Dacă legătura dintre macromolecule se realizează folosind forțe van der Waals slabe, ele se numesc termoplastice, dacă prin legături chimice - termorigide. Polimerii liniari includ, de exemplu, celuloza, polimeri ramificati, de exemplu, amilopectina și există polimeri cu structuri spațiale complexe tridimensionale.
În structura unui polimer, se poate distinge o unitate monomeră - un fragment structural repetat care include mai mulți atomi. Polimerii constau dintr-un număr mare de grupuri (unități) care se repetă cu aceeași structură, de exemplu, clorură de polivinil (-CH 2 -CHCl-) n, cauciuc natural etc. Compuși cu greutate moleculară mare, ale căror molecule conțin mai multe tipuri de grupele repetate, se numesc copolimeri sau heteropolimeri.
Un polimer este format din monomeri ca rezultat al reacțiilor de polimerizare sau policondensare. Polimerii includ numeroși compuși naturali: proteine, acizi nucleici, polizaharide, cauciuc și alte substanțe organice. În cele mai multe cazuri, conceptul se referă la compuși organici, dar există și mulți polimeri anorganici. Un număr mare de polimeri se obțin sintetic pe baza celor mai simpli compuși ai elementelor de origine naturală prin reacții de polimerizare, policondensare și transformări chimice. Denumirile polimerilor sunt formate din numele monomerului cu prefix poli-: poli etilenă, poli propilena, poli acetat de vinil etc.
YouTube enciclopedic
-
1 / 5
Proprietăți mecanice speciale
- elasticitate - capacitatea de a suferi deformații reversibile mari sub o sarcină relativ mică (cauciucuri);
- fragilitate scăzută a polimerilor sticloși și cristalini (materiale plastice, sticlă organică);
- capacitatea macromoleculelor de a se orienta sub influența unui câmp mecanic dirijat (folosit la fabricarea fibrelor și a peliculelor).
Caracteristicile soluțiilor polimerice:
- vâscozitate ridicată a soluției la concentrație scăzută de polimer;
- Dizolvarea polimerului are loc prin etapa de umflare.
Proprietăți chimice speciale:
- capacitatea de a-și schimba dramatic proprietățile fizice și mecanice sub influența unor cantități mici de reactiv (vulcanizarea cauciucului, tăbăcirea pielii etc.).
Proprietățile speciale ale polimerilor se explică nu numai prin greutatea moleculară mare, ci și prin faptul că macromoleculele au o structură în lanț și sunt flexibile.
Clasificare
În funcție de compoziția lor chimică, toți polimerii sunt împărțiți în organic, organoelement, anorganic.
- Polimeri organici.
- Polimeri organoelementali. Conțin atomi anorganici (Si, Ti, Al) în lanțul principal de radicali organici, care se combină cu radicalii organici. Ele nu există în natură. Un reprezentant obținut artificial sunt compușii organosiliciului.
- Polimeri anorganici. Ele nu conțin într-o unitate care se repetă Conexiuni C-C, dar sunt capabili să conţină radicali organici ca substituenţi laterali.
Trebuie remarcat faptul că în tehnologie, polimerii sunt adesea utilizați ca componente ale materialelor compozite, de exemplu, fibra de sticlă. Sunt posibile materiale compozite, dintre care toate componentele sunt polimeri (cu compoziții și proprietăți diferite).
Pe baza formei macromoleculelor, polimerii sunt împărțiți în rețele liniare, ramificate (un caz special în formă de stea), panglică, plate, în formă de pieptene, rețele polimerice și așa mai departe.
Polimerii sunt clasificați în funcție de polaritate (afectând solubilitatea în diferite lichide). Polaritatea unităților polimerice este determinată de prezența în compoziția lor a dipolilor - molecule cu o distribuție izolată a sarcinilor pozitive și negative. În unitățile nepolare, momentele dipolare ale legăturilor atomice sunt compensate reciproc. Polimerii ale căror unități au polaritate semnificativă se numesc hidrofil sau polar. Polimeri cu unități nepolare - nepolar, hidrofob. Polimerii care conțin atât unități polare, cât și nepolare se numesc amfifil. Homopolimerii, a căror unitate conține atât grupuri mari polare, cât și nepolare, se propune a fi numiți homopolimeri amfifili.
În ceea ce privește încălzirea, polimerii sunt împărțiți în termoplasticȘi termorigide. Termoplastic polimerii (polietilenă, polipropilenă, polistiren) se înmoaie când sunt încălziți, chiar se topesc și se întăresc când sunt răciți. Acest proces este reversibil. Termostat Când sunt încălziți, polimerii suferă distrugeri chimice ireversibile fără a se topi. Moleculele polimerilor termorigide au o structură neliniară obținută prin reticulare (de exemplu, vulcanizare) a moleculelor de polimer în lanț. Proprietățile elastice ale polimerilor termorigidiți sunt mai mari decât cele ale termoplasticilor; totuși, polimerii termorigizi practic nu au fluiditate, drept urmare au o tensiune de rupere mai mică.
Polimerii organici naturali se formează în organismele vegetale și animale. Cele mai importante dintre ele sunt polizaharidele, proteinele și acizii nucleici, care alcătuiesc în mare măsură corpurile plantelor și animalelor și care asigură însăși funcționarea vieții pe Pământ. Se crede că etapa decisivă în apariția vieții pe Pământ a fost formarea de molecule mai complexe, cu molecule înalte, din molecule organice simple (vezi Evoluția chimică).
