166522 (Разработка школьного элективного курса "Полимеры вокруг нас"), страница 7

Полистирол – бесцветное, твердое стеклоподобное вещество. Термопластичен, имеет высокие диэлектрические показатели, легко окрашивается. К недостаткам полистирола следует отнести хрупкость, легкую склонность к деструкции под влиянием кислорода воздуха и света. Полистирол один из самых первых (известен более 100 лет) и самых распространенных полимеров. Применяют, главным образом, как изоляционный материал в радиотехнике и телевидении, для изготовления пенопластов, галантерейных изделий и предметов домашнего обихода. Пенополистирол нашел применение в строительстве, холодильной технике, транспорте. Ударопрочный полистирол используют для изготовления ванн, корпусов холодильников. Известное применение нашла механическая обработка блоков и пластин из полистирола в производстве линз и электротехнических деталей.

Поливинилхлорид (ПВХ) [ - СН₂ – СН(Cl) - ]_n продукт радикальной полимеризации винилхлорида.

Поливинилхлорид – термопластичный материал, устойчивый к агрессивным веществам, стойкий к истиранию.

Промышленность выпускает два вида материала на основе поливинилхлорида:

1. мягкий и эластичный пластифицированный полимер – пластикат;

2. жесткий непластифицированный полимер, смешанный с 2 – 3% стабилизатора – винипласт.

Винипласт представляет собой твердый упругий продукт с высокой прочностью на удар и сравнительно хорошими механическими свойствами. Их массы, полученной вальцеванием порошкообразного полимера со стабилизаторами, формуют листы, пленки, трубы, вентили, детали насосов т.д.; которые могут эксплуатироваться при температурах, не превышающих 50 – 60^оС. Винипласт сваривается, склеивается и хорошо перерабатывается механическими методами; им можно футеровать электролизные ванны, резервуары кислот и другие сосуды.

Для производства перчаток, галош, обуви, плащей и т.д. широкое применение нашли поливинилхлоридные пасты, представляющие собой тонкодисперсионного полимера в пластификаторе. Вследствие сравнительно небольшой вязкости и липкости таких паст их можно наносить в виде тонкого слоя на ткань, бумагу, кожу или форму. На холоде паста долгое время практически не меняется, при нагревании же происходит быстрое набухание полимера и превращение пасты в монолитную прочную и эластичную пленку. Поливинилхлорид используется также для изготовления мягких и жестких пенопластов.

Методом экструзии (выдавливания) из ПВХ можно получать различные строительные изделия: плинтусы, карнизы, дверные ручки и т.д. Также ПВХ используют для производства линолеума. Из растворов ПВХ формуют поливинилхлоридное волокно – хлорин, которое применяют в производстве фильтровальных и негорючих тканей, спецодежды, нетканых материалов, а в смеси с другими волокнами – для изготовления ковров, искусственной кожи, пушистых трикотажных изделий.

Поливинилацетат (ПВА) [ - СН₂ – СН(ОСОСН₃) - ]_n получают радикальной полимеризацией винилацетата.

ПВА – твердый, бесцветный и прозрачный полимер, имеющий низкую термостойкость (размягчается при 40^оС). Набухает в воде, растворяется в органических растворителях. Является сырьем для получения поливинилового спирта. Благодаря высокой адгезии ко многим материалам (стеклу, металлам, древесине и д.р.) ПВА в виде дисперсии часто входит в состав лаков и клеев, а также применяют для покрытия дерева, ткани, бумаги (моющиеся обои), керамики – для придания им гидрофобных свойств. Поливинилацетатная дисперсия (ПВАД) входит в состав высокоэмульсионных красок. ПВА – основа клеев и связующее при изготовлении полимербетонов.

Полиметилметакрилат («органическое стекло» или «плексиглас»)

[ - СН₂ – С(СН₃)(СООСН₃) - ]_n получают радикальной полимеризацией метилметакрилата.

Полиметилметакрилата – прозрачный полимер, стойкий к действию агрессивных веществ. Термопластичен. Обладает способностью пропускать 74% ультрафиолетового излучения (для сравнения: кварцевое стекло пропускает 100%, а обычное силикатное-оконное – 0,6%). Полимер способен окрашиваться во многие цвета. Полиметилметакрилат используют в производстве высокопрочных стекол для остекления салонов самолетов, машин и при выработке часовых и оптических стекол. Полимер применяют в зубопротезной практике.

Политетрафторэтилен (тефлон или фторопласт – 4) [ - СF₂ – СF₂ - ]_n получают радикальной полимеризацией тетрафторэтилена.

