Синтетичні високомолекулярні сполуки.

1. Хімія як основа сучасних матеріалів.

Будь-який вид людської діяльності, починаючи з готування їжі й закінчуючи запуском космічних кораблів, так чи інакше пов’язаний із використанням різних матеріалів. Виробництво більшості видів матеріалів ґрунтується на хімічних процесах. Розробка й одержання нових матеріалів та вдосконалення існуючих ‑ одне з головних завдань сучасної хімії.

         Проникнення хімічних нових речовин і нових матеріалів у майже всі галузі промислового виробництва, сферу побуту, охорону здоров’я значною мірою забезпечує їх прогрес. Створення нових матеріалів — це життєва необхідність сьогодення.

         Матеріал – речовина або сукупність речовин, що мають певні властивості, які визначають те чи інше їхнє практичне використання. За останні роки створена надійна наукова база для  цілеспрямованої розробки матеріалів із заданими властивостями. Мета наукових розробок:

         а) будь-яку речовину зробити матеріалом або його компонентом;

         б) на основі однієї речовини створити різноманітні матеріали.

         Вимоги до матеріалів постійно зростають. Це пояснюється тим, що значно ширше застосовують екстремальні впливи — надвисокі й наднизькі тиски та температури, ударні й вибухові хвилі, йонізуючі випромінювання, ферменти. Зважаючи на це зростає також роль хімії у створенні нових матеріалів, здатних чинити опір цим впливам.

         Однією з найважливіших є проблема одержання чистих і надчистих речовин.

         Матеріали можуть перебувати в будь-якому агрегатному стані. Застосування матеріалів, що складаються з однієї речовини, у різних агрегатних станах може сильно відрізнятися. Наприклад, азот у рідкому й газоподібному станах – різні матеріали. Домінуючими в технології і техніці є твердо фазні матеріали.

         Чіткої класифікації матеріалів немає, тому що кожен з них можна класифікувати за різними ознаками: складом, структурою, властивостями й галуззю застосування.

         Особливу групу складають композиційні матеріали, або композити. До композитів можна віднести будь-який матеріал, якщо він складається мінімум з двох фаз – матричного матеріалу й армуючого. Наприклад, залізобетон являє собою сталеву арматуру в матриці з бетоном. Він поєднує в собі позитивні якості бетону (міцність) і сталі (здатність до розтягування і стискання).

         Приклади сучасних композиційних матеріалів: кермети, норпласти, піни, боро- і вуглепластики, алюміній, армований волокнами з бору й вуглецю.

Метали необхідні в будь-якій галузі промисловості. У них поєднані фізичні властивості (міцність, пластичність, пружність, твердість) з технологічними (можливість використовувати прийоми кування, зварювання обробки різальними інструментами). Крім цього, вони мають високу тепло- й електропровідність.

Серед металевих матеріалів найчастіше виробляється сплавів на основі заліза – чавуну і сталі. Дедалі ширше використовуються леговані сталі.

З металевих матеріалів найчастіше застосовуються сплави, однак знаходять застосування й чисті метали. Важливим чинником в утворенні нових металевих матеріалів є підвищення їх корозійної стійкості, розробка нових жароміцних сплавів.

Серед неметалічних матеріалів найбільшого поширення одержали органічні неметалічні матеріали, зокрема синтетичні полімери.

         2. Синтетичні полімери.

У природі існує багато високомолекулярних сполук, які можна поділити на три великі групи: неорганічні, органічні і елементорганічні. До неорганічних полімерів відносять кварц, алмаз, графіт, силікати та ін.. Органічні полімери поділяють на природні (каучук, целюлоза, крохмаль, вовна, шовк, льон, бавовна), й синтетичні (поліетилен, капрон і т.д.). Серед природних полімерів виділяють групу біополімерів – білкові речовини і нуклеїнові кислоти. Однак все більшого значення набули синтетичні високомолекулярні сполуки, такі як полімери (часто полімерами називають усі високомолекулярні сполуки).

Полімери (гр. polimeres – «багато частин») – це продукти сполучення багатьох молекул в одну велику молекулу (макромолекулу), внаслідок чого змінюються властивості вихідного продукту.

Від металевих матеріалів вони відрізняються тим, що мають високі діелектричні й теплоізоляційні властивості, легко обробляються, здатні поглинати й гасити вібрацію, є легкими. Властивості полімерів залежать від молекулярної маси, хімічного складу й структури молекул.

Наприклад, полімер (—CH₂—CH₂—)n складається з n ланок етену.