Tipuri
Polimeri sintetici. Materiale polimerice artificiale
Omul folosește materiale polimerice naturale în viața sa de mult timp. Este vorba despre piele, blană, lână, mătase, bumbac etc., folosite la fabricarea articolelor de îmbrăcăminte, diverși lianți (ciment, var, lut), care, prin prelucrare corespunzătoare, formează corpuri polimerice tridimensionale, utilizate pe scară largă ca materiale de construcție. . Cu toate acestea, producția industrială de polimeri în lanț a început la începutul secolului al XX-lea, deși condițiile prealabile pentru aceasta au apărut mai devreme.
Aproape imediat, producția industrială de polimeri s-a dezvoltat în două direcții - prin prelucrarea polimerilor organici naturali în materiale polimerice artificiale și prin producerea de polimeri sintetici din compuși organici cu molecul scăzut.
În primul caz, producția pe scară largă se bazează pe celuloză. Primul material polimeric din celuloză modificată fizic - celuloid - a fost obținut din nou mijlocul anului 19 secol. Producția pe scară largă de eteri și esteri de celuloză a fost stabilită înainte și după cel de-al Doilea Război Mondial și continuă până în zilele noastre. Pe baza acestora sunt produse pelicule, fibre, vopsele și lacuri și agenți de îngroșare. Trebuie remarcat faptul că dezvoltarea cinematografiei și a fotografiei a fost posibilă numai datorită apariției filmului transparent de nitroceluloză.
Producția de polimeri sintetici a început în 1906, când Leo Baekeland a brevetat așa-numita rășină bachelită - un produs de condensare al fenolului și formaldehidei, care se transformă într-un polimer tridimensional atunci când este încălzit. De zeci de ani a fost folosit pentru a face carcase pentru aparate electrice, baterii, televizoare, prize etc., iar acum este folosit mai des ca liant și adeziv.
Datorită eforturilor lui Henry Ford, înainte de Primul Război Mondial, a început dezvoltarea rapidă a industriei auto, mai întâi pe baza cauciucului natural, apoi și sintetic. Producția acestuia din urmă a fost stăpânită în ajunul celui de-al Doilea Război Mondial în Uniunea Sovietică, Anglia, Germania și SUA. În aceiași ani, a fost stăpânită producția industrială de polistiren și clorură de polivinil, care sunt materiale excelente de izolare electrică, precum și metacrilat de polimetil - fără sticlă organică numită „plexiglas”, producția de avioane de masă ar fi fost imposibilă în anii de război.
După război, s-a reluat producția de fibre și țesături poliamidice (nailon, nailon), care începuse înainte de război. În anii 50 ai secolului XX, s-a dezvoltat fibra de poliester și s-a stăpânit producția de țesături pe baza acesteia sub denumirea de lavsan sau polietilen tereftalat. Polipropilena și nitronul - lână artificială din poliacrilonitril - închid lista fibrelor sintetice pe care oamenii moderni le folosesc pentru îmbrăcăminte și activități industriale. În primul caz, aceste fibre sunt foarte des combinate cu fibre naturale din celuloză sau proteine (bumbac, lână, mătase). Un eveniment epocal în lumea polimerilor a fost descoperirea la mijlocul anilor 50 ai secolului XX și dezvoltarea industrială rapidă a catalizatorilor Ziegler-Natta, care a dus la apariția materialelor polimerice pe bază de poliolefine și, mai ales, polipropilenă și low. -polietilenă de densitate (înainte de aceasta, producția de polietilenă era stăpânită la o presiune de ordinul a 1000 atm.), precum și polimeri stereoregulați capabili de cristalizare. Apoi poliuretanii au fost introduși în producția de masă - cei mai obișnuiți etanșanți,
Termenul „polimerism” a fost introdus în știință de J. Berzelius în 1833 pentru a desemna un tip special de izomerie, în care substanțele (polimerii) având aceeași compoziție au greutăți moleculare diferite, de exemplu, etilena și butilena, oxigenul și ozonul. Astfel, conținutul termenului nu corespundea ideilor moderne despre polimeri. Polimerii sintetici „adevărați” nu erau încă cunoscuți la acel moment.
Se pare că s-au obținut o serie de polimeri în prima jumătate a secolului al XIX-lea. Cu toate acestea, chimiștii au încercat de obicei să suprime polimerizarea și policondensarea, ceea ce a dus la „rășinizarea” produselor reacției chimice principale, adică, de fapt, la formarea polimerilor (până acum polimerii erau adesea numiți „rășini”). Primele mențiuni despre polimeri sintetici datează din 1838 () și 1839 (polistiren).
Chimia polimerilor a apărut numai în legătură cu crearea de către A. M. Butlerov a teoriei structurii chimice (începutul anilor 1860). A. M. Butlerov a studiat relația dintre structura și stabilitatea relativă a moleculelor, manifestată în reacțiile de polimerizare. A.M. Butlerov a propus să se ia în considerare capacitatea compușilor nesaturați de a polimeriza ca un criteriu pentru reactivitatea lor. De aici își au originea lucrările clasice în domeniul proceselor de polimerizare și izomerizare ale lui A. E. Favorsky, V. N. Ipatiev și S. V. Lebedev. De la studiile hidrocarburilor petroliere ale lui V.V. Markovnikov și apoi ale lui N.D. Zelinsky, firele se întind până la lucrările moderne privind sinteza tuturor tipurilor de monomeri din materii prime petroliere.
