thumb|right|200px|butilkaucsuk védőkesztyűk A butilkaucsuk a műkaucsukok egyik fajtája. A poliizobutiléntől abban tér el, hogy izoprént is tartalmaz.
Kémiai szerkezet bélyegkép|középre|800px A butilkaucsuk az izobutilén (2-metilpropén) és az izoprén (2-metil-1,3-butadién) kopolimerje (IIR: isobutylene-isoprene rubber). Az izopréntartalom 0,6…4,5 mól%, és csak arra kell, hogy a butilkaucsukot kénnel lehessen vulkanizálni. Az izoprén monomer véletlenszerűen helyezkedik el az izobutilén monomerek között.
Polimerizáció előtt az izoprénben az 1-2. és 3-4. szénatom közt van a kettős kötés, polimerizáció után pedig a 2-3. közt. Ezért a molekulaláncok nem ágaznak el, gélfrakciót nem képeznek.
Tulajdonságai Az előállított butilkaucsukok különbözhetnek a telítetlenség mértékében (a különböző izopréntartalom miatt), viszkozitásban (a molekulahossz miatt), az előtérhálósítás mértékében (a legtöbb márka egyáltalán nem előtérhálósított), az alkalmazott öregedésgátlóban.
A butilkaucsuk molekulatömege 400 000 körüli, ami a műkaucsukok között az átlagosnál kissé nagyobb. A molekulatömeg-eloszlás viszonylag széles.
A butilkaucsuk tulajdonságai kis telítetlenségéből és a negyedrendű szénatomok alkotta szénláncból fakadnak.
A sok metil-oldalcsoport miatt a makromolekulák mozgékonysága kisebb, a szerkezete zsúfoltabb, ezért nehezen diffundálnak keresztül rajta folyadékok, gázok. A levegő kb. hússzor olyan gyorsan hatol át a legnagyobb tömegben fogyasztott kaucsukokból (természetes kaucsuk, izoprénkaucsuk, butadiénkaucsuk, butadién-nitril kaucsuk) készült gumin, mint a butilkaucsuk alapú gumin. A kaucsukok közül ennél jobb légzáró képességgel csak a fluorkaucsuk és a poliszulfid kaucsuk rendelkezik, ebből is a fluorkaucsuk ára sokszorosa a butilkaucsukénak és technológiai tulajdonságai is sokkal rosszabbak.
Ez a tulajdonság az alapja annak, hogy a butilkaucsukból készült légzáró jól megtartja a levegőt, az infúziós palack a folyadékot, az élelmiszerek csomagolása az aromát.
Kettős kötés csak az izoprénből származik, vagyis a butilkaucsuk nagyon kevés kettős kötést tartalmaz. Mivel a polimer reakcióképes része általában a kettős kötés, a butilkaucsuk sokkal kevésbé vesz részt kémiai reakciókban, mint a legtöbb kaucsuk. Ezért jól ellenáll savaknak, lúgoknak, oxidálószereknek (kálium-permanganát, kálium-bikromát stb.), öregedésnek (hő, oxigén, ózon, fáradás). Jól bírja az időjárás viszontagságait.
A butilkaucsuk ózonállósága a telítetlenség csökkenésével nő.
A kettős kötések kis koncentrációja miatt a kénes vulkanizáció nagyon lassú. Ezért a vulkanizáláshoz ultragyorsítókat használnak (tiurámok, tiokarbamátok) és a többi kaucsuknál szokásoshoz képest magasabb hőmérsékletet, mivel jól bírja a hőt.
Vegyünk egy tipikus, 2% izoprén-monomert tartalmazó butilkaucsukot. Ha ez telítetlen (minden monomerben egy kettős kötést tartalmazó) kaucsukkal szennyeződik (ilyen a felhasznált kaucsukok zöme), akkor az a másik kaucsuk elvonja a „vulkanizációt” a butilkaucsuktól. (Ugyanígy akadályozza a kénes vulkanizációt, ha a gumikeverék telítetlen lágyítót, savat, gyantát stb. tartalmaz.) Ha csak 2% telítetlen kaucsukot is tartalmaz az elméletileg butilkaucsukos gumikeverék, akkor is megfeleződik a vulkanizációban részt vevő kén a butilkaucsuk és a másik kaucsuk között, és így a butilkaucsuk félig nyers marad, a gumi rugalmas tulajdonságai alig jelennek meg. Ezért a gumigyárakban általában külön kezelik a butilkaucsuk alapú keverékeket: külön tárolóeszközökön, szerszámokkal, gépekkel stb., amelyeket nem használnak más kaucsukokból készült keverékekhez.
Ebből az is következik, hogy igen nehéz olyan gumikeveréket vulkanizálni, amely butilkaucsukot is és valamely más kaucsukot is tartalmaz. A kevés kivétel közé tartozik például a kloroprénkaucsuk, a klórszulfonált polietilén és az etilén-propilén kaucsuk (ez utóbbinak a butilkaucsukéhoz hasonló a telítetlensége).
