§38. Каучуки і волокна

Каучуки мають велике значення для людства. Найхарактерніша їхня властивість – еластичність, тобто здатність після примусової деформації і зняття навантаження відновлювати свою форму. При нагріванні або охолодженні еластичність втрачається^ Каучуки також відзначаються високою міцністю, зносо- та морозостійкістю.

Більшість каучуків – це полімери дієнових вуглеводнів та їхніх похідних. Вони є сировиною для виробництва гуми.

Природний (натуральний) каучук міститься в соку деяких рослин (гевеї, фікуса, кульбаби), який нагадує молоко і є емульсією каучуку у воді. Це полімер 2-метил-1,3-бутадієну, або ізопрену:

СН₃ = СН

׀ ׀

-Н₂С СН₂- _n

Сполука розчиняється в бензині, бензені, деяких інших органічних розчинниках. Маючи подвійні зв'язки, полімер здатний вступати в реакції приєднання.

Природний каучук у наш час не втратив свого практичного, значення; нині його добувають у великих кількостях.

Синтетичні каучуки не лише виявилися замінниками натурального, а й набули ширшого застосування. Їх поділяють на каучуки загального і спеціального призначення. Залежно від мономера (мономерів) розрізняють бутадієновий, бутадієн-стирольний, ізопреновий (аналог природного), хлоропреновий та ін.

Уперше синтетичні каучуки почали виробляти в Радянському Союзі в 1932 р. за технологією, розробленою академіком С. В. Лебєдєвим. Каучуки синтезують за реакціями полімеризації, більшість яких відбувається за участю каталізаторів. Відповідні схеми реакцій наведено в § 36.

Найбільше виробляють бутадієн-стирольний каучук. Це – співполімер бутадієну та стирену. Його формулу прийнято записувати так:

[-ch-ch₂-]_n-[-ch₂-ch=ch-ch₂-]

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. Спочатку каучук змішують з наповнювачами (глиною, сажею, крейдою, кремнеземом), барвниками, речовинами, які подовжують строк 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. При цьому 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 тощо.

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

Розрізняють природні, або натуральні, і хімічні волокна.

Класифікація волокон

Волокна

природні хімічні

рослинного походження тваринного походження штучні синтетичні

бавовна, льон вовна, шовк віскозне капрон,найлон,

ацетатне нітрон, лавсан

мідноаміачне енант

.

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 продукт виділення особливих залоз тутового шовкопряда.

Бавовна відзначається термічною стійкістю, хорошими механічними властивостями, вовна – еластичністю, а шовк – високою міцністю і характерним блиском.

Хімічні волокна виробляють з деяких полімерів лінійної будови. Їх спочатку розплавляють або розчиняють в органічних розчинниках, 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 складає целюлоза, а другого – її ацетатні естери.

Віскозне волокно виробляють так. Деревну целюлозу очищають, піддають обробці лугом, а потім карбон (ІV) сульфідом CS₂. Отримують лужний розчин ксантогенату целюлози, який пропускають крізь тонкі отвори в розбавлену сульфатну кислоту. При цьому знову утворюється целюлоза, але у вигляді ниток.

Перша стадія виробництва ацетатного волокна – реакція естерифікації, яка відбувається між целюлозою та оцтовим ангідридом у суміші оцтової та сульфатної кислот.

Розчин естеру целюлози в ацетоні або спирті пропускають крізь тонкі отвори при підвищеній температурі. Органічний розчинник випаровується й утворюється ацетатне волокно.

Синтетичні волокна переважають природні за міцністю, еластичністю, довговічністю. Вони мають і недоліки: малу гігроскопічність, здатність до електризації. Тому, виробляючи тканини, до синтетичних волокон добавляють природні волокна і речовини-антистатики.

Синтетичні волокна виробляють з органічних сполук, здійснюючи хімічні реакції. До волокон цього типу належать капрон, найлон, нітрон, лавсан, енант та інші.

Капрон, найлон і енант – поліамідні волокна.

Капрон [-HN-(CH₂)₅-CO-]_n добувають з полікапроаміду, який утворюється при реакції полімеризації капролактаму внаслідок розмикання циклу в молекулі мономера. Капролактам добувають у промисловості із 6-аміногексанової кислоти.

[-NH-(CH₂)₅-CO-]_n

полікапроамід (капрон)

Зовні капронове волокно нагадує натуральний шовк, але є набагато міцнішим. Його використовують для виготовлення канатів, рибальських сіток, тканин, трикотажних виробів.

Найлон є продуктом поліконденсації гексаметилендіаміну й адипінової кислоти:

nH₂N-(CH₂)₆-NH₂ + nНООС-(СН₂)₄-СООН →

гексаметилендіамін адипінова кислота

[-NH-(CH₂)₆ -NH-CO-(CH₂)₄-CO-]_n + 2H₂O

найлон

Ч удові штучні хутра, трикотаж, декоративні тканини виготовляють з поліакрилонітрильного волокна – нітрону. Це волокно має значну термо- і світлостійкість, а також еластичність. Його добувають з поліакрилонітрилу – продукту полімеризації акрилонітрилу:

nСН₂ = СН → -CH₂-CH

׀ ׀

CN CN _n

акрилонітрил поліакрилонітрил (нітрон)

Лавсан [-О-СН₂-СН₂-О-СО-С₆Н₄-СО-] – поліестерне волокно – добувають реакцією поліконденсації між етиленгліколем і терефталевою кислотою (§ 36). За зовнішнім виглядом і властивостями воно нагадує вовну, проте є міцнішим, а вироби з нього не потребують прасування.

