Ako se veza između makromolekula provodi pomoću slabih van der Waalsovih sila, nazivaju se termoplasti, ako se kemijskim vezama - duroplasti. U linearne polimere spada npr. celuloza, razgranati polimeri npr. amilopektin, a postoje i polimeri složene prostorne trodimenzionalne strukture.
U strukturi polimera može se razlikovati monomerna jedinica - ponavljajući strukturni fragment koji uključuje nekoliko atoma. Polimeri se sastoje od velikog broja ponavljajućih skupina (jedinica) iste strukture, na primjer, polivinil klorid (-CH 2 -CHCl-) n, prirodna guma, itd. Spojevi velike molekulske mase, čije molekule sadrže nekoliko vrsta grupe koje se ponavljaju, nazivaju se kopolimeri ili heteropolimeri.
Polimer nastaje iz monomera kao rezultat reakcija polimerizacije ili polikondenzacije. Polimeri uključuju brojne prirodne spojeve: proteine, nukleinske kiseline, polisaharide, kaučuk i druge organske tvari. U većini slučajeva, koncept se odnosi na organske spojeve, ali postoje i mnogi anorganski polimeri. Velik broj polimera dobiva se sintetski na temelju najjednostavnijih spojeva elemenata prirodnog podrijetla reakcijama polimerizacije, polikondenzacije i kemijskih transformacija. Imena polimera tvore se od naziva monomera s prefiksom poli-: poli etilen, poli propilen, poli vinil acetat, itd.
Enciklopedijski YouTube
-
1 / 5
Posebna mehanička svojstva
- elastičnost - sposobnost podvrgavanja visokim reverzibilnim deformacijama pod relativno malim opterećenjem (gume);
- niska lomljivost staklastih i kristalnih polimera (plastika, organsko staklo);
- sposobnost makromolekula da se orijentiraju pod utjecajem usmjerenog mehaničkog polja (koristi se u proizvodnji vlakana i filmova).
Značajke polimernih otopina:
- visoka viskoznost otopine pri niskoj koncentraciji polimera;
- Otapanje polimera odvija se kroz fazu bubrenja.
Posebna kemijska svojstva:
- sposobnost dramatične promjene njegovih fizičkih i mehaničkih svojstava pod utjecajem malih količina reagensa (vulkanizacija gume, štavljenje kože itd.).
Posebna svojstva polimera objašnjavaju se ne samo njihovom velikom molekulskom težinom, već i činjenicom da makromolekule imaju lančanu strukturu i fleksibilne su.
Klasifikacija
Prema kemijskom sastavu svi se polimeri dijele na organski, organoelement, neorganski.
- Organski polimeri.
- Organoelementni polimeri. Sadrže anorganske atome (Si, Ti, Al) u glavnom lancu organskih radikala, koji se spajaju s organskim radikalima. Oni ne postoje u prirodi. Umjetno dobiven predstavnik su organosilicijevi spojevi.
- Anorganski polimeri. Oni ne sadrže C-C veze u jedinici koja se ponavlja, ali mogu sadržavati organske radikale kao bočne supstituente.
Treba napomenuti da se u tehnologiji polimeri često koriste kao komponente kompozitnih materijala, na primjer, stakloplastike. Mogući su kompozitni materijali čije su sve komponente polimeri (različitog sastava i svojstava).
Polimeri se prema obliku makromolekula dijele na linearne, razgranate (poseban slučaj je zvjezdasti), vrpčaste, plosnate, češljaste, polimerne mreže i dr.
Polimeri se klasificiraju prema polarnosti (utječu na topljivost u različitim tekućinama). Polarnost polimernih jedinica određena je prisutnošću u njihovom sastavu dipola - molekula s izoliranom raspodjelom pozitivnih i negativnih naboja. U nepolarnim jedinicama dipolni momenti atomskih veza su međusobno kompenzirani. Polimeri čije jedinice imaju značajan polaritet nazivaju se hidrofilni ili polarni. Polimeri s nepolarnim jedinicama - nepolarni, hidrofobni. Polimeri koji sadrže i polarne i nepolarne jedinice nazivaju se amfifilan. Predlaže se da se homopolimeri, od kojih svaka jedinica sadrži i polarne i nepolarne velike skupine, nazovu amfifilni homopolimeri.
S obzirom na zagrijavanje polimeri se dijele na termoplastični I termoreaktivni. Termoplastični polimeri (polietilen, polipropilen, polistiren) zagrijavanjem omekšavaju, čak se tope, a hlađenjem stvrdnjavaju. Ovaj proces je reverzibilan. Duroplast Kada se zagrijavaju, polimeri prolaze nepovratnu kemijsku destrukciju bez taljenja. Molekule termoreaktivnih polimera imaju nelinearnu strukturu dobivenu umrežavanjem (na primjer, vulkanizacijom) lančanih polimernih molekula. Elastična svojstva termoreaktivnih polimera veća su od termoreaktivnih polimera, međutim termoreaktivni polimeri praktički nemaju fluidnost, zbog čega imaju niže naprezanje loma.
Prirodni organski polimeri nastaju u biljnim i životinjskim organizmima. Najvažniji među njima su polisaharidi, bjelančevine i nukleinske kiseline, od kojih se velikim dijelom grade tijela biljaka i životinja i koji osiguravaju samo funkcioniranje života na Zemlji. Vjeruje se da je odlučujuća faza u nastanku života na Zemlji bila formiranje složenijih, visokomolekularnih molekula iz jednostavnih organskih molekula (vidi Kemijska evolucija).
Vrste
Sintetski polimeri. Umjetni polimerni materijali
Čovjek već dugo koristi prirodne polimerne materijale u svom životu. To su koža, krzno, vuna, svila, pamuk itd., koji se koriste za izradu odjeće, razna veziva (cement, vapno, glina), koja odgovarajućom obradom tvore trodimenzionalna polimerna tijela, široku primjenu kao građevni materijal . Međutim, industrijska proizvodnja lančanih polimera započela je početkom 20. stoljeća, iako su se preduvjeti za to pojavili ranije.
Gotovo odmah se industrijska proizvodnja polimera razvijala u dva smjera - preradom prirodnih organskih polimera u umjetne polimerne materijale i proizvodnjom sintetskih polimera iz organskih niskomolekularnih spojeva.
U prvom slučaju velika proizvodnja temelji se na celulozi. Prvi polimerni materijal od fizički modificirane celuloze – celuloid – dobiven je sredinom 19. stoljeća. Velika proizvodnja etera i estera celuloze uspostavljena je prije i poslije Drugog svjetskog rata i traje do danas. Na njihovoj osnovi se proizvode filmovi, vlakna, boje i lakovi, zgušnjivači. Treba napomenuti da je razvoj kinematografije i fotografije bio moguć samo zahvaljujući pojavi prozirnog nitroceluloznog filma.
Proizvodnja sintetičkih polimera započela je 1906. godine, kada je Leo Baekeland patentirao takozvanu bakelitnu smolu - kondenzacijski proizvod fenola i formaldehida, koji se zagrijavanjem pretvara u trodimenzionalni polimer. Desetljećima se koristio za izradu kućišta za električne uređaje, baterije, televizore, utičnice itd., a danas se sve češće koristi kao vezivo i ljepilo.
Zahvaljujući naporima Henryja Forda, prije Prvog svjetskog rata počinje nagli razvoj automobilske industrije, najprije na bazi prirodnog, a potom i sintetičkog kaučuka. Proizvodnja potonjeg ovladala je uoči Drugog svjetskog rata u Sovjetskom Savezu, Engleskoj, Njemačkoj i SAD-u. Tijekom istih godina ovladana je industrijska proizvodnja polistirena i polivinil klorida, izvrsnih elektroizolacijskih materijala, kao i polimetil metakrilata - bez organskog stakla zvanog "pleksiglas", masovna proizvodnja zrakoplova bila bi nemoguća tijekom ratnih godina.
Poslije rata obnavlja se prijeratna proizvodnja poliamidnih vlakana i tkanina (najlon, najlon). 50-ih godina 20. stoljeća razvijeno je poliestersko vlakno i ovladana proizvodnja tkanina na njegovoj osnovi pod nazivom lavsan ili polietilen tereftalat. Polipropilen i nitron - umjetna vuna izrađena od poliakrilonitrila - zatvaraju popis sintetičkih vlakana koje moderni ljudi koriste za odjeću i industrijske aktivnosti. U prvom slučaju ova se vlakna vrlo često kombiniraju s prirodnim vlaknima od celuloze ili proteina (pamuk, vuna, svila). Epohalni događaj u svijetu polimera bilo je otkriće sredinom 50-ih godina 20. stoljeća i brz industrijski razvoj Ziegler-Natta katalizatora, što je dovelo do pojave polimernih materijala na bazi poliolefina i prije svega polipropilena i niskih -polietilen gustoće (prije toga, proizvodnja polietilena je savladana na tlaku od reda 1000 atm.), kao i stereopravilni polimeri sposobni za kristalizaciju. Zatim su u masovnu proizvodnju uvedeni poliuretani - najčešća brtvila,
Pojam "polimerizam" uveo je u znanost J. Berzelius 1833. godine za označavanje posebne vrste izomerije, u kojoj tvari (polimeri) istog sastava imaju različite molekularne težine, na primjer, etilen i butilen, kisik i ozon. Dakle, sadržaj pojma nije odgovarao suvremenim idejama o polimerima. “Pravi” sintetski polimeri tada još nisu bili poznati.
