Что такое искусственные полимеры

§ 21. Искусственные полимеры

Как вы смогли убедиться на примере рассмотрения органических соединений живой природы, многие из них имеют полимерную природу.

Полимерные вещества и материалы на их основе прочно вошли в повседневную жизнь человека. Разнообразие областей их применения требует придания этим веществам свойств, которыми не обладают природные полимеры.

Химики нашли способы химической модификации природных полимеров. При этом основная цепь макромолекул не претерпевает изменений, но в составе вещества появляются новые группы атомов, придающие ему новые физические и химические свойства.

Высокомолекулярные вещества, которые получают на основе природных полимеров путем их химической модификации, называют искусственными полимерами.

Схематично получение искусственных полимеров можно изобразить следующим образом:

Искусственные полимеры используют для изготовления пластмасс, волокон и других материалов.

Полимер и пластмасса — это не одно и то же. Любая пластмасса содержит полимер, но кроме него в ее состав могут входить и другие компоненты: красители (придают материалу цвет), наполнители (обеспечивают жесткость пластмассы), пластификаторы (делают материал более эластичным, гибким) и др.

Пожалуй, самым удобным природным полимером для химической реконструкции его молекул является целлюлоза.

Первая пластмасса была получена в конце XIX в. в Америке. При обработке целлюлозы концентрированной азотной кислотой в присутствии концентрированной серной кислоты две гидроксильные группы в структурном звене замещаются на нитрогруппы. Полученное вещество называют динитратом целлюлозы:

целлюлоза + HNO₃ → динитрат целлюлозы + вода.

При добавлении к динитрату целлюлозы камфоры (в качестве пластификатора) получают пластмассу молочно-белого цвета, похожую на слоновую кость. Эта пластмасса получила название целлулоид.

Первыми изделиями, которые были изготовлены из целлулоида, стали бильярдные шары, затем мелкие бытовые предметы: расчески, игрушки, линейки. Из нитратов целлюлозы изготавливали кино- и фотопленку.

Большим недостатком целлулоида является его горючесть. Ввиду повышенной пожароопасности область применения целлулоида теперь ограничена. В настоящее время из этого материала изготавливают теннисные шарики и красивую, блестящую облицовку музыкальных инструментов. На основе нитратов целлюлозы изготавливают клей и лаки.

Люди научились многие недостатки веществ обращать в достоинства. Сделать динитрат целлюлозы еще более горючим можно, превратив его в тринитрат. Тринитрат целлюлозы используют в качестве пороха и называют пироксилином.

На основе искусственных полимеров получают не только пластмассы, но и волокна.

Сама целлюлоза — это волокнистый материал. В этом легко убедиться, рассмотрев кусочек медицинской ваты. Из целлюлозных волокон состоят хлопчатобумажные и льняные ткани. Наряду с неоспоримыми преимуществами изделия из хлопка и льна обладают существенными недостатками. Они недостаточно прочны (особенно при намокании), легко мнутся, не имеют блеска, повреждаются грибком.

Этих недостатков лишены изделия из самого распространенного искусственного волокна — ацетатного шелка.

Процесс получения полимера для изготовления ацетатных нитей очень напоминает получение динитрата целлюлозы. Только в этом случае целлюлозу обрабатывают не азотной, а уксусной кислотой. Все три гидроксильные группы структурного звена целлюлозы вступают в реакцию этерификации. В результате образуется полимер с тремя сложноэфирными группами — триацетат целлюлозы:

целлюлоза + СН₃СООН → триацетат целлюлозы + вода.

Триацетат целлюлозы, в отличие от исходного природного полимера, волокнистой структурой не обладает. Как же изготовить из него нити? Для этого был придуман специальный технологический процесс.

Триацетат целлюлозы растворяют в органическом растворителе до образования вязкого раствора и под большим давлением продавливают его через колпачки со множеством мельчайших отверстий — так называемые фильеры. Струйки раствора обдуваются теплым воздухом, растворитель испаряется, полимер затвердевает в тончайшие нити (рис. 83).

Рнс. 83.
Схема формирования волокон:
1 — фильера; 2 — пучок волокон

Ткани из ацетатного волокна (ацетатного шелка) очень красивы, легко окрашиваются и многофункциональны: из них с одинаковым успехом изготавливают и подкладочный материал, и нарядные бальные платья.

Помимо ацетатного шелка, к искусственным волокнам относятся также вискоза, медно-аммиачное волокно.

