Підручник з Хімії. 10 клас. Величко - Нова програма

§ 47. ПЛАСТИЧНІ МАСИ

З метою перетворення полімеру на пластмасу, тобто матеріал, придатний для виготовлення різних виробів, до полімерної маси добавляють спеціальні речовини. Пластифікатори полегшують ковзання полімерних ланцюгів відносно один одного, вони ніби змащуються, і твердий полімер перетворюється на еластичний матеріал. Відомі вам пінопласти, що мають порувату структуру, утворюються завдяки так званим піноутворювачам, у результаті розкладу яких виділяються гази. Стабілізатори й антиоксиданти підвищують термо-, світло-, хімічну стійкість матеріалів, антистатики зменшують наелектризованість. Для поліпшення механічних властивостей та здешевлення матеріалів до пластмас також вводять наповнювачі — кварц, крейду, волокна тощо, а забарвлюють різноманітними пігментами. Для виготовлення плівок і волокон полімерні ланцюги витягують, унаслідок чого вони орієнтуються в певному напрямку (мал. 155). Це дає змогу виготовляти тонкі й водночас достатньо міцні матеріали.

Мал. 155. Орієнтація полімерних ланцюгів у певному напрямку під час виготовлення пластмасових плівок і волокон

Пластмаси належать до найважливіших сучасних матеріалів, що їх застосовують у техніці, сільському господарстві, побуті. Це зумовлено властивостями, що роблять їх використання економічно вигідним і зручним. До них належать: низька густина (легкість) і теплопровідність, хімічна стійкість, здатність забарвлюватися, високі оптичні якості, а також можливість змінювати ці властивості в широких межах унаслідок зміни структури полімерів.

Значні переваги пластмас полягають у технічній і технологічній простоті виготовлення виробів, маловідходності методів добування і переробки, низькій енергоємності цих процесів, а отже — високій продуктивності виробництва.

Експлуатаційні недоліки пластмас пов’язані переважно з їхньою низькою термостійкістю, горючістю, крихкістю. Використання поліетилену, наприклад, обмежується його низькою температурою плавлення.

Зразки виробів із пластмас зображено на мал. 156.

Мал. 156. Зразки виробів із пластмас

З якими перевагами й недоліками пластмасових виробів ви стикалися у процесі їх використання? Наведіть приклади.

Поліетилен (—CH₂—CH₂—)_n добувають у промисловості полімеризацією етену (етилену), що її можна проводити за різних умов — за високого й низького тиску. Добуті за різних умов полімери різняться за своїми властивостями. Поліетилен низького тиску (0,2—2,5 МПа, 80—100 ^оС) має лінійну структуру, молекули в масі полімеру щільно упаковані, тому зростає ступінь кристалічності. Поліетилен високого тиску (150—300 МПа, 200—280 ^оС) має розгалужену структуру.

Поліетилен — тверда речовина білого кольору, легко забарвлюється в різні кольори, не тоне у воді. Поліетилен високого тиску плавиться за температури 102—105 ^оС, низького — 125—137 ^оС.

За хімічною будовою поліетилен подібний до парафіну — суміші вищих вуглеводнів складу С₁₈—С₃₅. Пригадайте, що в структурі обох речовин повторюються групи —СН₂—СН₂—. Цим пояснюється подібність речовин: поліетилен масний на дотик, як і парафін.

Як і насичені вуглеводні, поліетилен не проводить електричний струм, стійкий проти дії кислот, лугів, бромної води, окисників.

Поліетилен — термопластичний полімер. У розплавленому стані йому можна надати будь-якої форми, що зберігається після охолодження (мал. 157).

Мал. 157. Установка з виробництва поліетиленової плівки

Властивостями поліетилену зумовлене його широке застосування.

Наведіть приклади застосування поліетилену, відомі вам з побуту.

За фрагментом молекули поліпропілену визначте мономер, мономерну ланку полімеру; напишіть їхні структурні формули.

За участі каталізаторів добувають поліпропілен стереорегулярної будови (див. мал. 152, с. 238). Цей полімер високоміцний, тому з нього виготовляють деталі машин, труби, плівку, риболовні сітки, побутові вироби, волокна. Недоліками його є чутливість до світла, кисню, крихкість на холоді.

Поліхлорвініл добувають з хлорвінілу:

Пластмаси, вироблені на основі поліхлорвінілу, використовують як замінники шкіри, з них виготовляють газо- й водогінні труби, технічні волокна, лінолеум, клейонку тощо. Ці матеріали стійкі проти дії кислот, лугів, легко забарвлюються і водночас важко займаються, здатні до самогасіння.

Якими властивостями, на вашу думку, зумовлене використання поліхлорвінілу для виготовлення лінолеуму?

Це термопластичний матеріал, хімічно стійкий, діелектрик, хоча досить крихкий. З нього виготовляють пакувальні, оздоблювальні матеріали тощо (мал. 158).

Мал. 158. Полістирен використовують як пакувальний матеріал

Поліметилметакрилат — полімер, який добувають з метилового естеру метакрилової кислоти.

Завдяки своїй прозорості цей полімер дістав назву «органічне скло» (інша назва — плексиглас). Він стійкий проти ударів, тому ним склять вікна автомобілів, ілюмінатори літаків, теплоходів, виготовляють скло для годинників тощо (мал. 159).

Мал. 159. Куленепробивне скло виготовляють із полімерних матеріалів

Тефлон, який виробляють з 1,1,2,2-тетрафлуороетену CF₂=CF₂, має унікальні властивості. Загальна формула полімеру (—CF₂—CF₂—)_n.