Čini se da je u prvoj polovici 19. stoljeća dobiven niz polimera. Međutim, kemičari su tada obično pokušavali suzbiti polimerizaciju i polikondenzaciju, što je dovodilo do "smoljenja" produkata glavne kemijske reakcije, tj. zapravo do stvaranja polimera (do sada su se polimeri često nazivali "smolama"). Prvi spomeni sintetičkih polimera datiraju iz 1838 () i 1839 (polistiren).
Kemija polimera nastala je tek u vezi sa stvaranjem teorije kemijske strukture A. M. Butlerova (ranih 1860-ih). A. M. Butlerov proučavao je odnos između strukture i relativne stabilnosti molekula, koji se očituje u reakcijama polimerizacije. prije podne Butlerov je predložio razmatranje sposobnosti nezasićenih spojeva da polimeriziraju kao kriterij njihove reaktivnosti. Tu su nastali klasični radovi na području procesa polimerizacije i izomerizacije A. E. Favorskog, V. N. Ipatieva i S. V. Lebedeva. Od studija naftnih ugljikovodika V. V. Markovnikova, a zatim N. D. Zelinskog, protežu se niti do suvremenog rada na sintezi svih vrsta monomera iz naftnih sirovina.
Ovdje valja napomenuti da se industrijska proizvodnja polimera od samog početka razvijala u dva smjera: preradom prirodnih polimera u umjetne polimerne materijale i proizvodnjom sintetskih polimera iz organskih niskomolekularnih spojeva. U prvom slučaju velika proizvodnja temelji se na celulozi, a prvi materijal od fizički modificirane celuloze, celofan, dobiven je 1908. godine.
Pokazalo se da je znanost o sintetiziranju polimera iz monomera puno veći fenomen u smislu zadataka koji stoje pred znanstvenicima.
Unatoč izumu metode za proizvodnju fenol-formaldehidnih smola od strane Baekelanda početkom 20. stoljeća, nije bilo razumijevanja procesa polimerizacije. Tek 1922. njemački kemičar Hermann Staudinger iznio je definiciju makromolekule - dugačke strukture atoma povezanih kovalentnim vezama. On je prvi utvrdio odnos između molekulske mase polimera i viskoznosti njegove otopine. Nakon toga, američki kemičar Herman Mark proučavao je oblik i veličinu makromolekula u otopini.
Zatim 1920-1930-ih. Zahvaljujući naprednom radu N. N. Semenova na području lančanih reakcija, otkrivena je duboka sličnost mehanizma polimerizacije s lančanim reakcijama koje je proučavao N. N. Semenov.
U 30-im godinama dokazano je postojanje slobodnoradikalskih (G. Staudinger i dr.) i ionskih (F. Whitmore i dr.) mehanizama polimerizacije.
U SSSR-u sredinom 1930-ih. S.S. Medvedev je formulirao koncept "pokretanja" polimerizacije kao rezultat razgradnje peroksidnih spojeva uz stvaranje radikala. Također je kvantificirao reakcije lančanog prijenosa kao procese koji reguliraju molekularnu težinu. Istraživanja mehanizama polimerizacije slobodnih radikala provodila su se sve do 1950-ih.
Veliku ulogu u razvoju ideja o polikondenzaciji odigrao je rad W. Carothersa koji je u kemiju visokomolekularnih spojeva uveo koncepte monomerne funkcionalnosti, linearne i trodimenzionalne polikondenzacije. Godine 1931., zajedno s J.A. Newlandom, sintetizirao je kloroprensku gumu (neopren), a 1937. razvio metodu za proizvodnju poliamida za oblikovanje najlonskih vlakana.
Tridesetih godina prošlog stoljeća Razvija se i doktrina strukture polimera, koju je prvi razvio A. P. Aleksandrov 30-ih godina. ideje o relaksacijskoj prirodi deformacije polimernih tijela; V.A. Kargin ga je postavio kasnih 30-ih. činjenicu termodinamičke reverzibilnosti polimernih otopina i formulirao sustav ideja o tri fizička stanja amorfnih visokomolekularnih spojeva.
Prije Drugog svjetskog rata najrazvijenije zemlje ovladale su industrijskom proizvodnjom SC-a, polistirena, polivinil-klorida i polimetil-metakrilata.
1940-ih Američki fizikalni kemičar Flory dao je značajan doprinos teoriji polimernih otopina i statističkoj mehanici makromolekula; Flory je stvorio metode za određivanje strukture i svojstava makromolekula iz mjerenja viskoznosti, sedimentacije i difuzije.
Epohalni događaj u kemiji polimera bilo je otkriće K. Zieglera 1950-ih. metalni kompleksni katalizatori, što je dovelo do pojave polimera na bazi poliolefina: polietilena i polipropilena, koji su se počeli proizvoditi na atmosferskom tlaku. Tada su poliuretani (osobito pjenasta guma), kao i polisiloksani, uvedeni u masovnu proizvodnju.
U 1960-1970-im godinama. Dobiveni su jedinstveni polimeri - aromatski poliamidi, poliimidi, polieter ketoni koji u svojoj strukturi sadrže aromatske prstenove i karakterizirani su ogromnom čvrstoćom i otpornošću na toplinu. Konkretno, 1960-ih. Kargin V.A. i Kabanov V.A. postavio temelje za novu vrstu formiranja polimera - kompleksno-radikalnu polimerizaciju. Pokazali su da se aktivnost nezasićenih monomera u reakcijama polimerizacije radikala može značajno povećati njihovim vezanjem u komplekse s anorganskim solima. Tako su dobiveni polimeri neaktivnih monomera: piridina, kinolina itd.
Čovjek se prvi put upoznao s gumom u 15. stoljeću. Na otprilike. Haiti H. Kolumbo i njegovi drugovi vidjeli su ritualne igre domorodaca s loptama od elastične smole drveća. Prema bilješkama Charlesa Marie de la Condaminea, objavljenim 1735. godine, Europljani su saznali da se drvo iz kojeg se vadi kaučuk na jeziku peruanskih Indijanaca zove “Heve”. Kada se kora drveta reže, oslobađa se sok koji se na španjolskom zove lateks. Lateks se koristio za impregnaciju tkanina.
Početkom 19. stoljeća započela su istraživanja gume. Godine 1823. Englez Karl Mackintosh organizirao je proizvodnju vodootpornih gumiranih tkanina i kišnih ogrtača na njihovoj osnovi. Englez Thomas Hancock otkrio je 1826. godine fenomen plastificiranja gume. Tada su se u plastificiranu gumu počeli uvoditi razni aditivi i nastala je tehnologija punjenih gumenih smjesa. Godine 1839. Amerikanac Charles Goodyear otkrio je metodu za proizvodnju otporne gume koja se ne lijepi zagrijavanjem gume s olovnim oksidom i sumporom. Proces se naziva vulkanizacija. U drugoj polovici 19. stoljeća potražnja za prirodnim kaučukom naglo je rasla. 1890-ih godina. Pojavljuju se prve gumene gume. Veliki broj plantaža gume se pojavljuje u raznim vrućim zemljama (trenutno Indonezija i Malezija) koje su vodeće u proizvodnji prirodne gume.
Michael Faraday je 1825. godine, proučavajući pirolizu prirodnog kaučuka, otkrio da je njegova najjednostavnija formula C 5 H 8. Godine 1835. njemački kemičar F.K. Himmli je prvi izolirao izopren C5H8. Godine 1866. francuski kemičar Pierre Berthelot dobio je butadien propuštanjem mješavine etilena i acetilena kroz zagrijanu željeznu cijev.
U 1860-1870-im godinama. prije podne Butlerov je otkrio strukturu mnogih olefina i polimerizirao mnoge od njih, posebno izobutilen pod djelovanjem sumporne kiseline.
Godine 1878. ruski kemičar A.A. Krakau je otkrio sposobnost polimerizacije nezasićenih spojeva pod utjecajem alkalnih metala.
Godine 1884. engleski kemičar W. Tilden dokazao je dobivanje izoprena termičkom razgradnjom terpentina, također je utvrdio sastav i strukturu izoprena te sugerirao da se sklonost izoprena polimerizaciji može iskoristiti za proizvodnju sintetičke gume. 1870-ih godina. Francuski kemičar G. Bouchard izolirao je izopren iz produkata termičke razgradnje kaučuka, obradom s visokom temperaturom i klorovodičnom kiselinom dobio je proizvod sličan kaučuku.
Godine 1901.-1905 V. N. Ipatiev sintetizirao je butadien iz etilnog alkohola pri visokim tlakovima od 400-500 atm. On je 1913. godine prvi polimerizirao etilen, što do tada nije pošlo za rukom niti jednom drugom istraživaču.