Вискозу также получают на основе целлюлозы путем последовательной обработки раствором щелочи, сероуглеродом CS₂, раствором кислоты. Вискозное волокно по красоте почти не уступает натуральному, оно также гигиенично (пропускает наружу влагу) и, что немаловажно, намного дешевле натурального.

Можно ли совсем отказаться от природного полимерного сырья при производстве пластмасс и волокон? Для современной химии нет ничего невозможного! О синтетических полимерах пойдет речь в следующем параграфе.

Источник

Что такое искусственные полимеры

Природные полимеры — важнейший компонент химической организации живой природы. Однако без полимеров немыслима и жизнь современного индустриального общества, и повседневная жизнь человека.

Полимеры делятся на природные, искусственные и синтетические в зависимости от того, как они были получены.

Природные высокомолекулярные вещества были исторически первыми полимерами, которые человек использовал для своих хозяйственных и бытовых нужд. Шерстяные, шёлковые, льняные, хлопчатобумажные ткани изготавливали из соответствующих нитей и волокон, получаемых на основе природных белковых (шерсть, шёлк) или целлюлозных (лён, хлопок) волокон. Древесина до сих пор применяется как наиболее экологически чистый, экономичный и эстетичный материал в строительстве и отделке помещений, изготовлении мебели и предметов домашнего обихода.

Однако изделия и материалы на основе природных полимеров не лишены недостатков. Они легко повреждаются микроорганизмами, быстро стареют и изнашиваются, подвергаются гниению и порче.

Искусственные полимеры

Во второй половине XIX в. учёные задумались над тем, каким образом можно придать природным полимерам новые свойства, которыми они не обладают. Вскоре решение было найдено. Взятый за основу природный полимер обрабатывали химическими веществами. Например, при обработке волокон целлюлозы концентрированной азотной кислотой получают продукт нитрования, в котором гидроксильные группы (две или все три) в структурном звене (остатке глюкозы) замещены на нитрогруппы. Таким образом, происходит замена одной группы атомов на другую, а полимерная цепь при этом не затрагивается:

В результате этой реакции получались вещества, которые имеют широкое применение: ди- и тринитроцеллюлоза.

Изменение химического состава и структуры полимера придавало ему новые свойства. Такой процесс назвали модификацией полимера, а полученные высокомолекулярные соединения, в отличие от природных, получили название искусственных.

Общую схему модификации природных полимеров с получением искусственных можно изобразить следующим образом:

Пластмассы

В 1870 г. американский изобретатель Джон Хайатт добавил к динитрату целлюлозы камфору и получил блестящий материал молочно-белого цвета. Из этого вещества стали изготавливать бильярдные шары, заменившие дорогостоящие шары из слоновой кости (рис. 50). Новый материал получил название целлулоид и стал первой искусственной пластмассой.

Не путайте термины «полимер» и «пластмасса» — это не одно и то же.

Свойства пластмассы как материала можно задать заранее с помощью введения дополнительных компонентов: наполнителей, которые обеспечивают жёсткость пластмассы, красителей, которые придают ей необходимый цвет, пластификаторов, которые делают полимерный материал более эластичным и гибким.

Помимо бильярдных шаров, из целлулоида делали украшения, расчёски, рукоятки инструментов, канцелярские принадлежности, фотоплёнку и многое другое. Однако целлулоид пожароопасен, поэтому области его применения ограничены. Из него изготавливают красивую блестящую облицовку музыкальных инструментов и теннисные шарики.

Кроме того, на основе нитратов целлюлозы изготавливают клеи, лаки и эмали.

Тринитрат целлюлозы используют в качестве пороха для снаряжения патронов и называют пироксилином.

Волокна

Полимеры используют для получения не только пластмасс, но и волокон.

Природный полимерный углевод — целлюлоза имеет волокнистую структуру. Из содержимого коробочек созревшего хлопчатника изготавливают хлопчатобумажные ткани и медицинскую вату. Изделия лёгкой промышленности на основе хлопка гигиеничны и экологичны. Но они легко мнутся и намокают, недостаточно прочны.

Эти недостатки устраняются путём химической обработки целлюлозы уксусной кислотой:

Получается сложный эфир — триацетат целлюлозы, не имеющий волокнистой структуры. Поэтому его вытягивают в нити. Для этого была разработана специальная технология.

