Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
Тема 10. ХИМИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ: ПОЛИМЕРЫ
Высокомолекулярные соединения (ВМС) – вещества, молекулы которых состоят из большого числа (не менее 1000) химически связанных атомов, а потому их молекулярные массы находятся в пределах 104 – 107.
Полимеры (от греч. "поли” – много, “мерос” – звено) – это высокомолекулярные соединения, состоящие из большого числа повторяющихся однотипных атомных группировок (звеньев), связанных между собой ковалентными связями.
Трудно найти отрасль промышленности, где бы не применялись полимерные материалы. Сначала их использовали как заменители натуральных, а теперь многие из них превосходят по качеству и свойствам те, что создала природа, обладают уникальными свойствами. Замена металлов, дерева, природных волокон на искусственные и синтетические дает огромную экономию в народном хозяйстве, уменьшает расходы на производство и эксплуатацию получаемых изделий.
Расчеты американских специалистов показали, что капиталовложения в производство полимерных материалов приносит 100-кратную прибыль на единицу вложения.
К настоящему времени общий объем потребления в мире полимерных материалов составляет около 80 % от объема всех используемых материалов.
Скорость развития науки о полимерах космическая. Обратимся к истории: история меди насчитывает около 7000 лет, предметы из железа стали известны в Китае, Индии, Вавилоне примерно 4000 лет назад. А полимерные материалы начали производить в промышленном масштабе менее 100 лет назад.
Определим основные понятия.
Несмотря на многие сотни атомов, входящих в состав одной макромолекулы, химическое строение ее не так уж и сложно. Дело в том, что основой полимеров является элементарное звено.
Мер – элементарное звено полимеров – это группа одинаковых, многократно повторяющихся атомов, ковалентно связанных между собой.
Например, в краткой записи полиэтилена
[– СН2 – СН2 – ]n степень
мер
Мономеры – низкомолекулярные вещества, из которых получают полимеры.
Например, полимер полиэтилен [– СН2 – СН2 – ]n получают из мономера этилена СН2 = СН2. Очевидно, что меры и мономеры являются изомерами.
Классификация полимеров
I. По происхождению
|
Полимеры (ВМС) |
||
|
природные |
искусственные |
синтетические |
|
Целлюлоза, белки, натуральный каучук |
Химические модификации природных полимеров Эфиры целлюлозы |
Нет природных аналогов; созданы человеком Полиэтилен, бакелиты, найлон |
II. По составу
|
Полимеры |
||
|
органические |
неорганические |
элементоорганические |
|
а) карбоцепные – в цепи только атомы углерода – СН2 [– СН2 – СН2 –] СН2 – б) гетероцепные –СН2–О[–СН2–О–] СН2–О– |
H H H H H – Si – Si – Si – Si – Si – H H H H H полисиланы |
R R R – Si – О – Si – О – Si – R R R силоксаны R - радикалы |
III. По строению молекул
|
Полимеры |
|||
|
линейные |
разветвленные |
лестничные |
сетчатые |
|
– А – А – А – А – |
– А – А – А – А – – А – А – А – А – |
– А – А – А – А – – А – А – А – А – |
Трехмерные полимеры, звенья которых образуют единую пространственную сетку. |
|
Каучук, найлон |
Полисахарид амилопектин |
Некоторые искусственные волокна |
Бакелиты, полисахарид гликоген |
Полимеры, содержащие в одной макромолекуле различные типы мономерных звеньев – А1 – А2 – А3 –, называются сополимерами.
IV. По отношению к нагреванию
|
Полимеры |
|
|
термопластичные (термопласты) |
термореактивные (реактопласты) |
|
нагрев нагрев Тв размягчение разрушение охлажд. |
нагрев Тв разрушение (термическая де- струкция) |
|
Главным образом, линейные полимеры, полученные по реакции полимеризации |
Сетчатые и пространственные структуры (главным образом, полученные по реакции поликонденсации) |
V. По агрегатному состоянию
|
Полимеры могут находиться в |
|
|
кристаллическом состоянии |
аморфном состоянии |
|
Полимеры со стереорегулярной структурой (например, полипропилен) |
Полимеры с неупорядоченным строением макромолекул (например, каучук, полиэтилен) |
Для полимеров наиболее распространенным состоянием является аморфное. В свою очередь аморфные полимеры могут находиться в трех физических состояниях: твердом или стеклообразном, высокоэластичном и вязкотекучем.
|
Физическое состояние аморфных полимеров |
||
|
стеклообразное |
высокоэластичное |
вязкотекучее |
|
Полимер представляет собой упругое, твердое тело, мало меняющее свою форму под воздействием механических нагрузок. После устранения нагрузки способны восстанавливать свою первоначальную форму. |
Область обратимых деформаций. Под действием небольших механических нагрузок полимер легко возвращает свою первоначальную форму. При нагревании многие твердые полимеры становятся высокоэластичными (например, каучук, полистирол). |
Область необратимых деформаций под воздействием механических нагрузок. В подобном состоянии находится полиэтилен, низкомолекулярный полиизобутилен. Значительное число полимеров переходит в из высокоэластичного в вязкотекучее состояние при нагревании. |
|
Переход из стеклообразного состояния полимера в высокоэластичное (и наоборот) характеризуется температурой стеклования. Температура стеклования определяет эксплуатационные характеристики полимерных материалов: теплостойкость пластмасс, морозостойкость каучуков и резин. Так, например, водонепроницаемые покрытия плоских крыш (сополимер этилена с пропиленом) имеют tстеклования = 150С, а жевательная резинка +280С. |
||
|
Переход из высокоэластичного в вязкотекучее состояние характеризуется температурой текучести. Температура текучести определяет нижнюю границу температурного интервала переработки полимеров. Так, для большинства пластмасс температура текучести невысока (150 – 2500С), что благоприятствует их переработке в изделия. Высокие температуры текучести (более 2500С) близки к температуре плавления и разложения полимеров. Если область высокоэластичного состояния находится в интервале обычных температур, то такие вещества называют эластомерами. |
Номенклатура полимеров
При построении названий полимеров к названию мономера прибавляют приставку “поли”. Схема реакции образования полимера может быть представлена следующим образом:
n СН2 = СН – СН3 [ – СН2 – СН –]n
пропилен CH3 полипропилен
Отличительные особенности полимеров
1. Для полимеров характерна большая молекулярная масса. Поскольку полимеры представляют собой смесь макромолекул различной величины, то молекулярная масса полимера определяется средней величиной молекулярных масс отдельных молекул. По этой причине говорят всегда о средней молекулярной массе полимера .
2. Растворы полимеров обладают значительной вязкостью, превышающую вязкость растворов низкомолекулярных веществ. Процесс растворения полимера протекает через стадию его набухания в растворителе.
3. В химических превращениях полимер может участвовать как целая молекула, так и отдельными своими частями.
4. Существенный недостаток большинства органических полимеров – их горючесть.
