Хімія. Комплексна підготовка до ЗНО і ДПА

14.5. Значення полімерів у суспільному господарстві та побуті. Поняття про синтетичні волокна¹

Основними типами полімерних матеріалів є пластичні маси, каучуки і гуми, волокна, лаки, фарби, клеї, іонообмінні смоли.

¹ Власне, вся шкільна хімія і фізика, які можуть комусь здатись науками сухими і теоретичними, є передумовою для багатьох інших дисциплін, зокрема матеріалознавства — науки про властивості різноманітних матеріалів і правила їх застосування на практиці (у промисловості, сільському господарстві, побуті). Це лише стисла класифікація матеріалів.

14.5.1. Пластичні маси

Пластичні маси — велика група матеріалів, основу яких становлять високомолекулярні сполуки, які під дією температури та тиску можуть набувати різної форми та зберігати її. Щоб надати пластмасі необхідних експлуатаційних властивостей, у процесі її виробництва до полімеру додають:

пластифікатори — речовини, які знижують температуру текучості та в’язкість, змінюють інші властивості: стійкість до світла, вогню (антипірени), вологи, високих і низьких температур (важливу роль відіграють і у виробництві гум, лаків і фарб). Їх додають до 100 % від початкової кількості полімеру;
піноутворювачі — речовини, які спінюють полімер, різко зменшуючи питому густину виробу;
стабілізатори (інгібітори старіння), які додають (у кількості 0,1-3 %) з метою підвищення термічної, світлової, хімічної стійкості: антиоксиданти, антиозонанти, антиради², термо- і фотостабілізатори;
пігменти, які додають для зміни кольору;
антистатики — речовини, які зменшують утворення статичного електричного заряду на поверхні виробу;
різноманітні активні (такі, що підсилюють певні властивості) та інертні наповнювачі, які покращують механічні, фрикційні, електричні властивості та здешевлюють кінцевий продукт:

дисперсні (крейда, кварц, сажа і графіт, тальк, слюда);
армуючі: волокнисті — скловолокно, вуглеволокно, азбест, метали, листові — тканинні та нетканинні (папір);
леткі: вуглеводні, вода, гази: вуглекислий газ, азот (у виробництві пінопластів та інших газонаповнених пластиків).

² Антиради — інгібітори радіаційного старіння — деякі ароматичні вуглеводні (нафталін, антрацен), вторинні ароматичні аміни.

Залежно від впливу нагрівання пластмаси поділяють на дві великі групи: термопласти і реактопласти.

1. Термопласти — пластмаси, які внаслідок переробки у виріб (нагрівання, підвищення тиску) не втрачають властивості переходу у в’язкотекучий стан:

поліетилен — один з найдешевших полімерів, який поєднує низку цінних властивостей з легкістю отримання й переробки, і тому у світовому виробництві полімерів посідає перше місце. З нього виготовляють плівки, труби, ізоляцію, тару, деталі хімічних апаратів та багато іншого;
особливого значення останнім часом набув полімер флуоро похідної етену — політетрафлуоретилен (фторопласт-4, тефлон) — який через свої надзвичайні властивості (хімічно інертний³, зберігає гнучкість та еластичність у температурному діапазоні від -70 до +270 °С, не змочується водою, жирами, більшістю органічних розчинників) широко застосовують в електроніці (ізоляція), промисловості та техніці (як мастило¹, у виготовленні різних деталей, фільтрів, прокладок, клапанів, металопластикових трубопроводів тощо), медицині, у виробництві посуду², сучасного високотехнологічного одягу (віндстопер);

³ Має найбільшу серед усіх відомих матеріалів хімічну стійкість. Взаємодіє лише з розплавами лужних металів, фтором і хлоротрифлуоридом.

¹ Має найменший серед відомих матеріалів коефіцієнт тертя, ковзання.

² Ураховуючи широке його використання останнім часом для створення антипригарних покриттів для посуду, слід зауважити, що за нагрівання вище 200 °С тефлон починає розкладатись, виділяючи токсичні та канцерогенні речовини!

