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HISTOIRE DE LA TECHNOLOGIE, TECHNOLOGIE, OBJETS AUTOUR DE NOUS
Caoutchouc synthétique. Histoire de l'invention et de la production
Annuaire / L'histoire de la technologie, de la technologie, des objets qui nous entourent Les caoutchoucs sont des élastomères naturels ou synthétiques caractérisés par leur élasticité, leur résistance à l'eau et leurs propriétés d'isolation électrique, à partir desquels le caoutchouc et le caoutchouc dur sont obtenus par vulcanisation.
L'Europe a découvert le caoutchouc pour la première fois au XVIe siècle. Christophe Colomb l'a apporté d'Amérique avec de nombreuses autres curiosités. Alors que les navires étaient ancrés près de l'île d'Haïti, Colomb et ses compagnons ont observé les indigènes jouer avec une balle faite d'une sorte de matériau élastique, complètement inconnu en Europe. Les balles ont facilement rebondi lorsqu'elles ont touché le sol, se sont comprimées et ont de nouveau retrouvé leur forme d'origine. De retour en Espagne, Christophe Colomb emporta avec lui des échantillons de ce matériau merveilleux, qui fut plus tard connu dans l'Ancien Monde sous le nom de "caoutchouc". Traduit de l'indien "caoutchouc" signifie "larmes d'un arbre". Comme on l'a su plus tard, il s'agissait d'un jus recueilli à partir d'incisions dans l'écorce d'un arbre tropical - l'hévéa brésilien. Il a été prélevé sur un arbre lorsque l'hévéa avait sept ans: à une hauteur d'un demi-mètre, une incision a été pratiquée sur l'écorce, et lorsque du jus blanc, comme du lait, a commencé à couler de dessous, ils l'ont recueilli en suspension tasses, puis versez-le dans un grand récipient. Dans l'air, le jus a coagulé relativement rapidement et s'est transformé en un produit résineux foncé - le caoutchouc.
Les Européens n'ont pas immédiatement apprécié les mérites de ce matériau. Pendant deux siècles, ils ont traité le caoutchouc comme une curiosité sauvage. Pendant ce temps, les voyageurs qui sont venus en Amérique du Sud ont continué à livrer de plus en plus de nouveaux articles en caoutchouc vers l'Europe. Parmi eux se trouvaient des bouteilles, des bottes imperméables et des vêtements de pluie. Tout cela était très curieux, mais n'avait aucune signification pratique. Ce n'est qu'après une longue période que les Européens ont trouvé la première utilisation du caoutchouc - ils ont commencé à l'utiliser sous la forme d'élastiques, rappelant les gommes scolaires modernes. À la fin du XVIIIe siècle, le chimiste anglais Mackintosh a déposé un brevet pour la fabrication d'imperméables en caoutchouc. Ils s'appellent Macintosh. Les imperméables, cependant, n'étaient pas assez bons pour le climat européen; à basse température, ils devenaient durs comme de l'étain et à la chaleur - collants. Après de nombreuses expériences, ils ont trouvé un moyen d'éviter ces caractéristiques désagréables du caoutchouc en le vulcanisant. (Cette découverte importante a été faite en 1839 par le chimiste américain Goodyear.) Il a été constaté que lorsque le caoutchouc est chauffé avec du soufre, ses propriétés changent assez fortement - il devient plus flexible, élastique et moins sensible aux changements de température. Ce nouveau caoutchouc vulcanisé est devenu connu sous le nom de caoutchouc. Il a rapidement gagné en popularité car il s'est avéré extrêmement pratique à bien des égards. La demande pour cela a augmenté chaque année. Il n'existe aucun autre produit similaire au caoutchouc dans la nature - il est étanche, possède des propriétés d'isolation électrique, est flexible et est capable de très grands changements de forme. Sous l'action d'une force extérieure, il peut s'étirer plusieurs fois et se rétracter à nouveau. Aucune autre substance n'a une telle élasticité. En même temps, il est solide, durable, résistant à l'abrasion et facile à traiter. Par conséquent, le caoutchouc a été et reste un matériau idéal pour la fabrication de pneus de voiture, de toutes sortes de courroies d'entraînement, de bandes de transport, de manchons, d'amortisseurs, de joints, d'isolants flexibles et bien plus encore. Sans caoutchouc, la vie d'une société industrielle moderne est tout simplement impossible. À partir du milieu du XIXe siècle, la