Широкое применение полимеров привело к увеличению числа пожаров. Статистика показывает, что более чем в 75 % случаев причиной пожара является возгорание органических полимерных материалов даже от так называемых “малокалорийных источников тепла” (спичка, тлеющая сигарета).
1975 год был объявлен в США годом национального бедствия: 12 тысяч человек стали жертвами горения полимерных материалов.
Особо следует отметить токсичность продуктов неполного сгорания полимеров. Это основной компонент – угарный газ СО, циановодородная кислота HCN, хлороводород HCl.
1. Способы получения полимеров
Синтетические полимеры можно получить с помощью двух классических типов химических реакций: полимеризации и поликонденсации.
Высокомолекулярные соединения построены из мономеров. Основным источником мономеров является нефтехимический синтез. При переработке углеводородного сырья образуются этилен, пропен, бутены, будадиен и изопрен.
Характер исходных мономеров определяет тип реакции получения полимеров.
|
Мономеры |
|
|
Содержат в молекулах кратные связи (двойные, тройные и их комбинации). Реакция протекает за счет разрыва кратных связей без выделения побочных продуктов. |
Содержат в молекулах не менее двух функциональных групп ОН гидроксил; С = О карбонил; Н С = О карбоксил; ОН NН2 амино-группа. |
|
Такие мономеры вступают в реакции полимеризации. |
Эти мономеры вступают в реакции поликонденсации. |
1.1. Реакции полимеризации
Полимеризацией называется реакция соединения молекул мономера, протекающая за счет разрыва кратных связей без выделения побочных низкомолекулярных продуктов.
Механизм реакции полимеризации – радикальная цепная реакция. Рассмотрим его на примере получения полиэтилена.
1. Образование активного центра
В качестве активного центра могут выступать радикалы, образованные перекисными соединениями:
,,-излуч.
R – O – O – R 2R – O.
h, t0
R – O обозначим как R.
При определенных условиях исходные радикалы могут быть образованы и самим мономером:
СН2 = СН2 СН2 – СН2
2. Стадия роста цепи
Исходный свободный радикал превращает молекулу этилена в другой свободный радикал
а)
R + СН2 = СН2 R – CH2 – CH2
R – CH2 – CH2 + CH2 = CH2 R – CH2 – CH2 – CH2 – CH2 и т.д.
б)
СН2 – СН2 + СН2 = СН2 СН2 – СН2 – СН2 – СН2 и т.д.
В результате получается линейный полимер, образование которого инициируется одним единственным свободным радикалом. Свободные радикалы – чрезвычайно активные частицы, которые могут неконтролируемо взаимодействовать с растворителем, примесями.
3. Обрыв цепи
Возможен при взаимодействии двух свободных макрорадикалов, стенками сосуда, растворителем.
Представив все стадии процесса становится понятно, почему образуются цепи разной длины.
В таблице приведены примеры полимеров, получаемых реакцией полимеризации.
Если в реакцию вступают два различных мономера, то эта реакция называется реакцией сополимеризации.
Таблица 18.1.
Примеры полимеров, получаемых реакцией полимеризации
|
№ |
Мономер |
Полимер |
Свойства полимера |
|
1. |
СН2 = СН2 этилен |
( – СН2 – СН2 – )n полиэтилен |
Прочность, высокие электроизоляционные свойства, небольшая плотность, высокая химическая стойкость. |
|
2. |
СН2 = СН – СН3 пропилен |
( – СН2 – СН – )n СН3 полипропилен |
Большая механическая прочность и теплостойкость, чем у полиэтилена. Высокая химическая стойкость. |
|
4. |
С – СН = СН2 // \ HС СH HС СH \\ / СH стирол |
(– СН – СН2 –)n С // \ HС СH HС СH \\ / СH полистирол |
Высокие электроизоляционные свойства, прозрачность. Стереорегулярный полимер более термостоек. Сополимеры не обладают хрупкостью. При 70 – 800С начинается разложение полимера. |
|
4. |
СН2 = СН – Cl винилхлорид |
( – СН2 – СН – )n Сl поливинилхлорид (ПВХ) |
Прочность, высокие электроизоляционные свойства, высокая химическая стойкость. |
|
5. |
СF2 = СF2 тетрафторэтилен |
( – СF2 – СF2 – )n политетрафторэтилен |
Наивысшая химическая стойкость, очень высокие электроизоляционные свойства, термостойкость до 3000С. |
|
6. |
СН2=СН–СН=СН2 бутадиен-1,3 |
(–СН2–СН=СН–СН2–)n полибутадиен |
Бутадиеновый каучук. Водо- и газонепроницаемость. |
|
7. |
СН2=СН–СН=СН2 бутадиен-1,3 и С – СН = СН2 // \ HС СH HС СH \\ / СH стирол |
Реакция сополимеризации: (–СН–СН2– СН2–СН=СН–СН2–)n С // \ HС СH HС СH \\ / СH сополимер стирола и бутадиена-1,3 |
Полибутадиен-стирольный каучук. Газонепроницаемость, недостаточная жароустойчивость. |
|
8. |
СН2=СН-О-С=О СН3 винилацетат |
( – СН2 – СН – )n О – С=О СН3 поливинилацетат (ПВА) |
Эластичность, прозрачность, светостойкость. Малая устойчивость к нагреванию и химическим реагентам. |
|
9. |
СН3 СН2=С– С = О О – СН3 метилметакрилат |
СН3 ( – СН2 – С – )n О – С=О СН3 полиметилметакрилат |
Органическое стекло. Прозрачность, светостойкость, механическая прочность. Растворим в ацетоне и дихлорэтане. |
|
10. |
Н – С = О Н формальдегид |
(– СН2 – О – )n
полиформальдегид |
Прочность, устойчивость к удару. Не растворяется в обычных растворителях. |
1.2. Реакции поликонденсации
Поликонденсация – процесс образования полимеров при химическом взаимодействии мономеров, содержащих не менее двух функциональных групп, с отщеплением побочного низкомолекулярного продукта (Н2О, НCl, NH3, H2S).
Примеры полимеров, получаемых реакцией поликонденсации
1. Образование полиэфирного полимера
O O
ll ll
СН2 – СН2 + С – СН2 – СН2 – СН2 – СН2 – С
ОН ОН ОН ОН
этиленгликоль адипиновая кислота
СН2 – СН2 СН2 – СН2 – СН2 – СН2 + Н2О
ОН О С = О О = С – ОН
эфирная связь
2. Образование полиамидов
О О
ll ll
СН2 – СН2 – СН2 – СН2 – СН2 – СН2 + С – CН2 – СН2 – СН2 – СН2 – С
NH2 H – N – H ОН ОН
гексаметилендиамин адипиновая кислота
СН2 – СН2 – СН2 – СН2 – СН2 – СН2 CН2 – СН2 – СН2 – СН2 + Н2О
NH2 найлон Н – N С = О О = C – OH
амидная связь
3. Классическим примером поликонденсации является взаимодействие между фенолом и формальдегидом. Эта реакция приводит к образованию продуктов, часто называемых бакелитовыми смолами по имени их первооткрывателя голландского профессора из Америки Бекеленда.
|
ОН С // \ HС СН 2 HС СН \\ / СH фенол
|
+ 2Н – С = О Н метаналь (формальдегид) |
ОН С // \ HС С– СН2ОН HС СH \\ / СH о-оксибензиловый спирт |
ОН С // \ HС СН HС СH \\ / С СН2ОН п-оксибензиловый спирт |
Образовавшиеся изомеры конденсируются с фенолом и друг с другом (в зависимости от условий реакции), при этом в качестве побочного продукта выделяется вода.