Godine 1908. M.K. Kucherov je dobio natrijev izopren kaučuk (rezultat je objavljen 1913.).
Godine 1909. S.V. Lebedev je prvi pokazao gumu dobivenu iz divinila.
Davne 1899. I. L. Kondakov razvio je metodu za proizvodnju dimetilbutadiena i dokazao da se potonji može pretvoriti u tvar sličnu gumi pod utjecajem svjetla, kao i određenih reagensa, poput natrija. Na temelju Kondakova rada u Njemačkoj je 1916. Fritz Hoffmann organizirao proizvodnju tzv. metil kaučuk: tvrda (“H”) i meka (“W”) sintetička guma.
Godine 1910. Carl Dietrich Harries patentirao je metodu polimerizacije izoprena pod utjecajem metalnog natrija. Godine 1902. razvio je metodu ozoniranja gume i tom metodom utvrdio strukturu raznih vrsta guma.
Godine 1911. I. I. Ostromyslensky dobio je butadien iz acetaldehida. Godine 1915. B.V. Byzov dobio je patent za proizvodnju butadiena pirolizom ulja.
Počevši od druge polovice 19. stoljeća, napori mnogih kemičara iz različitih zemalja bili su usmjereni na proučavanje metoda za proizvodnju monomera i metoda za njihovu polimerizaciju u gumene spojeve. Godine 1911. I. I. Ostromyslensky predložio je proizvodnju butadiena iz alkohola u tri faze s prinosom od 12%. U Rusiji je ovo djelo ocijenjeno vrlo visoko. Činjenica je da su ruski kemičari, za razliku od zapadnih, nastojali dobiti sintetičku gumu iz butadiena, a ne iz izoprena. Moguće je da je upravo zahvaljujući tome i prisutnosti velike alkoholne baze u Rusiji postalo moguće stvoriti tehničku bazu za proizvodnju sintetičke gume u Rusiji.
Godine 1926. Vrhovno gospodarsko vijeće SSSR-a raspisalo je natječaj za razvoj tehnologije proizvodnje sintetičkog kaučuka, prema čijim je uvjetima 1. siječnja 1928. bilo potrebno dostaviti opis procesa i na najmanje 2 kg gume dobivene ovom metodom. Projekti Lebedev S.V. i Byzov B.V. pokazali su se najrazvijenijima. Oba projekta uključivala su proizvodnju sintetičkog kaučuka iz butadiena. Lebedev je predložio proizvodnju butadiena iz alkohola u jednoj fazi pomoću katalizatora koji je on razvio i koji je imao svojstva dehidrogeniranja i dehidracije. Byzov je predložio proizvodnju butadiena iz naftnih ugljikovodika. Unatoč velikim postignućima ruskih i sovjetskih kemičara u području rafiniranja nafte, nije bilo sirovinske baze za proizvodnju butadiena metodom Byzov. Stoga je u siječnju 1931. Vijeće rada i obrane odlučilo izgraditi tri velika slična pogona SK po Lebedevljevoj metodi. Stvorena je lenjingradska eksperimentalna tvornica "Litra B" (sada VNIISK), gdje je 1931. proizvedena prva serija divinilne gume. Godine 1932-1933 Tvornice SK počele su raditi u Jaroslavlju, Voronježu, Efremovu i Kazanu.
Godine 1941. u Erevanu je pokrenuta tvornica kloroprenske gume.
Godine 1935. počinje nova era u proizvodnji sintetičkih guma - počinju se izrađivati od kopolimera dobivenih radikalnom polimerizacijom 1,3-butadiena u prisutnosti stirena, akrilonitrila i drugih spojeva. Godine 1938. u Njemačkoj je organizirana industrijska proizvodnja stiren-butadien kaučuka, a 1942. u SAD-u velika proizvodnja sintetičkog kaučuka.
Ovdje treba napomenuti da je nakon 1945. godine došlo do postupnog pomaka od proizvodnje butadiena iz prehrambenog alkohola s postupnim prijelazom na proizvodnju monomera iz nafte.
Godine 1948. Korotkov je ustanovio da se fizikalna i mehanička svojstva polimera poboljšavaju s povećanjem sadržaja adicijskih jedinica na cis-1,4 položajima, pri čemu najveći broj cis jedinica nastaje u prisutnosti organolitijevih spojeva.
Godine 1955. K. Ziegler otkrio je nove katalitičke sustave koji vode proces polimerizacije koristeći ionski mehanizam za proizvodnju polimernih materijala sličnih onima dobivenim u prisutnosti litija. Kasnije su te studije produbljene u Italiji u laboratoriju Giulija Natte.
Domaći industrijski poliizopren proizveden na litijevim katalizatorima nazvan je SKI, a onaj dobiven u prisutnosti Ziegler-Natta katalitičkih sustava poznat je pod kraticom SKI-3.
Godine 1956. predložena je metoda za proizvodnju stereopravilnih polibutadienskih guma (SKD), koje su bile superiornije u otpornosti na mraz i otpornosti na habanje od guma dobivenih od prirodne gume i SKI-3.
Dobiveni su polimeri na bazi dvostrukih kopolimera etilena i propilena - SKEP-ovi (1955.-1957.). Ove gume nemaju dvostruke veze u polimernoj strukturi, zbog čega su gume na njihovoj osnovi vrlo otporne u agresivnim sredinama, osim toga, otporne su na abraziju.
Šezdesetih godina prošlog stoljeća Industrijska proizvodnja guma SKD i SKI-3 ovladala je u Sterlitamaku, Togliattiju i Volzhsku. Općenito, sva su ta poduzeća kao sirovinu koristila monomere dobivene iz nafte, a ne iz alkohola.
Kopolimeri butadiena i izoprena počeli su brzo zamjenjivati prirodnu gumu u proizvodnji automobilskih guma. Dakle, ako je 1950. udio K. s. u ukupnoj proizvodnji prirodnog i sintetičkog kaučuka iznosio je oko 22%, 1960. oko 48%, zatim do 1971. porastao na ~60% (5 milijuna tona sintetičkog i 3 milijuna tona prirodnog kaučuka), 1985. bilo je 12 milijuna. proizvedeno je tona sintetičkog kaučuka, a samo 4 milijuna tona prirodnog kaučuka. Do početka 1970-ih. Postojalo je mišljenje da će sintetičke gume zamijeniti prirodne. Međutim, kao rezultat naftnog embarga 1973. godine, cijene nafte su naglo porasle, a istodobno su napravljeni veliki pomaci u proizvodnji prirodnog kaučuka u Maleziji, što je omogućilo naglo smanjenje njegove cijene. Do danas se nije moguće riješiti prirodne gume u industriji guma. Tako je za Japan, koji nema vlastite prirodne rezerve nafte, isplativije kupovati prirodni kaučuk iz Malezije i Indonezije. Rusija, koja ima velike rezerve nafte, ni u kojem slučaju ne smije zanemariti postojeće tehnologije i kapacitete za proizvodnju sintetičkog kaučuka.
Intenzivan razvoj tehnologije gume u SSSR-u i Njemačkoj prije Drugog svjetskog rata objašnjava se činjenicom da su te zemlje shvaćale da će u slučaju rata biti odsječene od opskrbe prirodnom gumom. Sjedinjene Države pristupile su drugačijem pitanju; Sjedinjene Države nastojale su stvoriti strateške rezerve prirodnog kaučuka. Kako je život pokazao, rezerve nisu bile dovoljne kada je Japan 1941. godine napao jugoistočnu Aziju. Iz već napisanog jasno je da je guma imala važnu ulogu u svjetskoj politici.
Fenol-formaldehidne smole.
Prvi u svijetu postupak industrijske proizvodnje potpuno sintetskog polimera patentirao je L. Baekeland 1907. L. Baekeland patentirao je tzv. Bakelitna smola je produkt kondenzacije fenola i formaldehida koji se zagrijavanjem pretvara u trodimenzionalni polimer. Bakelit se desetljećima koristi kao materijal za električna kućišta, a sada se koristi kao vezivo i ljepilo. Otkrivač reakcije između fenola i formaldehida bio je A. Bayer, koji je još 1872. promatrao nastajanje smole u ovoj reakciji, ali ga rezultat nije zanimao. Od 1940-ih do sredine 1970-ih. Zbog pojave novih vrsta plastike, udio fenolnih smola se brzo smanjivao. No od 1975. godine ponovno počinje nagli rast proizvodnje ovih polimera za potrebe zrakoplovstva, raketne tehnike, astronautike itd., kao i zbog pada rezervi nafte. Činjenica je da se fenol dobiva iz ugljena čije zalihe neusporedivo premašuju one iz nafte. Osim toga, na bazi fenol-formaldehidnih smola, pojavio se širok izbor materijala za potrebe toplinske izolacije (iverica, vlaknatica), koji su postali aktualni u borbi protiv energetske krize.
Polietilen i polipropilen.