За особливу хімічну стійкість його називають «органічною платиною». Він не розчиняється ні в «царській воді» (суміші нітратної та хлоридної кислот), ні в органічних розчинниках, стійкий проти холоду й нагрівання, неотруйний, світлостійкий.

Завдяки цим властивостям з тефлону виготовляють деталі машин і приладів, апаратів, що працюють у хімічно агресивних середовищах та харчовій промисловості (мал. 160, с. 244).

Мал. 160. Моделі молекули тетрафлуороетену (а), фрагмента молекули політетрафлуороетену (б) і виріб з тефлоновим покриттям (в)

Пригадайте, де в побуті використовують вироби з тефлоновим покриттям.

Феноло-формальдегідні пластмаси були добуті в ХІХ ст. й дістали назву «бакеліт» (від прізвища Л. Х. Бакеланда, який на початку ХХ ст. здійснив цю реакцію в промислових умовах). Хоча це перші в історії пластмаси, їх використовують донині.

Полімер утворюється в результаті реакції поліконденсації фенолу й формальдегіду (метаналю):

Пригадайте рівняння реакції утворення цього полімеру (с. 237).

Спершу утворюється полімер лінійної будови, а в міру подальшої обробки формується сітчастий полімер, що має термореактивні властивості.

Феноло-формальдегідні пластмаси виготовляють з різними наповнювачами: текстоліт наповнюють бавовняною тканиною, склопластики — скловолокном. Ці матеріали застосовують у ракето- й машинобудуванні, будівництві. Відходи деревини, оброблені феноло-формальдегідною смолою, перетворюються на матеріал, придатний для виготовлення меблів.

Лабораторний дослід 10

Дослідження властивостей термопластичних полімерів

Дослід А. Термопластичність полімеру.

Нагрійте в полум’ї спиртівки шматочок поліетилену, тримаючи його щипцями. Коли поліетилен розм’якне, надайте йому нової форми й охолодіть. Повторіть спробу.

Чи зберігається форма після охолодження?

Дослід Б. Горючість полімерів.

У полум’ї спиртівки підпаліть шматочок поліетилену. Якого кольору полум’я поліетилену? Чи горить поліетилен поза полум’ям?

Виконайте цей дослід з полівінілхлоридом і полістиролом.

Що спостерігаєте?

Дослід В. Дія на полімери кислоти, лугу, окисника.

У три пробірки налийте розчини сульфатної кислоти, натрій гідроксиду, калій перманганату. У кожну пробірку вмістіть шматочки поліетиленової плівки й збовтайте вміст. Чи відбулися зміни?

Поясніть спостереження.

Створення матеріалів із наперед заданими властивостями давно перебуває в полі зору вчених і технологів. Завдяки унікальним властивостям полімерів було розв’язано багато технічних і технологічних проблем, що потребували таких матеріалів. Нові можливості з’явилися разом із винайденням композиційних (від лат. composito — складний, складений) матеріалів, що мають властивості, відмінні від властивостей окремих компонентів, і якими можна керувати.

Композити неоднорідні за своїм складом, у них розрізняють основний матеріал (матрицю) і наповнювач. Матрицею слугують полімери, кераміка, метали, вуглець тощо; наповнювачем можуть бути волокна, сітки, плівки, тканини, папір, пісок, крейда тощо.

Композити використовують як конструкційні, хімічно-, термо-, зносо-, морозо-, радіаційно-, світлостійкі матеріали та інші, наділені багатьма особливими властивостями.

Для безпечного використання пластмасових виробів розроблено систему їх маркування. На виробах проставляють позначки у формі трикутника, утвореного трьома стрілками, усередині якого розміщені літери, що позначають вид пластмаси:

1 — ПЕТ (PET, PETE) — поліетилентерефталат. Виріб можна використовувати для тимчасового зберігання холодних харчових продуктів і напоїв.

2 — PEHD (HDPE) — поліетилен високої густини. Безпечний пластик, придатний для пакування харчових продуктів і косметичних виробів, напоїв, виготовлення водопровідних труб тощо.

3 — ПВХ (PVC) — полівінілхлорид. Його використання заборонено в харчовій промисловості. Придатний для виробництва покриття підлоги, труб, меблів, тари для хімічних сполук.

4 — ПЕНП (LDPE, PELD) — поліетилен низької густини (плівка). Безпечний пластик, з нього виготовляють харчову плівку, пакети.

5 — ПП (PP) — поліпропілен. Цей безпечний пластик використовують для виробництва дитячих іграшок і харчової тари.

6 — ПС (PS) — полістирен. Це потенційно небезпечний матеріал, особливо в разі горіння. Придатний для виготовлення тари.

7 — О (OTHER) — інші види пластику, в тому числі полікарбонат. Він не токсичний, хоча може містити токсичні домішки, що робить його непридатним для пакування харчових продуктів.

Завдання для самоконтролю

1. Що таке пластмаси?

2. Назвіть основні галузі застосування пластмас.

3. Схарактеризуйте відомі вам полімери, з яких виготовляють пластмаси (мономер, реакція добування, мономерна ланка).

4. Схарактеризуйте поліетилен високого й низького тиску.

5. Складіть рівняння послідовних реакцій, за допомогою яких можна добути бакеліт, виходячи з коксу.

6. Розкажіть про застосування пластмас у побуті.