m1004

Таким образом, механические и химические свойства полимеров зависят от их состава и структуры.

5.4. Синтетические ВМС и полимерные материалы на их основе

На основе полимеров получают различные материалы: пластмассы и композиционные материалы, волокна, каучуки, лаки, клеи и многие другие.

Полимеры и пластмассы на их основе являются ценными заменителями многих природных материалов (металлов, дерева, кожи и т.п.). Синтетические волокна успешно заменяют натуральные – шелковые, шерстяные, хлопчатобумажные. При этом важно отметить, что по ряду свойств материалы на основе синтетических полимеров часто превосходят природные. Можно получать пластические массы, волокна и другие соединения с комплексом заданных технических свойств. Это позволяет решать многие задачи в различных областях науки и техники.

Пластические массы (пластмассы) – это материалы на ос-

нове полимеров, способные приобретать заданную форму под влиянием нагревания и давления и сохранять ее при охлаждении. Пластмассы кроме полимера содержат другие вещества:

1)наполнители – вещества и материалы, повышающие механическую прочность и придающие необходимые эксплуатационные свойства (асбестовое волокно, древесная мука, ткань);

2)пластификаторы – вещества, придающие пластичность и устраняющие хрупкость (простые эфиры);

3)стабилизаторы – вещества, увеличивающие термостойкость и устойчивость к старению;

4)красители;

5)отвердители и многие другие добавки.

Все пластмассы подразделяются на термопластичные (термопласты) и термореактивные (реактопласты). При формовании реактопластов происходит необратимая реакция отвердевания, заключающаяся в образовании сетчатой структуры. Термопласты способны многократно переходить в вязкотекучее состояние при нагревании и стеклообразное – при охлаждении. К термопластам относятся материалы на основе полиэтилена, политетрафторэти-

21

лена, полипропилена, поливинилхлорида, полистирола и других полимеров.

При обычных условиях пластмассы представляют собой твердые, упругие тела. Прочность отдельных пластмасс значительно превосходит прочность чугуна и многих марок стали. По химической стойкости пластмассы значительно превосходят металлы.

Полиэтилен – (— СН2 — СН2 —)n – продукт полимеризации этилена.

В зависимости от условий проведения реакции полиэтилен может иметь разную структуру и разные свойства:

–при высоком давлении (150–250 МПа) и высокой температуре (150–250 °С) получают полимер с разветвленной структу-

рой, обладающий незначительным удельным весом (легче воды), низкой теплопроводностью, невысокой температурой плавления (≈105 °С), малой прочностью;

–при низком давлении и комнатной температуре в присутствии катализатора (С2Н5)3Al с добавкой TiCl4 (катализатор Циг-

лера) получают полимер с линейной структурой, имеющий большую механическую прочность, химическую стойкость и более высокую температуру плавления (≈130 °С).

При использовании в качестве катализатора оксиды хрома

(катализатор Филипса) полимер образуется при давлении до

10 МПа – это полиэтилен среднего давления.

Полиэтилен среднего и низкого давления обладает высокой химической стойкостью к агрессивным средам (кислотам, щелочам, растворам солей), водонепроницаемостью, малой газопроницаемостью. Этот материал морозостоек.

Полиэтилен применяют для изготовления оборудования в различных отраслях промышленности (аппараты, трубы, детали), в качестве электроизоляционного материала в радиотехнике и телевизионных установках, в качестве антикоррозионных покрытий, в пищевой и текстильной промышленности, сельском хозяйстве, строительстве и медицине.

Полипропилен – (— СН2 — СН(СН3) —)n – продукт полимеризации пропилена.

22

Процесс полимеризации протекает в присутствии катализаторов. В зависимости от условий полимеризации получают полипропилен, различающийся по структуре макромолекул, а следовательно, и по свойствам.

Полипропилен используют для электроизоляции, для изготовления защитных пленок, труб, шестерен, деталей приборов, а также высокопрочного и химически стойкого волокна.

Полистирол – (— СН2 — СН(С6Н5) —)n – продукт полимеризации стирола.

Полимер стоек к действию окислителей. Полистирол обладает высокой механической прочностью и диэлектрическими свойствами и используется как высококачественный электроизоляционный, а также конструкционный и декоративно-отделочный материал в приборостроении, электротехнике, радиотехнике, бытовой технике.