Число n називається ступенем полімеризації. Група атомів, яка багаторазово повторюється (—CH₂—CH₂—)n  називається елементарною ланкою. Сполука, від молекули якої походить елементарна ланка полімеру, називається мономером. Мономерні ланки в молекулах полімерів сполучені ковалентними зв’язками.

Відносна молекулярна маса полімерів коливається від 15 до 500 000.

Мономерні ланки в молекулах полімерів сполучені ковалентними зв’язками.

Залежно від будови макромолекул розрізняють лінійні (целюлоза, поліетилен, поліпропілен), розгалужені (амілопектин) та сітчасті (просторові) (фенолформальдегідні смоли) полімери.

Будова макромолекул полімерів позначається на їх властивостях, зокрема, зумовлює такі їх властивості, як термопластичність і термореактивнісь.

Термопластичні полімери – полімери, які після нагрівання і подальшого охолодження зберігають свої властивості (поліетилен, поліпропілен, полістирол, полівінілхлорид).

Термореактивні полімери – полімери, які після нагрівання і подальшого охолодження втрачають пластичність та деякі інші властивості (фенолформальдегідні смоли).

Залежно від будови та розміщення молекул у полімерах, вони можуть перебувати у кристалічному або аморфному стані. Проте у кристалічних полімерах можуть бути окремі аморфні ділянки.

Високомолекулярні сполуки добувають, здійснюючи реакції полімеризації та поліконденсації.

Полімеризація – процес послідовного сполучення молекул низькомолекулярної речовини з утворенням високомолекулярної. Полімеризацією етилену і його гомологів добувають поліетилен, поліпропілен та багато інших.

Поліконденсація – реакція утворення полімеру внаслідок взаємодії функціональних груп молекул мономера, яка відбувається з виділенням води, амоніаку або інших низькомолекулярних сполук. Поліконденсацією формаліну з карболовою кислотою добувають карболіт.

Завдяки цінним властивостям синтетичні полімерні сполуки широко використовуються майже в усіх галузях господарства. Вони є основою виробництва різних видів пластмас, волокон, каучуків, штучної шкіри та хутра, фарб, лаків, клеїв тощо.

3. Пластмаси.

Пластичні конструкційні матеріали на основі органічних полімерів називають пластмасами.

Щоб надати полімеру потрібних властивостей і перетворити їх на пластмасу у полімерну масу додають наступні компоненти:

‑ пластифікатори – для надання еластичності і зниження крихкості;

‑ барвники, які надають матеріалу потрібного забарвлення;

‑ антистатики для запобігання накопиченню статичної електрики;

‑ наповнювачі (кварцове і деревне борошно, мелена крейда чи слюда, волокна, азот, повітря, папір) поліпшують механічні властивості й зменшують собівартість.

а) фізичні властивості;

Пластмаси бувають то легкі як пух, то прозорі, як повітря, то еластичні, то надзвичайно тверді й хімічно стійкі, механічно міцні або хрупкі, нелеткі, гігроскопічні, діелектрики, одні не плавляться, інші – не горять, виявляють високу стійкість до агресивних середовищ, високу витривалість до стирання. Їх пластичність дозволяє виготовляти з них вироби методами пластичної деформації при підвищеній температурі – гарячого пресування, лиття під тиском.

б) застосування;

Пластмаси замінили метал у різних виробах (деталі машин, броня), скло та папір. Біля 80 % продукції електротехнічної промисловості випускається з використанням полімерів, 1/5 всіх добутих полімерів використовують у машинобудуванні. Із полімерів виготовляють одяг, взуття, посуд, іграшки, прикраси, використовують в побуті й сільському господарстві. Їх використовують у приладо- і машинобудуванні, радіо- і електротехніці, телебаченні, житловому будівництві, судно-, авто-, літако- та ракетобудуванні. У наш час створена нова промисловість будівельних матеріалів. Деревні- і стружково-волокнисті матеріали отримують при просочуванні смолами опилків, стружок та інших відходів деревообробної промисловості із наступним пресуванням. Це красиві за зовнішнім виглядом, міцні і дешеві оздоблювальні матеріали, які не поступаються за своїми властивостях дорогим деревним породам.

Застосування найважливіших полімерів:

Поліетилен (‑CН₂–CН₂‑)n – термопластичний полімер. На поліетилен не діють вода, розчини кисло (крім конц. нітратної) і лугів, жири, масла. Однак цей полімер не стійкий щодо галогенів, при нагріванні розчиняється в рідких вуглеводнях та їх галогенопохідних, горить на повітрі.