Trebuie remarcat aici că, de la bun început, producția industrială de polimeri s-a dezvoltat în două direcții: prin prelucrarea polimerilor naturali în materiale polimerice artificiale și producerea de polimeri sintetici din compuși organici cu molecul scăzut. În primul caz, producția pe scară largă se bazează pe celuloză; primul material din celuloză modificată fizic, celofanul, a fost obținut în 1908.
Știința sintetizării polimerilor din monomeri s-a dovedit a fi un fenomen mult mai amplu în ceea ce privește sarcinile cu care se confruntă oamenii de știință.
În ciuda inventării unei metode de producere a rășinilor fenol-formaldehidice de către Baekeland la începutul secolului al XX-lea, nu a existat o înțelegere a procesului de polimerizare. Abia în 1922, chimistul german Hermann Staudinger a propus definiția unei macromolecule - o structură lungă de atomi legați prin legături covalente. El a fost primul care a stabilit relația dintre greutatea moleculară a unui polimer și vâscozitatea soluției sale. Ulterior, chimistul american Herman Mark a studiat forma și dimensiunea macromoleculelor în soluție.
Apoi în anii 1920-1930. Datorită muncii avansate a lui N. N. Semenov în domeniul reacțiilor în lanț, s-a descoperit o similitudine profundă a mecanismului de polimerizare cu reacțiile în lanț pe care le-a studiat N. N. Semenov.
În anii 30 s-a dovedit existenţa mecanismelor de polimerizare a radicalilor liberi (G. Staudinger şi alţii) şi ionice (F. Whitmore şi alţii).
În URSS la mijlocul anilor 1930. S.S. Medvedev a formulat conceptul de „inițiere” a polimerizării ca urmare a descompunerii compușilor peroxid cu formarea de radicali. El a cuantificat, de asemenea, reacțiile de transfer în lanț ca procese care reglează greutatea moleculară. Cercetările privind mecanismele de polimerizare a radicalilor liberi au fost efectuate până în anii 1950.
Un rol major în dezvoltarea ideilor despre policondensare l-a jucat lucrările lui W. Carothers, care a introdus conceptele de funcționalitate monomer, policondensare liniară și tridimensională în chimia compușilor cu molecule înalte. În 1931, împreună cu J.A. Newland, a sintetizat cauciucul cloropren (neopren) și în 1937 a dezvoltat o metodă de producere a poliamidei pentru modelarea fibrelor de tip nailon.
În anii 1930 S-a dezvoltat și doctrina structurii polimerilor; A.P. Aleksandrov a dezvoltat-o pentru prima dată în anii 30. idei despre natura relaxantă a deformării corpurilor polimerice; V.A. Kargin l-a instalat la sfârșitul anilor 30. faptul reversibilității termodinamice a soluțiilor polimerice și a formulat un sistem de idei despre cele trei stări fizice ale compușilor amorfi cu molecule înalte.
Înainte de al Doilea Război Mondial, cele mai dezvoltate țări stăpâneau producția industrială de SC, polistiren, clorură de polivinil și metacrilat de polimetil.
În anii 1940 Chimistul fizician american Flory a adus contribuții semnificative la teoria soluțiilor polimerice și la mecanica statistică a macromoleculelor; Flory a creat metode pentru determinarea structurii și proprietăților macromoleculelor din măsurătorile vâscozității, sedimentării și difuziei.
Un eveniment de epocă în chimia polimerilor a fost descoperirea de către K. Ziegler în anii 1950. catalizatori complecși metalici, care au dus la apariția polimerilor pe bază de poliolefine: polietilenă și polipropilenă, care au început să fie produși la presiunea atmosferică. Apoi, poliuretanii (în special cauciucul spumat), precum și polisiloxanii, au fost introduși în producția de masă.
În anii 1960-1970. S-au obținut polimeri unici - poliamide aromatice, poliimide, polietercetone, care conțin inele aromatice în structura lor și se caracterizează printr-o rezistență enormă și rezistență la căldură. În special, în anii 1960. Kargin V.A. și Kabanov V.A. a pus bazele unui nou tip de formare a polimerilor - polimerizarea complexă-radicală. Ei au arătat că activitatea monomerilor nesaturați în reacțiile de polimerizare radicalică poate fi crescută semnificativ prin legarea lor în complecși cu săruri anorganice. Așa s-au obținut polimerii monomerilor inactivi: piridină, chinolină etc.
Prima cunoaștere a omului cu cauciucul a avut loc în secolul al XV-lea. Despre. Haiti H. Columb și însoțitorii săi au văzut jocurile rituale ale băștinașilor cu bile din rășină elastică de copac. Conform notelor lui Charles Marie de la Condamine, publicate în 1735, europenii au aflat că arborele din care se extrage cauciucul se numește „Heve” în limba indienilor peruvieni. Când scoarța unui copac este tăiată, se eliberează o seva, care se numește latex în spaniolă. Latexul a fost folosit pentru a impregna țesăturile.
La începutul secolului al XIX-lea au început cercetările cauciucului. În 1823, englezul Karl Mackintosh a organizat producția de țesături cauciucate și impermeabile pe baza acestora. Englezul Thomas Hancock a descoperit fenomenul de plasticizare a cauciucului în 1826. Apoi au început să fie introduși diverși aditivi în cauciucul plastificat și a apărut tehnologia compușilor de cauciuc umpluți. În 1839, americanul Charles Goodyear a descoperit o metodă de producere a cauciucului rezistent, rezistent, prin încălzirea cauciucului cu oxid de plumb și sulf. Procesul a fost numit vulcanizare. În a doua jumătate a secolului al XIX-lea, cererea de cauciuc natural a crescut rapid. În anii 1890. Apar primele cauciucuri de cauciuc. Apare un numar mare de plantațiile de cauciuc din diferite țări fierbinți (în prezent Indonezia și Malaezia) conduc în producția de cauciuc natural.