production de masse de produits en caoutchouc a commencé. Cela a créé une véritable fièvre du caoutchouc. Les zones où poussaient les hévéas devinrent l'objet de guerres et de spéculations. L'hévéa sauvage a rapidement cessé de répondre aux besoins de la filière. De plus, l'extraction du caoutchouc dans la jungle était difficile et coûteuse. Des expériences réussies ont été faites pour créer des plantations de caoutchouc. Hévéa déplacé vers les tropiques de Java, Sumatra, l'archipel malais. La production de caoutchouc a augmenté plusieurs fois, mais la demande a continué de croître. Depuis cent ans, le monde scientifique cherche la réponse au mystère du caoutchouc afin d'apprendre à le fabriquer artificiellement par des moyens chimiques. Peu à peu, il est devenu clair que le caoutchouc naturel du jus d'hévéa est un mélange de plusieurs substances, mais 9/10 de sa masse tombe sur l'hydrocarbure polyisoprène de formule (C5H8) n, où n est très grand - plus de mille. Les substances de structure similaire appartiennent au groupe des produits de haut poids moléculaire - les polymères, qui sont formés par la combinaison de plusieurs molécules identiques, parfois très nombreuses, de substances monomères plus simples (dans ce cas, les molécules d'isoprène C5H8). Dans des conditions favorables, les molécules de monomère individuelles sont reliées les unes aux autres par des fils de chaîne linéaires ou ramifiés longs et flexibles. Cette réaction de formation de polymère est appelée polymérisation. Il ne se produit qu'avec des substances organiques à liaisons multiples (doubles ou triples). À la suite de la séparation de ces liaisons, la connexion des molécules individuelles les unes aux autres se produit (en raison des valences libérées). En plus du polyisoprène, le caoutchouc naturel contient des protéines et des minéraux semblables à la résine. Le polyisoprène pur, purifié à partir de résines et de protéines, est très instable et perd rapidement ses précieuses propriétés techniques à l'air : élasticité et résistance. Ainsi, pour produire du caoutchouc artificiel, il fallait apprendre au moins trois choses : 1) obtenir de l'isoprène à partir d'autres substances ; 2) réaliser la réaction de polymérisation de l'isoprène ; 3) traiter le caoutchouc résultant avec des substances appropriées pour le protéger de la décomposition. Toutes ces tâches se sont avérées extrêmement difficiles. En 1860, le scientifique anglais Williams, par distillation sèche du caoutchouc, en a isolé l'isoprène, qui s'est avéré être un liquide léger, mobile et incolore avec une odeur particulière. En 1879, le chimiste français Gustav Bouchard, chauffant l'isoprène et agissant dessus avec de l'acide chlorhydrique, réalisa la réaction inverse - il obtint un produit caoutchouteux. En 1884, le chimiste anglais Tilden obtient l'isoprène par décomposition à haute température de la térébenthine. Bien que chacun de ces scientifiques ait contribué à l'étude des propriétés du caoutchouc, le secret de sa synthèse est resté irrésolu au XIXe siècle - toutes les méthodes ouvertes se sont avérées inadaptées à une utilisation industrielle soit en raison du coût élevé des matières premières, soit parce que des faibles rendements en isoprène, ou à cause de la complexité des procédés techniques qui assurent la réaction. Mais l'isoprène est-il vraiment nécessaire à la production de caoutchouc ? Peut-être qu'une macromolécule aux propriétés similaires peut être formée à partir d'autres hydrocarbures ? En 1901, le chimiste russe Kondakov a découvert que le diméthylbutadiène se transforme également en une substance caoutchouteuse s'il est laissé dans l'obscurité ou à la lumière diffuse pendant environ un an. (Pendant la Première Guerre mondiale en Allemagne, coupée des sources de caoutchouc naturel, la production de caoutchouc synthétique à partir de diméthylbutadiène est lancée. Cependant, les produits en sont sortis de très mauvaise qualité, mais leur prix s'est avéré prohibitif en raison de difficultés techniques. Après la guerre, ce caoutchouc méthyle n'a plus jamais produit.) Plus tard, il a été découvert que tous les hydrocarbures avec un squelette moléculaire peuvent être synthétisés en substances caoutchouteuses.
