada vez mais novos itens feitos de borracha para a Europa. Entre eles estavam garrafas, botas impermeáveis e roupas de chuva. Tudo isso era muito curioso, mas não tinha significado prático. Somente depois de muito tempo os europeus encontraram o primeiro uso para a borracha - eles começaram a usá-la na forma de elásticos, que lembram as modernas borrachas escolares. No final do século XVIII, o químico inglês Mackintosh obteve uma patente para a fabricação de capas de chuva impermeáveis de borracha. Eles são chamados de Macintosh. As capas de chuva, no entanto, não eram boas o suficiente para o clima europeu; em baixas temperaturas, elas se tornavam duras como estanho e no calor - pegajosas. Depois de muitos experimentos, eles encontraram uma maneira de evitar essas características desagradáveis da borracha vulcanizando-a. (Esta importante descoberta foi feita em 1839 pelo químico americano Goodyear.) Verificou-se que quando a borracha é aquecida com enxofre, ela muda bastante suas propriedades - torna-se mais flexível, elástica e não tão sensível às mudanças de temperatura. Esta nova borracha vulcanizada ficou conhecida como borracha. Rapidamente ganhou popularidade, pois provou ser extremamente conveniente de várias maneiras. A procura por ele tem crescido a cada ano. Não há outro produto semelhante à borracha na natureza - é à prova d'água, possui propriedades de isolamento elétrico, é flexível e capaz de mudanças muito grandes de forma. Sob a ação de uma força externa, pode esticar várias vezes e encolher novamente. Nenhuma outra substância tem tal elasticidade. Ao mesmo tempo, é forte, durável, resistente à abrasão e fácil de processar. Portanto, a borracha foi e continua sendo um material ideal para a fabricação de pneus de automóveis, todos os tipos de correias de transmissão, fitas de transporte, mangas, amortecedores, juntas, isolamento flexível e muito mais. Sem borracha, a vida de uma sociedade industrial moderna é simplesmente impossível. A partir de meados do século XIX, começou a produção em massa de produtos de borracha. Isso criou uma verdadeira febre da borracha. As áreas onde cresciam as seringueiras tornaram-se objeto de guerras e especulações. A hevea selvagem logo deixou de atender às necessidades da indústria. Além disso, extrair borracha na selva era difícil e caro. Experimentos bem-sucedidos foram feitos para criar plantações de borracha. Hevea mudou-se para os trópicos de Java, Sumatra, o arquipélago malaio. A produção de borracha aumentou várias vezes, mas a demanda por ela continuou a crescer. Há cem anos, o mundo científico procura a resposta para o mistério da borracha para aprender a produzi-la artificialmente por meios químicos. Gradualmente ficou claro que a borracha natural do suco de hevea é uma mistura de várias substâncias, mas 9/10 de sua massa cai no hidrocarboneto de poliisopreno com a fórmula (C5H8) n, onde n é muito grande - mais de mil. Substâncias com uma estrutura semelhante pertencem ao grupo de produtos altamente moleculares - polímeros, que são formados pela combinação de várias, às vezes muitas moléculas idênticas de substâncias monoméricas mais simples (neste caso, moléculas de isopreno C5H8). Sob condições favoráveis, moléculas de monômeros individuais são conectadas umas às outras em fios de cadeia linear ou ramificada longos e flexíveis. Esta reação de formação de polímero é chamada de polimerização. Ocorre apenas com substâncias orgânicas que possuem ligações múltiplas (duplas ou triplas). Como resultado da separação dessas ligações, ocorre a conexão de moléculas individuais entre si (devido às valências liberadas). Além do poliisopreno, a borracha natural contém proteínas e minerais semelhantes a resinas. O poliisopreno puro, purificado a partir de resinas e proteínas, é muito instável e perde rapidamente suas valiosas propriedades técnicas no ar: elasticidade e resistência. Assim, para produzir borracha artificial era preciso