Поливинилхлорид (полихлорвинил) – (— СН2 — СНСl —)n – продукт полимеризации винилхлорида.

Поливинилхлорид стоек к воздействию кислот, щелочей и окислителей. Высокое содержание хлора обеспечивает полимеру пониженную горючесть. Полимер, не содержащий пластификатора, называется винипластом, а содержащий до 40 % (мас.) пластификатора – пластикатом.

Винипласт отличается большой химической стойкостью, высокими диэлектрическими показателями и механической прочностью.

Поливинилхлорид широко используется для футеровки труб и сосудов в химической промышленности, изоляции электрических проводов, изготовления искусственной кожи, линолеума, непромокаемых плащей. До недавнего прошлого из него изготавливали грампластинки.

Политетрафторэтилен – (— CF2 — CF2 —)n – продукт по-

лимеризации тетрафторэтилена.

Политетрафторэтилен выпускается в виде пластмассы, называемой тефлоном или фторопластом. Тефлон – самый тяжелый полимер, его удельный вес составляет примерно 2,2 г/см3. По химической стойкости он превосходит все природные и синтетиче-

23

ские материалы (даже золото и платину), выдерживает воздействие температур от –183 до +300 °С. Обладает диэлектрическими свойствами, высокой тепло- и морозостойкостью, негорюч.

Тефлон применяется для изготовления деталей высокоточной аппаратуры для химической промышленности, машиностроения и космических исследований, предметов бытового назначения. Фторопласты – перспективные пластмассы.

Особую группу пластмасс составляют композиционные материалы (композиты). Они состоят из основы, армированной наполнителем, в виде высокопрочных волокон или нитевидных кристаллов. В качестве основы используются синтетические смолы и полимеры. Многие композиционные материалы на основе полимеров (стеклопластики, углепластики) по прочности не уступают металлам. Они используются как конструкционные, электро- и теплоизоляционные, коррозионностойкие материалы в автомобильной, электротехнической, авиационной промышленности и строительстве.

Каучуки – материалы на основе полимеров, обладающие при нормальных условиях эластичностью и отчасти пластическими свойствами.

Натуральный каучук – природный полимер, содержащийся в млечном соке некоторых тропических деревьев (гевеи бразильской и др.), обладающий высокой эластичностью. Структурной единицей натурального каучука является изопреновая группа

— СН2 — С ═ СН — СН2 — .

|

СН3 Соединяясь между собой, такие группы образуют макромо-

лекулу каучука, имеющую цис-строение:

— СН2 — С ═ СН — СН2 —

Важным отличием натурального каучука является его высокая эластичность – способность к большому растяжению под действием внешней нагрузки и восстановлению своей формы после ее снятия.

24

В природе также существует другой пространственный изомер изопрена, имеющий транс-строение – гуттаперча. Он добывается из некоторых видов деревьев и кустарников. Этот полимер эластичностью не обладает. В чистом виде гуттаперча применяется для покрытия электрокабелей, изготовления клеев и др.

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. В результате каучук превращается в технический продукт – резину, которая содержит около 5 % серы (см. с. 19). Ее роль состоит в том, что она «сшивает» между собой макромолекулы каучука, образуя сетчатую структуру. В нашей стране нет природных источников сырья для получения натурального каучука.

Синтетические каучуки – аналоги натурального каучука, получаемые синтетическим путем из мономеров.

Бутадиеновый каучук – первый синтетический каучук, полученный на основе бутадиена-1,3. Синтез протекает в два этапа:

а) по реакции Лебедева из технического спирта получают бу- тадиен-1,3:

б) проводят реакцию полимеризации бутадиена-1,3:

В зависимости от условий полимеризации получают каучуки регулярного и нерегулярного строения. Если все элементарные звенья в макромолекуле имеют одинаковое пространственное расположение атомов, то говорят о регулярном строении, в противном случае – о нерегулярном.

25

Бутадиеновый каучук с регулярным строением по эластичности и износостойкости превосходит натуральный каучук. Он используется для производства автомобильных шин.