Etilen je izuzetno teško polimerizirati. Polimerizacija etilena je prvi put uočena 1933. godine kao popratna reakcija. Već 1937. engleski kemičari razvili su prvu industrijsku metodu za proizvodnju polietilena, a 1946. počela je proizvodnja polietilenskih boca.
Godine 1954. Karl Ziegler i Giulio Natta otkrili su novi organometalni katalizator, zahvaljujući kojem su mogli provesti ionsku polimerizaciju polietilena pri atmosferskom tlaku i temperaturi od 60 °C.
Također su dobili stereopravilni polipropilen korištenjem katalizatora s metalnim kompleksom.
Politetrafluoretilen (teflon).
Slučajno ga je otkrio 1938. R. Plunkett, koji je promatrao spontano stvaranje bijele praškaste mase u cilindrima s tetrafluoretilenom. Godine 1941. patentirao je svoju tehnologiju (SAD, DuPont). Godine 1954. francuski inženjer Marc Gregor predložio je korištenje teflona kao premaza za posuđe. Teflon je izrazito kemijski inertan, a njegova temperatura omekšavanja doseže gotovo 300 0 C.
Polistiren.
Godine 1866. M. Berthelot identificirao je stvaranje čvrste mase iz stirena nakon zagrijavanja kao proces polimerizacije. Godine 1946. G. Staudinger je ustanovio mehanizam te reakcije. Polistiren je prvi put proizveden u Njemačkoj 1931. godine.
Polimetil metakrilat.
Polimetil metakrilat (PMMA) ili pleksiglas ili pleksiglas nastao je 1928. Godine 1933. počela je proizvodnja PMMA u Njemačkoj, 1936. PMMA je dobiven u SSSR-u na Institutu za istraživanje plastike. Polimer se široko koristi u zrakoplovnoj industriji, automobilskoj industriji i građevinarstvu.
Polivinil klorid.
Polimerizaciju vinil klorida prvi je proveo 1872. godine njemački kemičar Eugen Baumann. Zasluga ovog istraživača bila je razvoj metode radikalne polimerizacije vinil klorida u prisutnosti organskih peroksida. Aktivna praktična uporaba polivinil klorida (PVC) počela je tek sredinom 20. stoljeća. Problem je bio u tome što čisti PVC ima mnoge nedostatke. Na sobnoj temperaturi vrlo je krt i neelastičan. Osim toga, teško ga je otopiti ili rastopiti, što polimer čini vrlo teškim za recikliranje. U 30-im godinama Znanstvenici su uspjeli pronaći stabilizatore koji povećavaju otpornost PVC-a na toplinu i svjetlost. Novi materijal - plastificirani polivinil klorid - postao je široko rasprostranjen.
Prvo kemijsko vlakno dobio je 1884. godine francuski kemičar N. Chardonnay. Njegovo glavno istraživanje vezano je uz razvoj tehnologije nitroceluloznih vlakana (nitrosilk). Godine 1892. ovladana je metoda proizvodnje viskoznih vlakana. Prva acetatna vlakna počela su se proizvoditi u isto vrijeme u Engleskoj i SAD-u.
Polivinilkloridna vlakna počela su se proizvoditi 1934., a vlakna na bazi kopolimera vinilklorida s vinil acetatom (vignon) od 1937. Godine 1939. pojavila su se poliamidna vlakna, a 1943. poliakrilonitril (Orlon).
Stvaranje tehnologije vlakana povezuje se s imenima znanstvenika kao što su Cloete, koji je još 1913. godine predvidio mogućnost proizvodnje vlakana od polivinil klorida, i G. Staudinger, koji je 1927. godine dobio vlakna iz taline polioksimetilena i polietilen oksida.
U SSSR-u, neovisno o SAD-u i Njemačkoj, 1947. objavljeni su rezultati istraživanja Knunyantsa, Rogovina i Romashevskog o proizvodnji poliamidnih vlakana.
Godine 1936. stvorena je tehnologija sintetskog poliheksametilen adipamida, na temelju koje je 1939. započela proizvodnja najlonskih vlakana.
U SAD-u je 1939. godine započela proizvodnja najlon-6,6 vlakna na bazi kaprolaktama.
Tehnologija poliakrilonitrilnih vlakana razvijala se istodobno i neovisno u SAD-u i Njemačkoj, a 1934. godine SAD je započela proizvodnju poliamidnih vlakana u tvornici DuPont. U Njemačkoj je njegova proizvodnja započela nekoliko godina kasnije.
U SSSR-u je 1948. godine proizvedena prva serija najlonskih vlakana; 1957. godine počelo je s radom prvo postrojenje za proizvodnju vlakana lavsana; 1960. započela je proizvodnja “nitron” vlakna na bazi poliakrilonitrila.
U samom početku poduzeća za proizvodnju kemijskih vlakana bila su visoko specijalizirana, ali kako se asortiman vlakana povećavao, profil tvornica kemijskih vlakana se širio, te su već proizvodile 3-4 vrste vlakana.
Sve do sredine 1930-ih. Sva proizvodnja boja i lakova u našoj zemlji temeljila se na uvoznim sirovinama. Tek 1936. počinje se razvijati proizvodnja gliftalnih smola za izradu odgovarajućih lakova. Sinteza alkidnih smola reakcijom glicerina, kolofonije i tungovog ulja oslobodila je zemlju uvoza kopala (kopal je tvrda prirodna smola poput jantara).
Godine 1947.-1948 U Moskvi i Jaroslavlju pokrenute su radionice za proizvodnju uree, melamina i fenol-formaldehidnih smola. Započeo je razvoj pentaftalnih smola u kojima je glicerin zamijenjen pentaeritritolom.
Od 1951. godine počinje proizvodnja lakova na bazi perklorovinilnih smola za zrakoplovnu industriju i željeznički promet. Pedesetih godina prošlog stoljeća Na bazi kopolimera butil metakrilata s metil metakrilatom, metakrilamidom, akrilonitrilom i metakrilnom kiselinom stvoreni su lakovi topljivi u alkoholu. Stvoreno je nekoliko desetaka marki lakova, temeljnih premaza i emajla, uklj. lak DS-583, koji se i danas proizvodi. Istodobno je ovladana proizvodnja A-15, kopolimera vinil klorida s vinil acetatom. Kombinacija A-15 s epoksidnim smolama omogućila je stvaranje antikorozivnih boja i smanjila broj slojeva boje tijekom nanošenja.
Od 1956. automobilski nitro emajli potpuno su zamijenjeni alkidno-melaminskim.
Godine 1963. ovladava proizvodnja epoksidnih smola za potrebe industrije boja i lakova, kao i antivegetativnih premaza na bazi kloriranog polivinilklorida.
Godine 1976.-1980 Stvorene su istraživačko-proizvodne udruge i nezavisni institut za istraživanje i dizajn za anorganske pigmente i brodske premaze.
Trenutno se gotovo sve vrste polimernih materijala koriste za proizvodnju sastava boja i lakova za različite namjene: epoksidne smole, uretanski elastomeri, kloroprenske gume, fluorne gume, poliakrilati, poliorganosiloksani itd.
1. Enciklopedija polimera u 3 sveska M.: Izdavačka kuća "Sovjetska enciklopedija", 1974-1977.
2. Kemijska enciklopedija u 5 svezaka M.: Velika ruska enciklopedija, 1992.
3. K. Manalov Veliki kemičari u 2 sv., M.: Mir, 1986.
4. O. I. Tuzhikov Povijest i metodologija razvoja znanosti i industrije polimera, Volgograd: 1999.
5. V. Strube. Putovi razvoja kemije u 2 toma, svezak 2., M.: Mir, 1984.
6. J. H. Briston, L. L. Katan Polimerni filmovi M.: Kemija, 1993.
7. Yu. D. Semchikov Visokomolekularni spojevi M.: Izdavački centar "Akademija", 2003.
polimeri
Međutim, postoji mnogo smjerova koji omogućuju korištenje divovskih molekula u miroljubive svrhe. Dakle, ako je potpuno nitrirana celuloza eksploziv i može se koristiti samo kao takva, onda je djelomično nitrirana celuloza ( piroksilin) je sigurniji za rukovanje i može se koristiti ne samo u vojne svrhe.
Američki izumitelj John Wesley Hyatt (1837.-1920.), pokušavajući dobiti nagradu ustanovljenu za stvaranje zamjene za biljarske kugle od bjelokosti, prije svega je obratio pozornost na djelomično nitriranu celulozu. Otopio ga je u mješavini alkohola i etera te dodao kamfor kako bi se nova tvar lakše obradila. Do 1869. Hyatt je imao ono što je nazvao celuloid, i osvojio nagradu. Celuloid je bio prva sintetika plastični- materijal koji se može lijevati u kalupe.
Međutim, kako se pokazalo, djelomično nitrirana celuloza ne samo da se može oblikovati u kuglice, već i uvlačiti u vlakna i filmove. Francuski kemičar Louis Marie Guillard Bernigo, grof od Chardonnaya (1839.-1924.), dobio je takva vlakna utiskivanjem otopine nitroceluloze kroz vrlo tanke rupice. Otapalo je gotovo odmah isparilo.