Фторопласт – 4 – сероватый, тяжелый полимер, обладающий хорошими диэлектрическими свойствами. Гидрофобен. Имеет высокую механическую прочность и химическую стойкость. Пластичен, дает самые тонкие пленки. Применяют в производстве электроизоляционных пленок, подшипников, уплотнителей, поршневых колец, труб, прокладок, протезов органов человека. Политетрафторэтиленовая суспензия служит для нанесения антикоррозионных, антифрикционных и электроизоляционных покрытий на металлы.

Эпоксидные полимеры (смолы).

Такие полимеры могут быть в виде вязких жидкостей или твердых хрупких веществ. Эпоксидные полимеры характеризуются значительной атмосферо и влагостойкостью, а также инертностью ко многим химическим и агрессивным соединениям. Обладают прекрасной адгезией к металлам, древесине, бетонам, пластмассам. Применяют для создания пленкообразных лаков. Они являются основой клеев, герметиков, служат в качестве связующих для армированных пластиков. Будучи безвредными для человека, они могут служить для защиты стенок консервной тары.

Фенолоформальдегидные полимеры.

Эти полимеры получают поликонденсацией фенола с формальдегидом. Присоединяясь к фенолу, формальдегид вначале образует спирты:

Затем следует поликонденсация фенолоспиртов с выделением воды:

При кислотном катализе при взаимодействии фенола и формальдегида образуется линейный полимер – новолак:

Новолаки используют для производства лаков и прессовочных порошков.

При поликонденсации фенола с избытком формальдегида в щелочной среде получают разветвленные полимеры – резолы:

или пространственные полимеры – резиты.

Резолы находят применение в производстве пластмасс с наполнителями (фенопласты). Из них формуют различные изделия, а также используют для изготовления слоистых пластиков, пропитывая резолом материал (текстолит) или бумагу (гетинакс). Резольные полимеры идут на производство лаков, пресспорошков, клея БФ. Фенолоформальдегидные полимеры обладают высокой химической и механической стойкостью. Поэтому они используются для производства некоторых деталей автомашин, электрооборудования, телефонной и телевизионной аппаратуры.

К природным полимерам относят белки и нуклеиновые кислоты, целлюлозу и ее производные, крахмал, каучук.

Целлюлоза [ С₆Н₉О₄(ОН)]_n и ее производные.

1. целлюлоза или клетчатка , - главная составная часть оболочек растительных клеток, выполняющая функцию конструкционного материала. Целлюлоза в чистом виде обычно не встречается, но волокна хлопчатника (очищенная вата) и фильтровальная бумага могут служить образцом почти чистой целлюлозы (до 96%).

2. по своему строению целлюлоза представляет собой линейный полимер. Целлюлоза входит в состав многих наполнителей и непосредственно используется в производстве текстильных материалов и бумаги, она также подвергается химическим превращениям с целью получения искусственного волокна, пластических масс, лаков, красок.

3. при обработке целлюлозы концентрированным раствором щелочи получают щелочную целлюлозу:

[ C₆H₇O₂(OH)₃]_n + nNaOH = [ C₆H₇O₂(OH)₂ONa]_n + nH₂O

Такая целлюлоза используется в качестве промежуточного продукта для производства ксантогената целлюлозы, который служит для получения вискозного волокна:

S

[ C₆H₇O₂(OH)₂ONa]_n ^nCS2 [C₆H₇O₂(OH)₂ – O – C – SNa]_n

^{ксантогенат целлюлозы}

Волокно получают продавливанием через фильеру (насадка с мелкими отверстиями) щелочного раствора ксантогената в раствор серной кислоты. При этом целлюлоза регенерируется и одновременно образуются тонкие нити. Если вискозу, пластифицированную глицерином, продавливать через узкие прорези в осадительный раствор, то получают тонкий прозрачный лист – целлофан.

1. нитроцеллюлоза [C₆H₇O₂(OH)(ONO₂)₂]_n – синтезируется путем обработки целлюлозы смесью серной и азотной кислот.

Несмотря на легкую воспламеняемость и нестабильность, до сих пор используется в сочетании с пластификаторами (дибутилфталат, камфора), а иногда с наполнителями для производства целлулоида и быстро высыхающих нитролаков. Целлулоид перерабатывается в изделия выдуванием листового материала и методом экструзии. Нитролаки, содержащие, кроме перечисленных компонентов, смолы и высыхающие масла, применяются для покрытия мебели, металлических предметов, тканей и т.д.

Для получения высококачественного ацетатного волокна служат главным образом ацетаты целлюлозы [ C₆H₇O₂ (OОС – СН₃)₃]_n; прядение ведется из растворов полимера. Благодаря их трудной воспламеняемости ацетатами часто заменяют нитраты в производстве кинопленки. Пластифицированный ацетат перерабатывается в изделия с высокой ударной прочностью методами литья под давлением, прессования и экструзии.

