Видео о сборе каучука захлестнуло интернет, демонстрируя завораживающий процесс получения эластичного материала прямо из рук природы. Если его сбор привлекает внимание своей экзотикой, то вопрос о применении каучука в повседневной жизни для многих до сих пор открыт. Ученые Пермского Политеха рассказали, благодаря чему материал завоевал мир, почему он стал незаменим на заводах, как его применяют для 3D-печати, роботов и гибкой электроники, как он защищает автовладельцев от ДТП, помогает реже перекладывать асфальт и в каких неожиданных предметах он содержится.
Молекулярная магия: как устроен природный материал
Каучук представляет собой эластомер, обладающий уникальной способностью возвращаться к своей первоначальной форме после растяжения или сжатия. На молекулярном уровне он состоит из длинных полимерных цепей, связанных между собой.
— Существуют два основных вида каучука: натуральный добывают из латекса — млечного сока каучуконосных растений, преимущественно из бразильской гевеи. Процесс получения включает надрезы на коре дерева, через которые белая субстанция стекает в емкости. В латексе содержится около 30–40% каучука, а остальное — это вода, белки, смолы и другие вещества. Для выделения каучука латекс обрабатывают кислотой, например, уксусной или муравьиной, что вызывает его свертывание. Затем эту массу промывают, раскатывают в листы и сушат, — рассказывает Нина Любимова, старший преподаватель кафедры «Общая физика» Пермского Политеха.
Синтетический эластомер производят совсем иначе — его создают путем полимеризации нефтехимических мономеров, таких как бутадиен, изопрен или стирол.
От дерева гевеи до заводов: как каучук завоевал мир
Настоящая революция произошла благодаря открытию вулканизации — процессу, который превратил изначально клейкий и неустойчивый природный материал в резину. В 1839 году американский изобретатель Чарльз Гудьир случайно нагрел смесь каучука и серы на кухонной плите. Вместо ожидаемого плавления масса стала более прочной, эластичной и устойчивой к температурам. Это открытие привело к созданию резины, которая не размягчалась в жару и не трескалась на холоде.
— После открытия резина стала менее уязвимой к перепадам температур, более упругой, устойчивой к растворителям и механическим повреждениям. Именно благодаря этому технологическому прорыву мир получил универсальный материал, без которого сложно представить современную жизнь — от автомобильных шин и герметичных уплотнений до электроизоляции, подошвы обуви и бесчисленного множества других изделий, обеспечивающих комфорт и безопасность нашей повседневной жизни, — говорит Нина Любимова.
Битва эластомеров: почему синтетический каучук лидирует, но натуральный остается незаменимым
Синтетический каучук, появившийся в ответ на ограниченность ресурсов натурального и потребность в материалах с заданными свойствами, постепенно занял доминирующее положение на рынке.
— Главное преимущество синтетического каучука в том, что мы можем создавать его с нужными нам свойствами. Например, для автомобильных шин очень важно, чтобы резина не стиралась долгое время. Поэтому там используют очень износостойкий бутадиен-стирольный каучук. А там, где материал должен контактировать с маслом или бензином (например, в прокладках двигателя), используют нитрильный, потому что он не боится этих веществ, — рассказывает физик Пермского Политеха.
Однако натуральный каучук сохраняет свои позиции в тех областях, где важна высокая прочность на разрыв и динамическая выносливость, например, в производстве крупногабаритных шин для горной техники. Таким образом, выбор между синтетическим и натуральным каучуком определяется конкретными требованиями к конечному продукту.
3D-печать резиной: новые горизонты аддитивных технологий
В последнее время 3D-печать набирает все большую популярность. Причины очевидны: технологии развиваются и становятся дешевле. Широкое применение в аддитивных технологиях находит резина, хотя и требует особых подходов. Чаще всего используются материалы, сочетающие в себе свойства термопластов (возможность многократной переработки) и эластомеров (упругость и эластичность).
