Версия 12:01, 10 декабря 2009

Пластмаси
   Потреби людини в різних матеріалах постійно зростають, але ресурси природних матеріалів на планеті обмежені. Друга половина XX ст. стала періодом інтенсивного пошуку, дослідження і виробництва полімерів. За своїми властивостями полімерні матеріали вигідно відрізняються від природних. Вони довговічніші, не зазнають корозії, мають невелику густину, досить міцні; їх легко формувати, обробляти, забарвлювати.
   Чимало полімерів після нагрівання і подальшого охолодження хімічно не змінюються і зберігають свої фізичні властивості. У розплавленому стані їх заливають у форми, де при охолодженні вони тверднуть. Цю операцію можна повторювати декілька разів. Такі полімери називають термопластичними. До них належать поліетилен, поліпропілен, полістирен, тефлон, поліметилметакрилат та ін. За допомогою пресування, видавлювання, лиття із термопластичних полімерів виготовляють різні вироби.
   Існують ще й термореактивні полімери. Під час нагрівання вони втрачають пластичність, а також здатність плавитися і розчинятися. Це — результат необоротних хімічних змін у полімерах, пов'язаних з утворенням додаткових ковалентних зв'язків і формуванням сітчастої структури. Термореактивними полімерами є, наприклад, фенолоформальдегідні й епоксидні смоли.
   Велика кількість полімерів становить основу пластичних мас (скорочена назва — пластмаси).

Пластмаси — це матеріали, створені на основі полімерів, які здатні під впливом температури і тиску набувати певної форми і зберігати її.
   Пластмаси, крім полімерів, містять різні добавки, які покращують їхні властивості, підвищують стійкість до хімічно агресивного середовища і зміни зовнішніх умов. Добавками слугують розмелена деревина, крейда, графіт, папір, різні волокна. Полімери в таких пластмасах є зв’язуючими компонентами. Якщо до мономера добавлено сполуку, яка розкладається при нагріванні з виділенням газів, то добутий полімер має вигляд застиглої піни (його називають пінопластом). Добавки-пластифікатори надають полімерному матеріалу еластичності.
   Розглянемо кілька полімерів, які входять до складу найважливіших пластмас.
   Поліетилен — безбарвний прозорий або білий напівпрозорий еластичний матеріал, який на дотик нагадує парафін. Це термопластичний полімер; його властивості залежать від умов перебігу реакції полімеризації. На поліетилен не діють вода, кислоти (крім нітратної), луги, жири, масла. Він нестійкий щодо галогенів та органічних розчинників, горючий. Із поліетилену виробляють пакувальну плівку і плівку для теплиць, водопровідні и каналізаційні труби, електроізоляцію, предмети побуту. Поліетиленові вироби є морозостійкими, але не витримують нагрівання вище 60-100 °С.
  Поліпропілен — полімер білого кольору, стійкий щодо лугів і кислот. Вироби з нього відзначаються достатньою міцністю. Із поліпропілену виготовляють одноразові шприци, посуд, пакувальну плівку, стільці, столи, труби, волокна.
   Полівінілхлорид — найдешевший полімерний матеріал, стійкий щодо води, слабких основ і кислот, рідких вуглеводнів. Термопластичний полімер; його властивості визначаються добавками. Має невисоку термічну стійкість, при нагріванні розкладається з виділенням хлороводню, але незаймистий.
   Із полівінілхлориду виготовляють лінолеум, плитку для підлоги. Він слугує ізоляційним матеріалом для дротів і кабелю. Прозорі гнучкі трубки із цього полімеру використовують у медицині (системи переливання крові).
   Політетрафлуоретен, або тефлон, — полімер, зовні схожий на поліетилен, має високу хімічну і термічну стійкість, негорючий. Не руйнується навіть концентрованими кислотами, не розчиняється й не набухає в жодному з розчинників. Вироби з тефлону можна використовувати в інтервалі температур від -260 до +260 °С.
   Тефлон є основою хімічно і термічно стійких пластмас. Його використовують у протезуванні, для покриття поверхні посуду, призначеного для нагрівання.
   Поліметилметакрилат відомий як органічне скло, або плексиглас. Це — прозорий матеріал. Він нерозчинний у

воді, розчиняється в бензені, ацетоні, оцтовій кислоті; при нагріванні вище температури 120 °С