Le premier membre de cette série est le butadiène (ou divinyl)
En 1914, les britanniques Matthews et Strange obtenaient un très bon caoutchouc à partir de divinyl en présence de sodium métallique. Mais leurs travaux ne sont pas allés au-delà des expériences de laboratoire car, d'une part, une méthode de production de divinyl n'a pas été trouvée et, d'autre part, il n'a pas été possible de créer une installation capable de synthétiser le caoutchouc en usine. Ces deux problèmes ont été résolus quinze ans plus tard par le chimiste russe Sergueï Lebedev. Avant la Première Guerre mondiale, les usines russes produisaient jusqu'à 12 68 tonnes de caoutchouc à partir de caoutchouc importé. Après la révolution, lorsque l'industrialisation de l'industrie a commencé, les besoins de l'Union soviétique en caoutchouc ont augmenté plusieurs fois. Un navire nécessitait 800 tonnes de caoutchouc, chaque réservoir - 600 kg, avion - 160 kg, voiture - 1923 kg. Chaque année, de plus en plus de caoutchouc devait être acheté à l'étranger. Pendant ce temps, en 1924-2400, le prix du caoutchouc naturel atteignait XNUMX XNUMX roubles-or la tonne. La nécessité de débourser une telle somme d'argent, et plus encore la dépendance dans laquelle tombait ainsi le jeune État soviétique vis-à-vis des fournisseurs, posèrent de sérieux problèmes aux dirigeants du pays. Il n'y avait qu'une seule façon de les résoudre - en développant une méthode industrielle pour la production de caoutchouc synthétique. À la fin de 1925, le Conseil économique suprême a annoncé un concours international pour la meilleure façon de produire du caoutchouc synthétique. Les conditions de la concurrence étaient assez strictes: le caoutchouc devait être fabriqué en URSS à partir de produits extraits en URSS, le prix du caoutchouc artificiel ne pouvait pas dépasser le prix mondial moyen des cinq dernières années. Au 1er janvier 1928, il était nécessaire de livrer 2 kg de l'échantillon fini à Moscou. Lebedev dirigeait alors le Département de chimie générale de l'Université de Leningrad. Avant même la révolution, il travaillait depuis plusieurs années sur le problème du caoutchouc synthétique et était bien conscient des difficultés auxquelles étaient confrontés tous les participants à la compétition. Néanmoins, il a décidé d'y participer. Plusieurs élèves et étudiants ont accepté de l'aider dans son travail. Les temps étaient très difficiles. Tous les assistants et Lebedev lui-même travaillaient entièrement gratuitement pendant les heures de repos, le soir et le week-end. Afin de respecter le délai, ils ont travaillé avec le plus grand effort. Des expériences technologiques complexes ont dû être menées dans les conditions les plus défavorables. Littéralement, tout manquait. Comme les participants à cette entreprise étonnante l'ont rappelé plus tard, ils ont fait tout ce dont ils avaient besoin de leurs propres mains. Lebedev a dû travailler non seulement comme chimiste, mais aussi comme souffleur de verre, mécanicien et électricien. Pour le refroidissement pendant les processus chimiques, de la glace était nécessaire - tout était récolté ensemble sur la Neva. Et pourtant, les choses avançaient bien. Au cours des nombreuses années de recherche précédentes, Lebedev est devenu convaincu que l'obtention d'un caoutchouc synthétique qui reproduit complètement les propriétés du caoutchouc naturel est une tâche très difficile et, dans ces circonstances, difficilement réalisable. Il a immédiatement abandonné les expériences avec l'isoprène et a décidé de prendre le divinyl comme matière