Пластмассы, синтетические каучуки, резина, искусственные и синтетические волокна

Синтетические волокна

Пластмассы, синтетические каучуки, резина, искусственные и синтетические волокна.

Пластмассы

Потребности человека в разных материалах постоянно растут, но ресурсы природных материалов на планете ограничены. Вторая половина XX ст. стала периодом интенсивного поиска, исследования и производства полимеров. По своим свойствам полимерные материалы выгодно отличаются от естественных. Они более долговечны, не испытывают коррозию, имеют небольшую плотность, достаточно крепкие; их легко формировать, обрабатывать, окрашивать.

Немало полимеров после нагревания и дальнейшего охлаждения химически не изменяются и сохраняют свои физические свойства. В расплавленном состоянии их заливают в формы, где при охлаждении они отвердевают. Эту операцию можно повторять несколько раз. Такие полимеры называют термопластичными. К ним принадлежат полиэтилен, полипропилен, полістирен, тефлон, полиметилметакрилат и др. С помощью прессования, выдавливания, литья из термопластичных полимеров изготовляют разные изделия.

Существуют еще и термореактивные полимеры. Во время нагревания они теряют пластичность, а также способность плавиться и растворяться. Это - результат необоротных химических изменений в полимерах, связанных с образованием дополнительных ковалентных связей и формированием сетчатой структуры. Термореактивными полимерами являются, например, фенолоформальдегідні и эпоксидные смолы.

Большое количество полимеров представляет основу пластичных масс (сокращенное название - пластмассы).

Пластмассы - это материалы, созданные на основе полимеров, которые способны под воздействием температуры и давления приобретать определенную форму и хранить ее.

Пластмассы, кроме полимеров, содержат разные добавки, которые улучшают их свойства, повышают стойкость до химически агрессивной среды и изменения внешних условий. Добавками служат перемеленная древесина, мел, графит, бумага, разные волокна. Полимеры в таких пластмассах являются связывающими компонентами. Если к мономеру добавлено соединение, которое раскладывается при нагревании с выделением газов, то добытый полимер имеет вид застывшей пены (его называют пенопластом). Добавки-пластификаторы предоставляют полимерному материалу эластичности.

Рассмотрим несколько полимеров, которые входят в состав важнейших пластмасс.

Полиэтилен - бесцветный прозрачный или белый полупрозрачный эластичный материал, который на ощупь напоминает парафин. Это термопластичный полимер; его свойства зависят от условий хода реакции полимеризации. На полиэтилен не действуют вода, кислоты (кроме нитратной), луга, жиры, масла. Он неустойчив относительно галогенов и органических растворителей, горючий. Из полиэтилена производят упаковочную пленку и пленку для теплиц, водопроводные и канализационные трубы, электроизоляцяя, предметы быта.

Полиэтиленовые изделия являются морозостойкими, но не выдерживают нагревания выше 60-100 °С.

Полипропилен - полимер белого цвета, стойкий относительно лугов и кислот. Изделия из него отмечаются достаточной прочностью. Из полипропилена изготовляют одноразовые шприцы, посуду, упаковочную пленку, стулья, столы, трубы, волокна.

Поливинилхлорид - самый дешевый полимерный материал, стойкий относительно воды, слабых основ и кислот, жидких углеводородов. Термопластичный полимер; его свойства определяются добавками. Имеет невысокую термическую стойкость, при нагревании раскладывается с выделением хлороводород, но невоспламеняющийся.

Из поливинилхлорида изготовляют линолеум, плитку для пола. Он служит изоляционным материалом для проводов и кабеля. Прозрачные гибкие трубки из этого полимера используют в медицине (системы переливания крови).

Политетрафлуоретен, или тефлон, - полимер, внешне похожий на полиэтилен, имеет высокую химическую и термическую стойкость, негорючий. Не разрушается даже концентрированными кислотами, не растворяется и не набухает в ни одном из растворителей. Изделия из тефлона можно использовать в интервале температур от - 260 до 260 °С.

