Хід уроку :

1. Орг. момент : відмітити присутніх студентів на вебінарі, визначити за допомогою зворотного зв’язку рівень звуку трансляції.

2. Актуалізація : Всі речовини поділяються на неорганічні та органічні.

3. Мотивація : Визначити роль полімерів та волокон для розвитку сучасного побуту та виробництва.

З давніх часів людина використовує природні волокнисті матеріали для виготовлення одежі та різних виробів домашнього обіходу . Деякі з них мають природне рослинне походження і складаються з целюлози , як наприклад бавовна , інші - тваринне походження і складаються з білків – наприклад шовк , вовна .

Але коли потреби населення почали з часом зростати та існуюча техніка вдосконалюватися , то виробництво стало гостро відчувати нестачу волокнистих матеріалів . виникла потреба отримання штучного або синтетичного волокна . ( запис теми ).

4. Пояснення нового матеріалу :

План:

1 Історичний розвиток хімії полімерів

2 Загальна характеристика та класифікація

3 Фізичні властивості

4 Структура полімерів

4.1 Хімічна будова

4.2 Молекулярна маса

5 Застосування

6 Сировинна база виробництва полімерів

Термін «полімерія» був уведений в науку І.Берцеліусом в 1833 р. для позначення особливого виду ізомерії, при якій речовини однакового складу, відрізняються молекулярною масою. Деякі полімери вірогідно одержували ще в першій половині XIX ст. Це були побічні та небажані на той час продукти «осмолення» основної хімічної реакції. Реакції полімеризації та поліконденсації, які вели до утворення таких продуктів на той час намагалися подавити. Тому для полімерів ще іноді використовують термін «смола».

Хімія полімерів, як наука, виникла лише після створення в 60-х роках XIX ст. російським хіміком О. Бутлеровим (1828–1886) теорії хімічної будови органічних речовин, що дало можливість систематизувати величезний практичний матеріал, накопичений на той час органічною хімією.

Розмір молекули полімеру визначається ступенем полімеризації n, тобто числом ланок у ланцюзі. Якщо n = 10…20, речовина відноситься до легких масел. Зі зростанням n з більшується в'язкість, речовина стає воскоподібною, нарешті, при n = 1000 утворюється твердий полімер. Ступінь полімеризації необмежений: він може бути 104, і тоді довжина молекул досягає мікрометрів.

В основу класифікації полімерів закладені різні ознаки: походження, склад, методи утворення, структура, галузі використання. Так за походженням полімери поділяються на:

1. природні або натуральні, до яких відноситься велика група (білки, крохмаль, целюлоза, натуральний каучук, та ін.).

2. синтетичні — утворені синтезом з низькомолекулярних речовин — мономерів (поліетилен з етилену, полістирол із стиролу

3. штучні — утворюються з природних полімерів шляхом їхньої хімічної модифікації (наприклад, при взаємодії целюлози з азотною кислотою утворюється нітроцелюлоза).

Природні полімери утворюються в результаті життєдіяльності рослин і тварин й утримуються в деревині, вовні, шкірі. До природних полімерів відносять протеїн, целюлоза, крохмаль, шелак, лігнін, латекс.

Зазвичай природні полімери піддаються операціям виділення очищення, модифікації, при яких структура основних ланцюгів залишається незмінною. Продуктом такої переробки є штучні полімери. Прикладами є натуральний каучук, виготовлений з латексу, целулоїд, що являє собою нітроцелюлозу, пластифіковану камфорою для підвищення еластичності.

Природні та штучні полімери відіграють велику роль у сучасній техніці. Різке зростання виробництва та споживання органічних матеріалів відбулося за рахунок синтетичних полімерів — матеріалів, отриманих синтезом з низькомолекулярних речовин не природній аналогів. Без полімерів уже не може обійтися жодна галузь техніки, тим більше нової. За хімічною структурою полімери поділяються на лінійні, розгалужені, сітчасті та просторові. Молекули лінійних полімерів хімічно інертні відносно одна одної і зв'язані між собою лише силами Ван-дер-Ваальса. При нагріванні в'язкість таких полімерів зменшується і тоді вони здатні зворотно переходити спочатку у високо еластичний, а потім й у в’язко текучий стан. Оскільки єдиним наслідком нагрівання є зміна пластичності, лінійні полімери називають термопластичними. Не слід уважати, що термін «лінійні» позначає прямолінійні, навпаки, для них більше характерна зубаста або спіральна конфігурація, що надає таким полімерам механічну міцність.