полівінілхлорид — один з найбільш широковживаних пластиків; з нього отримують тисячі видів матеріалів та виробів для електротехнічної, легкої (шкірзамінники, технічні волокна, клейонку), харчової промисловості, важкого машинобудування, суднобудування, будівництва, сільського господарства, медицини, трубопроводів (газо- і водогонів);
полістирен — використовують для виготовлення предметів побутової техніки і домашнього вжитку, упаковки, іграшок, фурнітури, плівки, для отримання пенополістиролу. З нього виготовляють корпуси радіо- і телеапаратури, деталі автомобілів, холодильників, меблі, труби тощо;
пінополіуретани (ППУ) — пластики групи газонаповнених пластмас (у побуті — поролон), на 85-90 % складаються з інертної газової фази, густина м’якого піноблоку становить 0,005-0,04 г/см³, жорсткого — 0,03-0,086 г/см³. Їх використовують у будівництві для тепло- і шумоізоляції, а з густиною, більшою за 0,07 г/см³ — гідроізоляції (сендвіч-панелі), завдяки високій адгезії³ — як монтажну піну; дуже широко застосовують у легкій, взуттєвій і меблевій промисловості як пакувальний, амортизувальний і оббивний матеріал.

³ Адгезія — зчеплення поверхонь різнорідних рідин і твердих тіл унаслідок міжмолекулярної взаємодії: вандерваальсових, полярних, хімічних зв’язків або взаємної дифузії.

2. Реактопласти — полімери, які внаслідок переробки у виріб стверджуються — змінюють свої фізико-хімічні властивості, зокрема втрачають здатність плавитися і розчинятися в органічних розчинниках. Вони твердіші, пружніші за термопласта, але й, зазвичай, крихкіші:

поліпропілен — виготовляють волокна і плівки, які зберігають гнучкість за температури 100-130 °С, пінопласт, деталі машин, профільовані вироби, труби (для агресивних рідин), контейнери, риболовецькі сітки, побутові вироби тощо;
фенолформальдегідні смоли характеризуються високою тепло-, водо- та кислотостійкістю, хорошими діелектричними властивостями, високою механічною міцністю;
полікарбонати завдяки високій міцності та ударній в’язкості (250-500 кДж/м²) застосовують як конструкційні матеріали у багатьох галузях промисловості і в побуті (захисні шоломи), а завдяки оптичним якостям — у виробництві лінз, компакт-дисків і світлотехнічних виробів;
один з найбільш масових поліакрилатів — поліметилметакрилат (органічне скло, плексиглас) — використовують як замінник скла і конструкційний матеріал в авіабудуванні, будівництві, виробництві оптичної техніки (лінз для фотоапаратів, мікроскопів, біноклів), інших галузях промисловості. Інші поліакрилати застосовують у виробництві плівок, лаків, фарб і клеїв тощо. Їх широко використовують у медицині, зокрема для виготовлення протезів і контактних лінз, у стоматології для пломбування, для виготовлення штучних зубів і щелеп;
поліаміди широко застосовують у промисловості, головним чином, у виробництві синтетичних волокон (капрон, нейлон), клеїв, плівок (зокрема для ковбасних виробів) і покриттів для захисту металів і бетонів; як конструкційний матеріал у виробництві деталей машин (шестерень, втулок, підшипників тощо); у медицині для хірургічних швів (особливо в очній хірургії), для виготовлення штучних кровоносних судин, як замінник кісток, шкіри.

Піно- і поропласти — це інші газонаповнені пластики різного хімічного складу (полівінілхлоридні, полістиренові, фенольні, поліуретанові, карбамідні тощо) через надзвичайно малу густину (0,02-0,8 г/см³) і відносну хімічну інертність широко використовують у літако- і суднобудуванні, транспортному і хімічному машинобудуванні, у будівництві як тепло- і звукоізоляційний матеріал. Їх застосовують у виготовленні багатошарових конструкцій, плавучих засобів (понтонів, легких човнів, бакенів, рятувальних засобів тощо). З них виготовляють прокладки, різноманітну тару. Прозорість для радіохвиль і доволі високі діелектричні та гідроізоляційні властивості забезпечують цим матеріалам використання в радіо- і електротехніці. Еластичні пінопласти застосовують у виробництві м’яких меблів і теплого одягу.

14.5.2. Каучуки і гуми

Каучуки і гуми — велика група полімерів, які за нормальних умов перебувають у високоеластичному стані, тобто здатні змінювати свою форму під впливом дії зовнішніх сил (наприклад, розтягуватися) і швидко повертатися у вихідний стан після припинення цієї дії.