Тефлон является основой химически и термически стойких пластмасс. Его используют в протезировании, для покрытия поверхности посуды, предназначенной для нагревания.

Полиметилметакрилат известен как органическое стекло, или плексиглас. Это - прозрачный материал. Он нерастворимый в воде, растворяется в бензена, ацетоне, уксусной кислоте; при нагревании выше температуры 120 °С размягчается. Хорошо поддается полированию, механической обработке, склеиванию. Как нехрупкий прозрачный материал заменяет стекло на транспорте, в приборостроении, военной технике. Его также используют для изготовления декоративной плитки.

Полиметилметакрилат образуется при полимеризации метилового эстера метакриловой кислоты Н2С=С(СН3) -СООСН3.

Фенолоформальдегидные смолы были первыми полимерами, которые начали широко использовать в разных отраслях. Это неэластичные стекловидные твердые вещества или вязкие жидкости, которые имеют темную расцветку. их синтезируют за реакцией поликонденсации фенола и формальдегида. Сначала образуется полимер линейного строения, а потом - сетчатой.

При добывании фенолоформальдегидных смол используют катализатор - кислоту или луг. В зависимости от природы катализатора образуются смолы двух типов : новолачные и резольные. Продуктами первой стадии взаимодействия в кислой среде являются о- и п-гидроксиметилфенолы:

Эти соединения дальше вступают в реакцию поликонденсации с образованием линейного полимера - новолаку:

В щелочной среде при взаимодействии фенола с формальдегидом, кроме о- и п-гидроксиметилфенолов, появляются фенолы с двумя и тремя группами СН2ОН :

Во время их конденсации образуются так называемые резольные смолы линейного строения :

При дальнейшем нагревании резолов формируется неблагоустроенная сетчатая структура:

Соответствующий полимер называют резитом.

Фенолоформальдегидный полимер является основой фенопласта. Это - термостойкие материалы, нерастворимые в воде и органических растворителях. Из фенопласта изготовляют детали электрооборудования, средств связи, предметы быта. Смеси фенопласта с отходами деревообрабатывающей промышленности используют в виде плит для изготовления мебели, на строительстве. Наполнителями фенопласта служат также хлопок, каолин и тому подобное. Из

фенолоформальдегидных полимеров производят стеклопластики - очень крепкие материалы с каркасом из стеклянных волокон.

Эпоксидные смолы - это полимеры с невысокой молекулярной массой (по большей части 300-3500), которые содержат группы атомов. Отвердевают при смешивании с фенолоформальдегидными смолами, многоосновными карбоновыми

кислотами, некоторыми другими соединениями в результате взаимодействия с ними (при этом образуется сетчатая структура). На основе эпоксидных смол производят лаки, клеи, герметика и тому подобное.

Каучуки и волокна

Каучуки - полимерные материалы растительного или синтетического происхождения, из которых изготовляют резину и резиновые изделия. Они очень важны для человечества, хотя бы потому, что без шин не могут функционировать ни автомобильный, ни воздушный транспорт.

Самое характерное свойство каучуков - эластичность, то есть способность после деформации возобновлять свою форму. Но при нагревании или охлаждении такое свойство теряется. Эти материалы отмечаются еще и высокой прочностью и износостойкостью.

Большинство каучуков - это полимеры диеновых углеводородов и их производных.

Естественный (натуральный) каучук содержится в соке некоторых растений (гевеи, фикуса, одуванчика), который напоминает молоко и является эмульсией каучука в воде. Образование этого полимера из мономера описывает химическое уравнение

Соединение растворяется в бензине, бензену, некоторых других органических растворителях. Благодаря двойным связкам полимер способен вступать в реакции присоединения.

Естественный каучук и доныне не потерял практического значения; его добывают в большом количестве.

Синтетические каучуки не только оказались заменителями натурального, но и приобрели широкое приложение.

В зависимости от мономера (мономеров) различают бутадиеновый, бутадиен-стироловый, изопреновый (аналог естественного), хлоропреновый каучуки и др.