Наибольшее практическое значение среди простых эфиров целлюлозы имеет этилцеллюлоза [ C₆H₇O₂(OСH₂ – С₆Н₅)₃]_n. Этот эфир трудно воспламеняется, хорошо формуется, изделия из него имеют высокую прочность на удар, сохраняя гибкость и упругость до – 40⁰ С.

Водорастворимая метилцеллюлоза [ C₆H₇O₂(OH)₂(OСН₃)]_n. Используется в качестве загустителя для пищевых продуктов, а также как эмульгатор и клей.

Крахмал (С₆Н₁₀О₅)_n – самый распространенный в природе полисахарид, играющий роль резервного вещества многих растений. Он является главным компонентом картофеля, риса, пшеницы и кукурузы. Основное количество крахмала получается из клубней картофеля.

Крахмал представляет собой смесь полисахаридов двух типов: растворимой в воде амилозы (20 – 30%) и нерастворимого амилопектина (70 – 80%).

Крахмал ценный пищевой продукт. Применяется он и в химической промышленности. Например, кислотный гидролиз крахмала (при кипячении) служит промышленным методом получения глюкозы. Крахмал является сырьем для производства этилового и н-бутилового спиртов, ацетона, молочной и лимонной кислот, глицерина и других продуктов. Он используется для проклеивания бумаги и картона, производства декстринов и клеев. Ацилированный крахмал применяют для приготовления покрытий и загустителей. Алкильные производные крахмала используют в качестве пластификаторов и клеев.

Каучук (С₅Н₈)_n – относится к эластомерам. Каучуки делят на натуральный (природный) и синтетические.

Натуральный каучук - природный непредельный полимер, представляет собой высокоэластичную массу, получаемого из млечного сока (латекса – взвесь мельчайших частичек каучука в воде) некоторых тропических деревьев (гевеи бразильской и др.) и растений (кок – сагыз, тау – сагыз, гваюла). Наиболее важным отличием натурального каучука является его высокая эластичность – способность к большому растяжению под действием внешней нагрузки и восстановлению своей формы после ее снятия. Натуральный каучук растворяется во многих углеводородах, образуя вязкие растворы.

Установлено, сто структурной единицей натурального каучука является изопреновая группировка:

- СН₂ – С = СН – СН₂ –

СН₃

Другими словами, натуральный каучук – полимер изопрена.

Другой разновидностью полимера изопрена является гуттаперча. В отличие от каучука она не обладает эластичностью причина этого в различном строении макромолекул этих природных полимеров.

Каучук – пластический материал. Изделия из него обладают рядом недостатков: при повышении температуры становятся липкими, теряют форму, а при низкой температуре – эластичность. Поэтому каучук нельзя использовать непосредственно. Для придания каучукам прочностных свойств, эластичности и термостойкости их подвергают обработке серой – вулканизируют (процесс протекает в специальных аппаратах при 140 – 180 ⁰С). В результате каучук превращается в технический продукт – резину, которая содержит около 5% серы. Ее роль состоит в том, что она «сшивает» между собой макромолекулы каучука, образуя сетчатую структуру. Кроме серы в резину входят также различные наполнители, пластификаторы, красители, антиокислители (антиоксиданты) и др.

Высокая потребность промышленности каучуке привела к тому, что большая часть его производится синтетическим путем. Некоторые сорта синтетического каучука не уступают натуральному, а по некоторым свойствам даже превосходят его.

Темы докладов:

1. Применение полиэтиленов в промышленности и в быту. ПЭНД и ПЭВД.

2. Полипропилен: получение и применение.

3. Полиизобутилен. Каучук (природный и синтетический)

4. Полистирол.

5. Поливинилхлорид.

6. ПВА.

7. Полиметилметакрилат и тефлон.

8. Эпоксидные смолы. Клеи.

9. Фенолформальдегидные полимеры.

10. Целлюлоза и ее производные. Крахмал.

Тема 6. Биополимеры

Биополимеры – это хорошо известные вам белки, полисахариды, нуклеиновые кислоты.

Белки – это биополимеры, состоящие из остатков ά – аминокислот. В белках выделяют 4 уровня структур:

Первичную структуру белков можно рассматривать как линейную структуру. Она определяется порядком чередования остатков молекул аминокислот в полипептидной цепи и обуславливает белковую индивидуальность всех живых организмов на земле. Как из букв алфавита можно построить бесконечное количество слов, так и их немногим более чем 20 ά – аминокислот природа создает все многообразие белков. У каждого организма свой неповторимый, как рисунок отпечатков пальцев, набор белковых молекул. На неприятии «чужих» белковых наборов (например, микробных) основана такая защитная реакция организма, как иммунитет и отторжение.