A kénes vulkanizáció jellemzője a nagy reverzió, amely főleg a szakítószilárdság rövid platójában nyilvánul meg. Ennek az az oka, hogy huzamosabb hőhatásra a kialakuló kénhidak hidrogéneződnek és két SnH-csoportra szakadnak szét, és a térháló sűrűsége csökken.
A butilkaucsuk vulkanizálható kén helyett más módszerekkel is, melyek nem az izoprén kettős kötésén alapulnak: térhálósító gyantákkal, fém-kloridokkal, peroxidokkal és oxidáló hatású szerves vegyületekkel, pl. kinon-dioximokkal. Ezekkel a módszerekkel javul a butilkaucsuk alapú gumi hőállósága is.
A butilkaucsuk (nyugalomban) igen lassan kristályosodik, de a kristályosodás sebessége ugrásszerűen megnő nyújtás hatására. A nyújtáskor bekövetkező kristályosodás hőtermelő folyamat.
A makromolekulák kis mozgékonysága és a láncelágazások hiánya miatt a butilkaucsuk viszkozitása hidegen sem nagy, a viszkozitás (a többi kaucsukhoz képest) kevéssé függ a hőmérséklettől. A butilkaucsukból készült félkésztermékek alaktartósága gyenge. Ennek javítására 175…230 °C-ra is felmelegítik keverés közben vagy 160 °C-os melegítőkamrában előmelegítik félórán keresztül.
A mechanikai tulajdonságok javításához szükséges a magas hőmérséklet alkalmazása kimelegítéskor, keveréskor, vulkanizáláskor (150-200 °C). Ha ez elmarad, a szakítószilárdság jóval gyengébb.
Aktív töltőanyagokkal a szakítószilárdság nem javítható lényegesen (úgyis kristályosodik, elég annak a hatása), de a továbbszakítószilárdság és a kopásállóság igen.
A kis mozgékonyság következménye az, hogy a butilkaucsukból készült gumik kevéssé rugalmasak. Visszapattanási rugalmasság: 10%, nagy hiszterézis, nyújtás után nagy a maradó deformáció. Jól elnyelik a deformáció energiáját, rezgések csillapítására jól használhatók.
A kis mozgékonyság következménye az is, hogy a butilkaucsuk alacsony hőmérsékleten is lassan kristályosodik, ezért a vulkanizátumok alacsony hőmérsékleten is viszonylag jól megőrzik rugalmasságukat.
A butilkaucsuk nem oldódik poláros oldószerekben (például: alkoholban, acetonban); jól oldódik aromás és nyílt szénláncú szénhidrogénekben.
Előállítása Az izobutén előállítására általában kőolajat használnak, de vannak próbálkozások arra, hogy biomasszából előállított izobutanol – a biodízel alapanyaga – dehitratálálásával nyerjenek izobutént.ExxonMobil Invests $600 million with Algae Company Synthetic Genomics A ma legelterjedtebb eljárás szerint az izoprént és az izobutént metil-kloridban oldják, és -95 °C körül folyik a kationos polimerizáció (a kationos polimerizáció elég ritka a polimergyártásban), de vannak próbálkozások arra, hogy -75 °C körül játszódjon le a polimerizáció. Katalizátorként általában Friedel–Crafts-katalizátorokat (Lewis-savakat, pl. AlCl3, BF3 stb.) alkalmaznak, melyeket egy csepp vízzel vagy HCl-dal aktiválnak. A reakció erősen exoterm; a hőt forrásban levő etilénnel vezetik el.
Felhasználása A butilkaucsuk felhasználása többnyire a következő tulajdonságokon alapul: kis permeabilitás jó hőállóság jó öregedésállóság
A butilkaucsuk felhasználása gumitermékek szerint: 86% gumiabroncs légzárója vagy tömlője; vulkanizálóbalg abroncsgyártáshoz 5% gyógyászati eszközök, főleg dugók-gumikupakok 3% ragasztók 1% rágógumi és az élelmiszeriparban használt gumicikkek 1% műszaki gumicikkek autóhoz 4% egyéb (pl. vízszigetelés épületekhez, csatornák és tavak fenekére stb.; vízzáró bevonatok, kábelek, rezgéscsillapítók, tömítések, fémtartályok bélelése)
Halogénezett butilkaucsukok A halogénezett butilkaucsuk tulajdonságai hasonlók a butilkaucsukokéihoz. Kicsit jobb a feldolgozhatósága, gyorsabb a vulkanizáció. Mivel butilkaucsuk tovább-feldolgozásával készül, ezért drágább.
Előállítás Inert oldószerben, pl. hexánban oldanak butilkaucsukot. (Ez azt jelenti, hogy a butilkaucsuk gyártásából alig hagyható el részfolyamat: legföljebb csak a szárítás, kaucsukszemcsék összenyomása bálává stb.) A reaktorba (40-65 °C) erős keverés mellett klórgázt vagy folyékony brómot adagolnak. Ezek szubsztitúciós reakcióba lépnek az izoprén kettős kötésével: bélyegkép|left|600px
Elsősorban az 1. számú reakció játszódik le.