Впервые синтетические каучуки начали производить в Советском Союзе в 1932 г. по технологии, разработанной академиком С. В. Лебедевым. их синтезируют за реакциями полимеризации, большинство которых происходят при участии катализаторов.

Больше всего выпускают бутадиен-стиролового каучука, осуществляя совместимую полимеризацию бутадиена и стирена. Присоединение молекулы стирена происходит в основном за положениями 1 и 4 молекулы бутадиена. Упрощенная схема реакции.

По физическим свойствам бутадиен-стироловый каучук похож на натуральный.

Каучуки являются сырьем для производства резины . Основу этой технологии представляет процесс вулканизации - нагревание каучука с серой. Каучук смешивают с наполнителями (глиной, сажей, мелом, кремнеземом), красителями, веществами, которые продлевают срок эластичности резины. Потом к смеси добавляют серу. В результате взаимодействия каучука с серой происходит сшивание карбоновых цепей с помощью сульфидных "мостиков" S - S с образованием пространственной структуры. Но часть двойных связей хранится.

Если взять излишек серы, то все двойные связки будут "потрачены" на сшивание и образуется твердый термореактивный материал - эбонит. Его используют для изготовления электротехнических деталей, химической аппаратуры.

Среди других областей применения каучуков - производство на их основе клеев, некоторых пластмасс, искусственной кожи, обуви, плитки для пола, электроизоляционных оболочек.

Волокна - это длинные гибкие нити, которые производят из естественных или синтетических полимеров и используют для изготовления пряжи и текстильных изделий.

Различают естественные, или натуральные, и химические волокна.

Естественные волокна. Растительные волокна формируются на поверхности семян (хлопок), в стеблях и листе (конопля, лен). Их основа - целлюлоза.

Животные волокна являются белковыми полимерами. Большинство шерсти производят из шерсти овец. Шелк - это вещество, которое выделяют особенные железы тутового шелкопряда.

Хлопок отмечается термической стойкостью, шерсть - эластичностью, а шелк - высокой прочностью и характерным блеском.

Химические волокна производят из некоторых полимеров линейного строения. Полимеры сначала расплавляют или растворяют в органическом растворителе, а потом расплав или раствор пропускают сквозь очень малые отверстия. При этом образуются длинные и тонкие нити.

Химические волокна разделяют на искусственные и синтетические.

Искусственные волокна добывают переработкой естественных полимеров, по большей части целлюлозы. Они имеют ряд преимуществ, которые касаются технологии волокон и качества изделий из них.

Важнейшими искусственными волокнами вискозное и ацетатное. Основу первого представляет целлюлоза [С6Н7О2(ОН) 3]n, а второго - ее ацетатные эстеры (например, триацетат С6Н7О2(ОСОСН3) 3]n).

Синтетические волокна производят из органических соединений, осуществляя химические реакции. К волокнам этого типу принадлежат капрон, найлон, энант, нитрон, лавсан и др. Синтетические волокна более крепкие, более эластичные, долговечные и естественные. Они имеют и недостатки - малую гигроскопичность, способность к электризации. Поэтому к синтетическим волокнам добавляют естественные волокна и вещества- антистатика.

Капрон, найлон и энант - волокна полиамидов. Внешне капроновое волокно напоминает натуральный шелк, но является намного крепче. Из синтетических его изготовляют канаты, рыболовные сетки, волокон ткани, трикотажные изделия.

Найлон является продуктом поликонденсации гексаметилендиамина и адипиновой кислоты :

Замечательные искусственные меха, трикотаж, декоративные ткани изготовляют из полиакрилонитрильного волокна - нитрона. Это волокно имеет значительную термо- и светостойкость, высокую эластичность. Его добывают из полиакрилонитрила - продукта полимеризации акрилонитрила.

Лавсан [-О-СН2-СН2-О-СО-С6Н4-СО-]n - полиэстерное волокно. Этот полимер образуется во время реакции поликонденсации между этиленгликолем и терефталевой кислотой. За внешним видом и свойствами лавсановое волокно напоминает шерсть, однако является крепче, а изделия из него не требуют утюжки.