première. Après les recherches de Matthews et Strange sur le processus de production du caoutchouc divinyl (butadiène), il manquait encore un chaînon - il était nécessaire de développer une méthode de production de divinyl à partir de matières premières bon marché et facilement disponibles. Au début, Lebedev voulait prendre l'huile en tant que telle, mais ensuite il a concentré toute son attention sur l'alcool. L'alcool était alors la matière première la plus réelle. Si le problème de la synthèse divinylique avait été résolu avec succès, il aurait été possible de produire immédiatement du caoutchouc dans n'importe quelle quantité requise, et c'était exactement ce dont le pays avait besoin. L'essence de la réaction, dans laquelle l'alcool éthylique se décompose en divinyle, eau et hydrogène (elle est généralement décrite par l'équation : 2CH3CH2OH = C4H6 + 2H2O + H2), était claire pour Lebedev. Mais la grande difficulté résidait dans le choix d'un catalyseur adapté. Ayant profondément compris l'essence des processus en cours, Lebedev a suggéré que l'une des argiles naturelles actives pourrait servir de catalyseur. Pendant ses vacances en Crimée et dans le Caucase à l'été 1927, il a constamment collecté et étudié des échantillons d'argile. Finalement, il a trouvé la bonne terre battue à Koktebel. La réaction en sa présence a donné un excellent résultat. Ainsi, au milieu de 1927, le premier succès a été obtenu - la réaction est allée dans la bonne direction et le divinyl a été obtenu à partir d'alcool. Le processus suivant - la polymérisation du divinyl - Lebedev a décidé de réaliser selon la méthode de Matthews et Strange. Pour ce faire, le sodium dans une installation spéciale a été uniformément réparti sur le divinyl, après quoi la réaction s'est poursuivie pendant 3 à 5 jours. Cependant, son produit final n'était pas encore du caoutchouc commercial. Il était saturé de gaz, le sodium y était inégalement réparti, le mélange était instable et s'oxydait rapidement dans l'air, perdant son élasticité. Par conséquent, le caoutchouc résultant a été traité dans un mélangeur, où il a été malaxé avec le sodium qu'il contenait. Ensuite, il a été mélangé avec des activateurs, du noir de carbone, du kaolin, de la magnésie et d'autres composants censés protéger le caoutchouc de la pourriture. Le caoutchouc prêt a été reçu en portions insignifiantes - seulement quelques grammes par jour. Par conséquent, le travail s'est poursuivi littéralement jusqu'à la dernière minute. Fin décembre, alors qu'il ne restait que quelques jours avant la date limite, la synthèse de 2 kg de caoutchouc était terminée et envoyée d'urgence à Moscou. En février 1928, le jury, après avoir examiné tous les échantillons envoyés (d'ailleurs, il y en avait très peu), a reconnu le caoutchouc cultivé dans le laboratoire de Lebedev comme le meilleur. Cependant, ce n'était que le début. Les méthodes de laboratoire sont souvent inacceptables en usine. Lebedev a été chargé de poursuivre la recherche et de développer la technologie industrielle pour sa méthode de production de caoutchouc. Le dur labeur a recommencé. Certes, Lebedev avait maintenant beaucoup plus de fonds et d'opportunités. Connaissant bien l'importance de son travail, le gouvernement lui fournit tout ce dont il avait besoin. Bientôt, un laboratoire spécial pour le caoutchouc synthétique a été créé à l'Université de Leningrad. En un an, une usine pilote a été conçue et construite dans ce laboratoire, qui a produit 2 à 3 kg de caoutchouc par jour. À la fin de 1929, toute la technologie du processus