aprender pelo menos três coisas: 1) obter isopreno de outras substâncias; 2) realizar a reação de polimerização do isopreno; 3) tratar a borracha resultante com substâncias adequadas para protegê-la da decomposição. Todas essas tarefas provaram ser extremamente difíceis. Em 1860, o cientista inglês Williams, por destilação a seco da borracha, isolou dela o isopreno, que se revelou um líquido leve, móvel, incolor e de odor peculiar. Em 1879, o químico francês Gustav Bouchard, aquecendo o isopreno e agindo sobre ele com ácido clorídrico, realizou a reação inversa - ele obteve um produto semelhante à borracha. Em 1884, o químico inglês Tilden obteve isopreno pela decomposição de alta temperatura da terebintina. Embora cada um desses cientistas tenha contribuído para o estudo das propriedades da borracha, o segredo de sua síntese permaneceu sem solução no século XNUMX - todos os métodos abertos se mostraram inadequados para uso industrial, seja pelo alto custo das matérias-primas, seja porque dos baixos rendimentos de isopreno, ou pela complexidade dos processos técnicos que asseguram a reação. Mas o isopreno é realmente necessário para a produção de borracha? Talvez uma macromolécula com propriedades semelhantes possa ser formada a partir de outros hidrocarbonetos? Em 1901, o químico russo Kondakov descobriu que o dimetilbutadieno também se transforma em uma substância emborrachada se deixado no escuro ou sob luz difusa por cerca de um ano. (Durante a Primeira Guerra Mundial na Alemanha, cortada das fontes de borracha natural, foi lançada a produção de borracha sintética a partir de dimetilbutadieno. No entanto, os produtos dela eram de muito baixa qualidade, mas seu preço acabou sendo proibitivo devido à dificuldades técnicas. Após a guerra, essa borracha metílica nunca mais foi produzida.) Mais tarde, descobriu-se que todos os hidrocarbonetos com esqueleto molecular podem ser sintetizados em substâncias semelhantes à borracha.
O primeiro membro desta série é o butadieno (ou divinil)
Em 1914, os britânicos Matthews e Strange obtiveram uma borracha muito boa do divinil na presença de sódio metálico. Mas seu trabalho não foi além de experimentos de laboratório devido ao fato de que, em primeiro lugar, não foi encontrado um método para a produção de divinil e, em segundo lugar, não foi possível criar uma instalação que pudesse sintetizar borracha na fábrica. Ambos os problemas foram resolvidos quinze anos depois pelo químico russo Sergei Lebedev. Antes da Primeira Guerra Mundial, as fábricas russas produziam até 12 mil toneladas de borracha importada. Após a revolução, quando começou a industrialização da indústria, as necessidades de borracha da União Soviética aumentaram muitas vezes. Um navio exigia 68 toneladas de borracha, cada tanque - 800 kg, aeronave - 600 kg, carro - 160 kg. A cada ano, mais e mais borracha precisava ser comprada no exterior. Enquanto isso, em 1923-1924, o preço da borracha natural atingiu 2400 rublos de ouro por tonelada. A necessidade de pagar tanto dinheiro e, em maior medida, a dependência em que o jovem estado soviético caiu dessa maneira dos fornecedores, representava sérios problemas para a liderança do país. Havia apenas uma maneira de resolvê-los - desenvolvendo um método industrial para a produção de borracha sintética. No final de 1925, o Conselho Econômico Supremo anunciou uma competição internacional para a melhor maneira de produzir borracha sintética. Os termos da competição eram bastante rigorosos: a borracha tinha que ser feita na URSS a partir de produtos extraídos na URSS, o preço da borracha artificial não poderia exceder o preço médio mundial nos últimos cinco anos. Em 1º de janeiro de 1928, foi necessário entregar 2 kg da amostra acabada a Moscou. Lebedev na época chefiava o Departamento de Química Geral da Universidade de Leningrado. Mesmo antes da revolução, ele trabalhava no problema da borracha sintética há vários anos e estava ciente