În 1825, Michael Faraday, în timp ce studia piroliza cauciucului natural, a descoperit că formula sa cea mai simplă este C5H8. În 1835, chimistul german F.K. Himmli a fost primul care a izolat izoprenul C5H8. În 1866, chimistul francez Pierre Berthelot a obținut butadienă prin trecerea unui amestec de etilenă și acetilenă printr-un tub de fier încălzit.
În anii 1860-1870. A.M. Butlerov a descoperit structura multor olefine și a polimerizat multe dintre ele, în special izobutilena sub acțiunea acidului sulfuric.
În 1878, chimistul rus A.A. Krakau a descoperit capacitatea de a polimeriza compuși nesaturați sub influența metalelor alcaline.
În 1884, chimistul englez W. Tilden a demonstrat că a obținut izopren din descompunerea termică a terebentinei, a stabilit și compoziția și structura izoprenului și a sugerat că tendința izoprenului de a polimeriza poate fi folosită pentru a produce cauciuc sintetic. În anii 1870. Chimistul francez G. Bouchard a izolat izoprenul din produsele de descompunere termică a cauciucului, prin tratarea acestuia cu temperatură ridicată și acid clorhidric, a obținut un produs asemănător cauciucului.
În 1901-1905 V.N.Ipatiev a sintetizat butadiena din alcool etilic la presiuni mari de 400-500 atm. El a fost primul care a polimerizat etilena în 1913, lucru pe care nici un alt cercetător nu reușise să facă înainte.
În 1908 M.K. Kucherov a obținut cauciuc izopren de sodiu (rezultatul a fost publicat în 1913).
În 1909 S.V. Lebedev a fost primul care a demonstrat cauciucul obținut din divinil.
În 1899, I. L. Kondakov a dezvoltat o metodă de producere a dimetilbutadienei și a demonstrat că aceasta din urmă este capabilă să se transforme într-o substanță asemănătoare cauciucului sub influența luminii, precum și a anumitor reactivi, cum ar fi sodiul. Pe baza lucrării lui Kondakov în Germania în 1916, Fritz Hoffmann a organizat producția așa-numitului. cauciuc metilic: cauciuc sintetic dur (“H”) și moale (“W”).
În 1910, Carl Dietrich Harries a brevetat o metodă de polimerizare a izoprenului sub influența sodiului metalic. În 1902, a dezvoltat o metodă de ozonare a cauciucului și, folosind această metodă, a stabilit structura diferitelor tipuri de cauciuc.
În 1911, I. I. Ostromyslensky a obținut butadienă din acetaldehidă. În 1915, B.V. Byzov a primit un brevet pentru producerea de butadienă prin piroliza uleiului.
Începând din a doua jumătate a secolului al XIX-lea, eforturile multor chimiști din diferite țări au vizat studierea metodelor de producere a monomerilor și a metodelor de polimerizare a acestora în compuși cauciucoși. În 1911, I. I. Ostromyslensky a propus producerea de butadienă din alcool în trei etape, cu un randament de 12%. În Rusia, această lucrare a fost apreciată foarte bine. Cert este că chimiștii ruși, spre deosebire de chimiștii occidentali, au căutat să obțină cauciuc sintetic din butadienă, și nu izopren. Este posibil ca tocmai datorită acestui fapt și prezenței unei baze mari de alcool în Rusia să fie posibilă crearea unei baze tehnice pentru producția de cauciuc sintetic în Rusia.
În 1926, Consiliul Economic Suprem al URSS a anunțat un concurs pentru dezvoltarea unei tehnologii de producere a cauciucului sintetic, în conformitate cu termenii căruia, la 1 ianuarie 1928, a fost necesar să se prezinte o descriere a procesului și la cel puțin 2 kg de cauciuc obținut prin această metodă. Proiectele Lebedev S.V. și Byzov B.V. s-au dovedit a fi cele mai dezvoltate. Ambele proiecte au implicat producția de cauciuc sintetic din butadienă. Lebedev a propus producerea de butadienă din alcool într-o singură etapă folosind un catalizator pe care l-a dezvoltat, care avea proprietăți de dehidrogenare și deshidratare. Byzov a propus producerea de butadienă din hidrocarburi petroliere. În ciuda marilor realizări ale chimiștilor ruși și sovietici în domeniul rafinării petrolului, nu exista o bază de materie primă pentru producerea de butadienă prin metoda Byzov. Prin urmare, în ianuarie 1931, Consiliul Muncii și Apărării a decis să construiască trei uzine mari similare SK folosind metoda Lebedev. A fost creată uzina experimentală din Leningrad „Litru B” (acum VNIISK), unde în 1931 a fost produs primul lot de cauciuc divinil. În 1932-1933 Fabricile SK au început să funcționeze în Yaroslavl, Voronezh, Efremov și Kazan.
În 1941, la Erevan a fost lansată o fabrică de cauciuc cloropren.
În 1935, a început o nouă eră în producția de cauciucuri sintetice - au început să fie fabricate din copolimeri obținuți prin polimerizarea radicală a 1,3-butadienei în prezența stirenului, acrilonitrilului și a altor compuși. În 1938, în Germania a fost organizată producția industrială de cauciuc stiren-butadien, iar în 1942, în SUA, a fost organizată producția pe scară largă de cauciuc sintetic.