розм'якшується. Добре піддається поліруванню, механічній обробці, склеюванню. Як некрихкий прозорий

матеріал замінює скло на транспорті, у приладобудуванні, військовій техніці. Його також використовують

для виготовлення декоративної плитки.
Поліметилметакрилат утворюється при полімеризації метилового естеру метакрилової кислоти

Н2С=С(СН3)-СООСН3:
Полівінілацетат — полімер естеру вінілового спирту та оцтової кислоти СН3СООСН=СН2. Тверда нетоксична

речовина, розчиняється в спирті, ацетоні, естерах.
Схема реакції полімеризації вінілацетату:
Полівінілацетат є основою клеїв, зокрема ПВА, лаків.
Фенолоформальдегідні смоли були першими полімерами, які почали широко використовувати в різних галузях.

Це нееластичні склоподібні тверді речовини або в'язкі рідини, які мають темне забарвлення. їх синтезують

за реакцією поліконденсації фенолу і формальдегіду. Спочатку утворюється полімер лінійної будови, а

потім — сітчастої.
При добуванні фенолоформальдегідних смол використовують каталізатор — кислоту або луг. Залежно від

природи каталізатора утворюються смоли двох типів: новолачні і резольні. Продуктами першої стадії

взаємодії в кислому середовищі є о- і п-гідроксиметилфеноли:

Ці сполуки далі вступають у реакцію поліконденсації з утворенням лінійного полімеру — новолаку.
У лужному середовищі при взаємодії фенолу з формальдегідом, крім о- і п-гідроксиметилфенолів,

з'являються феноли з двома і трьома групами СН2ОН:
Під час їх конденсації утворюються так звані резольні смоли лінійної будови:
При подальшому нагріванні резолів формується невпорядкована сітчаста структура:

Відповідний полімер називають резитом.
Фенолоформальдегідний полімер є основою фенопластів. Це — термостійкі матеріали, нерозчинні у воді та

органічних розчинниках. Із фенопластів виготовляють деталі електрообладнання, засобів зв'язку, предмети

побуту. Суміші фенопластів із відходами деревообробної промисловості використовують у вигляді плит для

виготовлення меблів, на будівництві. Наповнювачами фенопластів слугують також бавовна, каолін тощо. З

фенолоформальдегідних полімерів виробляють склопластики — дуже міцні матеріали з каркасом зі скляних

волокон.
Епоксидні смоли — це полімери з невисокою молекулярною масою (здебільшого 300-3500),які містять групи

атомів. Тверднуть при змішуванні з фенолоформальдегідними смолами, багатоосновними карбоновими

кислотами, деякими іншими сполуками в результаті взаємодії з ними (при цьому утворюється сітчаста

структура). На основі епоксидних смол виробляють лаки, клеї, герметики тощо.

Каучуки і волокна
Каучуки — полімерні матеріали рослинного або синтетичного походження, з яких виготовляють гуму та гумові

вироби. Вони дуже важливі для людства, хоча б тому, що без шин не можуть функціонувати ні автомобільний,

ні повітряний транспорт.
Найхарактерніша властивість каучуків — еластичність, тобто здатність після деформації відновлювати свою

форму. Але при нагріванні або охолодженні така властивість втрачається. Ці матеріали відзначаються ще й

високою міцністю та зносостійкістю.
Більшість каучуків — це полімери дієнових вуглеводнів та їх похідних.
Природний (натуральний) каучук міститься в соку деяких рослин (гевеї, фікуса, кульбаби), який нагадує

молоко і є емульсією каучуку у воді. Утворення цього полімеру із мономеру описує хімічне рівняння

Сполука розчиняється в бензині, бензені, деяких інших органічних розчинниках. Завдяки подвійним зв'язкам

полімер здатний вступати в реакції приєднання.
Природний каучук і донині не втратив практичного значення; його добувають у великій кількості.
Синтетичні каучуки не лише виявилися замінниками натурального, а й набули широкого застосування.
Залежно від мономера (мономерів) розрізняють бутадієновий, бутадієн-стирольний, ізопреновии (аналог

природного), хлоропреновий каучуки та ін.
Уперше синтетичні каучуки почали виробляти в Радянському Союзі в 1932 р. за технологією, розробленою

академіком С. В. Лебєдєвим. їх синтезують за реакціями полімериза¬ції (§ 40), більшість яких

відбувається за участю каталізаторів.
Найбільше випускають бутадієн-стирольного каучуку, здійснюючи сумісну полімеризацію бутадієну і стирену.