Термопластичні полімери можна не лише плавити, але й розчиняти, тому що зв'язки Ван-дер-Ваальса легко руйнуються під дією реагентів.

Розгалужені (щеплені) полімери більше міцні, ніж лінійні. Контрольоване розгалуження ланцюгів служить одним з головних промислових методів модифікації властивостей термопластичних полімерів. Сітчаста структура характерна тим, що ланцюги зв'язані один з одним, а це сильно обмежує рух і приводить до зміни як механічних, так і хімічних властивостей. Звичайна гума м'яка, але при вулканізації сіркою утворяться ковалентні зв'язки типу S-О, і міцність зростає. Полімер може отримати сітчасту структуру й спонтанно, наприклад, під дією світла, або кисню відбудеться старіння із втратою еластичності та працездатності. Нарешті, якщо молекули полімеру містять реакційні групи, то при нагріванні вони з'єднуються безліччю поперечних міцних зв'язків, полімер виявляється зшитим, тобто здобуває просторову структуру. Таким чином, нагрівання викликає реакції, різко та незворотно, що змінюють властивості, матеріалу, що здобуває міцність і високу в'язкість, стає нерозчинним і неплавким. Внаслідок великої реакційної здатності молекул, яка проявляється при підвищенні температури, такі полімери називають термореактивними.

Термопластичні полімери отримують за реакцією полімеризації. При ланцюговій полімеризації молекулярна маса наростає майже миттєво, проміжні продукти нестійкі, реакція чутлива до присутності домішок і вимагає, як правило, високих тисків. Не дивно, що такий процес у природних умовах неможливий, і всі природні полімери утворилися іншим шляхом. Сучасна хімія створила новий інструмент — реакцію полімеризації, а завдяки йому великий клас термопластичних полімерів.

Реакційність молекули термореактивних полімерів можуть утворитися більше простим і природним шляхом — поступово від мономера до димеру, потім до тримеру, тетрамеру і т. д. Таке об'єднання мономерів, їхню «конденсацію», називають реакцією поліконденсації; вона не вимагає ні високої чистоти, ні тисків, але супроводжується зміною хімічного складу, а часто й виділенням побічних продуктів (звичайно водяної пари). Саме ця реакція реалізується в природі; вона може бути легко здійснена за рахунок лише невеликого нагрівання в найпростіших умовах, аж до домашніх. Така висока технологічність термореактивних полімерів надає широкі можливості виготовляти різні вироби на нехімічних підприємствах, у тому числі на радіозаводах.

Фізичні властивості полімерів

Полімери здебільшого аморфні речовини. Довгі ланцюжки та велика молекулярна маса не дозволяють полімерам переходити до рідкого стану (швидше наступає хімічний розпад). Проте при підвищенні температури з полімерами відбуваються зміни — вони розм'якають і стають дуже пластичними. При низьких температурах полімери є досить крихкими матеріалами.

Хімічна будова

Хімічна будова складової ланки характеризує хімічну будову макромолекули. В залежності від цього полімери поділяються на:

• органічні — головний ланцюг містить атоми C, O, N, Si. У бокові групи можуть входити Н, галогени, які безпосередньо з'єднані з вуглецем або атоми інших елементів безпосередньо не з'єднані з вуглецем головного ланцюга.

• неорганічні — складаються з неорганічних атомів і не містять органічних бокових радикалів.

• елементоорганічні — їхні макромолекули поряд з атомами вуглецю містять неорганічні фрагменти. За складом головних ланцюгів їх поділяють:

• з'єднання з неорганічними ланцюгами, обрамлені боковими органічними групами;

• з'єднання, в головному ланцюгу яких знаходяться атоми вуглецю, а бокові групи містять будь-які інші атоми за виключенням азоту, сірки, кисню і галогенів, з'єднаних безпосередньо з атомами вуглецю;

• з'єднання з органонеорганічними ланцюгами.

За будовою, тобто, формою макромолекули полімерів поділяються на: лінійні, розгалужені і просторові (трьохмірні).