Із нього виробляють водопровідні та каналізаційні труби, пакувальну плівку і плівку для теплиць, тару, предмети побуту, ємності для зберігання неорганічних кислот і лугів. Він також слугує тепло‑ й електроізоляційним матеріалом. Поліетиленові вироби є морозостійкими, але не витримують нагрівання вище 60‑100 °С.

Тефлон (‑CF₂–CF₂‑)n (політетрафторетилен) за особливу стійкість його назвали «органічною платиною». Він не розчиняється ні у «царській горілці», ні в органічних розчинниках. Стійкий проти холоду й нагрівання, світлостійкий, неотруйний, негорючий, витримує досить високу температуру. З нього виготовляють деталі машин й приладів, апаратів, що працюють у хімічно агресивному середовищі, у харчовій та електротехнічній промисловості, для виготовлення протезів судин, які легко затягуються клітинами тіла. З побутових виробів нам знайомі пательні та каструлі з антипригарним тефлоновим покриттям.

Поліпропілен (‑CН₂–CН‑)n

                                     |                                 

                                    CН₃          

міцніший за поліетилен. Це тверда, жирна на дотик речовина молочнобілого кольору. Використовується для виробництва предметів побуту, іграшок, одноразового посуду, деталей машин, труб гарячого водопостачання, деталей різноманітних апаратів, плівок, побутові вироби, волокон, високотривких ізоляційних матеріалів. Стійкість полімеру проти багаторазових вигинів й стирання дає можливість добувати з нього міцні волокна для виготовлення канатів, риболовних сіток, фільтрувальних тканин. Недоліком цієї пластмаси є чутливість до світла, кисню, крихкість на холоді.

Полівінілхлорид (‑CН₂–CН‑)n

                                          |                                 

                                         Cl         

Це тверда, жирна на дотик речовина, стійка до розчинів лугів, кислот, більшості органічних розчинників, термопластична. Широко використовують для виготовлення штучної шкіри, лінолеуму, лицювальної плитки, тари, водопровідних труб (значно міцніших за поліетиленові), як ізоляційний матеріал для електричних проводів, виготовляють чоботи, захисні рукавички. Завдяки високому вмісту хлору полівінілхлорид не підтримує горіння (самозатухає), але небезпечний тим, що при високій температурі розкладається з виділенням отруйних газів та діоксину.

Полістирол (‑CН₂–CН‑)n

                                  |                                 

                                 C₆Н₅        

– аморфний, термопластичний; не реагує з розбавленими розчинами лугів і кислот, розчиняється в деяких органічних розчинниках. Полістиролу можна надати будь-якої форми і кольору; він добре склеюється та обробляється. Недоліки – невисокі міцність і теплостійкість. Вироби із полістиролу і пінополістиролу широко використовуються у побутовій техніці, електроніці, будівництві, медицині. Із цього полімеру виготовляють звуко- і теплоізоляційні, облицювальні й декоративні плити, деталі для медичних приладів і систем переливання крові, одноразовий посуд, тару для виготовлення посуду, іграшки, рятувальні круги, буйки, захисні шоломи лицювальну плитку. Недоліки: повільно виділяються невеликі кількості стиролу – токсична речовина, здатна накопичуватись в організмі; крім цього, легко спалахує і горить з виділенням чорного диму і шкідливих для організму речовин. Проте, полімери стиролу займають третє місце у світовому виробництві пластмас.

Поліметилметакрилат                    (CН₃      

                                                                                                   |

‑CН₂– C ‑

                                                           |                                 

                                                         CООСН₃ )n    

 

відомий як органічне скло, або плексиглас. Він прозорий, легкий, міцний, волого-, морозо- і світлостійкий. Цей полімер нерозчинний у спирті, але розчиняється в бензені, ацетоні, оцтовій кислоті. На нього не діють розбавлені розчини кислот і лугів. При нагріванні вище 120 °С розм’якшується, а при підпалюванні легко загоряється, не утворюючи, на відміну від інших полімерів, токсичних речовин.

Поліметилметакрилат можна полірувати, піддавати механічній обробці, склеювати. При ударі полімер не розсипається на дрібні уламки. Тому його використовують замість скла в транспортних засобах, приладах, військовій техніці, застосовують для виготовлення декоративної плитки, акваріумів.

Фенолоформальдегідні полімери (смоли) ‑  перші синтетичні полімери, які набули широкого застосування  в різних сферах. Вони належать до найпоширеніших термореактивних пластмас і є основою фенопластів. Це – термостійкі матеріали, нерозчинні у воді та органічних розчинниках. Із них виготовляють ламінат, облицювальні матеріали, лаки, клеї тощо. Із пластмас виробляють панелі й різні деталі для радіоапаратури, корпуси телефонних апаратів, електричні вимикачі-вмикачі, штепсельні розетки, патрони для електроламп та інше. Недоліком деяких фенопластів є те, що вони виділяють невеликі кількості токсичних речовин.