ОН ОН ОН ОН
С С С С
// \ // \ // \ // \
HС С – СН2ОН + НС СН HС С – СН2 – С СН
+ Н2О
HС СН НС СН HС СН НС СН
\\ / \\ / \\ / \\ /
СH СН СН СН
В конечном итоге могут образоваться продукты, имеющие сложную сетчатую структуру – феноло-формальдегидные (бакелитовые) смолы.
Особняком стоит реакция получения полиуретанов: в реакцию вступают мономеры с двумя функциональными группами, но при этом реакция идет без выделения побочного продукта.
СН2 – СН2 + С = N – C6H4 – N = C СН2 – СН2 – О – С – NН – C6H4 – NН – C –
ll ll ll ll
ОН ОН О О О – О О
этиленгликоль фенилендиизоцианат полиуретан
18.2. Деструкция полимеров
Деструкция – это разрушение полимеров под воздействием химических и физических факторов.
В результате деструкции происходит разрыв химических связей, уменьшение молярной массы, потеря нужных свойств.
Различают несколько видов деструкции. Деление на различные виды условно, но основными из них являются следующие.
1. Химическая деструкция происходит под действием химических реагентов – воды, спиртов, кислот, щелочей.
Наиболее распространенный случай – это гидролиз полимеров. Особенно нежелательно использовать подобные полимеры в качестве антикоррозионных покрытий.
Однако есть полимеры, гидролиз которых используется в практических целях. На основе полилактидов – эфиров молочной кислоты – изготавливают хирургические нити:
ОН – СН – С = О + О = С – СН – СН3 ОН – СН – С – О – С – СН – ОН + Н2О
ll ll
СН3 ОН ОН СН3 CН3 О О СН3
молочная кислота полилактид
Полилактиды представляю собой сложные эфиры, и в организме в результате гидролиза распадаются на молекулы молочной кислоты (обратная реакция), а далее окисляются до углекислого газа и воды.
2. Механическая деструкция полимеров – это всегда необратимая деформация.
3. Фотохимическая деструкция протекает под действием света. Так, полиэтилен в темноте не теряет своих свойств несколько лет, но на свету разрушается достаточно быстро.
4. Радиационная деструкция является результатом действия на полимеры , , и -излучения, а также потока нейтронов.
Однако некоторые материалы под действием радиоактивного излучения приобретают повышенную стойкость. Например, из полиэтилена, обработанного таким образом, изготавливают основы станков.
5. Биологическая деструкция полимеров происходит под воздействием микроорганизмов.
В настоящее время встала глобальная проблема ликвидации отходов полимерных материалов. И один из путей решения этой проблемы - использование пластмасс, подверженных биологическому разложению. В некоторых странах уже приняты законы о запрете и налоге на материалы, не разлагающихся в природе.
6. Наиболее распространенным видом деструкции полимеров является термоокислительная деструкция, протекающая под воздействием высокой температуры и окислителя (чаще кислорода воздуха).
Для каждого полимера характерна определенная область температур, в которой наблюдается его сравнительно быстрый распад (термическая деструкция). Химические связи при этом могут разрываться в любом месте макромолекулы по законна случая, либо в определенных местах, например, на концах полимерных молекул.
Термоокислительная деструкция вследствие совместного действия тепла и кислорода наблюдается при более низкой температуре, чем термическая.
В результате разложения полимера образуются летучие продукты (горючие и негорючие) и обугленный (карбонизированный остаток).
В состав горючих летучих продуктов входят водород Н2, угарный газ СО, метан СН4, ацетилен С2Н2, этилен С2Н4, этан С2Н6, пропен С3Н6, бутен С4Н8. Кроме этого, летучие продукты термоокислительной деструкции полимеров могут содержать различное количество мономеров: от 1 % при разложении полиэтилена до 90 % при разложении полиметилметакрилата (оргстекла).
Результатом протекающей термоокислительной деструкции может быть воспламенение полимеров.
Горение полимерных материалов имеет свои особенности:
1. Температура на пожаре с участием синтетических полимеров быстро достигает 11000с и выше.
2. Синтетические полимеры при горении выделяют огромное количество тепла. Низшая теплота сгорания составляет 37000 кДж/кг. Эта величина в два раза превышает теплоты сгорания древесины.
3. Дымообразующая способность полимеров в 10 – 250 раз больше по сравнению с той же древесиной.
4. Выделение токсичных продуктов разложения и горения (HCl, HCN, CO, SO2 и т.д.)
2. Факторы, влияющие на термостойкость полимеров
Необходимо различать два понятия: термостойкость и горючесть полимеров. Как правило, чем больше термостойкость, тем меньше горючесть, но существуют полимеры с гетероатомами (например, с азотом, галогенами), у которых термостойкость невысока, но и горючесть тоже невысока за счет выделяющихся газообразных продуктов, которые являются ингибиторами горения (N2, HCl и т.п.).
Термостойкость полимеров можно условно оценивать по температуре, при которой наблюдается период полураспада полимера (температура интенсивного разложения) – tразлож.
По соотношению термостойкости и горючести полимеры можно разделить на следующие группы.
I. Факторы, определяющие повышенную термостойкость и пониженную горючесть полимеров.
термостойкость
горючесть
1. Наличие сшитых и пространственных структур
|
(– СН – СН2 –)n С // \ HС СH HС СH \\ / СH
поливинилбензол |
– СН – СН2 – С // \ HС СH HС СH \\ / С – СН – СН2 – полидивинилбензол |
|
tразлож = 3640С |
tразлож = 3990С |
2. Ароматическое кольцо в главной цепи полимера
СН2
С
// \
HС СH
tразлож = 4300С
HС СH
\\ /
С
3. Большая величина средней относительной молекулярной массы полимера
|
СН3 – СН2 – С – С = О О – СН3 полиметилметакрилат |
М = 1,5 105 tразлож = 2830С М = 5 106 tразлож = 3280С |
4. Сопряженные системы в главной цепи
[– С С –]n карбин tразлож = 23000С
Полимеры с подобной структурой относятся к жаростойким полимерам.