Trebuie remarcat aici că după 1945 a avut loc o trecere treptată de la producția de butadienă din alcool alimentar, cu o tranziție treptată la producția de monomeri din ulei.
În 1948, Korotkov a stabilit că proprietățile fizice și mecanice ale polimerului se îmbunătățesc odată cu creșterea conținutului de unități de adiție la pozițiile cis-1,4; cel mai mare număr de unități cis se formează în prezența compușilor organolitiu.
În 1955, K. Ziegler a descoperit noi sisteme catalitice care conduc procesul de polimerizare folosind un mecanism ionic pentru a produce materiale polimerice similare celor obținute în prezența litiului. Ulterior, aceste studii au fost aprofundate în Italia în laboratorul lui Giulio Natta.
Poliizoprenul industrial casnic produs pe catalizatori de litiu s-a numit SKI, iar cel obtinut in prezenta sistemelor catalitice Ziegler-Natta era cunoscut sub abrevierea SKI-3.
În 1956, a fost propusă o metodă pentru producerea cauciucurilor polibutadiene stereoregulate (SKD), care erau superioare ca rezistență la îngheț și rezistență la abraziune față de cauciucurile obținute din cauciuc natural și SKI-3.
Polimerii au fost obținuți pe bază de copolimeri dubli de etilenă și propilenă - SKEPs (1955-1957). Aceste cauciucuri nu au legături duble în structura polimerului; din acest motiv, cauciucurile pe bază de acestea sunt foarte rezistente în medii agresive, în plus, sunt rezistente la abraziune.
În anii 1960 Producția industrială a cauciucurilor SKD și SKI-3 a fost stăpânită în Sterlitamak, Togliatti și Volzhsk. În general, toate aceste întreprinderi au folosit ca materie primă monomeri obținuți din petrol și nu din alcool.
Copolimerii butadienei și izoprenului au început să înlocuiască rapid cauciucul natural în producția de anvelope pentru mașini. Deci, dacă în 1950 cota lui K. s. în producția totală de cauciuc natural și sintetic a fost de aproximativ 22%, în 1960 de aproximativ 48%, apoi până în 1971 a crescut la ~60% (5 milioane de tone de cauciuc sintetic și 3 milioane de tone de cauciuc natural), în 1985 erau 12 milioane s-au produs tone de cauciuc sintetic și doar 4 milioane de tone de cauciuc natural. Până la începutul anilor 1970. Exista o părere că cauciucurile sintetice le vor înlocui pe cele naturale. Cu toate acestea, ca urmare a embargoului petrolului din 1973, prețul petrolului a crescut brusc și, în același timp, s-au făcut progrese mari în producția de cauciuc natural în Malaezia, ceea ce a făcut posibilă reducerea drastică a prețului acestuia. Până în prezent, nu este posibil să scapi de cauciucul natural în industria anvelopelor. Astfel, Japonia, care nu are propriile rezerve naturale de petrol, este mai profitabilă să achiziționeze cauciuc natural din Malaezia și Indonezia. Rusia, care are rezerve mari de petrol, nu ar trebui să neglijeze în niciun caz tehnologiile și capacitățile existente pentru producția de cauciuc sintetic.
Evoluțiile intense în domeniul tehnologiei cauciucului în URSS și Germania înainte de cel de-al Doilea Război Mondial s-au explicat prin faptul că aceste țări au înțeles că în caz de război vor fi oprite de la aprovizionarea cu cauciuc natural. Statele Unite au abordat problema diferit; Statele Unite au căutat să creeze o rezervă strategică de cauciuc natural. După cum a arătat viața, rezervele nu erau suficiente când Japonia a invadat Asia de Sud-Est în 1941. Din cele scrise deja, este clar că cauciucul a jucat un rol important în politica mondială.
Rășini fenol-formaldehidice.
Primul proces din lume pentru producerea industrială a unui polimer complet sintetic a fost brevetat de L. Baekeland în 1907. L. Baekeland a brevetat așa-numitul. Rășina bachelită este un produs de condensare a fenolului și formaldehidei, care se transformă într-un polimer tridimensional atunci când este încălzită. Bakelita a fost folosită de zeci de ani ca material pentru carcasele electrice și acum este folosită ca liant și adeziv. Descoperitorul reacției dintre fenol și formaldehidă a fost A. Bayer, care a observat formarea rășinii în această reacție încă din 1872, dar nu a fost interesat de rezultat. Din anii 1940 până la mijlocul anilor 1970. Datorită apariției noilor tipuri de materiale plastice, ponderea rășinilor fenolice a scăzut rapid. Însă începând cu anul 1975, creșterea rapidă a producției acestor polimeri a început din nou pentru nevoile aviației, rachetării, astronauticei etc., precum și din cauza scăderii rezervelor de petrol. Cert este că fenolul se obține din cărbune, ale cărui rezerve le depășesc incomparabil pe cele ale petrolului. În plus, pe bază de rășini fenol-formaldehidice, a existat o gamă largă de materiale pentru nevoile de izolare termică (PAL, plăci de fibre), care au devenit relevante în lupta împotriva crizei energetice.
Polietilenă și polipropilenă.
Etilena este extrem de greu de polimerizat. Polimerizarea etilenei a fost observată pentru prima dată în 1933 ca o reacție secundară. Deja în 1937, chimiștii englezi au dezvoltat prima metodă industrială de producere a polietilenei, iar în 1946 a început producția de sticle de polietilenă.