das dificuldades que enfrentavam todos os participantes da competição. No entanto, ele decidiu participar. Vários alunos e estudantes concordaram em ajudá-lo em seu trabalho. Os tempos eram muito difíceis. Todos os assistentes e o próprio Lebedev trabalhavam totalmente de graça durante as horas de folga, à noite e nos fins de semana. Para cumprir o prazo, eles trabalharam com o maior esforço. Experimentos tecnológicos complexos tiveram que ser realizados nas condições mais desfavoráveis. Literalmente tudo estava faltando. Como recordaram mais tarde os participantes dessa incrível empresa, eles fizeram tudo o que precisavam com as próprias mãos. Lebedev teve que trabalhar não apenas como químico, mas também como soprador de vidro, mecânico e eletricista. Para o resfriamento durante os processos químicos, era necessário gelo - tudo foi colhido em conjunto no Neva. E, no entanto, as coisas estavam progredindo bem. Durante os anos anteriores de pesquisa, Lebedev se convenceu de que obter borracha sintética que reproduza completamente as propriedades da borracha natural é uma tarefa muito difícil e, nessas circunstâncias, dificilmente alcançável. Ele imediatamente abandonou os experimentos com isopreno e decidiu usar o divinil como material de partida. Após a pesquisa de Matthews e Strange no processo de produção de borracha de divinil (butadieno), havia mais um elo perdido - era necessário desenvolver um método para a produção de divinil a partir de matérias-primas baratas e prontamente disponíveis. No início, Lebedev queria levar o petróleo como tal, mas depois concentrou toda a sua atenção no álcool. O álcool era então a matéria-prima mais real. Se o problema da síntese do divinil tivesse sido resolvido com sucesso, seria possível produzir imediatamente borracha em qualquer quantidade necessária, e isso era exatamente o que o país precisava. A essência da reação, na qual o álcool etílico se decompõe em divinil, água e hidrogênio (geralmente descrita pela equação: 2CH3CH2OH = C4H6 + 2H2O + H2), ficou clara para Lebedev. Mas a grande dificuldade estava na seleção de um catalisador adequado. Tendo entendido profundamente a essência dos processos em andamento, Lebedev sugeriu que uma das argilas naturais ativas poderia servir como tal catalisador. Durante suas férias na Crimeia e no Cáucaso no verão de 1927, ele constantemente coletava e estudava amostras de argila. No final, ele encontrou o barro certo em Koktebel. A reação em sua presença deu um excelente resultado. Assim, em meados de 1927, o primeiro sucesso foi alcançado - a reação foi na direção certa e o divinil foi obtido a partir do álcool. O próximo processo - a polimerização do divinil - Lebedev decidiu realizar de acordo com o método de Matthews e Strange. Para fazer isso, o sódio em uma instalação especial foi distribuído uniformemente sobre o divinil, após o que a reação continuou por 3-5 dias. No entanto, seu produto final ainda não era a borracha comercial. Estava saturado de gases, o sódio estava distribuído de forma desigual, a mistura era instável e rapidamente oxidada no ar, perdendo elasticidade. Portanto, a borracha resultante foi processada em um misturador, onde foi amassada juntamente com o sódio nela contido. Em seguida, foi misturado com intensificadores, negro de fumo, caulim, magnésia e outros componentes que deveriam proteger a borracha da decomposição. A borracha pronta foi recebida em porções insignificantes - apenas alguns gramas por dia. Portanto, o trabalho continuou literalmente até o último minuto. No final de dezembro, quando faltavam apenas alguns dias para o prazo, a síntese de 2 kg de borracha foi concluída e enviada com urgência para Moscou. Em fevereiro de 1928, o júri, tendo considerado todas as amostras enviadas (aliás, eram muito poucas), reconheceu a borracha cultivada no laboratório de Lebedev como a melhor. No entanto, este foi apenas o começo. Os métodos de laboratório são muitas