Приєднання молекули стирену відбувається в основному за положеннями 1 і 4 молекули бутадієну. Спрощена

схема реакції:
За фізичними властивостями бутадієн-стирольний каучук схожий на натуральний.
Каучуки є сировиною для виробництва гуми . Основу цієї технології становить процес вулканізації —

нагрівання каучуку із сіркою. Каучук змішують з наповнювачами (глиною, сажею, крейдою, кремнеземом),

барвниками, речовинами, які подовжують термін еластичності гуми. Потім до суміші добавляють сірку. В

результаті взаємодії каучуку із сіркою відбувається зшивання карбонових ланцюгів за допомогою сульфідних

«містків» S – S з утворенням просторової структури. Але частина подвійних зв'язків зберігається. Якщо

взяти надлишок сірки, то всі подвійні зв'язки будуть «витрачені» на зшивання й утвориться твердий

термореактивний матеріал — ебоніт. Його використовують для виготовлення електротехнічних деталей,

хімічної апаратури.
Серед інших сфер застосування каучуків — виробництво на їхній основі клеїв, деяких пластмас, штучної

шкіри, взуття, плитки для підлоги, електроізоляційних оболонок.
Волокна — це довгі гнучкі нитки, які виробляють із природних або синтетичних полімерів і використовують

для виготовлення пряжі й текстильних виробів.
Розрізняють природні, або натуральні, і хімічні волокна.
Природні волокна. Рослинні волокна формуються на поверхні насіння (бавовна), у стеблах і листі (коноплі,

льон). їхня основа — целюлоза.
Тваринні волокна є білковими полімерами. Більшість вовни виробляють із шерсті овець. Шовк — це речовина,

яку виділяють особливі залози тутового шовкопряда.
Бавовна відзначається термічною стійкістю, вовна — еластичністю, а шовк — високою міцністю і характерним

блиском.
Хімічні волокна виробляють із деяких полімерів лінійної будови. Полімери спочатку розплавляють або

розчиняють в органічному розчиннику, а потім розплав або розчин пропускають крізь дуже малі отвори. При

цьому утворюються довгі й тонкі нитки.
Хімічні волокна поділяють на штучні і синтетичні.
Штучні волокна добувають переробкою природних полімерів, здебільшого целюлози. Вони мають низку переваг,

які стосуються технології волокон і якості виробів із них.
Найважливішими штучними волокнами є віскозне й ацетатне. Основу першого стано¬вить целюлоза

[С6Н7О2(ОН)3]n, а другого — її ацетатні естери (наприклад, триацетат С6Н7О2(ОСОСН3)3]n).
Синтетичні волокна виробляють із органічних сполук, здійснюючи хімічні реакції. До волокон цього типу

належать капрон, найлон, енант, нітрон, лавсан та ін.
Синтетичні волокна міцніші, еластичніші, довговічніші за природні. Вони мають і недоліки — малу

гігроскопічність, здатність до електризації. Тому до синтетичних волокон додають природні волокна і

речовини- антистатики.
Капрон, найлон і енант — поліамідні волокна. Зовні капронове волокно нагадує натуральний шовк, але є

набагато міцнішим. Із синтетичних нього виготовляють канати, риболовні сітки, волокон тканини,

трикотажні вироби.
Найлон є продуктом поліконденсації гексаметилендіаміну й а литті нової кислоти:
Чудові штучні хутра, трикотаж, декоративні тканини виготовляють із поліакрилонітрильного волокна —

нітрону. Це волокно має значну термо- і світлостійкість, високу еластичність. Його добувають із

поліакрилонітрилу — продукту полімеризації акрилонітрилу:
Лавсан [-О-СН2-СН2-О-СО-С6Н4-СО-]n — поліестерне волокно. Цей полімер утворюєть¬ся під час реакції

поліконденсації між етилен¬гліколем і терефталевою кислотою. За зовнішнім виглядом і властивостями

лавсано¬ве волокно нагадує вовну, проте є міцнішим, а вироби з нього не потребують прасування.