În 1954, Karl Ziegler și Giulio Natta au descoperit un nou catalizator organometalic, datorită căruia au putut realiza polimerizarea ionică a polietilenei la presiunea atmosferică și la o temperatură de 60 ° C.
De asemenea, au obținut polipropilenă stereoregulată folosind un catalizator complex metalic.
Politetrafluoretilenă (Teflon).
A fost descoperit accidental în 1938 de R. Plunkett, care a observat formarea spontană a unei mase pulverulente albe în cilindri cu tetrafluoretilenă. În 1941, și-a patentat tehnologia (SUA, DuPont). În 1954, inginerul francez Marc Gregor a propus utilizarea teflonului ca acoperire pentru vase de gătit. Teflonul este extrem de inert din punct de vedere chimic, iar temperatura sa de înmuiere atinge aproape 300 0 C.
Polistiren.
În 1866, M. Berthelot a identificat formarea unei mase solide din stiren la încălzire ca un proces de polimerizare. În 1946, G. Staudinger a stabilit mecanismul acestei reacții. Polistirenul a fost produs pentru prima dată în Germania în 1931.
Metacrilat de polimetil.
Polimetil metacrilat (PMMA) sau plexiglas sau plexiglas a fost creat în 1928. În 1933 a început producția de PMMA în Germania, în 1936 PMMA a fost obținut în URSS la Institutul de Cercetare a Materialelor Plastice. Polimerul este utilizat pe scară largă în industria aviației, industria auto și construcții.
Clorura de polivinil.
Polimerizarea clorurii de vinil a fost efectuată pentru prima dată în 1872 de chimistul german Eugen Baumann. Meritul acestui cercetător a fost dezvoltarea unei metode de polimerizare radicalică a clorurii de vinil în prezența peroxizilor organici. Utilizarea practică activă a clorurii de polivinil (PVC) a început abia la mijlocul secolului al XX-lea. Problema a fost că PVC-ul pur are multe dezavantaje. La temperatura camerei este foarte fragil și neelastic. În plus, este dificil de dizolvat sau topit, făcând polimerul foarte dificil de reciclat. În anii 30 Oamenii de știință au reușit să găsească stabilizatori care măresc rezistența PVC-ului la căldură și lumină. Un nou material - clorură de polivinil plastifiată - a devenit larg răspândit.
Prima fibră chimică a fost obţinută în 1884 de chimistul francez N. Chardonnay. Principala sa cercetare este legată de dezvoltarea tehnologiei fibrelor de nitroceluloză (nitrosilk). În 1892, metoda de producție a fibrei de viscoză a fost stăpânită. Primele fibre de acetat au început să fie produse în același timp în Anglia și SUA.
Fibrele de policlorură de vinil au început să fie produse în 1934, iar fibrele pe bază de copolimer de clorură de vinil cu acetat de vinil (vignon) din 1937. În 1939. au apărut fibrele de poliamidă, iar în 1943 poliacrilonitrilul (Orlon).
Crearea tehnologiei fibrelor este asociată cu numele unor oameni de știință precum Cloete, care a prezis posibilitatea producerii de fibre din clorură de polivinil încă din 1913 și G. Staudinger, care în 1927 a obținut fibre dintr-o topitură de polioximetilen și oxid de polietilenă.
În URSS, independent de SUA și Germania, în 1947 au fost publicate rezultatele cercetărilor Knunyants, Rogovin și Romashevsky privind producția de fibre de poliamidă.
În 1936, a fost creată tehnologia polihexametilen-adipamidei sintetice, pe baza căreia a început producția de fibre de nailon în 1939.
În SUA, în 1939, a început producția de fibre de nailon-6,6 pe bază de caprolactamă.
Tehnologia fibrelor de poliacrilonitril a fost dezvoltată simultan și independent în SUA și Germania; în 1934, SUA au început să producă fibre de poliamidă la fabrica DuPont. În Germania, producția sa a început câțiva ani mai târziu.
În URSS, primul lot de fibră de nailon a fost produs în 1948; în 1957, a început să funcționeze prima instalație pentru producerea fibrei de lavsan; în anii 1960. a început producția de fibre „nitron” pe bază de poliacrilonitril.
La început, întreprinderile producătoare de fibre chimice erau foarte specializate, dar pe măsură ce sortimentul de fibre creștea, profilul fabricilor de fibre chimice s-a extins, producând deja 3-4 tipuri de fibre.
Până la mijlocul anilor 1930. Toată producția de vopsele și lacuri din țara noastră s-a bazat pe materii prime din import. Abia în 1936 a început să se dezvolte producția de rășini gliftalice pentru producerea lacurilor corespunzătoare. Sinteza rășinilor alchidice prin reacția cu glicerină, colofoniu și ulei de tung a eliberat țara de importul de copali (copalul este o rășină naturală tare, asemănătoare chihlimbarului).
În 1947-1948 La Moscova și Yaroslavl au fost lansate ateliere de producție de uree, melamină și rășini fenol-formaldehidice. A început dezvoltarea rășinilor pentaftalice, în care glicerina a fost înlocuită cu pentaeritritol.