vezes inaceitáveis em um ambiente fabril. Lebedev foi instruído a continuar pesquisando e desenvolvendo tecnologia industrial para seu método de produção de borracha. O trabalho duro recomeçou. É verdade que agora Lebedev tinha muito mais fundos e oportunidades. Conhecendo bem a importância de seu trabalho, o governo lhe forneceu tudo o que precisava. Logo um laboratório especial para borracha sintética foi estabelecido na Universidade de Leningrado. Dentro de um ano, uma planta piloto foi projetada e construída neste laboratório, que produzia 2-3 kg de borracha por dia. No final de 1929, toda a tecnologia do processo fabril foi desenvolvida. Em fevereiro de 1930, a construção de uma planta piloto começou em Leningrado, na Ilha Gutuevsky. No verão, o laboratório da fábrica foi inaugurado. Equipado de acordo com as instruções pessoais de Lebedev, foi um dos melhores laboratórios químicos da época e se transformou em um verdadeiro centro científico de borracha sintética. Além do laboratório, Lebedev tinha à disposição os melhores especialistas que encontravam. Para todas as perguntas, ele poderia entrar em contato pessoalmente com o secretário do comitê regional do partido de Leningrado, Kirov. A grande dificuldade estava em criar os equipamentos necessários. A engenharia química estava apenas em sua infância. Os pedidos foram distribuídos a todas as fábricas de Leningrado, mas sua implementação progrediu lentamente, pois não tinham a experiência necessária. Até o próprio Lebedev às vezes achava difícil dar conselhos técnicos precisos. No entanto, a construção da planta piloto foi concluída em janeiro de 1931. Em fevereiro, foram obtidos os primeiros 250 kg de borracha. Foi a primeira borracha sintética barata do mundo feita em fábrica. No mesmo ano, três fábricas de borracha gigantes foram instaladas - em Yaroslavl, Voronezh e Efremov. Todos eles foram declarados projetos de construção Komsomol de choque e foram construídos com uma velocidade incrível. Em 1932, a fábrica de Yaroslavl já produzia a primeira borracha. No início, a síntese do divinil na fábrica foi realizada com grande dificuldade. Em vez de uma simples mistura de produtos de decomposição de álcool consistindo em divinil, água e hidrogênio, foi obtido um "vinagrete" complexo de 30 componentes, e o rendimento de divinil nessa massa não excedeu 20-25%. Lebedev teve que ir urgentemente a Yaroslavl com um grupo de seus funcionários para ajudar a montar a produção. Então as mesmas dificuldades surgiram em Voronezh e Efremov. Na primavera de 1934, durante uma viagem a uma fábrica em Efremov, Lebedev contraiu tifo e morreu pouco depois de retornar a Leningrado. Mas a causa, para a qual ele lançou um fundamento tão importante, tornou-se mais forte e desenvolvida. Após as três primeiras fábricas de borracha sintética, várias novas foram construídas. Em 1934, foram produzidas 11 mil toneladas de borracha sintética, em 1935 - 25 mil, em 1936 - 40 mil. Em 1937, a participação da borracha sintética na produção total de borracha já era de 73%. O problema científico e técnico mais complexo foi resolvido com sucesso. No entanto, o método de produção de borracha sintética, desenvolvido por Lebedev, não era o único possível. Ele mesmo entendeu isso muito bem e nos últimos anos pensou muito em como substituir as matérias-primas alimentares (o álcool era produzido a partir de produtos alimentícios e gastavam-se 1 toneladas de batatas para produzir 12 tonelada de álcool) por outras mais baratas, por exemplo, óleo. Outra desvantagem da borracha divinílica era sua baixa adesividade. Na fabricação de produtos de borracha, foi necessário pagar custos adicionais. Posteriormente, vários outros métodos para a produção de borracha sintética foram desenvolvidos e, em 1965, na URSS, a borracha sintética foi obtida pela primeira vez em condições industriais a partir de isopreno. Autor: Ryzhov K.V.
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