— По сравнению с популярными для 3D-печати пластиками, резина обладает рядом преимуществ, обусловленных ее эластичностью. Изделия из нее способны поглощать энергию удара, гасить вибрации и обеспечивать герметичность соединений, что делает их незаменимыми в тех случаях, когда требуется амортизация и уплотнение. Кроме того, материал характеризуется более высоким коэффициентом трения, что обеспечивает лучшее сцепление с поверхностями, — объясняет Нина Любимова, старший преподаватель кафедры «Общая физика» Пермского Политеха.
Однако пластики превосходят резину по прочности на разрыв, жесткости и химической стойкости к агрессивным средам, а также обладают более широким спектром доступных цветов и текстур.
Резиновые дороги: как эластомер делает дороги безопаснее
Каучук играет важную роль в строительстве дорог, делая их более долговечными, безопасными и тихими.
— Добавка материала в асфальт позволяет быть ему гибким и устойчивым к нагрузкам от автомобилей, предотвращая появление трещин и ям. Он увеличивает сцепление шин с дорожным покрытием, особенно во влажную погоду, снижая риск аварий. Полотна с эластомером поглощают шум от движения транспорта, делая поездки более комфортными для жителей близлежащих домов. Кроме того, автомагистрали с резиновым покрытием более устойчивы к перепадам температур и другим погодным условиям, что снижает вероятность деформации, — поясняет эксперт Пермского Политеха.
Так, например, материал для дорог с добавлением каучука, разработанный учеными Пермского Политеха, лучше сохраняет эластичность при минусовой температуре и более устойчив к деформациям во время жары, что позволяет защитить асфальт от трещин, образующихся из-за замерзания воды и таяния льда, а срок службы такого асфальта может достигать 30 лет без ремонта.
От датчиков до роботов: невероятные возможности гибкой электроники
Гибкая электроника на основе каучука может найти применение в датчиках здоровья, гибких дисплеях, медицинской технике (имплантируемые устройства, электронная кожа), робототехнике (сенсоры для мягких роботов), автомобильной промышленности (датчики и панели управления) и других областях.
— Технологии печати, такие как струйная, трафаретная и 3D, позволяют наносить проводящие, полупроводниковые и диэлектрические материалы на каучуковую подложку, формируя необходимые электронные компоненты и соединения. Разрабатываются специальные чернила и пасты на основе наночастиц металлов, полимеров и других материалов, совместимые с каучуком и обеспечивающие необходимые электрические характеристики. Все это позволит создавать устройства сложной формы, адаптирующиеся к поверхности тела или другим неровным поверхностям. Это открывает новые возможности для мониторинга здоровья, создания протезов с тактильной чувствительностью и разработки интерфейсов человек-машина нового поколения, — рассказывает физик Пермского Политеха.
Топ-5 неожиданных вещей, в которых прячется каучук
В автомобильной промышленности эластомер используется в уплотнителях дверей машин, предотвращающих попадание воды и шума в салон.
В мире моды и текстиля резина в виде эластичных нитей используется для создания тянущихся тканей, таких как спандекс и лайкра.
Некоторые краски для граффити содержат резиновые добавки, которые делают покрытие более гибким и устойчивым к растрескиванию.
Жевательная резинка, которую мы знаем сегодня, имеет интересную историю. Когда-то для придания ей эластичности использовали натуральный латекс, тот самый сок каучукового дерева. Именно он придавал продукту упругость и возможность долго жеваться.
— В настоящее время латекс заменяют синтетическими полимерами. Эти современные материалы, такие как полиизобутилен и поливинилацетат, образуют так называемую «жевательную основу». Несмотря на то что они созданы искусственно, по своим свойствам и ощущениям во рту эта основа очень похожа на резину, — отмечает ученая.
И, конечно, нельзя забывать о медицине, где хирургические перчатки, чаще всего изготавливаемые из латекса (натурального каучука), обеспечивают надежную защиту врачей и пациентов от инфекций.