Din 1951 a început producția de lacuri pe bază de rășini perclorovinil pentru industria aviației și transportul feroviar. În anii 1950 Lacurile solubile în alcool au fost create pe bază de copolimeri de butil metacrilat cu metil metacrilat, metacrilamidă, acrilonitril și acid metacrilic. Au fost create câteva zeci de mărci de lacuri, grunduri și emailuri, inclusiv. lac DS-583, care este încă produs până în prezent. În același timp, a fost stăpânită producția de A-15, un copolimer de clorură de vinil cu acetat de vinil. Combinația de A-15 cu rășini epoxidice a făcut posibilă crearea de vopsele anticorozive și reducerea numărului de straturi de vopsea în timpul aplicării.
Din 1956, emailurile nitro auto au fost complet înlocuite cu cele alchid-melaminoase.
În 1963, s-a stăpânit producția de rășini epoxidice pentru nevoile industriei vopselelor și lacurilor, precum și a acoperirilor antifouling pe bază de clorură de polivinil clorurată.
În 1976-1980 Au fost create asociații de cercetare și producție și un institut independent de cercetare și proiectare pentru pigmenți anorganici și acoperiri pentru nave.
În prezent, aproape toate tipurile de materiale polimerice sunt folosite pentru a produce compoziții de vopsea și lac în diverse scopuri: rășini epoxidice, elastomeri uretan, cauciucuri cloropren, cauciucuri fluor, poliacrilați, poliorganosiloxani etc.
1. Enciclopedia polimerilor în 3 volume.M.: Editura „Enciclopedia Sovietică”, 1974-1977.
2. Enciclopedie chimică în 5 volume M.: Marea Enciclopedie Rusă, 1992.
3. K. Manalov Marii chimiști în 2 vol., M.: Mir, 1986.
4. O. I. Tuzhikov Istoria și metodologia dezvoltării științei și industriei polimerilor, Volgograd: 1999.
5. V. Strube. Modalităţi de dezvoltare a chimiei în 2 volume, volumul 2., M.: Mir, 1984.
6. J. H. Briston, L. L. Katan Polymer films M.: Chemistry, 1993.
7. Yu. D. Semchikov Compuși cu molecule înalte M.: Centrul de publicare „Academie”, 2003.
Polimeri
Cu toate acestea, există multe direcții care fac posibilă utilizarea moleculelor gigantice în scopuri pașnice. Deci, dacă celuloza complet nitrată este un exploziv și poate fi folosită doar ca atare, atunci celuloza parțial nitrată ( piroxilină) este mai sigur de manevrat și poate fi folosit nu numai în scopuri militare.
Inventatorul american John Wesley Hyatt (1837-1920), încercând să câștige un premiu stabilit pentru crearea unui înlocuitor de fildeș pentru mingile de biliard, a acordat în primul rând atenție celulozei parțial nitrate. A dizolvat-o într-un amestec de alcool și eter și a adăugat camfor pentru a face noua substanță mai ușor de procesat. Până în 1869, Hyatt avea ceea ce el numea celuloidși a câștigat un premiu. Celuloidul a fost primul sintetic plastic- un material care poate fi turnat în matrițe.
Cu toate acestea, după cum s-a dovedit, celuloza parțial nitrată nu poate fi turnată doar în bile, ci și trasă în fibre și filme. Chimistul francez Louis Marie Guillard Bernigo, Contele de Chardonnay (1839-1924), a obtinut astfel de fibre prin presarea unei solutii de nitroceluloza prin gauri foarte subtiri. Solventul s-a evaporat aproape imediat.
Din fibrele rezultate a fost posibil să se țese un material care semăna cu mătasea în strălucirea sa. În 1884, Chardonnay și-a brevetat-o raion. Chardonnay a numit această țesătură district- emitând lumină, deoarece țesătura strălucea și părea că emite lumină.
Apariția foliilor de plastic îi datorăm inventatorului american George Eastman (1854-1932). Eastman era interesat de fotografie. În încercarea de a simplifica procesul de dezvoltare, a început să amestece o emulsie de compuși de argint cu gelatină pentru a se usuca emulsia. Amestecul obținut în acest mod ar putea fi depozitat și, prin urmare, pregătit pentru utilizare ulterioară. În 1884, Eastman a înlocuit plăcile de sticlă cu cele de celuloid.
Celuloidul nu este exploziv, dar este foarte inflamabil, ceea ce poate provoca incendii, așa că Eastman a început să caute materiale mai puțin inflamabile. Când grupările acetil au fost introduse în celuloză în loc de grupări nitro, produsul rezultat a rămas la fel de plastic ca nitroceluloza, dar nu a mai fost inflamabil. Din 1924, filmele din acetat de celuloză au început să fie utilizate în producția de filme, deoarece industria filmului în curs de dezvoltare avea nevoie în mod deosebit de mare de un înlocuitor de celuloid.
Studiind compuși naturali cu greutate moleculară mare, chimiștii sperau nu numai să obțină analogii lor sintetici, ci și să descopere noi tipuri de compuși. Una dintre metodele pentru sinteza moleculelor gigantice este polimerizarea monomerilor(monomerul este o substanță ale cărei molecule sunt capabile să reacționeze între ele sau cu molecule ale altor substanțe pentru a forma un polimer).
Metoda de combinare a monomerilor într-o moleculă gigantică poate fi explicată cel puțin folosind exemplul de etilenă C2H4. Să scriem formulele structurale a două molecule de etilenă:
Să ne imaginăm că un atom de hidrogen s-a mutat de la o moleculă la alta, ca urmare, în loc de o legătură dublă, în această moleculă apare o legătură simplă liberă. O legătură liberă a apărut și în prima moleculă din care a plecat hidrogenul. Prin urmare, aceste două molecule se pot conecta între ele.