Розрізняють каучуки і гуми:

загального призначення — температурний експлуатаційний режим від -50 до +150 °С, виготовляють на основі натурального, синтетичних ізопренових, стереорегулярних бутадієнових, бутадієн-стиренових, хлоропренових каучуків і їх комбінацій;
теплостійкі — режим експлуатації 150-200 °С — етен-пропенові та силіційорганічні каучуки, бутил-каучук, за вищих температур (до 300 °С і вище) — деякі флуоровмісні каучуки, а також каучукоподібні полімери (поліфосфонітрилхлорид);
морозостійкі — режим експлуатації нижче -50 і навіть -150 °С — стереорегулярні бутадієнові, силіційорганічні, деякі флуоровмісні каучуки. Їх також можна отримати через уведення пластифікаторів;
стійкі до дії нафтопродуктів (бензину, мастил і т. ін.) — їх отримують з бутадієн-нітрильних, полісульфідних, уретанових, хлоропренових, вінілпіридинових, флуоровмісних, деяких силіційорганічних каучуків;
стійкі до дії агресивних середовищ (кислот, лугів, озону, пари тощо) — їх отримують з бутилкаучуку, силіційорганічних, флуоровмісних, хлоропренових, акрилатних каучуків, хлоросульфованого поліетилену;
електропровідні — для їх отримання використовують різні каучуки, наповнені великою кількістю електропровідної (етинової) сажі;
діелектричні (кабельні) — характеризуються малими діелектричними втратами і стійкістю до дії електричного струму. Їх отримують з силіційорганічних, етен-пропенових, ізопренових каучуків, наповнених мінеральними наповнювачами;
радіаційностійкі (рентгенозахисні та ін.) — для їх отримання використовують флуоровмісні, бутадієн-нітрильні, бутадієн-стиренові каучуки, наповнені оксидами Плюмбуму чи Барію.

Крім цього, існують вакуумні, вібро-, світло-, водостійкі, вогнетривкі, фрикційні (стійкі до тертя), а також медичні, харчові тощо.

Продукція гумової промисловості: шини, різні амортизатори й ущільнювачі, конвеєрні смуги, привідні паси, труби і рукави, інші комплектувальні деталі для різних галузей промисловості (транспорт, машинобудування, будівництво) і сільського господарства, різноманітні вироби побутового призначення, взуття. З гуми виготовляють ізоляцію для кабелів, еластичні електропровідні покриття, протези (зокрема штучні клапани серця), деталі приладів та багато-багато іншого.

14.5.3. Волокна

Волокна — високомолекулярні сполуки, які характеризуються впорядкованим орієнтованим розміщенням лінійних молекул уздовж осі волокна, що зумовлює їхню високу механічну міцність. Волокна поділяють на природні та хімічні, а хімічні — на штучні та синтетичні.

1. Природні (натуральні) волокна утворюються біологічним шляхом (біосинтез) в організмі рослини, тварини або у ході геологічного процесу. За походженням розрізняють:

мінеральні волокна: азбест, галуазит;
рослинні волокна (основним їхнім компонентом є целюлоза), які, залежно від джерела отримання, називають: бавовною (бавовник), пенькою (коноплі), джутом (кущ родини Мальвових), лляним волокном (льон), рамі (китайська кропива), сизалем (агава), деревиною (хвойні та листяні породи дерев, пальми, зокрема кокосової пальми (койр) і ротангу). Традиційно, залежно від місця проживання (і епохи), людина для виготовлення різноманітних виробів ужитку (ниток і тканин, шнура, тросів, канатів, паперу, повсті, різноманітних композиційних матеріалів, меблів, покрівлі тощо) використовувала безліч трав (очерет, рогіз, папірус, банан (текстильний банан, абака), бамбук) і водоростей;
тваринні волокна: вовна, волосся, шовкове волокно (отримують з кокона лялечки тутового шовкопряда), павутина (для отримання більшої її кількості тривають спроби певного генетичного модифікування організмів).

2. Штучні волокна отримують унаслідок відповідної обробки природних мінеральних матеріалів (кварц, вуглець, базальт) або високомолекулярних сполук (клітковина, білок):

мінеральні (скловолокно, базальтове і металеве волокна, вуглеволокно);
гідратцелюлозні (віскозні, мідно-амоніачні);
ацетилцелюлозні (ацетатні, триацетатні¹);
білкові (казеїнові, зеїнові).

¹ Триацетатні волокна піддаються фарбуванню краще за ацетатні, вони стійкіші до дії світла, не руйнуються мікроорганізмами.

3. Синтетичні волокна виготовляють з високомолекулярних сполук — смол, які синтезують з низькомолекулярних речовин:

а) карболанцюгові (ланцюг макромолекули містить лише атоми Карбону):

поліакрилонітрильні (нітрон);
полівінілхлоридні;
полівінілспиртові;
поліетиленові;
поліпропіленові;

б) гетероланцюгові (ланцюг макромолекули містить, крім атомів Карбону, атоми інших елементів):

поліетерні (лавсан);
поліамідні (капрон, найлон-6, перлон, дедерон);
поліуретанові (спандекс, лайкра).