Для бутадиенового каучука с нерегулярным строением характерны газо- и водонепроницаемость, однако по эластичности он уступает натуральному.

Изопреновый каучук – синтетический аналог природного каучука, имеет подобное ему строение (макромолекулы состоят из цис-звеньев). Получают реакцией полимеризации изопрена (2-метилбутадиена-1,3):

По свойствам изопреновый каучук похож на природный, но превосходит его по многим показателям: обладает высокой эластичностью и износоустойчивостью. Применяется в производстве шин большегрузов, скоростных автомобилей и самолетов, а также резинотехнических изделий, для изоляции кабелей.

Бутадиен-стирольный каучук получают сополимеризацией бутадиена-1,3 и стирола:

(— СH2 — CH ═ CH — CH2 — CH — CH2 —)n.

|

C6H5

Этот каучук отличается высокой прочностью, износо- и морозостойкостью, но недостаточной жароустойчивостью. Применяется в производстве лент для транспортеров, протекторов автомобильных шин, изоляций кабелей, бытовых резиновых изделий и в обувной промышленности.

Промышленность выпускает большое число различных синтетических каучуков, свойства которых зависят от типа мономера. К наиболее применяемым относятся бутадиен-стирольный, бутадиеновый, изопреновый, хлоропреновый каучуки и бутилка-

26

учук. Основная доля каучуков (60–70 %) идет на производство шин, около 4 % – на изготовление обуви.

Волокна – протяженные гибкие и прочные тела с малыми поперечными размерами, пригодные для изготовления пряжи и текстильных изделий.

Волокна делятся на натуральные (природные) и химические.

Натуральные волокна могут быть растительного (хлопковое, льняное) или животного (шерстяное, шелковое) происхождения. Натуральные волокна образуются в растениях или в результате деятельности живых организмов. Химические волокна производятся искусственным путем.

Химические волокна, в свою очередь, подразделяются на искусственные и синтетические. Волокна, полученные при химической переработке природных полимеров (целлюлозы, белков), называются искусственными (вискозное, ацетатное). Волокна, изготовленные из специально синтезированных химических полимеров, являются синтетическими (капрон, лавсан, найлон и др.).

Искусственные волокна. Наибольшее значение имеют ацетатное и вискозное волокна, получаемые из древесной целлюлозы.

Без предварительной обработки древесной целлюлозы из нее нельзя получить прочное волокно. Это связано с тем, что макромолекулы в целлюлозе расположены беспорядочно и не имеют определенной ориентации. Для получения волокна древесную целлюлозу подвергают химической переработке. В качестве примера рассмотрим получение ацетатного волокна.

Ацетатное волокно (ацетатный шелк). При взаимодействии целлюлозы с уксусным ангидридом в присутствии серной кислоты образуется триацетилцеллюлоза:

Образовавшуюся триацетилцеллюлозу растворяют в смеси дихлорметана и этилового спирта. Получившийся вязкий раствор

27

продавливают через фильеры (металлические колпачки с многочисленными отверстиями). Тонкие струи раствора подвергают сушке, и триацетилцеллюлоза выделяется в виде нитей, из которых прядением изготавливают ацетатный шелк.

Хорошие эластичные свойства, мягкость, красивый внешний вид обусловливают широкое применение ацетатного волокна для изготовления тонких трикотажных изделий.

Синтетические волокна. Из синтетических волокон наибольший интерес представляют полиамидное волокно – поли- амид-6 (капрон) и полиэфирное волокно – полиэтиленгликольтерефтолат (лавсан).

Синтетические волокна эластичны, не мнутся, отличаются высокой прочностью. Они не боятся моли и плесени. Однако они обладают и некоторыми недостатками: малой гигроскопичностью, способностью к электризуемости.

Капрон является представителем синтетических волокон и относится к полиамидным волокнам. Капрон (торговые названия: силон, найлон, перлон, дедерон, грилон) получают из капролактама, который под воздействием воды размыкает цикл, образуя ε-капроновую кислоту. Из этой кислоты в результате поликонденсации образуется полимер линейной структуры:

nH2N — (CH2)5 — COOH → [— NH — (CH2)5 — CO —]n + (n –1)H2O.