Цінними є склопластики, які готують просочуванням склотканини синтетичними смолами із наступним пресуванням в листовий матеріал високої міцності. Кращі сорти склопластиків переважають за міцністю деякі сорти легованих сталей. Вони легкі, міцні, стійкі проти корозії. Дуже цінними синтетичними полімерами являються пінопласти, які отримують заповненням великої частки їх об’єму повітрям чи азотом. Вони надзвичайно легкі, мають високі тепло-, звуко-, електроізоляційні властивості.

У медицині – пластикові протези різних органів або частин тіла, пластикові мембрани в різних органах, для виготовлення селективних агентів, здатних нести специфічні лікарські препарати в певне місце організму без витрати їх на інші органи. Як тільки людина навчиться синтезувати молекули, подібні ферментам, медицина зможе лікувати різні складні захворювання.

 

 

4. Відходи полімерів і довкілля.

Дедалі більше полімерної плівки, використаних пластмасових виробів потрапляє в навколишнє середовище. Природа «не вміє» розкладати такі відходи. Їх утилізація є актуальним екологічним завданням.

У розвинутих країнах частину відпрацьованих полімерів і пластмас переплавляють та застосовують у виробництві плівки, тари, різного обладнання, а іншу частину піддають крекінгу з метою добування органічних сполук, горючих газових сумішей. Іноді залишки полімерних матеріалів подрібнюють і добавляють до будівельних сумішей. Спалюючи відходи деяких полімерів, отримують теплову енергію. В Україні з відпрацьованого поліетилену виготовляють плівку для сільського господарства. Полімерні пляшки все частіше замінюють скляними, які можна повторно використовувати або утилізувати. На заміну поліетиленовим пакетам приходять паперові або зроблені з відходів целюлози (цей полімер порівняно швидко руйнується мікроорганізмами в природних умовах).

5. Каучук. Гума.

Каучуки – полімери рослинного або синтетичного походження, із яких виготовляють гуму.

Характерна властивість каучуків – висока еластичність. Однак при нагріванні або охолодженні нижче ‑50 °С вони втрачають цю властивість. Каучуки водонепроникні, зносостійкі, мають хороші електроізоляційні властивості.

Більшість канчуків є полімерами алкадієнів та їх похідних.

Розрізняють природний і синтетичні каучуки. Природний (натуральний) каучук міститься в соку деяких рослин (наприклад, гевеї), який нагадує молоко і є емульсією каучуку у воді. 

Природний каучук добувають у значній кількості, проте цього недостатньо, щоб задовільнити зростаючі потреби. Тому вчені створили синтетичні каучуки, які успішно замінюють природний і широко застосовують в різних сферах.

При нагріванні синтетичні каучуки, як і натуральний, розкладаються з утворенням відповідних мономерів.

Каучуки сировина для виробництва гуми і гумових виробів.

Гума ‑ найеластичніший матеріал серед природних і синтетичних матеріалів.

Основу технології виробництва гуми становить процес вулканізації, що полягає в нагріванні каучуку із сіркою. Спочатку каучук змішують із наповнювачами (глиною, сажею, крейдою, кремнеземом), барвниками і речовинами, які збільшують термін використання гуми. Потім до суміші добавляють сірку. Якщо взяти надлишок сірки, то утвориться твердий термореактивний матеріал – ебоніт. Його використовують для виготовлення електротехнічних деталей, хімічної апаратури.

Існують гуми різного призначення – для експлуатації за високих або низьких температур (тепло-, морозостійкі), для тривалого контакту з бензином і нафтою (шланги для автозаправних станціях), кислотами і лугами, стійкі до рентгенівського випромінювання.

Каучуки і гума не розчиняють у воді. Якщо ж помістити подрібнені шматочки каучуку і гуми в органічний розчинник (бензин), то через добу каучук розчиняється з утворенням колоїдного розчину, а гума лише збільшиться в об’ємі (набухне). Це свідчить про здатність гуми вбирати органічний розчинник.

Каучук і гума завдяки наявності в них подвійних зв’язків можуть приєднувати галогени.

Застосування каучуків і гуми. Синтетичний ізопреновий каучук за властивостями схожий на натуральний. Вироблена з нього гума вирізняється високою міцністю та еластичністю. Бутадієн-стирольний каучук поступається натуральному за еластичністю, проте більш зносостійкий. Ці каучуки використовують у виробництві шин, конвеєрних доріжок, взуття, медичних і спортивних виробів, ізоляційних матеріалів.