Od dobivenih vlakana bilo je moguće tkati materijal koji je svojim sjajem podsjećao na svilu. Godine 1884. Chardonnay je patentirao svoj rajon. Chardonnay je ovoj tkanini dao ime regija- emitiranje svjetlosti, jer je tkanina blistala i činilo se da emitira svjetlost.
Pojavu plastičnih filmova dugujemo američkom izumitelju Georgeu Eastmanu (1854.-1932.). Eastmana je zanimala fotografija. U pokušaju da pojednostavi razvojni proces, počeo je miješati emulziju spojeva srebra sa želatinom kako bi emulzija bila suha. Ovako dobivena smjesa mogla se skladištiti i stoga pripremiti za buduću upotrebu. Godine 1884. Eastman je staklene ploče zamijenio celuloidnim.
Celuloid nije eksplozivan, ali je vrlo zapaljiv, što može izazvati požare, pa je Eastman počeo tražiti manje zapaljive materijale. Kada su acetilne skupine uvedene u celulozu umjesto nitro skupina, dobiveni produkt ostao je plastičan poput nitroceluloze, ali više nije bio zapaljiv. Od 1924. filmovi od celuloznog acetata počeli su se koristiti u proizvodnji filmova, budući da je filmska industrija u razvoju bila u posebnoj potrebi za celuloidnom zamjenom.
Proučavajući prirodne spojeve visoke molekularne težine, kemičari su se nadali ne samo da će dobiti njihove sintetske analoge, već i otkriti nove vrste spojeva. Jedna od metoda za sintezu divovskih molekula je polimerizacija monomera(monomer je tvar čije su molekule sposobne reagirati jedna s drugom ili s molekulama drugih tvari u polimer).
Metoda spajanja monomera u gigantsku molekulu može se objasniti barem na primjeru etilena C 2 H 4. Napišimo strukturne formule dviju molekula etilena:
Zamislimo da se atom vodika preselio iz jedne molekule u drugu, kao rezultat toga, umjesto dvostruke veze, u ovoj se molekuli pojavljuje slobodna jednostruka veza. U prvoj molekuli iz koje je izašao vodik pojavila se i slobodna veza. Stoga se ove dvije molekule mogu međusobno povezati.
Takva molekula već sadrži četiri atoma ugljika i jednu dvostruku vezu, baš kao i originalna molekula etilena. Stoga, kada ova molekula stupa u interakciju s drugom molekulom etilena, također može doći do pomaka atoma vodika i kidanja dvostruke veze. Rezultirajuća molekula sadržavat će šest atoma ugljika i jednu dvostruku vezu. Na taj se način može sukcesivno dobiti molekula s osam, deset ili više ugljikovih atoma. Zapravo, na ovaj je način moguće dobiti molekule gotovo bilo koje duljine.
Američki kemičar Leo Hendrik Baekeland (1863.-1944.) tražio je zamjenu za šelak, voštanu tvar koju izlučuju određene vrste tropskih kukaca. U tu svrhu mu je bila potrebna otopina ljepljive tvari nalik katranu. Baekeland je započeo polimerizacijom fenola i formaldehida i dobivanjem polimera za koji nije mogao pronaći otapalo. Ta ga je činjenica dovela do ideje da bi tako čvrst, praktički netopljiv i, kako se pokazalo, neprovodljiv polimer mogao biti vrijedan materijal. Od njega se, primjerice, mogu lijevati dijelovi koji se lako obrađuju na strojevima. Godine 1909. Baekeland je izvijestio o materijalu do kojeg je došao, a koji je nazvao bakelit. Ova fenol-formaldehidna smola bila je prva sintetička plastika, koja je ostala nenadmašna u nizu svojstava.
Sintetička vlakna također su pronašla primjenu. Taj je smjer predvodio američki kemičar Wallace Hume Carothers (1896.-1937.). Zajedno s američkim kemičarom Juliusom Arthurom Newlandom (1878.-1936.) istraživao je gumene elastomeri. Rezultat njegova rada bio je primitak 1932. godine. neopren- jedna od sintetičkih guma.
Nastavljajući proučavanje polimera, Carothers je pokušao polimerizirati smjesu diamina i dikarboksilnih kiselina i dobio vlaknasti polimer. Dugačke molekule ovog polimera sadrže kombinacije atoma slične peptidnim vezama (vidi odjeljak “Proteini”) u proteinu svile. Izvlačenjem tih vlakana dobivamo ono što danas nazivamo najlon. Carothers je dovršio ovo djelo neposredno prije svoje prerane smrti. Izbijanje Drugog svjetskog rata prisililo je kemičare da privremeno zaborave na Carothersovo otkriće. No, nakon završetka rata najlon je počeo istiskivati svilu i ubrzo ju zamijeniti (osobito u proizvodnji čarapa).
Prvi sintetski polimeri dobiveni su u pravilu slučajno, metodom pokušaja i pogrešaka, jer se u to vrijeme malo znalo o strukturi divovskih molekula i mehanizmu polimerizacije. Njemački kemičar Hermann Staudinger (1881.-1965.) prvi je proučavao strukturu polimera i učinio mnogo na tom području. Staudinger je uspio otkriti opći princip izgradnje mnogih visokomolekularnih prirodnih i umjetnih tvari i nacrtati načine njihova istraživanja i sinteze. Zahvaljujući Staudingerovom radu, postalo je jasno da se dodavanje monomera može dogoditi nasumično i dovesti do stvaranja razgranatih lanaca, čija je snaga puno manja.
Počela su intenzivna traganja za načinima dobivanja linearnih, nerazgranatih polimera. A 1953. njemački kemičar Karl Ziegler (1898.-1973.) otkrio je svoj slavni titan-aluminijski katalizator, koji je proizvodio polietilen pravilne strukture.
Talijanski kemičar Giulio Natta (1903.-1979.) modificirao je Zieglerov katalizator i razvio metodu za proizvodnju nove klase sintetskih visokomolekularnih spojeva - stereoregularnih polimera. Razvijena je metoda za proizvodnju polimera željenih svojstava.
Jedan od glavnih izvora esencijalnih organskih spojeva potrebnih za proizvodnju novih sintetskih proizvoda je ulje. Ova tekućina je poznata od davnina, ali da bi se koristila u velikim količinama, bilo je potrebno otkriti način za crpljenje nafte iz ogromnih podzemnih naslaga. Američki izumitelj Edwin Laurentian Drake (1819.-1880.) prvi je počeo bušiti naftne bušotine 1859. godine. Stoljeće kasnije nafta je postala glavni izvor organskih spojeva, topline i energije.
Još važniji izvor organskih proizvoda je ugljen, iako u doba motora s unutarnjim izgaranjem na njega zaboravljamo. Ruski kemičar Vladimir Nikolajevič Ipatijev (1867-1952) na prijelazu stoljeća počeo je proučavati složene ugljikovodike sadržane u nafti i katranu ugljena, a posebno proučavati njihove reakcije koje se odvijaju na visokim temperaturama. Njemački kemičar Friedrich Karl Rudolf Bergius (1884.-1949.), koristeći podatke iz Ipatijeva, razvio je 1912. praktične metode za obradu ugljena i nafte vodikom za proizvodnju benzina.
Međutim, svjetske rezerve fosilno gorivo(ugljen plus nafta) su ograničeni i nezamjenjivi. Sve prognoze govore da će doći dan kada će se rezerve fosilnih goriva iscrpiti, a da taj dan nije daleko, tim više što se svjetska populacija ubrzano povećava, a samim time i potreba za energijom.
Ministarstvo obrazovanja i znanosti Ruske Federacije
savezna državna autonomna obrazovna ustanova
visoko stručno obrazovanje
„NACIONALNO ISTRAŽIVANJE
POLITEHNIČKO SVEUČILIŠTE TOMSK"
Institut za prirodne resurse
Smjer izobrazbe (specijalnost) Kemijska tehnologija
Zavod za kemijsku tehnologiju goriva i kemijsku kibernetiku
Esej
Naslov sažetka:
“ Prirodni polimeri, polimeri oko nas”
u disciplini "Uvod u inženjerstvo"
Izvršili učenici gr. 2D42 Nikonova Nyurguyaana
Prokopchuk Kristina
Dajanova Regina
Sažetak prihvaćen:
Moises O. E.