капрон

Полученный полимер представляет собой смолу. Для получения волокон ее плавят и пропускают через фильеры. Струи полимера охлаждаются и превращаются в волоконца, при скручивании которых образуются нити.

Капрон применяется для изготовления трикотажных изделий, лески, канатов, электроизоляционных материалов. Из капрона делают кордную ткань, которая служит каркасом для авто- и авиапокрышек. Шины с кордом из капрона наиболее износоустойчивы.

Капроновая смола используется для получения пластмасс, из которых изготавливают детали машин, шестерни, вкладыши для подшипников и т.д. Изделия из капроновых пластмасс обладают прочностью и износоустойчивостью.

28

Вопросы для повторения

1.Что является составным повторяющимся звеном натурального каучука?

2.В чем заключается процесс вулканизации каучука?

3.Какие природные (натуральные) волокна растительного происхождения вы знаете?

4.Какое пространственное строение имеет натуральный каучук

игуттаперча?

5. Какие компоненты, кроме полимеров, могут входить в состав пластмасс?

6. Биополимеры

Биополимеры – класс полимеров, встречающихся в природе в естественном виде, входящих в состав живых организмов: белки, нуклеиновые кислоты, полисахариды. Биополимеры состоят из одинаковых или разных звеньев – мономеров. Мономеры белков – аминокислоты, нуклеиновых кислот – нуклеотиды, полисахаридов – моносахариды. Выделяют два типа биополимеров – регулярные (некоторые полисахариды) и нерегулярные (белки, нуклеиновые кислоты).

Белки – природные органические полимеры, макромолекулы которых состоят из огромного числа остатков α-аминокислот, соединенных между собой пептидными связями в полипептидные цепи.

ОН

пептидная

связь

В настоящее время установлено, что в состав белков входят остатки 22 аминокислот. Соединяясь друг с другом в разной последовательности, они дают большое множество различных комбинаций. Число аминокислотных остатков, входящих в состав белков, колеблется от 51 (в инсулине) до 574 (в гемоглобине), поэтому масса белков может достигать нескольких миллионов а.е.м.

29

По химическому составу белки делятся на две группы:

1)протеины – простые белки, состоящие только из остатков аминокислот (альбумины, глобулины, гистоны и др.);

2)протеиды – сложные белки, в состав которых входят еще и остатки небелковых соединений (фосфопротеиды, нуклеопротеиды, липопротеиды и др.); при гидролизе наряду с аминокислотами они дают и другие соединения (фосфорную кислоту, глюкозу, нуклеиновые кислоты и т.д.).

Число встречающихся в природе белков очень велико. Сравнительно простыми являются такие белки, как кератин, фиброин

идр. Белки этого типа фибриллярные (нитевидные). Они обладают высокой жесткостью и прочностью и используются живым организмом для создания жестких структур. Кератин, например, служит основным белком кожи, ногтей, волос, рогов и перьев. Из фиброина состоят шелковые нити. Коллаген входит в состав хрящей и сухожилий. Миозин является белком мускульной ткани. К глобулярным белкам относится большинство белков животных, растений и микроорганизмов. Эти белки обладают более сложным строением, чем фибриллярные белки.

Значение белков в живой природе трудно переоценить. Это строительный материал живых организмов, биокатализаторы – ферменты, обеспечивающие протекание реакций в клетках, и энзимы, осуществляющие избирательность биокатализа. Белок крови, входящий в состав гемоглобина, способствует усвоению кислорода воздуха, другой белок – инсулин – отвечает за расщепление сахара в организме. К настоящему времени идентифицировано несколько тысяч молекул белков.

Нуклеиновые кислоты. В 1868 г. швейцарский ученый Ф. Мишер выделил из ядер клеток фосфорсодержащее вещество, которое он назвал нуклеином. Впоследствии нуклеиновые кислоты были обнаружены во всех растительных и животных клетках, вирусах, бактериях и грибах.

Различают два вида нуклеиновых кислот – дезоксирибонуклеиновые (ДНК) и рибонуклеиновые (РНК). Различие в названиях объясняется тем, что молекула ДНК содержит моносахарид дезоксирибозу, а РНК – рибозу. В настоящее время известно боль-

30