II. Факторы, определяющие пониженную термостойкость и повышенную горючесть полимеров.
термостойкость
горючесть
1. Наличие кратных связей в цепи полимера
|
( – СН2 – СН – )n СН3 полипропилен |
( – СН2 – С = СН – СН2 – )n СН3 полиизопрен |
|
tразлож = 3870С |
tразлож = 3230С |
2. Наличие атомов кислорода в главной цепи
|
( – СН2 – СН2 – )n
полиэтилен |
( – СН2 – СН2 – О – )n
полиэтиленоксид |
|
tразлож = 4060С |
tразлож = 3450С |
3. Наличие разветвлений в боковых цепях
|
( – СН2 – СН2 – )n
полиэтилен |
( – СН2 – СН – )n СН3 полипропилен |
|
tразлож = 4060С |
tразлож = 3870С |
III. Факторы, определяющие пониженную термостойкость и пониженную горючесть полимеров.
термостойкость
горючесть
Наличие в структуре негорючих атомов галогенов, причем
F < Cl << Br < I.
( – СН2 – СН – )n
Сl
поливинилхлорид tразлож = 2500С
3. Полимерные материалы
Полимерные материалы – материалы на основе высокомолекулярных соединений, важнейший класс современных материалов.
Основные достоинства материалов на основе полимеров: низкая стоимость, сравнительная простота, высокая производительность, малая энерго-емкость и малоотходность методов получения и переработки, невысокая плотность, высокая стойкость к агрессивным средам, низкая теплопровод-ность, высокие оптические, радио- и электротехнические свойства.
Недостатки полимерных материалов: низкая тепло- и термрстойкость, большое тепловое расширение, склонность к ползучести и релаксации напряжений, для многих полимерных материалов – горючесть.
Основные типы полимерных материалов – пластические массы и композиционные материалы, синтетические волокна, каучуки, лакокрасочные материалы и покрытия, клеи.
3.1. Каучуки
По мере развития науки и техники роль каучука и резиновых изделий возрастает. В настоящее время ассортимент резиновых изделий составляет более 50 тысяч наименований.
История открытия и практического использования каучука драматична.
Впервые каучук привез в Европу Колумб. Когда испанские конкистадоры в конце XV века высадились в Южной Америке, их внимание привлекли мячи, которыми индейцы пользовались в спортивных играх. Эти мячи были сделаны их неизвестного в Испании упругого и пластичного вещества, которое индейцы получали из млечного сока огромного дерева гевеи. Слезы дерева – као очу – так индейцы называли это вещество. Из этого вещества изготовляли водонепроницаемую обувь и обрабатывали им ткани, чтобы сделать ее непромокаемой.
Мяч, привезенный Колумбом, более трех столетий оставался музейным экспонатом. Однако этим деревом, которое росло в огромных девственных лесах Амазонки и получило у биологов название Hevea brasiliensis, в последующие годы продолжали интересоваться и наблюдали, как местные жители добывали его сок – каучу.
Напоминающая молоко белая жидкость еще не была каучуком. Она состояла на 65-75 % из воды, в которой в коллоидном состоянии были диспергированы 25-30 % каучуковых частиц. Кроме этого, в растворе содержались до 1,5-2 % белка, 1,5-2 % смолы и 0,5-1 % минеральных солей. После выпаривания воды оставался сам каучук – упругая и пластичная масса.
Ввозимый в Европу и Америку в небольших количествах каучук употребляли для пропитывания тканей. В 1823 году в Глазго был заложен фундамент будущего огромного здания резиновой промышленности: фабрика Макинтоша начала выпуск прорезиненных тканей для непромокаемых плащей.
В России первая резиновая фабрика была построена в Петербурге в 1832 году (ныне завод "Красный треугольник") для изготовления обуви с резиновым верхом.
Прорезиненная одежда и обувь в то время имели неприятные свойства – на холоде они становились жесткими и ломкими, а в тепле вязкими и пачкающими. И хотя скоро узнали еще об одном свойстве каучука – способности стирать с бумаги карандашные надписи, производство каучука в Бразилии существенно не увеличилось. Но вскоре все изменилось. Появились первые автомашины. Понадобился материал для изготовления амортизаторов на машинах и мотоциклах.
В 1839 году американцы Гудьир и Хейворд после многолетних и упорных опытов обнаружили, что при обработке сырого каучука серой происходит его вулканизация. После такой обработки каучук теряет вязкость, становится гораздо эластичнее и сохраняет эту эластичность в широком температурном интервале. Полученный материал назвали резиной. Теперь открылись новые области применения каучука.
Из резины стали изготавливать шины и камеры для автомашин. Бурное развитие электротехники сделало резину необходимым изоляционным материалом для электрических проводов и кабелей. Каучук очень подходил для этой цели, так как не проводил тока, а его эластичность делала провода с изоляцией гибкими. Уже в 1840 году было переработано 400 тонн каучука, и в последующие десятилетия потребление его непрерывно возрастало. В 1890 году оно составило уже свыше 29000 тонн.
Все надежды тогда возлагали на росшую в необозримых лесах Бразилии гевею. Началась нещадная эксплуатация индейцев. Тысячи индейцев поплатились своей жизнью и здоровьем за огромные прибыли компаний, поставляющих каучук в Европу и Америку. Так в одном из районов бассейна реки Путамайо, где были большие заросли гевеи, за несколько лет индейское население уменьшилось с 50 000 до 8000 человек.
Каучуковых деревьев становилось все меньше. В Бразилии под страхом смерти было запрещено перевозить через границу семена и молодые растения, так как Бразилия хотела остаться монополистом по добыче каучука.
В 1870 году англичанин Генри Викхем после тщательной подготовки сумел вывезти контрабандой 70 000 семян гевеи и доставить их в Англию. Семена высадили в Лондонском ботаническом саду. Выросло всего 3000 молодых растений, и лишь 1100 деревьев гевеи сумели высадить на уже подготовленных плантациях на Цейлоне. Вскоре монополия Бразилии была сломлена, и Англия стала главным производителем каучука. Из 869 000 тонн каучукового сырья, которые добывались в 1936 году, только 2 % шли из Бразилии.
К началу ХХ века было уже достаточно плантаций. Однако для многих государств каучук был большой проблемой. Деревья, дающие латекс, росли только в экваториальной зоне, и некоторые индустриальные государства в любой момент лишиться его привоза. С другой стороны, они должны были платить за каучук любую запрашиваемую цену. Тогда вспомнили о химии. Началась новая эпоха в истории каучука.
Несмотря на то, что в последующие годы были созданы различные марки синтетических каучуков, производство и переработка натурального каучука – одно из основных в таких странах как Малайзия, Индонезия, Таиланд, Индия, Шри-Ланка, Китай, Вьетнам.
Мировое производство натурального каучука в настоящее время достигает 4,5 млн. тонн/год.
Нагревая каучук, англичанин Вильямс в 1860 году получил масло, которое назвал изопреном. Он сумел определить его состав С5Н8. Тольку спустя 22 года английский ученый Тильден установил структурную формулу изопрена:
СН3
СН2 = С СН = СН2
Изопрен оказался ненасыщенным соединением с двумя двойными связями в молекуле; это жидкость с низкой температурой кипения 34,30С.
