Альтернативы каучуку гевеи

Натуральный каучук — один из немногих материалов, синтетический эквивалент которого ищут столетие и до конца так и не нашли. Причина — конкретное структурное свойство, и оно задаёт планку любой альтернативе.

Упругость каучука — это энтропия, а не растяжение связей

В металле или керамике упругая деформация растягивает межатомные связи, и возвращающая сила энтальпийна. Каучук работает на противоположном начале.

Выше температуры стеклования цепи эластомера длинны, гибки и свёрнуты в клубки, перебирая огромное число конформаций. Растяжение материала выстраивает эти клубки в сторону выпрямления, а у выпрямленной цепи доступных конформаций гораздо меньше, чем у свёрнутой, — её энтропия падает. Возвращающая сила есть стремление материала вернуться к более вероятному, более энтропийному состоянию клубка.

Отсюда два следствия, которые стоит знать. Каучук нагревается при адиабатическом растяжении и охлаждается при отпускании — обратно большинству материалов. И модуль его растёт с температурой, поскольку вклад энтропии в свободную энергию пропорционален T.

Несшитые цепи под нагрузкой просто протекали бы одна мимо другой, поэтому эластомеру нужны постоянные сшивки, дающие сеть, к которой можно вернуться. Вулканизация создаёт их серными мостиками, а плотность сшивки задаёт затем баланс между жёсткостью и растяжимостью.

Свойство, которое так и не воспроизвели

Натуральный каучук Hevea brasiliensis — это цис-1,4-полиизопрен исключительно высокой стереорегулярности: практически каждое изопреновое звено присоединено в одной и той же геометрии, потому что фермент, который это делает, стереоспецифичен так, как химический катализатор лишь приближается, но не равняется.

Такая регулярность допускает кристаллизацию при растяжении. При большом удлинении выстроенные цепи достаточно регулярны, чтобы упаковаться в кристаллиты, и происходит это преимущественно там, где удлинение наибольшее, — у вершины растущей трещины. Кристаллиты упрочняют материал ровно в том месте, где он вот-вот разрушится, притупляя трещину и останавливая её. Итог — выдающиеся сопротивление раздиру, стойкость к разрастанию пореза и усталостная долговечность.

Синтетический полиизопрен, полученный на катализе Циглера — Натты или на литии, достигает высокого, но не равного содержания цис-звеньев, кристаллизуется при растяжении хуже и стабильно уступает в самых требовательных применениях. Поэтому шины тяжёлых грузовиков и самолётов по-прежнему требуют натурального каучука, и поэтому сосредоточенность поставок в одном климатическом поясе есть стратегическая проблема, а не коммерческое предпочтение.

Что на деле предлагают альтернативы

Гваюла (Parthenium argentatum), пустынный кустарник, производит цис-1,4-полиизопрен сопоставимой стереорегулярности — химически тот же полимер из другого растения, потому она и есть самый убедительный заменитель. У неё есть и настоящее дополнительное свойство: латекс гваюлы лишён белков гевеи, ответственных за латексную аллергию I типа — IgE-опосредованную реакцию на аллергены Hev b, делающую латекс гевеи опасным в медицине. Это реальное, механистически обоснованное преимущество, а не заявление об устойчивости.

Кок-сагыз (Taraxacum kok-saghyz) тоже вырабатывает в корнях каучук высокого качества, и привлекателен он агрономически: однолетняя культура умеренного климата против дерева, которому до первой подсочки нужно семь лет.

Ферментационные маршруты к изопрену или бутадиену производят мономер биологически, а полимеризуют его химически. Значит, они наследуют стереорегулярность химического катализатора, а не растения: возобновляемое получение изопрена само по себе не даёт каучука с кристаллизацией при растяжении. Заявление о возобновляемом углероде и заявление о свойствах различны, и стадией ферментации решается лишь первое.