В раствор или расплав полимера добавляют красители, а также специальные добавки, повышающие эластичность волокна, его прочность и другие характеристики. Затем нагретую жидкость под давлением пропускают через специальные колпачки со множеством мельчайших отверстий — фильеры. Через отверстия просачивается тонкая струйка полимера, который обдувается нагретым воздухом. При этом растворитель, если он присутствовал, испаряется, струйки превращаются в волоконца, которые затем скручивают в нить.

Ткани из ацетатного шёлка красивы, прочны, легко окрашиваются, гигиеничны и недороги.

На основе целлюлозы получают ещё одно искусственное волокно — вискозу, которая обладает дополнительными экологическими и гигиеническими преимуществами по сравнению с ацетатным шёлком. Вискоза хорошо впитывает влагу, шелковистая и мягкая на ощупь, обладает воздухопроницаемостью и высокой интенсивностью цвета, не электризуется и, что немаловажно, стоит недорого.

Помимо волокон, на основе вискозы получают пластмассы и плёнки. Вы наверняка слышали название некогда распространённого упаковочного материала — целлофан. Эта вискозная плёнка широко использовалась для упаковки подарков, цветов, продуктов питания. Её главное достоинство — лёгкость разложения в природных условиях, что не приводит к загрязнению окружающей среды. Однако в настоящее время целлофан практически полностью вытеснен более дешёвыми полиэтиленом, полипропиленом, лавсаном. Эти полимеры относят к группе синтетических материалов, о которых пойдёт речь в следующем конспекте.

Справочная таблица «Полимеры»

Конспект урока по химии «Классификация полимеров. Искусственные полимеры». В учебных целях использованы цитаты из пособия «Химия. 10 класс : учеб, для общеобразоват. организаций : базовый уровень / О. С. Габриелян, И. Г. Остроумов, С. А. Сладков. — М. : Просвещение». Выберите дальнейшее действие:

Источник

Синтетические полимеры

Полимеры относятся к классу химических соединений, у которых короткие структурные единицы, состоящие из нескольких атомов (мономеров), соединенных в длинные цепочки при помощи различного рода связей. Характерная особенность полимеров – большая молекулярная масса – от нескольких тысяч, до миллионов. Натуральные и созданные позже синтетические полимеры характеризуются следующими свойствами:

Точная классификация подразделяет многочисленное семейство полимеров на органические и неорганические. Наиболее востребованы, имеют большой ассортимент разновидностей с различными свойствами органические соединения, которые основаны на углеродных цепочках.

Одним из первых полимеров, созданным человеком на основе природных материалов, стала резина, производимая путем вулканизации каучука, и целлулоид, имеющий в основе целлюлозу.

Дальнейшее создание и производство полимерных материалов базировалось на достижениях органической химии.

Особенности

Синтетические полимеры имеют в своей основе низкомолекулярные органические соединения (мономеры), которые в результате реакций полимеризации или поликонденсации образуют длинные цепочки. Расположение и конфигурация молекулярный цепей, тип их связи во многом определяют механические характеристики полимеров.

Искусственные и синтетические полимеры обладают радом специфических особенностей. На первом месте следует отметить их высокую эластичность и упругость – способность противостоять деформациям и восстанавливать первоначальную форму. Пример – полиамид, резина. Полиуретановая нить – эластан, способна без разрыва изменять свою длину на 800 % и затем восстанавливать первоначальный размер. Наличие длинных молекулярных цепочек в структуре синтетических материалов обусловило низкую хрупкость пластиковых изделий. В большинстве случаев увеличение хрупкости у некоторых типов пластмасс происходит при понижении температуры. Органические материалы практически полностью лишены этого недостатка.

Отдельные типы пластиков, наоборот, имеют высокую жесткость и твердость. Стеклотекстолит по прочности мало уступает стали, а такой полимер, как кевлар, даже превосходит ее.

Указанные свойства дополняются высокой коррозионной стойкостью, износостойкостью. Большинство известных полимеров имеют высокое электрическое сопротивление, низкую теплопроводность.

Отмечая высокие эксплуатационные и технологические качества, нельзя забывать и про отрицательные стороны:

Химические свойства полимеров показывают их высокую стойкость к агрессивным веществам, но в ряде случаев затрудняет использование клеевых составов. Поэтому для термопластичных полимеров используют метод сварки – соединение разогретых элементов. Некоторые вещества, например, фторопласты, вообще не подлежат соединениям, кроме механических.

Применение

Без преувеличения можно сказать, что полимеры нашли применение абсолютно во всех областях деятельности и жизни человека. Синтетические полимеры используются в быту и промышленности как самостоятельные изделия, так и в качестве замены традиционных материалов или в комплексе с ними для получения уникальных характеристик.