Хлоропреновий каучук є негорючим, термо- і світлостійким, не руйнується мастилами, не окислюється на повітрі. Із нього виготовляють гуму для устаткування, що контактує з нафтою і нафтопродуктами. Каучуки, які містять флуор, хімічно і термічно стійкі; їх використовують за температури понад 200 °С.

Основне застосування гуми – виробництво шин. Гумові вироби використовують у промисловості, техніці, медицині, побуті.

Відходи гуми і довкілля. Майже 90 % від маси гумових відходів припадає на зношені автомобільні шини, а решта – старе взуття, використані предмети технічного та побутового призначення. Відходи гуми, як і пластмас, не руйнуються в природних умовах. На жаль, більша частина їх потрапляє в навколишнє середовище.

Утилізацією гумових відходів (звичайно після їх подрібнення) здійснюють такими способами:

‑ спалюванням для вироблення теплової енергії (теплота згоряння гуми приблизно така сама, що й вугілля);

‑ термічним розкладом із добуванням мономерів, що використовують для виробництва каучуку;

‑ застосуванням у ролі адсорбента при очищенні стічних вод;

‑ використанням у виробництві ізоляційних матеріалів, будівництві, шляховому господарстві.

6. Природні та хімічні волокна.

Волокна – це довгі гнучкі нитки, які виробляють із природних або синтетичних полімерів і використовують для виготовлення пряжі та текстильних виробів.

Розрізняють природні (натуральні) та хімічні волокна.

 

 

 

 

 

Класифікація волокон

Волокна

 

                         Природні                                                Хімічні

 

  рослинного     тваринного    мінерального              штучні              синтетичні

походження     походження     походження

 

бавовняне,        вовняне,            азбестове                 віскозне,            капрон,

   лляне              шовкове                                             ацетатне            найлон,

                                                                                                                лавсан та ін.

 

Природні волокна. Рослинні волокна можуть формуватись у стеблах і листі (конопля, льон), у насінні (бавовник). Їх основа – целюлоза.

Тваринні волокна є білковими полімерами. Більшу частину вовни дає вівчарство. Шовк – продукт виділення особливих залоз тутового шовкопряда.

Лляне і бавовняне волокна мають достаню термічну стійкість, хороші механічні властивості. Вовняне волокно вирізняється високою еластичністю, а шовкове – міцністю й характерним блиском.

До мінеральних волокон належить азбестове. Із нього виготовляють фільтри, брезент, тканини для захисту одягу, шифер, спеціальні папір і картон, тепло- та електроізоляційні покриття.

Хімічні волокна виробляють із деяких полімерів лінійної будови.

Штучні волокна добувають із природних полімерів, зазвичай целюлози. Вони мають деякі переваги, які стосуються технології та якості виробів із них.

Найважливішими штучними волокнами є віскозне й ацетатне. Основу віскозного волокна становить целюлоза, ацетатного – її ацетатні естери.

Синтетичні волокна виробляють із органічних сполук, здійснюючи хімічні реакції. До цих волокон належать поліамідні, поліестерні, поліакрилонітрильне, поліпропіленове, полівінілхлоридне та ін. Вони переважають природні за міцністю, еластичністю, довговічністю, не руйнуються мікроорганізмами. Недоліки таких волокон – низька гігроскопічність, здатність до електризації. Із метою їх подолання до синтетичних волокон доюавляють природні, а також речовини-антистатики.

Капрон і нейлон – поліамідні волокна. Вони міцні, витримують низькі температури, є хімічно стійкими (руйнуються лише концентрованими неорганічними кислотами), легко забарвлюються. Капронові нитки використовують для виготовлення канатів, риболовних сіток, різних тканин, трикотажних виробів. Найлонове волокно добавляють до інших волокон, використовують у виробництві килимового покриття.

Лавсан – поліестерне волокно. Воно нагадую вовну, але є міцнішим. Вироби із цього волокна не потребують прасування.

Лавсан руйнується кислотами і лугами, стійкий до ацетону та інших органічних розчинників. Нитки із лавсану мають низьку гігроскопічність, тому їх використовують у сумішах із бавовною, льоном або вовною. Лавсан є термостійким, погано загоряється й не обвуглюється.

Поліестерне волокно застосовують для виготовлення бензино- і нафто стійких шлангів, канатів, риболовних тралів, електроізоляційних матеріалів, вітрил, декоративних тканин, трикотажу, штучного хутра, ковдр, а також у виробництві шин.