Лінійні полімери відрізняються тим, що кожна елементарна ланка пов'язана лише з двома сусідніми і утворюють нерозгалужений ланцюг. Лінійні макромолекули можуть матизиґзаґоподібну форму або бути закрученими у спіраль. На фізико-механічні властивості лінійного полімеру впливає щільність упаковки макромолекул в одиниці обсягу. При щільнішій упаковці сильніша взаємодія макромолекул сприяє збільшенню міцності та зменшенню розчинності полімеру. Лінійні полімери використовують переважно для виготовлення плівок та волокон (поліетилен, поліаміди).

Розгалужені відрізняються від лінійних тим, що їхні макромолекули мають бокові відгалуження.

Просторові або сітчасті полімери утворюються при з'єднанні («зшиванні») макромолекул між собою в поперечному напрямку міцними хімічними зв'язками безпосередньо або через хімічні елементи чи |радикали.

Застосування полімерів

Полімерні матеріали мають комплекс характеристик, які при умілому їхньому використанні забезпечують ефективні експлуатаційні властивості виробів тарентабельність їхнього виробництва. До основних переваг полімерів відносять:

• висока технологічність, завдяки якій з виробничого циклу можна вилучити трудомісткі та коштовні операції механічної обробки виробів;

• мінімальна енергомісткість обумовлена тим, що температура переробки цих матеріалів становить, як правило, 150–250 °C, що значно нижче ніж у металів та кераміки;

• можливість отримання за один цикл формування відразу декілька виробів, у тому числі складної конфігурації, а при виробництві погонажних виробів вести процес на великих швидкостях;

• практично всі процеси переробки автоматизовані.

У наслідок перелічених особливостей полімери отримали виключно широке розповсюдження та ефективно використовуються практично в усіх галузях світового господарства.

На початку розвитку галузі основною сировиною були продукти переробки вугілля (продукти коксування і газифікації кам'яного вугілля). Сучасне виробництво полімерів базується на вуглеводнях — продуктах переробки нафти, попутного і природного газу. Доля цього виду сировини становить близько 90%, доля продуктів переробки вугілля — 9-10%, а доля рослинної сировини — лише 1%. Вартість сировини в собівартості виробництва полімерів становить 70-80%.

Основною сировиною для виробництва полімерів є мономери — вуглеводневі гази різних джерел (природні та попутні нафтові гази, гази нафтопереробки). Вони є продуктами основного органічного синтезу і відносяться до різних гомологічних рядів.

Для того , щоб зробити волокна штучно , треба лінійні молекули якоїсь полімерної речовини викласти у паралельні довгі тонкі нитки . У якості вихідного матеріалу можна взяти целюлозу або бавовну . для того , щоб лінійні молекули вихідного полімера розташувати вздовж осі утворюваного волокна , потрібно спочатку відокремити їх одна від одної .Цього можна досягнути шляхом розплавлення або розчинення природного полімера . Розплавити целюлозу неможливо , вона руйнується . Тобто треба шукати способів її розчинення .

Якщо піддати целюлозу хімічній обробці , то можливо отримати розчинні високомолекулярні похідні її . і тоді з’явиться можливість перебудовувати розташування молекул полімера .

В залежності від виду хімічної обробки целюлози існують різні способи отримання штучного волокна . Але найбільш розповсюдженими є :

• Віскозне волокно .

• Ацетатне волокно .

Віскозне волокно більш дешевше , томущо у вологому стані втрачає міцність , сідає при пранні і порівнгянно погано зберігає тепло .

Стадії виробництва штучного волокна :

1. Для того , щоб отримати розчинний полімер , целюлозу обробляють оцтовим ангідридом .

2. Продукт етерифікації – диацетатцелюлозу розчиняють у ацетоні . Утворюється в’зкий розчин , у якому молекули полімера вже можуть переміщатися і приймати той чи інший порядок .

3. Далі треба отримати волокно , з упорядкованим розташуванням макромолекул . З цією метою розчин полімера пропускають через тонкі отвори у металевій пластинці.

4. Для того , щоб тонкий потік полімера перетворити на волокно , вони поступають у шахту висотою приблизно три з половиною метри , через яку пропускають нагріте повітря. Під дією теплоти ацетон випаровується , а волоконца зкручуються у одне товсте волокно .

Ацетатне волокно менше втрачає пружність у вологому середовищі , краще зберігає теплоту .