d'usine était développée. En février 1930, la construction d'une usine pilote a commencé à Leningrad sur l'île Gutuevsky. En été, le laboratoire de l'usine a été ouvert. Équipé selon les instructions personnelles de Lebedev, il était l'un des meilleurs laboratoires chimiques de l'époque et s'est transformé en un véritable centre scientifique du caoutchouc synthétique. En plus du laboratoire, Lebedev avait à sa disposition les meilleurs spécialistes qu'ils pouvaient trouver. Pour toutes questions, il pouvait contacter personnellement le secrétaire du comité régional du parti de Leningrad, Kirov. La grande difficulté était de créer l'équipement nécessaire. Le génie chimique n'en était qu'à ses balbutiements. Les commandes ont été distribuées à toutes les usines de Leningrad, mais leur mise en œuvre a progressé lentement, car elles n'avaient pas l'expérience nécessaire. Même Lebedev lui-même avait parfois du mal à donner des conseils techniques précis. Néanmoins, la construction de l'usine pilote fut achevée en janvier 1931. En février, les 250 premiers kg de caoutchouc ont été obtenus dessus. C'était le premier caoutchouc synthétique fabriqué en usine bon marché au monde. La même année, trois usines de caoutchouc géantes ont été installées - à Yaroslavl, Voronezh et Efremov. Tous ont été déclarés projets de construction choc du Komsomol et ont été construits à une vitesse incroyable. En 1932, l'usine de Yaroslavl produisait déjà le premier caoutchouc. Au début, la synthèse du divinyl en usine se faisait avec beaucoup de difficulté. Au lieu d'un simple mélange de produits de décomposition d'alcool constitué de divinyle, d'eau et d'hydrogène, une "vinaigrette" complexe de 30 composants a été obtenue, et le rendement en divinyle dans cette masse n'a pas dépassé 20-25%. Lebedev a dû se rendre d'urgence à Yaroslavl avec un groupe de ses employés pour aider à mettre en place la production. Ensuite, les mêmes difficultés ont surgi à Voronezh et Efremov. Au printemps 1934, lors d'un voyage dans une usine à Efremov, Lebedev contracta le typhus et mourut peu de temps après son retour à Leningrad. Mais la cause, à laquelle il a jeté une base si importante, s'est renforcée et développée. Après les trois premières usines de caoutchouc synthétique, plusieurs nouvelles ont été construites. En 1934, 11 1935 tonnes de caoutchouc synthétique ont été produites, en 25 - 1936 40, en 1937 - 73 XNUMX. En XNUMX, la part du caoutchouc synthétique dans la production totale de caoutchouc était déjà de XNUMX %. Le problème scientifique et technique le plus complexe a été résolu avec succès. Cependant, la méthode de production de caoutchouc synthétique, développée par Lebedev, n'était pas la seule possible. Lui-même l'avait très bien compris et ces dernières années, il a beaucoup réfléchi à la manière de remplacer les matières premières alimentaires (l'alcool était produit à partir de produits alimentaires, et 1 tonnes de pommes de terre étaient dépensées pour produire 12 tonne d'alcool) par d'autres, moins chères, pour exemple, l'huile. Un autre inconvénient du caoutchouc divinyle était sa faible adhésivité. Dans la fabrication de produits en caoutchouc à partir de celui-ci, il était nécessaire de recourir à des coûts supplémentaires. Par la suite, plusieurs autres méthodes de production de caoutchouc synthétique ont été développées et, en 1965, en URSS, le caoutchouc synthétique a été obtenu pour la première fois dans des conditions industrielles à partir d'isoprène. Auteur : Ryzhov K.V.
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