Было установлено, что структурной единицей натурального каучука является изопреновая группировка
СН3
СН2 С = СН СН2 ,
и соответственно формулу натурального каучука можно записать как
СН3
[ СН2 С = СН СН2 ]n .
Установлено, что средняя молекулярная масса натурального каучука составляет от 15 до 500 тыс.
Получить удовлетворительный синтетический изопреновый каучук (который все-таки уступал и уступает по своим свойствам натуральному) удалось только после второй мировой войны, когда были разработаны методы синтеза изопрена и метод его полимеризации с использованием специально подобранных катализаторов.
Решающие успехи в получении синтетического каучука были достигнуты, когда ученые отказались от изопрена как исходного вещества и стали осуществлять полимеризацию других мономеров.
В 1926 году в СССР был объявлен конкурс на лучший промышленный способ получения каучука. Через 2 года, 30 декабря 1928 года Сергей Васильевич Лебедев представил первые 2 кг синтетического бутадиенового каучука, а 7 июля 1932 года ярославский завод выдал 400 кг каучука, полученного по методу Лебедева. (В Германии синтетический каучук начали выпускать только в 1937 году, а в США – в 1942 году).
Этот метод заключался в полимеризации бутадиена-1,3:
Na
n СН2 = СН – СН = СН2 [– СН2 – СН = СН – СН2 –]n
бутадиен-1,3 полибутадиен
(бутадиеновый каучук)
В качестве сырья для производства бутадиена-1,3 использовали этиловый спирт
t, Al2O3
2С2Н5ОН СН2 = СН – СН = СН2 + 2Н2О + Н2
Для получения резины каучук подвергают вулканизации. Вулканизация – процесс обработки сырого каучука серой. В результате вулканизации происходит сшивание отдельных цепей каучука серными мостиками:
– СН2 – СН = СН – СН –
S Резина содержит от 0,5 до 3,5 % серы.
– СН – СН = СН – СН – Эбонит – 30 % серы.
S
– СН – СН = СН – СН2 –
В настоящее время существует очень большое количество марок каучуков.
90 % от общего числа – это бутадиеновый и бутадиен-стирольный каучук.
nСН2 = СН – СН = СН2 + nСН2 = СН [– СН2 – СН = СН – СН2 – CН2 – СН – ]n
С6Н5 С6Н5
бутадиен-1,3 стирол бутадиен-стирольный каучук
В сравнительно небольших количествах производят синтетический изопреновый каучук:
СН3 СН3
nСН2 = С СН = СН2 [ СН2 С = СН СН2 ]n
изопрен полиизопрен
(изопреновый каучук)
Основной недостаток этих каучуков – горючесть. Кроме того, наличие двойных связей в каучуках обусловливает способность их к самовозгоранию.
Хлоропреновый каучук (наирит) получают полимеризацией хлоропрена. Этот каучук обладает высокой клейкостью. Вулканизируют оксидами цинка и магния. Полученные резины обладают масло-, бензо-, тепло- и износостойкостью. Они не горючи, устойчивы к действию кислот и щелочей.
Сl Сl
nСН2 = С СН = СН2 [ СН2 С = СН СН2 ]n
хлоропрен хлоропреновый каучук
Хлоропреновый каучук применяют в производстве резинотехнических изделий, клеев, изоляций.
Большей термостойкостью обладают силоксановые каучуки. Эти вещества относят к классу каучуков не по своему строению (они не относятся к диенам), а по физическим свойствам (эластичность в определенном интервале температур). Однако его недостатком является неустойчивость к маслам и бензинам.
C2H5 C2Н5
[ Si – O – Si – O – ]n силоксановый каучук
С2Н5 С2Н5
Сочетание химической стойкости и термостойкости удалось получить в фторсилоксановом каучуке:
CH3 CН3
[ Si – O – Si – O – ]n фторсилоксановый каучук
С3Н4F3 С3Н4F3
Единственный каучук, устойчивый к высокоэнергетическим агрессивным топливам ракет – каучук “вайтон”.
CF2 = CF2 + CF2 = CF – CF3 [ CF2 – CF2 – CF2 – CF – ]n
CF3
Наиболее стойкий к истиранию – полиуретановый каучук:
СН2 – СН2 + С = N – C6H4 – N = C СН2 – СН2 – О – С – NН – C6H4 – NН – C –
ll ll ll ll
ОН ОН О О О – О О
этиленгликоль фенилендиизоцианат полиуретан
3.2. Пластмассы
Среди полимерных материалов первое место по объему производства занимают пластмассы. В настоящее время в развитых станах на одного человека приходится более 100 кг пластиков в год.
Пластмассы – конструкционные материалы, содержащие полимер, который при формовании изделия находится в вязкотекучем состоянии, а при эксплуатации – в стеклообразном (или высокоэластичном).
Первой пластмассой, полученной химиками в 1843 году, был эбонит - вулканизированный каучук, содержащий по массе свыше 30 % серы.
Через несколько лет в 1846 году был получен пластик на основе нитрата целлюлозы. Его использовали для изготовления пленок и покрытий (в частности, именно этот белый пластик выиграл конкурс на лучшее покрытие для биллиардных шаров).
O – NO2
[ С6Н7О2 – О – NO2 ]n тринитрат целлюлозы
\
O – NO2
Однако от него быстро отказались: нитраты целлюлозы - взрывоопасные вещества, и слой покрытия взрывался с громким хлопком от ударов и трения.
Менее взрывоопасными оказались ацетаты целлюлозы:
O – СОСН3
[ С6Н7О2 – О – СОСН3 ]n ацетат целлюлозы
\
O – СОСН3
Из этого полимера делали первую пленку для кино (англ. film – пленка).
Чуть позже при обработке нитрата целлюлозы камфарой был получен пластик целлулоид. Из него изготавливали игрушки, различные покрытия (как замену слоновой кости), однако чрезвычайная горючесть этого материала заставила со временем практически полностью от него отказаться.
К искусственным пластмассам можно отнести и галалит – желтовато-белый материал, полученный прессованием творога. Из него изготавливали ручки, статуэтки и т.п.
Первый синтетический полимер был получен в 1906 году. Это был бакелит – феноло-формальдегидная смола.
В настоящее время 80 % от общего объема пластмасс – это термопласты, 20 % - реактопласты.
Термопласты
Четыре вида термопластов составляют 85 % от всего объема этих пластмасс.
1. Полиэтилен – “король пластмасс”.
nСН2 = СН2 [ СН2 – СН2 –]n
этилен полиэтилен
Низкомолекулярный полиэтилен был впервые синтезирован в России в 1884 году Густавсоном. Первый высокомолекулярный полиэтилен высокого давления был получен в 1932 году в Великобритании.
Полиэтилен – твердый, белый термопласт. Устойчив к действию кислот, кроме азотной. Выдерживает низкую температуру (до – 700С), но теплостойкость его невелика. Изделия из полиэтилена лучше эксплуатировать при температуре не выше 800С.