Addíció ritkán játszódik le. Két halogénatomot ritkán tartalmaz egy izoprén-részlet.
Így klórbutilkaucsuk (CIIR) illetve brómbutilkaucsuk (BIIR) keletkezik, mely 1,1…1,3 tömeg% klórt illetve 1,8…2,4% brómot tartalmaz. A keletkező hidrogén-halogenidet nátrium-hidroxid oldattal semlegesítik.
A klórozás 15 másodperc alatt lezajlik, a brómozás ötször ennyi idő alatt.Industrial cationic polymerization processes at Bayer Rubber Division
Tulajdonságok Az allilhelyzetű halogénatom (közvetlenül a kettős kötésben részt vevő szénatom melletti telített szénatomhoz kapcsolódó halogénatom, mint az előbbi ábrán a Hal atom) jelentősen növeli a butilkaucsuk reakciókészségét. A halobutilkaucsukok közönséges hőmérsékleten, közönséges gyorsítókkal együttvulkanizálhatók általános rendeltetésű telítetlen kaucsukokkal is.
A brómbutilkaucsuk vulkanizálásakor az indukciós szakasz hosszabb (kevésbé beégésveszélyes), mint a klórbutilkaucsuk esetében, a főszakasz (2. szakasz) viszont meredekebb. A brómbutilkaucsuk alapú keverék jobban tapad az általános rendeltetésű kaucsukokból készült keverékekhez, mint a klórbutilkaucsuk alapú.
A vulkanizálásához nem szükséges olyan erős gyorsító, mint a butilkaucsukok esetében. Cink-oxiddal is vulkanizálható (mint a kloroprénkaucsuk). Ilyenkor hőálló C-C kötések keletkeznek, és cink-halogenid hasad le. A hidrogén-klorid leszakadását kalcium-sztearáttal, a hidrogén-bromid leszakadását epoxidált szójaolajjal akadályozzák meg.
Halobutilkaucsukokból kopásállóbb gumi készíthető, mint butilkaucsukokból.
A halobutilkaucsukból készített ragasztók jobbak.
A butilkaucsuk és a halobutilkaucsukok gyártása, gyártói, piaca Butilkaucsuk előállításával 1870-ben kezdtek kísérletezni, de nagyüzemi méretekben 1937-ben kezdték el gyártani, az USA-ban. A halobutilkaucsukokat 1961-ben kezdték el gyártani.
A Földön jelenleg hat gyártó gyárt butilkaucsukot: ExxonMobil Chemical (USA) Lanxess (Németország, Leverkusen) (Elődök: Polysar, Bayer) Japan Butyl Company Sinopec Beijing Yanhua Petrochemical Company (Kína) Nyizsnyekamszknyeftyehim (Oroszország, Nyizsnyekamszk) Togliattikaucsuk (Oroszország, Togliatti) Butilkaucsuk gyártókapacitás 1997-ben: Gyártó Ország (állam) város termelőkapacitás (ezer t) Exxon Chem. Co. USA (Texas) Baytown 71 10% 58% Exxon Chem. Co. USA (Louisiana) Baton Rouge 125 17% Exxon Chem. Co. Franciaország Notre Dame de Gravenchon 56 7% Exxon Chem. Co. Nagy-Britannia Fawley 75 10% Exxon + Japan Synthetic Rubber Co. Japán Kawasaki 80 11% Exxon + Japan Synthetic Rubber Co. Japán Kashima 25 3% Bayer Kanada (Ontario) Sarnia 120 16% 31% Bayer Belgium Antwerpen 110 15% Nyizsnyekamszknyeftyehim Oroszország (Tatárföld) Nyizsnyekamszk 50 7% 11% Szintyezkaucsuk Oroszország Togliatti 35 5%
747 100%
Butilkaucsuk gyártókapacitás 2009-ben:Butyl Rubber from LANXESS: Products, Perspectives, ProjectsLanxess expands butyl rubber business in Asia Gyártó Ország (állam) város termelőkapacitás (ezer t) ExxonMobil USA (Texas) Baytown 232 21% 57% ExxonMobil USA (Louisiana) Baton Rouge 125 11% ExxonMobil Franciaország Notre Dame de Gravenchon 56 5% ExxonMobil Nagy-Britannia Fawley 75 7% Exxon + Japan Butyl Co. Japán Kawasaki 98 9% Exxon + Japan Butyl Co. Japán Kashima 42 4% Lanxess Kanada (Ontario) Sarnia 150 14% 25% Lanxess Belgium Antwerpen 130 12% Nyizsnyekamszknyeftyehim Oroszország (Tatárföld) Nyizsnyekamszk 120 11% 14% Togliattikaucsuk Oroszország Togliatti35 3% Sinopec BeijingYanhua Petrochemical Company Kína Peking 37 3%3%
1100 100%
A világon gyártott butilkaucsuk 50%-át az ExxonMobil adja.
A második legnagyobb gyártó a Lanxess. Két gyárban gyárt butil- vagy halobutilkaucsukot: (más termékek mellett).