263. Хлоропреновий каучук є полімером 2-хлоро-1,3-бутадієну (хлоропрену). Запишіть відповідну схему полімеризації.

264. Назвіть відомі вам природні волокна. Якими типами сполук вони утворені? Де використовують ці волокна?

265. Які переваги мають синтетичні волокна порівняно з натуральними і в чому вони поступаються їм?

266. Волокно енант виробляють реакцією поліконденсації ω-аміноенантової кислоти H₂N-(CH₂)₆-COOH. Складіть схему реакції та обчисліть масу волокна, яку можна добути зі 100 кг вихідної сполук

Хімія та їжа

Харчовими добавками називають групу природних або синтетичних речовин, які спеціально додають до продовольчої сировини, напівфабрикатів або готових продуктів з метою надання їм певних якісних показників.

В кінці XX ст. виробництво харчових добавок стало потужною, постійно зростаючою галуззю багатотоннажного виробництва. Щорічно виробництво харчових добавок збільшується в країнах Європи — на 2%, в США — на 4,4%,в Азії — на 10-15%. В світі особливо зростає виробництво підсолоджувачів (щорічно на 7%). Харчові добавки використовуються з метою:

- збереження поживних властивостей харчових продуктів;

- надання харчовим продуктам більш привабливого вигляду;

- збільшення терміну зберігання харчових продуктів;

- полегшення технологічної обробки продовольчої сировини;

- здешевлення та скорочення технологічного процесу.

Кількість харчових добавок, які використовують у харчовому виробництві більшості країн світу, досягає 500 найменувань, в США перевищує 1500, в країнах ЄС досягає 1200, в Росії — 415, в ФРГ — 350, в Україні — 221. Крім того, в країнах ЄС дозволено використовувати в харчовому виробництві більш як 400 ароматизаторів та смакових речовин. Радою ЄС розроблена раціональна система цифрової кодифікації харчових добавок з літерою "Е" (від слова Європа або від англ. — їстівний). Вона включена до Кодексу Аліментаріусу ФАО/ВООЗ як міжнародна цифрова система кодифікації харчових добавок. Кожній харчовій добавці присвоєно три- або чотиризначний код (у Європі з попередньою літерою "Е"). Коди використовуються у поєднанні з назвами функціональних класів, а також відображають групування харчових добавок за технологічними ознаками (підкласами).

Розрізняють 30 функціональних класів харчових добавок: барвники, консерванти, антиоксиданти, підсолоджувачі, емульгатори, загусники, желюючі речовини, стабілізатори, посилювачі смаку, регулятори кислотності (буфери), розпушувачі, піногасителі, глазурі, солі — плавителі, поліпшувачі борошна, отверджувачі, регулятори вологи, наповнювачі, гази — витискачі (для харчових продуктів в аерозольній упаковці), модифіковані крохмалі, речовини для змащення пекарських форм та листів та ін. З розширенням виробництва харчових добавок постійно зменшується асортимент харчових продуктів, одержаних без їх використання. Тепер харчовими продуктами, які не містять харчових добавок, є овочі, фрукти (крім цитрусових), рис, мінеральна вода, молоко, яйця, мед, м'ясо, цукор та горілка. Продукти харчування, призначені для харчування новонароджених дітей, також не містять харчових добавок. Усі інші харчові продукти містять певну кількість тих чи інших харчових добавок.

Для охорони здоров'я населення та з метою обмеження надходження до організму людини встановлені гранично допустимі рівні (ГДР) харчових добавок у продуктах, а також для багатьох харчових продуктів — добова допустима доза — ДДД (ДДС — добове допустиме споживання або ПДН — прийнятне добове надходження). Крім того, регламентовано перелік харчових продуктів, до яких доцільно додавати харчові добавки. Обмежено або заборонено використання харчових добавок при виготовленні дитячих продуктів.

При введенні харчових добавок у харчові продукти дотримуються таких вимог:

- додавати в мінімально необхідних для досягнення мети кількостях і не перевищувати встановлені законодавством ГДР;

- додавати лише за умови, якщо мета не може бути досягнута іншим способом;

- харчові добавки мусять бути нетоксичними і не збільшувати ризик захворюваності населення;

- харчові добавки повинні мати високу ступінь чистоти (встановлюється технічними умовами).

Усі харчові добавки залежно від походження поділяються на три групи: природні, аналоги природних речовин та синтетичні.

Донедавна харчові добавки природного походження вважалися нешкідливими для людини і їм при використанні у виробництві харчових продуктів віддавали перевагу перед синтетичними або аналогами природних речовин. З токсикологічної точки зору, харчові добавки, навіть природного походження, не можна вважати абсолютно нешкідливими для здоров'я людей, адже більшість токсичних речовин — природного походження.

У зв'язку з бурхливим розвитком хімії в кінці XX ст. думка про малу токсичність природних сполук поступово змінюється. Тепер їхній токсичності приділяється більше уваги. Разом з тим, харчові добавки синтетичного походження й тепер вважають найбільш небезпечними, оскільки це — ксенобіотики, з якими організм людини протягом свого еволюційного розвитку не зустрічався і, отже, в його організмі відсутні ферменти, які в змозі перетворити їх на нетоксичні метаболіти.