В зависимости от способа получения различают полиэтилен высокого давления и полиэтилен низкого давления.
|
Полиэтилен высокого давления |
Полиэтилен низкого давления |
|
Получен в 1932 году в Англии. |
Получен в 1953 году в ФРГ. |
|
Условия синтеза |
|
|
Температура 190 – 3200С; давление 130 – 250 МПА. |
Температура 60 – 700С; давление 1,5 – 3,3 МПА; катализатор Циглера-Натта на основе триэтилалюминия Аl(С2Н5)3 и тетрахлорида титана TiCl4. |
|
Физические свойства полиэтилена |
|
|
Полиэтилен низкой плотности (910 – 930 кг/м3) характеризуется разветвленной структурой; средняя молекулярная масса от 50 тыс. до 3 млн.; эластичный и гибкий материал. |
Полиэтилен высокой плотности (930 – 970 кг/м3) характеризуется линейной (неразветвленной) структурой; средняя молекулярная масса от 50 тыс. до 800 тыс.; прочный и жесткий материал. |
Полиэтилен – нетоксичный материал, поэтому из него делают водопроводные трубы и изделия домашнего обихода (бутылки, фляги, стаканы, пробки и т.п.). Высокие диэлектрические показатели полиэтилена позволяют использовать его в качестве электроизоляционного материала в электропромышленности и радиотехнике.
Из полиэтилена изготовляют трубы для перекачки агрессивных жидкостей, емкости для перевозки и хранения химических веществ, кроме азотной кислоты.
В медицине полиэтилен используют для протезирования сосудов, замещения костных дефектов.
2. Полипропилен
nСН2 = СН – СН3 [ СН2 – СН – ]n
СН3
пропен (пропилен) полипропилен
Полипропилен получают полимеризацией пропена при 70 – 800С и давлении до 3 МПА, используя катализатор Циглера-Натта.
Этот материал обладает высоко степенью кристалличности и лучшими механическими свойствами, чем полиэтилен.
Из полипропилена можно изготавливать волокно, которое пригодно для технических и бытовых целей. В строительстве его используют для армирования цемента (вместо асбеста). Из полипропилена изготавливают различные емкости для технического и бытового назначения (баллоны, бутыли), стержни для шариковых ручек, части аппаратов для переливания крови. На основе полипропилена налажено производство пенопласта.
Более теплостоек, чем полиэтилен (выдерживает нагревание до 1000С), но обладает меньшей морозостойкостью.
3. Полистирол
nСН2 = СН – С6Н5 [ СН2 – СН – ]n
С6Н5
стирол полистирол
(винилбензол)
Полистирол известен около 100 лет, но его промышленное производство началось только в 1927 году.
Представляет собой твердый, прозрачный материал с плотностью 1050 кг/м3. Имеет высокие диэлектрические показатели, легко окрашивается. Устойчив к кислотам и щелочам, растворяется в бензоле, хлороформе, метилацетате.
Существенным недостатком является хрупкость и низкая теплостойкость (не превышает 800С), а при температуре выше 3000С полистирол легко разлагается.
Из полистирола делают изделия, не связанные с большими механическим нагрузками, например, облицовочные покрытия, электроизоляционные материалы, галантерейные изделия, тару, посуду. Полистирол использую для изготовления искусственных органов, замены дефектов черепа, протезирования зубов.
На основе полистирола получают пенополистирол “стиропор”, который применяется в строительстве, холодильной технике, радиотехнике и на телевидении в качестве термо- и звукоизоляционного материала. Пенополистирол толщиной 1 см держит тепло так же хорошо, как и кирпичная стена толщиной 20 см.
Ударопрочный полистирол изготавливают из полистирола с добавкой 10 % каучука. Такой композиционный материал может заменять дерево и металлы в машино- и приборостроении.
4. Поливинилхлорид (ПВХ)
nСH2 = CHCl [ CH2 – CH – ]n
Cl
винилхлорид поливинилхлорид
Поливинилхлорид обладает невысокой степенью кристалличности, плотностью 1350 – 1430 кг/м3; устойчив к агрессивным жидкостям, стойкий к истиранию.
Поливинилхлорид трудногорюч, но при температуре 1200С разлагается
с выделением токсичного хлороводорода НСl.
На основе поливинилхлорида выпускают пластмассы двух типов: винипласт и пластикат. Винипласт – жесткий прочный материал с хорошими диэлектрическими и антикоррозионными свойствами. Из него делают трубы, детали химической аппаратуры. Пластикат – мягкий эластичный материал. Из него получают различные пленки, шланги, линолеум, искусственную кожу. Из пластиката можно получить различные строительные детали (карнизы, плинтусы, дверные ручки).
В медицине поливинилхлорид используют для устранения дефектов лица, в аппаратах для переливания крови.
Кроме перечисленных четырех термопластов наиболее известны следующие полимерные материалы.
5. Полиметилметакрилат
О = С – О – СН3
nСН2 = С – С = О [ - СН2 – С – ]n
СН3 О – СН3 СН3
метилметакрилат полиметилметакрилат
Полиметилметакрилат – оргстекло или плексиглас – прозрачный полимер, стойкий к действию агрессивных веществ. Атмосферо- и светостоек. Обладает способностью пропускать 74 % ультрафиолетового излучения (для сравнения обычное стекло пропускает 2 % УФ-излучения, кварцевое – 100 %).
Полиметиметакрилат можно окрашивать во все цвета и использовать для декоративных ограждений, высокопрочных стекол, часовых и оптических стекол. Он применяется в медицине для изготовления искусственных хрусталиков, линз, зубных протезов.
6. Полицианакрилат
О = С – О – СН3
nСН2 = С – С = О [ - СН2 – С – ]n
СN О – СН3 СN
цианакрилат полицианакрилат
Полицианакрилат отличается очень большой скоростью полимеризации на воздухе, причем инициатором этого процесса являются пары воды. Иногда этот полимер называют “бешеным клеем”.
7. Политетафторэтилен
nCF2 = CF2 [– CF2 – CF2 – ]n
тетрафторэтилен политетрафторэтилен
Политетрафторэтилен (тефлон) – сероватый, тяжелый полимер, плотностью 2150 – 2240 кг/м3. Обладает самой высокой устойчивостью ко всем химическим реагентам, поэтому широко используется в химической промышленности. Не теряет своих свойств в очень широком интервале температур от – 2700С до +3000С.
Политетрафторэтилен обладает высокой механической прочностью, поэтому его применяют в производстве подшипников, поршневых колец.
Пластичен, образует самые тонкие пленки. Полимер нашел применение в быту (изготовление тефлоновой посуды) и в медицине (костные и суставные протезы). Он используется как антикоррозионное покрытие на металлы.
Политетрафторэтилен – негорючий материал, но при температуре 3200С он плавится, а при 4500С – разлагается с выделением токсичных веществ.