Після формування волокна збираються у нитку, яка складається з багатьох тонких волокон. За необхідності її промивають, піддають спеціальній обробці, висушують. Готову нитку намотують на котушки або шпулі.

Обсяги виробництва хімічних волокон щороку зростають. Цей процес зумовлений високою економічною ефективністю виробництва, майже необмеженими ресурсами сировини, високими експлуатаційними властивостями волокон, можливістю отримання продукту із заданими властивостями. Крім текстильного виробництва, волокна широко використовують як конструкційний матеріал, у виробництві композиційних матеріалів, для волоконно-оптичного зв’язку тощо.

14.5.4. Лаки і фарби

Лаки і фарби — рідкі та пастоподібні суміші, призначені для створення покриттів на поверхні різноманітних виробів. Вони можуть бути:

безбарвні та кольорові;
прозорі (оліфи і лаки) та непрозорі (ґрунтовки, шпаклівки, фарби).

Крім основного компонента — речовини, яка утворює плівку, — можуть містити розчинники, пігменти, різноманітні наповнювачі.

Як уже згадувалось вище (гл. 8.1.4. Корозія металів), 80% захисту від корозії забезпечує правильна підготовка поверхні металевого виробу і лише 20 % — власне покриття.

14.5.5. Клеї

Клеї — природні або синтетичні речовини, які застосовують для з’єднання різноманітних (однорідних і неоднорідних) матеріалів за рахунок адгезії¹. Міцність клейового сполучення, як і у випадку із захисними покриттями, значною мірою залежить від підготовки поверхонь (механічна очистка, надання їй шорсткості, знежирювання), створення максимально можливої площі стикання.

¹ Зазвичай адгезія буває сильнішою за коезію — міжмолекулярную взаємодію самого матеріалу, який піддають склеюванню, або власне клейової плівки. У такому разі унаслідок деформації розрив відбувається не по лінії склеювання, а в іншому (слабшому) місці. Наприклад, після склеювання двох пінопластових деталей високоякісним клеєм навантаження на розрив призведе до руйнування одної з деталей. Аналогічні процеси можуть відбуватись і внаслідок застосування інших способів з’єднування матеріалів, зокрема зварювання.

Склеювання відбувається унаслідок затвердіння клейової плівки внаслідок випаровування розчинника, охолодження нижче температури текучості клею або за рахунок хімічних перетворень його компонентів.

За природою основного компонента розрізняють неорганічні, органічні та елементоорганічні клеї:

а) неорганічні:

рідке скло (водні розчини натрій силікату і калій силікату) використовують для склеювання целюлозних матеріалів;
клеї-фріти (містять оксиди лужних і лужноземельних металічних елементів) застосовують для склеювання металів і кераміки;

б) органічні — композиції на основі природних полімерів тваринного (колаген, альбумін, казеїн) або рослинного походження (камеді, смоли, крохмаль, декстрин, натуральні каучуку тощо) використовують для склеювання деревини, паперу, шкіри, текстилю, і синтетичних, для виготовлення яких використовують більшість промислових полімерів;

в) елементоорганічні — виготовляють на основі силіційорганічних, борорганічних, металоорганічних та інших полімерів. Клеї цієї групи надзвичайно міцні, термостабільні (витримують короткочасне нагрівання до 1000 °С і більше, а також тривале нагрівання до 400-600 °С), їх використовують для склеювання металів, графіту, термостійких пластмас.

14.5.6. Йоннообмінні смоли

Йонообмінні смоли — синтетичні органічні іоніти, тверді нерозчинні високомолекулярні синтетичні сполуки, які містять кислотні та основні функціональні групи, здатні до реакцій іонного обміну у водних і водноорганічних розчинах (ми вже згадували про них у главі 9.1.3. Очищення води). Розрізняють:

катіонообмінні смоли (катіоніти) — містять кислотні групи;
аніонообмінні смоли (аніоніти) — містять основні групи;
амфотерні йонообмінні смоли — містять кислотні та основні групи;
селективні йонообмінні смоли — містять групи, які утворюють комплекси;
окисно-відновні смоли — містять функціональні групи, здатні до зміни зарядів іонів;
поліфункціональні смоли можуть містити функціональні групи інших класів.