Первое применение нашли искусственные полимеры. Самый яркий пример – резина. В настоящее время основная часть резиновых изделий выполняется из синтетического каучука, но имеется несколько областей применения, где до сих пор используется резина из натурального каучука.

Полимеры обладают целым комплексом уникальных качеств, которых нет у традиционных материалов, или использование последних технологически и экономически нецелесообразно. Устойчивость к химическим реакциям в большом диапазоне температур и по отношению к большой группе активных химических соединений способствует большому распространению полимерных материалов в химии и химической промышленности.

Низкая токсичность, химическая устойчивость, отсутствие аллергических реакций позволило синтетическим полимерам найти широкое применение в медицине. Это искусственные органы, производство лекарств – от упаковок, до оболочек медицинских препаратов (таблеток, капсул), шовные материалы, клеи.

Пищевая упаковка из полимерных материалов

Те же самые качества используются и в пищевой промышленности для изготовления посуды, упаковочной тары для готовых продуктов и в процессе их производства. Себестоимость упаковки синтетической тары в несколько раз меньше, чем у картонной, бумажной или из иных натуральных материалов.

В промышленности высокомолекулярные полимерные соединения используются для производства конструкционных материалов, узлов трения, несущих конструкций, лаков и красок.

Благодаря превосходным электроизолирующим свойствам пластики практически полностью вытеснили натуральные материалы в электротехнической промышленности. Изоляция проводов, корпуса приборов, печатные платы изготавливаются на основе полимерных материалов. Жесткие обмоточные провода покрываются слоем синтетических лаков, при малой толщине обладающих высоким сопротивлением и прочностью, а гибкие монтажные проводники имеют оболочку из поливинилхлорида или полиэтилена, окрашенную в различные цвета для удобства обслуживании и ремонта.

На основе синтетических полимеров изготавливаются текстильные материалы большинства известных наименований. Ткани и одежда имеют в своем составе пряжу на основе полиамида, полиэстера, полипропилена. Как альтернатива натуральной шерсти выступает акрил, изделия из которого трудно отличить от натуральных.

Тот же самый полиамид, который служит заменой шелку, в монолитном состоянии имеет прочность, сравнимую со многими металлами. Если учесть, что полиамид, иначе называемый капрон или нейлон, химически инертен, а значит, не подвержен коррозии и имеет низкий коэффициент трения, то замена металлов синтетическими веществами вполне очевидна.

Еще более высокие качества имеют такие промышленные полимеры, как фторопласты – фторорганические соединения. Данные синтетические полимерные материалы имеют один из самых низких коэффициентов трения и самую высокую химическую устойчивость. Эти качества используются при производстве узлов трения, особенно в устройствах, работающих в агрессивной среде.

Когда нельзя произвести полноценную замену металлических конструкций искусственными материалами, выполняют покрытие металлической основы слоем пластика. Технологический процесс покрытия металла слоем пластика осуществляется таким образом, чтобы происходила связь основы и покрытия на молекулярном уровне. Этим достигается высокая прочность соединения.

Промышленные полимеры могут иметь самые различные виды. Используются как термопластичные материалы, так и термореактивные пластики. В первом случае для изготовления деталей и конструкций используется метод литья или прессовки при температуре размягчения полимера, а во втором пластмасса формируется непосредственно в виде готового изделия или полуфабриката с минимальной последующей обработкой.

Среди промышленных синтетических полимеров можно выделить композиционные материалы, в которых наполнителем или армирующей составляющей могут служить самые различные материалы, а связующим веществом выступает полимер.

Наиболее известны такие композиционные материалы:

Классификация синтетических полимеров

Существует несколько классификационных групп полимеров, в зависимости от определяющего признака. В первую очередь, это:

По химическому составу деление таково:

В зависимости от типов цепочек молекулярного состава, можно указать следующие виды структуры полимеров:

Варианты структуры полимеров

Все полимерные соединения по-разному характеризуются по отношению к температуре. Таким образом, их делят на две группы:

Существует еще несколько типов классификации полимеров, к примеру, по полярности молекулярных цепочек. Но данная квалификация необходима только узким специалистам.

Многие типы полимеров используются в самостоятельном виде (полиэтилен, полиамид), но значительное количество применяется в качестве композиционных материалов, где выполняет роль связующего элемента между органической и неорганической основой – пластики на основе стеклянных или углеродных волокон. Часто можно встретить комбинацию полимер – полимер (текстолит, у которого полимерная ткань пропитана полимерным связующим).