Реактопласты
1. Аминопласты
Аминопласты составляют до 40 % всех производимых реактопластов. Получают аминопласты из мочевины и формальдегида:
H2N – C – NH2 + O = C – H [H2N – C – N – + Н2О
ll ll
O H O CH2 – ]n
мочевина формальдегид мочевиноформальдегидная смола
(карбамид) (аминопласт)
Впервые этот полимер был синтезирован в 1937 году в Ленинградском технологическом институте.
Мочевиноформальдегидные смолы бесцветны или имеют белый цвет. Они применяются для получения мастик и клеев, лакокрасочных материалов, электротехнических изделий. Изготовленные из этого полимера предметы практически не изнашиваются.
Эти смолы используют для выработки слоистых структур, которые являются отличным облицовочным материалом в мебельной промышленности и строительстве.
При смешивании аминопластов и измельченной целлюлозы получают композиционный материал, который идет на изготовление огнеупорной посуды и стекол.
2. Фенопласты (фенолформальдегидные смолы)
Фенолформальдегидные смолы образуются при конденсации фенола и формальдегида (см. 18.1.2.). Их структура зависит от условий проведения конденсации (рН, температуры, времени реакции).
При конденсации в кислой среде образуются новолаки, состоящие из несшитых линейных макромолекул и применяемые для получения клеев и лакокрасочных материалов.
Конденсация в щелочной среде приводит к резолам, которые при нагревании превращаются в неплавящиеся и плохо растворимые резитолы.
При дальнейшем нагревании образуется конечная форма фенопластов, резиты – неплавящиеся и нерастворимые вещества, молекулы которых максимально структурированы.
Из этих материалов изготовляют многие предметы, используемые в электротехнике и в быту. Их применяют в строительстве для производства различных композиционных материалов: древесностружечных плит, древеснослоистых пластиков, бумажнослоистых пластиков. Например, текстолит получают прессованием тканей, предварительно пропитанных резольной фенолформальдегидной смолой. Под названием фаолит известен фенопласт с наполнителем из асбеста, стеклопласты – с наполнителем из стекловолокна, гетинакс – из бумаги. Литые фенолформальдегидные полимеры без наполнителя называют карболитами.
Фенопласты устойчивы к действию химических реагентов, воды, являются хорошими диэлектриками. Однако при обработке этих материалов, связанной с образованием пыли, необходимо помнить, что пыль, взвешенная в воздухе, взрывоопасна. Пожароопасна и осевшая пыль. Кроме того, при нагревании и сушке подобных материалов выделяются токсичные продукты – пары фенола, формальдегида, анилина.
3. Полиуретаны
Полиуретаны – гетероцепные полимеры (см. 18.4.1.), содержащие уретановые группы
- N (R) – C – O – , где R – Н, углеводородные радикалы.
ll
O
Полиуретаны впервые получены в Германии в 1937 году О. Байером с сотрудниками. Мировое производство составляет около 4 млн. тонн и увеличивается из года в год.
Полиуретаны обладают рядом достоинств, определивших быстрое развитее их производства. Эти полимеры обладают высоко прочностью и твердостью в сочетании с эластичностью, масло- и бензостойкостью, хорошей адгезией к широкому кругу материалов, радиационной стойкостью и исключительно высоким сопротивлением к истиранию, по величине которого полиуретаны превосходят все известные полимеры.
Кроме этого, варьированием исходных компонентов получают широкий ассортимент различных материалов.
Более 80 % от всех производимых полиуретанов приходится на долю вспененных полимеров.
Недостатками полиуретанов являются невысокая стойкость при повышенных температурах и к действию щелочей, резкая зависимость свойств от перепадов температуры.
4. Полиэфиры
Сложные полиэфиры – гетероцепные полимеры, содержащие в основной цепи регулярно повторяющиеся группировки
– R – C – O –
ll
O
Наибольшее распространение получили эфиры двух- и трехатомных спиртов и двухосновных кислот. К наиболее важным полиэфирам относятся глифтали – эфиры, образованные глицерином и фталевой и терефталевой кислотами:
|
О = С – ОН С // \ HС СH
HС СH \\ / С О = С – ОН терефталевая кислота |
СН O // \ ll HС С – С – ОН
HС С – C – OH \\ / ll СН O
фталевая кислота |
Состав пластмасс
Основой пластмасс являются полимеры. Они играют роль связующего компонента при получении пластмасс и в значительной степени определяют их свойства. Кроме полимера в состав пластмасс могут входить наполнители, стабилизаторы, пластификаторы, красители и другие добавки.
Наполнители придают пластмассам механическую прочность, твердость и термостойкость. Они могут составлять от 30 до 70 % от общей массы пластмассы. Используя различные наполнители, получают так называемые композиционные материалы.
Наполнители могут быть порошкообразные (мел, кварц, мука, тальк), волокнистые (ткани, стекловолокно), листообразные (фанера, бумага). Например, применяя в качестве наполнителя стекловолокно, получают стеклопластики, с высокой механической прочностью, сравнимой с прочностью стали. Материал, полученный из поливинилхлорида и сульфата калия K2SO4, выдерживает температуру до 33000С.
Пластификаторы – вещества, изменяющие температуру стеклования полимера, увеличивают пластичность материала и способствуют формованию изделий.
Пластификаторы должны быть инертными веществами и легко удаляться. Так, например, при получении клеенки из поливинилхлорида последний пластифицируют эфирами лимонной кислоты. Таким образом получают различные пленки, искусственные кожи.
Стабилизаторы (антиоксиданты) повышают стойкость пластмасс к действию кислорода, света, тепла, механическим нагрузкам, замедляют старение полимера. В качестве стабилизаторов используют органические и металлорганические соединения.
Определенный цвет пластмассам придают красители и пигменты. Красители растворяются в массе полимера, как, например, черный краситель нигрозин, а пигменты распределяются в массе полимера в виде нерастворимых твердых дисперсных частичек. В качестве пигментов используют охру, сурик, ультрамарин, белила.
В некоторые пластмассы при изготовлении добавляют отвердители для ускорения процесса получения полимерного материала. В качестве отвердителе используют перекиси, амины.
Отдельно следует сказать о пластических пенах – пенопластах или пористых пластиках. Вспененные полимеры содержат газ в пустотах по всему объему материала. Такие материалы имеют низкую плотность (100 – 200 кг/м3), обладают прекрасными тепло- и звукоизолирующими свойствами.
3.3. Химические волокна
Волокна – протяженные гибкие и прочные тела малых поперечных размеров, пригодные для изготовления пряжи и текстильных изделий.
|
Волокна |
||
|
натуральные |
химические |
|
|
искусственные |
синтетические |
|
|
Волокна растительного (лен, хлопок, конопля) и животного (шерсть, шелк) происхождения |
Получают из природных полимеров (целлюлозы) путем химической переработки, например, вискоза, ацетатный шелк |
Получают из термопластичных полимеров (найлон, капрон, лавсан) |
Существует минеральное негорючее волокно асбест – минерал хризотил – с температурой плавления 1550 0С:
Mg3[Si2O5](OH)4 асбест
Прочность некоторых волокон приведена в таблице.