(Potpis)
2014
(datum provjere izvješća)
Tomsk 2014
1. Uvod……………………………………………………………………………………………..2
2. Pojam polimera i klasifikacija ………………………………………………….3
3. Pulpa………………………………………………………………………………………………………………3
4. Škrob………………………………………………………………………………………………………………5
5. Glutin………………………………………………………………………………………………………………..6
6. Kazein………………………………………………………………………………………………………………6
7. Guma…………………………………………………………………………………………………………………….7
8. Guma………………………………………………………………………………………………………………7
9. Sintetski polimeri………………………………………………………………...9
10. Svojstva i najvažnije karakteristike……………………………………………10
11. Kemijske reakcije…………………………………………………………………………………….11
12. Potvrda…………………………………………………………………………………………………………………12
13.Polimeri u poljoprivredi……………………………………………………………..12
14. Polimeri u industriji……………………………………………………………….14
Uvod
Pojam "polimerizam" uveo je u znanost I. Berzelius 1833. godine za označavanje posebne vrste izomerije, u kojoj tvari (polimeri) istog sastava imaju različite molekularne težine, na primjer, etilen i butilen, kisik i ozon. Ovaj sadržaj pojma nije odgovarao suvremenim predodžbama o polimerima. “Pravi” sintetski polimeri tada još nisu bili poznati.
Određeni broj polimera očito je pripravljen već u prvoj polovici 19. stoljeća. Međutim, kemičari su tada obično pokušavali suzbiti polimerizaciju i polikondenzaciju, što je dovelo do "smoljenja" produkata glavne kemijske reakcije, tj. zapravo do stvaranja polimera (polimeri se i danas često nazivaju "smolama"). Prvi spomeni sintetskih polimera datiraju iz 1838. (poliviniliden klorid) i 1839. (polistiren),
Kemija polimera nastala je tek u vezi sa stvaranjem teorije kemijske strukture A.M. Butlerova. A.M. Butlerov proučavao je odnos između strukture i relativne stabilnosti molekula, što se očituje u reakcijama polimerizacije. Znanost o polimerima dobila je svoj daljnji razvoj uglavnom zahvaljujući intenzivnoj potrazi za metodama sintetiziranja gume, u kojoj su sudjelovali vodeći znanstvenici mnogih zemalja (G. Buscharda, W. Tilden, njemački znanstvenik K. Harries, I. L. Kondakov, S. V. Lebedev i drugi ). Tridesetih godina prošlog stoljeća dokazano je postojanje slobodnih radikala i ionskih mehanizama polimerizacije. Veliku ulogu u razvoju ideja o polikondenzaciji odigrali su radovi W. Carothersa.
Od početka 20-ih godina 20. stoljeća razvijaju se i teorijske ideje o strukturi polimera.U početku se pretpostavljalo da biopolimeri poput celuloze, škroba, gume, proteina, kao i neki njima slični sintetski polimeri u svojstva (na primjer, poliizopren), sastoje se od malih molekula koje imaju neobičnu sposobnost udruživanja u otopini u komplekse koloidne prirode zbog nekovalentnih veza (teorija "malih blokova"). Autor temeljno novog koncepta polimera kao tvari koje se sastoje od makromolekula, čestica neobično velike molekulske mase, bio je G. Staudinger. Pobjeda ideja ovog znanstvenika natjerala nas je da polimere smatramo kvalitativno novim predmetom proučavanja u kemiji i fizici.
Pojam i klasifikacija polimera
polimeri- kemijski spojevi velike molekulske mase (od nekoliko tisuća do nekoliko milijuna), čije se molekule (makromolekule) sastoje od velikog broja ponavljajućih skupina (monomernih jedinica). Atomi koji čine makromolekule međusobno su povezani silama glavnih i (ili) koordinacijskih valencija.
Klasifikacija.
Polimeri se prema porijeklu dijele na:
prirodni (biopolimeri), na primjer proteini, nukleinske kiseline, prirodne smole
sintetičke, na primjer polietilen, polipropilen, fenol-formaldehidne smole.
Prirodni polimeri koji se koriste u tiskarstvu su: polisaharidi (celulozni škrob, gume), jele, glutin, kazein, albumin), polidieni (kaučuk).
Celuloza
Celuloza, odnosno vlakna (od latinske riječi "cellulula" - stanica), vrlo je rasprostranjena u prirodi. Celuloza je jaka vlaknasta tvar organskog porijekla koja čini potporno tkivo svih biljaka (biljne stanice).
Fizikalna svojstva celuloze
Celulozna vlakna se razlikuju po svojoj bjelini, savitljivosti, čvrstoći, elastičnosti, tj. sposobnost reverzibilne deformacije bez razaranja čak i pod velikim mehaničkim naprezanjem, netopljivost u vodi i organskim otapalima i infuzibilnost.
Celuloza može izdržati zagrijavanje do 150 ° bez razaranja; pri višim temperaturama dolazi do depolimerizacije celuloze i s tim povezanim gubitkom čvrstoće, a pri 270° i više počinje toplinska razgradnja uz oslobađanje produkata razgradnje: octene kiseline, metilnog alkohola, ketona, a ostatak čine katran i ugljen.
Struktura celuloznog vlakna.
Svako biljno vlakno, na primjer pamuk, lan, drvo itd., je jedna stanica, čija se ljuska sastoji uglavnom od celuloze. Unutar vlakna nalazi se kanal - kapilara, dostupna za prodor zraka i vlage. Tehnička celulozna vlakna imaju prosječnu duljinu od 2,5-3 mm (smreka, bor, breza, topola) i 20-25 mm (lan, pamuk, konoplja) s promjerom od 25 mikrona.
Celulozna biljna vlakna imaju fibrilarnu strukturu. Vlakna su elementarni valjkasti prozori poput niti - pakiranja molekula celuloze međusobno čvrsto povezanih vodikovim vezama, duljine 50 µm i promjera 0,1-0,4 µm. Najvjerojatnije celuloza tvori uređeni sustav niti - fibrila, smještenih čvršće oko unutarnjeg kanala (kapilare) vlakna, a labavije u njegovim vanjskim slojevima. U međuprostorima između fibrila nalaze se miceluloze i lignin, a njihov sadržaj raste od unutarnjih slojeva stanične strukture prema vanjskim. Međustanični prostori celuloze ispunjeni su pretežno ligninom.
Glavni izvor celuloze je drvo... Drvo je unutarnji dio drveća, nalazi se ispod kore i čini glavno biljno tkivo od kojeg se formira deblo.
Živa stanica rastućeg stabla ima celuloznu ljusku (stjenke), unutarnju šupljinu ispunjenu protoplazmom i jezgru. Živa stanica je sposobna iz godine u godinu u rastućem drvetu rasti i stvarati nove drvene tvorevine u sloju kambija, ispod kore.
Žive stanice tijekom vremena prolaze kroz lignifikaciju, što u konačnici dovodi do njihove potpune smrti ili lignifikacije. Lignifikacija stanica nastaje uglavnom kao rezultat pojave lignina u njoj. Drvo se sastoji od 90-95% takvih mrtvih stanica - vlakana, lišenih protoplazme i jezgre, ali sposobnih za diobu, s unutarnjom šupljinom ispunjenom zrakom i vodom.
Kemijska struktura i svojstva celuloze. Celuloza je prirodni polisaharidni polimer koji pripada klasi ugljikohidrata. Ogromna molekula (makromolekula) celuloze građena je od višestruko ponavljajućih strukturnih jedinica – ostataka β-glukoze (O6H10O5)p. Broj n, ili koeficijent polimerizacije, pokazuje koliko se puta strukturna jedinica - ostatak β-glukoze - ponavlja u makromolekuli celuloze, te stoga karakterizira duljinu molekularnog lanca (duljinu molekule) i unaprijed određuje njegovu molekularnu težinu.
Koeficijent polimerizacije celuloze različitog podrijetla je različit. Dakle, za drvnu celulozu je 3000, za pamuk - 12.000, za lan - 36.000 (približno). To objašnjava veliku čvrstoću pamučnih i lanenih vlakana u usporedbi s vlaknima drvne celuloze.
Alkalna celuloza dobiva se tretiranjem celuloze otopinom natrijevog hidroksida. U tom su slučaju atomi vodika alkoholnih hidroksila djelomično ili potpuno zamijenjeni atomima natrija. Alkalna celuloza, bez gubitka svoje vlaknaste strukture, karakterizira povećana kemijska aktivnost, koja se koristi u proizvodnji celuloznih etera, na primjer karboksimetilceluloze.
Karboksimetilceluloza (CMC) je eter celuloze i glikolne kiseline. Industrijska metoda za proizvodnju karboksimetilceluloze temelji se na interakciji alkalne celuloze s monokloroctenom kiselinom.
Hemiceluloze su križanac celuloze i škroba. Oni su također polisaharidi. Molekule hemiceluloze građene su od ostataka monosaharida: manoze (heksoza) i ksiloze (pentoza). Hemiceluloze nemaju vlaknastu strukturu. Biljkama služe kao rezervno hranjivo i štite ih od infekcija. Hemiceluloze bubre u vodi i relativno se lako hidroliziraju čak i vrlo razrijeđenim kiselinama; otapaju se u 18,5%-tnoj lužini. Hemiceluloze nisu štetne nečistoće celuloze koja se koristi za izradu papira. Naprotiv, drvna celuloza s visokim udjelom hemiceluloza lako se melje, a papir od nje ima povećanu čvrstoću (osobito površina), jer su hemiceluloze vrlo dobro prirodno sredstvo za klejenje.