Йонообмінні смоли застосовують у котельних, ТЕС, АЕС, у харчовій (у виробництві цукру, алкогольних, слабоалкогольних та ін. напоїв, пива, бутильованої води), фармацевтичній промисловості, інших галузях:

для пом’якшення і знесолювання води;
для очищення стічних вод;
для розділення і виділення кольорових і рідкісних металів (гідрометалургія);
для регенерації відходів гальванотехніки і металообробки;
для розділення й очищення багатьох речовин у хімічній промисловості;
як каталізатор для органічного синтезу.

14.5.7. Композиційні матеріали

У техніці часто використовують поєднання різних груп полімерів (у різних пропорціях), отримуючи композиційні матеріали (композити), що значною мірою змінює їхні властивості. У структурі композитів виділяють: основу, матрицю (полімерну, металеву, вуглецеву, керамічну), що визначає тепло-, волого-, вогнестійкість та хімічну інертність, та наповнювачі, які надають їй жорсткості, армують:

волокнисті (волокна, ниткоподібні кристали). Одним з найбільш перспективних матеріалів вважають базальтове волокно (і базальтову фібру), яке отримують із розплавів (1500 °С) природних базальтів. Воно відрізняється легкістю, міцністю (на розрив, стискання, згинання, тертя, удар тощо), корозійною стійкістю (включаючи дію органічних (мастила, розчинники тощо) і неорганічних речовин — кислот, лугів) та екологічністю, надзвичайно низькою тепло-, звукопровідністю, низкою інших виключних властивостей. Наприклад, завдяки великій пористості (до 70 % і більше) таке волокно здатне пропускати повітря і пари води. При цьому воно не накопичує воду (водо- і морозостійке). Його використання значно дешевше, ніж використання алюмінію чи вуглепластику;
шаруваті (плівки, пластинки);
дисперсноармовані (тонкодисперсні частинки).

Іноді використовують декілька матриць або наповнювачі різної природи (гібридні композиційні матеріали).

14.5.8. Біополімери

Біополімери мають надзвичайне біологічне значення, вони становлять основу структури і життєдіяльності живих організмів нашої планети. Крім того, уся історія цивілізації людини пов’язана з використанням біополімерів: їжа, виготовлення одягу і різноманітних предметів ужитку, будування й опалення житла...

1. Полісахариди:

целюлоза (деревина листяних порід дерев містить до 40 % целюлози, хвойних — до 60, а бавовна — до 90%);
крохмаль (бульби, плоди і насіння різних рослин можуть містити його до 70 %);
глікоген (тваринний цукор, який накопичується у печінці та м’язах);
хітин і хітозан — нітрогеновмісні полісахариди, компонент зовнішнього скелета членистоногих і деяких безхребетних, клітинної стінки грибів і бактерій;
лігнін (у деревині міститься 20-35 % лігніну)¹ останнім часом широко використовують у виробництві ентеросорбентів;
пектини — полісахариди, які містяться в усіх рослинах (визначаючи їхній тургор), але найбільше їх у фруктах і деяких водоростях;
агар-агар міститься у деяких червоних і бурих водоростях; використовують у харчовій промисловості та мікробіології як високоякісний желеутворювач.

¹ Із часом, розкладаючись, виділяє приємний (ванільний) запах.

2. Білки. Розрізняють:

а) за хімічним складом: прості (протеїни) і складні (протеїди);

б) за фізіологічними функціями:

каталітичні;
структурні;
захисні;
регуляторні;
сигнальні;
транспортні;
запасні;
рецепторні;
моторні;

в) за формою:

фібрілярні (третинна або четвертинна структура має форму джгута);
глобулярні (третинна або четвертинна структура має форму клубка).

3. Нуклеїнові кислоти (ДНК, РНК), за допомогою яких у живих організмів здійснюється:

а) збереження і передача генетичної інформації;

б) матричний синтез макромолекул ДНК, РНК і білка.

Розрізняють первинну (розгорнуту) і вторинну (компактну, спіральну) структуру нуклеїнових кислот.

4. Латекс (від лат. latex — рідина, сік) — сік деяких рослин, рідкий вміст «молочних» судин. Буває прозорим, молочно-білим, жовтувато-коричневим, жовтим або оранжевим. У латексі рослин родин Молочайних, Тутових, Айстрових та інших розчинені та суспендовані вуглеводи, білки, глікозиди, солі, ефірні олії. Деякі рослини родини Макових містять велику кількість алкалоїдів, а динне дерево — фермент папаїн. Характерними компонентами латексу гутаперчоносних і каучуконосних рослин є смоли, гутаперча, каучук.