Таблица 18.2.
Сравнительная прочность
некоторых волокон, стали и алюминия
|
Волокна, сталь, алюминий |
Прочность, Мн/м2 |
|
Сталь (струны рояля) |
2000 |
|
Капрон высокопрочный |
900 |
|
Вискоза высокопрочная |
600 |
|
Лавсан |
600 |
|
Хлопок |
400 |
|
Шелк |
400 |
|
Вискоза (обычное волокно) |
300 |
|
Шерсть |
200 – 350 |
|
Ацетатное волокно |
180 |
|
Алюминий (провода) |
170 |
Искусственные волокна
Первые ненатуральные волокна, полученные из целлюлозы, - искусственные волокна. В 1880 году французский химик Шардоне из спирто-эфирного раствора впервые получил искусственный шелк – нитрат целлюлозы:
O – NO2
[ С6Н7О2 – О – NO2 ]n тринитрат целлюлозы
\
O – NO2
Полученный шелк ничем не уступал натуральному, однако имел один, но очень существенный недостаток: от искры, сильного удара платье, сшитое из него, могло вспыхнуть, поскольку нитрат целлюлозы – пироксилин - компонент бездымного пороха.
Сам Шардоне и устранил этот недостаток. Как и в случае пластмасс нитрат-группы были заменены на ацетатные. Таким образом было получено волокно на основе ацетата целлюлозы:
O – СОСН3
[ С6Н7О2 – О – СОСН3 ]n триацетат целлюлозы
\
O – СОСН3
Уже через десять лет фабрика Шардоне вырабатывала до 50 кг нитей в день.
Из искусственных волокон на сегодняшний день наибольшее распространение получили ацетатное и вискозное волокно.
Ацетатное волокно получается на основе триацетата- или диацетата целлюлозы. Эти волокна имеют гладкую блестящую поверхность, не сминаются, не боятся моли, обладают хорошими теплоизолирующими свойствами. Ткани на основе этих волокон легко стираются, электризуются, плохо впитывают влагу. Используют их для изготовления трикотажа, спортивной одежды.
Иначе получают из целлюлозы вискозное волокно. Вискоза – это определенным образом ориентированные макромолекулы целлюлозы: [С6Н10О5]n.
Обычное вискозное волокно используют для изготовления одежды, подкладочных тканей, нижнего белья, детских изделий. Волокно это легко мнется, часто его используют в смеси с шерстью, хлопком и шелком.
Высокопрочное вискозное волокно подвергают дополнительной вытяжке и применяют для получения корда в производстве автомобильных покрышек. Вискозу также используют для получения искусственной кожи – кирзы.
Синтетические волокна
В промышленных масштабах выпускают следующие основные виды синтетических волокон: полиамидные (найлон, капрон, анид, энант), полиэфирные (лавсан), полиакрилонитрильные (нитрон), поливинилхлоридные (хлорин).
Первым полиамидным волокном, созданным в 1938 году в США, в исследовательских лабораториях компании Дюпон под руководством Карозерса, был найлон-6,6:
О О
ll ll
СН2 – СН2 – СН2 – СН2 – СН2 – СН2 + С – CН2 – СН2 – СН2 – СН2 – С
NH2 H – N – H ОН ОН
гексаметилендиамин адипиновая кислота
СН2 – СН2 – СН2 – СН2 – СН2 – СН2 CН2 – СН2 – СН2 – СН2 + Н2О
NH2 Н – N С = О О = C – OH
найлон-66
Свое название найлон-66 получил потому, что каждая из его составных частей содержит по 6 атомов углерода. Позднее были синтезированы и другие разновидности найлона.
Полиамидное волокно капрон было синтезировано в Германии в 1939 году из -аминокапроновой кислоты:
О О
ll ll
С – СН2 – СН2 – СН2 – СН2 – СН2 + С – CН2 – СН2 – СН2 – СН2 – СН2
ОH H – N – H ОН NН2
-аминокапроновая кислота -аминокапроновая кислота
O
ll
C – СН2 – СН2 – СН2 – СН2 – СН2 CН2 – СН2 – СН2 – СН2 – СН2 + Н2О
OH Н – N С = О NH2
капрон (полиамид-6)
Из капрона можно получить тончайшую нить: ее длина в 9 км будет весить всего 1 г!
Полиамидные волокна являются ценным материалом для производства особо прочных изделий: автомобильного корда, парашютных тканей, канатов, веревок, конвейерных лент, ковров, искусственного меха. Они не гниют, не впитывают влагу, не подвергаются действию моли.
На основе полиамидов выпускают нити повышенной прочности – кевлар, из которых изготавливают шинный корд и пуленепробиваемые жилеты. Особую прочность этим волокнам придает стержнеподобная форма молекул:
[– N – C6H4 – N – C – C6H4 – C – ]n
ll ll
H H O O
кевлар
Из полиэфирных волокон наиболее ценным является лавсан, созданный впервые в Германии в 1920 году. Лавсан представляет собой сложный эфир – полиэтилентерефталат, который синтезируют реакцией поликонденсации терефталевой кислоты и этиленгликоля:
ОН – СН2 – СН2 – ОН + ОН – С – С6Н4 – С – ОН
ll ll
O O
этиленгликоль терефталевая кислота
ОН – СН2 – СН2 – О – С – С6Н4 – С – ОН
ll ll
O O
лавсан
Лавсан называют иногда “белоснежная шерсть”. На основе лавсана изготавливают различные ткани, трикотаж, синтетическую шерсть, ковры. Техническая нить используется для шинного корда, рыболовных сетей, парусных тканей, тканей для резинотехнических изделий.
Волокно лавсан мало мнется, но по истираемости уступает полиамидным волокнам. Поэтому его не используют для производства чулочно-носочных изделий. Температура плавления лавсана около 2600С, это выше, чем у полиамидов (2150С).
Волокно нитрон по внешнему виду напоминает натуральную шерсть. Нитрон относится к полиакрилонитрильным волокнам.
n CH2 = CH [– CH2 – CH – ]n
CN CN
акрилонитрил полиакрилонитрил
Эти волокна не набухают в воде, не гниют, устойчивы к действию моли и плесени, но легко электризуются. Применяются для изготовления верхнего трикотажа, ковров, меха, обивочных тканей.
Из поливинилхлорида получают волокно хлорин.
n CH2 = CH [– CH2 – CH – ]n
Cl Cl
винилхлорид поливинилхлорид
Волокно хлорин не набухает в воде и не гниет, устойчиво к действию кислот, щелочей, окислителей. Из него изготавливают спецодежду, фильтровальные ткани, лечебное белье (при радикулите, ревматизме).
Рассматривая будущее полимерных материалов, следует вспомнить высказывание академика Н.Н. Семенова о том, что “полимеры, несомненно, станут одной из основ материальной культуры человека”. Основная задача сегодняшнего времени – снижение пожароопасности полимерных материалов, особенно применяемых в строительстве и в производстве бытовых изделий.