Lignin je kemijski nestabilna tvar: pod utjecajem svjetla, vlage, kisika, zraka i topline dolazi do razaranja lignina, uslijed čega biljna vlakna gube čvrstoću i tamne. Lignin se, za razliku od celuloze, otapa u razrijeđenim kiselinama i lužinama. Metode za proizvodnju celuloze iz drva, slame, trske i drugih biljnih tkiva temelje se na ovom svojstvu lignina. Struktura lignina vrlo je složena i još nije dovoljno proučena; Poznato je da je lignin prirodni polimer čija je strukturna jedinica ostatak vrlo reaktivnog aromatskog alkohola - β-oksikoniferila.
Polimeri su kemijski spojevi s visokim mol. masa (od nekoliko tisuća do više milijuna), čije se molekule (makromolekule) sastoje od velikog broja ponavljajućih skupina (monomernih jedinica). Atomi koji čine makromolekule međusobno su povezani silama glavnih i (ili) koordinacijskih valencija.
Polimeri se prema podrijetlu dijele na prirodne (biopolimere), npr. proteini, nukleinske kiseline, prirodne smole, i sintetske, npr. polietilen, polipropilen, fenolformaldehidne smole. Atomi ili atomske skupine mogu biti smješteni u makromolekuli u obliku: otvorenog lanca ili izduženog niza ciklusa (linearni polimeri, npr. prirodni kaučuk); razgranati lanci (razgranati polimeri, npr. amilopektin), trodimenzionalne mreže (umreženi polimeri, npr. stvrdnute epoksidne smole). Polimeri čije se molekule sastoje od identičnih monomernih jedinica nazivaju se homopolimeri (na primjer, polivinil klorid, polikaproamid, celuloza). kemijski polimer sintetski supramolecular
Makromolekule istog kemijskog sastava mogu biti građene od jedinica različitih prostornih konfiguracija. Ako se makromolekule sastoje od istih stereoizomera ili različitih stereoizomera koji se izmjenjuju u lancu u određenoj periodici, polimeri se nazivaju stereopravilnim.
Polimeri čije makromolekule sadrže više vrsta monomernih jedinica nazivaju se kopolimeri. Kopolimeri u kojima jedinice svake vrste tvore dovoljno duge kontinuirane sekvence koje zamjenjuju jedna drugu unutar makromolekule nazivaju se blok kopolimeri. Na unutarnje (neterminalne) karike makromolekule jedne kemijske strukture može se vezati jedan ili više lanaca druge strukture. Takvi kopolimeri nazivaju se cijepljeni kopolimeri.
Polimeri u kojima svaki ili neki stereoizomeri jedinice tvore dovoljno duge kontinuirane sekvence koje zamjenjuju jedna drugu unutar jedne makromolekule nazivaju se stereoblok kopolimeri.
Ovisno o sastavu glavnog (glavnog) lanca, polimeri se dijele na: heterolančane, čiji glavni lanac sadrži atome različitih elemenata, najčešće ugljika, dušika, silicija, fosfora, i homolančane, čiji je glavni lanac građen. od identičnih atoma. Od homolančanih polimera najčešći su ugljikovi lančani polimeri čiji se glavni lanci sastoje samo od ugljikovih atoma, na primjer polietilen, polimetil metakrilat, politetrafluoretilen. Primjeri heterolančanih polimera su poliesteri (polietilen tereftalat, polikarbonati), poliamidi, urea-formaldehidne smole, proteini i neki organosilicijski polimeri. Polimeri čije makromolekule uz ugljikovodične skupine sadrže i atome anorganogenih elemenata nazivaju se organoelementima. Zasebnu skupinu polimera čine anorganski polimeri, na primjer, plastični sumpor, polifosfonitril klorid.
Svojstva i najvažnije karakteristike. Linearni polimeri imaju specifičan skup fizikalno-kemijskih i mehaničkih svojstava. Najvažnije od ovih svojstava: sposobnost formiranja anizotropnih visokoorijentiranih vlakana i filmova visoke čvrstoće, sposobnost podvrgavanja velikim, dugotrajnim reverzibilnim deformacijama; sposobnost bubrenja u visoko elastičnom stanju prije otapanja; visoka viskoznost otopina. Ovakav skup svojstava posljedica je velike molekularne težine, lančane strukture i fleksibilnosti makromolekula. Pri prelasku s linearnih lanaca na razgranate, rijetke trodimenzionalne mreže i, konačno, na guste mrežaste strukture, ovaj skup svojstava postaje sve manje i manje izražen. Visoko umreženi polimeri su netopivi, netaljivi i nesposobni za visokoelastične deformacije.
Polimeri mogu postojati u kristalnom i amorfnom stanju. Nužan uvjet za kristalizaciju je pravilnost dovoljno dugih dijelova makromolekule. U kristalnim polimerima mogu se pojaviti različite supramolekularne strukture (fibrili, sferuliti, monokristali) čija vrsta uvelike određuje svojstva polimernog materijala.Supramolekulske strukture u nekristaliziranim (amorfnim) polimerima su manje izražene nego u kristalnim.
Nekristalizirani polimeri mogu postojati u tri fizička stanja: staklasto, visoko elastično i viskozno. Polimeri s niskom (ispod sobne) temperaturom prijelaza iz staklastog u visokoelastično stanje nazivaju se elastomeri, a oni s visokom temperaturom plastični. Ovisno o kemijskom sastavu, strukturi i relativnom rasporedu makromolekula, svojstva polimera mogu varirati u vrlo širokim granicama. Tako je 1,4.-cispolibutadien, građen od fleksibilnih ugljikovodičnih lanaca, na temperaturi od oko 20 °C elastičan materijal, koji na temperaturi od -60 °C prelazi u staklasto stanje; polimetil metakrilat, građen od krućih lanaca, na temperaturi od oko 20°C je kruti staklasti proizvod koji prelazi u visoko elastično stanje tek na 100°C. Celuloza, polimer s vrlo krutim lancima povezanim međumolekularnim vodikovim vezama, općenito ne može postojati u visoko elastičnom stanju prije temperature njenog raspadanja.
Velike razlike u svojstvima polimera mogu se uočiti čak i ako su razlike u građi makromolekula na prvi pogled male. Dakle, stereoregularni polistiren je kristalna tvar s talištem oko 235 °C, dok nestereoregularni polistiren uopće ne može kristalizirati i omekšava na temperaturi od oko 80 °C.
Polimeri mogu ući u sljedeće glavne vrste reakcija: stvaranje kemijskih veza između makromolekula (tzv. unakrsno povezivanje), na primjer, tijekom vulkanizacije gume i štavljenja kože; razgradnja makromolekula na zasebne, kraće fragmente, reakcije sporednih funkcionalnih skupina polimera s tvarima niske molekulske mase koje ne utječu na glavni lanac (tzv. polimer-analogne transformacije); intramolekularne reakcije koje se odvijaju između funkcionalnih skupina jedne makromolekule, na primjer intramolekulska ciklizacija. Unakrsno povezivanje često se događa istovremeno s razaranjem. Primjer transformacija analognih polimeru je saponifikacija politil acetata, što dovodi do stvaranja polivinil alkohola. Brzina reakcija polimera s tvarima niske molekularne težine često je ograničena brzinom difuzije potonjih u polimernu fazu. To je najočitije u slučaju umreženih polimera. Brzina interakcije makromolekula s niskomolekularnim tvarima često značajno ovisi o prirodi i položaju susjednih jedinica u odnosu na jedinicu koja reagira. Isto vrijedi i za intramolekularne reakcije između funkcionalnih skupina koje pripadaju istom lancu.
Neka svojstva polimera, na primjer, topljivost, sposobnost viskoznog tečenja, stabilnost, vrlo su osjetljiva na djelovanje malih količina nečistoća ili aditiva koji reagiraju s makromolekulama. Dakle, da bi se linearni polimer transformirao iz topljivog u potpuno netopljiv, dovoljno je formirati 1-2 poprečne veze po makromolekuli.
Najvažnije karakteristike polimera su njihov kemijski sastav, molekulska masa i raspodjela molekulske mase, stupanj razgranatosti i fleksibilnosti makromolekula, stereopravilnost i dr. Svojstva polimera značajno ovise o tim karakteristikama.
Prirodni polimeri nastaju tijekom procesa biosinteze u stanicama živih organizama. Ekstrakcijom, frakcijskim taloženjem i drugim metodama mogu se izolirati iz biljnih i životinjskih materijala. Sintetski polimeri se proizvode polimerizacijom i polikondenzacijom. Karbolančani polimeri obično se sintetiziraju polimerizacijom monomera s jednom ili više višestrukih ugljikovih veza ili monomera koji sadrže nestabilne karbocikličke skupine (npr. iz ciklopropana i njegovih derivata).Heterolančani polimeri dobivaju se polikondenzacijom, kao i polimerizacijom monomera koji sadrže višestruke veze ugljikovog elementa (na primjer, C=O, C=N, N=C=O) ili slabe heterocikličke skupine.