Источник

Полимеры — свойства и применение

Полимеры — это высокомолекулярные вещества с молекулярной массой от нескольких тысяч до нескольких миллионов. Свойства полимеров во многом обусловлены не только молекулярной массой, но и химическим составом звеньев, пространственной конфигурацией молекул, степенью разветвленности молекул, типом связей между молекулами, способом производства полимера. В зависимости от всех этих параметров свойства полимеров могут различаться очень сильно.

Практически все полимеры являются хорошими диэлектриками, обладают низкой теплопроводностью, высокой механической прочностью. Стеклообразные полимеры бьются без острых осколков. Линейные полимеры обладают способностью к обратимым деформациям; поддаются ориентации макромолекул под влиянием механических нагрузок (на этом свойстве основано производство пленок и волокон). Важным качеством полимеров является резкое изменение характеристик при введении небольших количеств примесей.

Полимеры существуют в различных агрегатных состояниях: в виде тягучей жидкости (смазки, клеи, лаки и краски, герметики), в виде эластичных материалов (резины, силикон, эластомеры, поролон) и в виде твердых пластмасс (полиэтилен, полипропилен, поликарбонат и т.д.).

Полимеры в качестве химических веществ могут:
— образовывать новые химические связи между молекулами;
— образовывать новые связи между отдельными звеньями молекулы;
— присоединять боковые звенья к основной цепочке молекул;
— распадаться на отдельные мономеры.

Образование полимеров

Искусственные полимеры получают в результате трех типов реакций: полимеризации, поликонденсации, химических реакций. Полимеризацией называется процесс присоединения повторяющихся цепочек молекул (звеньев) к активному центру роста макромолекулы. Механизм полимеризации состоит из таких этапов, как:
— образование центров полимеризации;
— рост молекул путем последовательного присоединения новых звеньев;
— перенос центров полимеризации на другие молекулы, которые начинают активно расти;
— разветвление молекул;
— прекращение процесса роста молекул.

Для того чтобы вызвать полимеризацию в исходном низкомолекулярном сырье, используют различные способы воздействия: высокое давление, высокие температуры, воздействие светом или облучением, катализатором. В результате полимеризации химический состав сырья и готового продукта остается одним и тем же, но меняется структура вещества.

Поликонденсацией называется процесс изготовления полимеров из многофункциональных соединений методом перегруппировки атомов и отделения побочных продуктов (воды, низкомолекулярных соединений). Способом поликонденсации, например, производят поликарбонаты, полиуретаны, фенолальдегидные смолы.

Применение

Современная экономика просто немыслима без различных полимеров. Да мы и сами состоим из природных полимеров: белков, нуклеинов, полисахаридов.

Производство полимеров в промышленных масштабах началось в начале 20-го века. Практически одновременно промышленность начала производить искусственные полимеры методом переработки целлюлозы и синтетические полимеры методом переработки низкомолекулярного сырья (фенола, формальдегида, стирола, винилхлорида, акрила). На основе эфиров целлюлозы изготавливали, в частности, целлулоид, пленки, лакокрасочные материалы. Например, развитие кинематографа напрямую связано с появлением нитроцеллюлозных прозрачных пленок. Из синтетических полимеров перед Второй мировой войной особо важным было получение искусственного каучука, оргстекла, фенолформальдегидных смол.

В настоящее время полимеры используются практически во всех областях производства. Из них делают игрушки и строительные материалы, имплантаты, ткани, лекарственные средства, смазку для станков, защитные маски и очки, оптические стекла, навесы и окна, мебельные ткани и наполнители, кожезаменители и обработанные натуральные кожи, резины, упаковочные материалы, рекламную продукцию, корпуса приборов, ткани и волокна искусственные и синтетические, пленки различного назначения, конструкционные материалы, материалы для электротехнической и радиотехнической индустрии, украшения, ионообменные и эпоксидные смолы, пластики с экстремальными свойствами (жаростойкие и морозоустойчивые, повышенной твердости, пожаробезорасные ит.д.). Полимеры служат основой для производства композиционных материалов.

В магазине «ПраймКемикалсГрупп» широко представлена продукция из полимеров — это и пластиковая лабораторная посуда, и средства защиты, и различные лабораторные принадлежности. Также у нас можно купить и некоторые вещества, являющиеся полимерами — целлюлозу, крахмал, полиэтиленгликоль и другие, по выгодным ценам и с доставкой.

Источник