Danas možemo govoriti o najmanje četiri glavna područja korištenja polimernih materijala u poljoprivredi. I u domaćoj i u svjetskoj praksi na prvom mjestu su filmovi. Zahvaljujući upotrebi perforirane folije za malčiranje na poljima, prinos nekih usjeva povećava se i do 30%, a vrijeme sazrijevanja se ubrzava za 10-14 dana.
Upotreba polietilenske folije za hidroizolaciju stvorenih rezervoara osigurava značajno smanjenje gubitaka uskladištene vlage. Pokrivanje sjenaže, silaže i kabaste krme folijom osigurava njihovo bolje očuvanje iu nepovoljnim vremenskim uvjetima. Ali glavno područje upotrebe filmskih polimernih materijala u poljoprivredi je izgradnja i rad filmskih staklenika. Trenutno je postalo tehnički moguće proizvesti listove filma širine do 16 m, što omogućuje izgradnju filmskih staklenika širine baze do 7,5 i duljine do 200 m. U takvim staklenicima svi poljoprivredni rad se može izvoditi mehanizirano; Štoviše, ovi staklenici omogućuju vam uzgoj proizvoda tijekom cijele godine. Za hladnog vremena staklenici se ponovno zagrijavaju pomoću polimernih cijevi zakopanih u tlo do dubine od 60-70 cm.
Sa stajališta kemijske strukture polimera koji se koriste u staklenicima ove vrste, može se uočiti pretežita uporaba polietilena, neplastificiranog polivinil klorida i, u manjoj mjeri, poliamida. Polietilenske folije karakterizira bolja propusnost svjetlosti, bolja svojstva čvrstoće, ali slabija otpornost na vremenske uvjete i relativno veliki gubitak topline. Oni mogu ispravno služiti samo 1-2 sezone. Poliamidne i druge folije još uvijek se relativno rijetko koriste.
Druga dva glavna područja primjene polimernih materijala u poljoprivredi su građevinarstvo, posebice stočarski objekti, i strojarstvo.
Posebna kultura mikroba uzgaja se na istrošenim sulfitnim tekućinama u posebnim fermentorima na 38°C, pri čemu se dodaje amonijak. Prinos bjelančevina krmiva je 50-55%; s apetitom ga jedu svinje i perad.
Tradicionalno se mnoga sportska događanja održavaju na travnatim terenima. Nogomet, tenis, kroket... Nažalost, dinamičan razvoj sporta, vršna opterećenja na golu ili na mreži dovode do toga da trava ne stigne narasti od natjecanja do natjecanja. I nikakvi trikovi vrtlara ne mogu se nositi s tim. Moguće je, naravno, održavati slična natjecanja na, recimo, asfaltnim podlogama, ali što je s tradicionalnim sportovima? Sintetički materijali su priskočili u pomoć. Poliamidna folija debljine 1/40 mm (25 mikrona) reže se na trake širine 1,27 mm, razvlači, uvija i zatim isprepliće kako bi se dobila lagana, voluminozna masa koja imitira travu. Kako bi se spriječio požar, polimeru se unaprijed dodaju usporivači vatre, a kako bi se spriječilo da električne iskre padnu ispod stopala sportaša, koristi se antistatik. Na pripremljenu podlogu lijepe se sintetičke travnate prostirke - i tada je travnati ili nogometni teren, ili neko drugo sportsko igralište, spremno. A kako se pojedini dijelovi igrališta istroše, mogu se zamijeniti novim strunjačama izrađenima istom tehnologijom i iste zelene boje.
Nije iznenađujuće da je ova industrija glavni potrošač gotovo svih materijala proizvedenih u našoj zemlji, uključujući polimere. Upotreba polimernih materijala u strojarstvu raste brzinom bez presedana u čitavoj ljudskoj povijesti. Na primjer, 1976. godine 1. strojarstvo naše zemlje trošilo je 800 000 tona plastike, a 1960. godine - samo 116 000 tona Zanimljivo je da je prije deset godina 37-38% svih proizvoda proizvedenih u našoj zemlji slano u strojarska plastika, a 1980. udio strojarstva u korištenju plastike smanjio se na 28%. I nije riječ o tome da bi se potreba smanjila, nego da su drugi sektori nacionalnog gospodarstva počeli još intenzivnije koristiti polimerne materijale u poljoprivredi, građevinarstvu, lakoj i prehrambenoj industriji.
Prikladno je napomenuti da se posljednjih godina uloga polimernih materijala u bilo kojoj industriji donekle promijenila. Polimerima su se počeli povjeravati sve odgovorniji poslovi. Od polimera se počelo izrađivati sve više relativno malih, ali strukturno složenih i kritičnih dijelova strojeva i mehanizama, a istodobno su se polimeri sve više počeli koristiti u izradi velikih dijelova tijela strojeva i mehanizama koji nose značajna opterećenja. Još jedno područje specifično za polimere, gdje se najjasnije očituju njihove prednosti u odnosu na bilo koje druge materijale, je područje unutarnje i vanjske završne obrade.
Drugo područje primjene polimernih materijala u strojogradnji, vrijedno posebnog spomena, je proizvodnja alata za rezanje metala. Kako se uporaba jakih čelika i legura širi, sve su stroži zahtjevi na alate za obradu. I tu plastika priskače u pomoć alatničaru i rukovatelju strojem. Ali ne sasvim obične plastike ultra-visoke tvrdoće, one koje se usude konkurirati čak i dijamantu. Kralj tvrdoće, dijamant, još nije skinut s prijestolja, ali stvari su sve bliže. Neki oksidi (na primjer, iz roda kubičnog cirkonija), nitridi, karbidi, već danas pokazuju ne manju tvrdoću, štoviše, veću otpornost na toplinu. Problem je u tome što su još uvijek skuplji od prirodnih i sintetičkih dijamanata, a osim toga imaju i jednu “kraljevsku manu” - uglavnom su krhki. Dakle, da ne bi došlo do pucanja, svako zrno takvog abraziva mora biti obavijeno polimernom ambalažom, najčešće od fenol-formaldehidnih smola. Stoga se danas tri četvrtine brusnih alata proizvodi od umjetnih smola.
Ovo su samo neki od primjera glavnih trendova uvođenja polimernih materijala u podsektore strojarstva. Automobilska industrija sada zauzima prvo mjesto po rastu upotrebe plastike među ostalim podsektorima. Prije deset godina u automobilima se koristilo od 7 do 12 vrsta različite plastike, krajem 70-ih taj broj je premašio 30. S gledišta kemijske strukture, očekivano, prva mjesta po volumenu zauzimaju stirol plastika, polivinil klorid i poliolefini. Još uvijek su malo inferiorni prema njima, ali poliuretani, poliesteri, akrilati i drugi polimeri aktivno ih sustižu.
Popis autodijelova koji se u određenim modelima izrađuju od polimera danas bi zauzeo više od jedne stranice. Karoserije i kabine, alati i električna izolacija, unutarnje obloge i branici, radijatori i nasloni za ruke, crijeva, sjedala, vrata, hauba. Štoviše, nekoliko različitih tvrtki u inozemstvu već je najavilo početak proizvodnje potpuno plastičnih automobila. Najkarakterističniji trendovi u korištenju plastike za automobilsku industriju općenito su isti kao iu drugim podsektorima. Prvo, štedi materijale: oblikovanje velikih blokova i sklopova bez otpada ili bez otpada. Drugo, zahvaljujući upotrebi laganih i laganih polimernih materijala, ukupna težina automobila je smanjena, što znači da će se tijekom rada uštedjeti gorivo. Treće, izrađeni kao jedna cjelina, blokovi plastičnih dijelova značajno pojednostavljuju montažu i štede rad.
Usput, iste prednosti potiču široku upotrebu polimernih materijala u zrakoplovnoj industriji. Na primjer, zamjena aluminijske legure grafitnom plastikom u proizvodnji letvice krila zrakoplova omogućuje smanjenje broja dijelova s 47 na 14, pričvršćivača s 1464 na 8 vijaka, smanjenje težine za 22%, a trošak za 25%. Istodobno, sigurnosna granica proizvoda iznosi 178%. Lopatice helikoptera i lopatice ventilatora mlaznih motora preporuča se izrađivati od polikondenzacijskih smola punjenih aluminosilikatnim vlaknima, čime se smanjuje težina zrakoplova uz zadržavanje čvrstoće i pouzdanosti. Prema engleskom patentu br. 2047188, premazivanje nosivih površina lopatica rotora zrakoplova ili helikoptera slojem poliuretana debljine samo 0,65 mm povećava njihovu otpornost na eroziju kišom za 1,5-2 puta. Pred konstruktore prvog englesko-francuskog nadzvučnog putničkog zrakoplova Concorde postavljeni su strogi zahtjevi. Izračunato je da bi trenje s atmosferom zagrijalo vanjsku površinu zrakoplova na 120-150°C, a istovremeno je bilo potrebno da ne podlegne eroziji najmanje 20 000 sati. Rješenje problema pronađeno je površinskim presvlačenjem zaštite zrakoplova tankim slojem fluoroplastike.