O astfel de moleculă conține deja patru atomi de carbon și o legătură dublă, la fel ca molecula de etilenă originală. Prin urmare, atunci când această moleculă interacționează cu o altă moleculă de etilenă, poate avea loc și deplasarea unui atom de hidrogen și ruperea dublei legături. Molecula rezultată va conține șase atomi de carbon și o legătură dublă. În acest fel, se poate obține succesiv o moleculă cu opt, zece sau mai mulți atomi de carbon. De fapt, este posibil să se obțină molecule de aproape orice lungime dată în acest fel.
Chimistul american Leo Hendrik Baekeland (1863-1944) căuta un înlocuitor pentru șelac, o substanță ceară secretată de anumite specii de insecte tropicale. În acest scop, avea nevoie de o soluție dintr-o substanță lipicioasă asemănătoare gudronului. Baekeland a început prin polimerizarea fenolului și formaldehidei și obținerea unui polimer pentru care nu a găsit un solvent. Acest fapt l-a condus la ideea că un astfel de polimer solid, practic insolubil și, după cum s-a dovedit, neconductiv s-ar putea dovedi a fi un material valoros. De exemplu, din acesta pot fi turnate piese care pot fi prelucrate cu ușurință pe mașini. În 1909, Baekeland a raportat despre materialul pe care l-a obținut, pe care l-a sunat bachelită. Această rășină fenol-formaldehidă a fost primul plastic sintetic, care rămâne de neegalat în mai multe proprietăți.
Fibrele sintetice și-au găsit de asemenea aplicație. Această direcție a fost condusă de chimistul american Wallace Hume Carothers (1896-1937). Împreună cu chimistul american Julius Arthur Newland (1878-1936), a investigat probleme legate de cauciuc. elastomeri. Rezultatul muncii sale a fost chitanța din 1932. neopren- unul dintre cauciucurile sintetice.
Continuând studiul polimerilor, Carothers a încercat să polimerizeze un amestec de diamine și acizi dicarboxilici și a obținut un polimer fibros. Moleculele lungi ale acestui polimer conțin combinații de atomi similare cu legăturile peptidice (vezi secțiunea „Proteine”) din proteina de mătase. Prin scoaterea acestor fibre, obținem ceea ce numim astăzi nailon. Carothers a terminat această lucrare chiar înainte de moartea sa prematură. Al doilea a izbucnit Razboi mondial i-a făcut pe chimiști să uite pentru o vreme de descoperirea lui Carothers. Cu toate acestea, după sfârșitul războiului, nailonul a început să înlocuiască mătasea și a înlocuit-o curând (în special, în producția de ciorapi).
Primii polimeri sintetici au fost obținuți, de regulă, întâmplător, prin încercare și eroare, deoarece se cunoșteau puține la acea vreme despre structura moleculelor gigantice și despre mecanismul de polimerizare. Chimistul german Hermann Staudinger (1881-1965) a fost primul care a studiat structura polimerilor și a făcut multe în acest domeniu. Staudinger a reușit să dezvăluie principiul general al construcției multor substanțe naturale și artificiale cu moleculare înaltă și să schițeze modalități de cercetare și sinteză a acestora. Datorită lucrării lui Staudinger, a devenit clar că adăugarea de monomeri unul la altul poate avea loc aleatoriu și poate duce la formarea de lanțuri ramificate, a căror rezistență este mult mai mică.
Au început căutări intensive pentru modalități de a obține polimeri liniari, neramificați. Și în 1953, chimistul german Karl Ziegler (1898-1973) și-a descoperit faimosul catalizator de titan-aluminiu, care producea polietilenă cu o structură regulată.
Chimistul italian Giulio Natta (1903-1979) a modificat catalizatorul lui Ziegler și a dezvoltat o metodă pentru producerea unei noi clase de compuși sintetici cu molecule înalte - polimeri stereoregulați. A fost dezvoltată o metodă de producere a polimerilor cu proprietățile dorite.
Una dintre principalele surse de compuși organici esențiali necesari pentru producerea de noi produse sintetice este ulei. Acest lichid este cunoscut din cele mai vechi timpuri, dar pentru a-l folosi în cantități mari, a fost necesar să se descopere o modalitate de a pompa petrol din zăcămintele subterane vaste. Inventatorul american Edwin Laurentian Drake (1819-1880) a fost primul care a început să foreze sonde de petrol în 1859. Un secol mai târziu, petrolul a devenit principala sursă de compuși organici, căldură și energie.
O sursă și mai importantă de produse organice este cărbunele, deși în epoca motoarelor cu ardere internă avem tendința să uităm de el. Chimistul rus Vladimir Nikolaevici Ipatiev (1867-1952) la începutul secolului a început să studieze hidrocarburile complexe conținute în petrol și gudron de cărbune și, în special, să studieze reacțiile lor care apar la temperaturi ridicate. Chimistul german Friedrich Karl Rudolf Bergius (1884-1949), folosind datele de la Ipatiev, a dezvoltat în 1912 metode practice de tratare a cărbunelui și petrolului cu hidrogen pentru a produce benzină.
Cu toate acestea, rezervele mondiale combustibil fosil(cărbune plus petrol) sunt limitate și de neînlocuit. Toate prognozele indică că va veni o zi în care rezervele de combustibili fosili se vor epuiza și că această zi nu este departe, mai ales că populația lumii crește rapid și, în consecință, nevoia de energie crește.
Ministerul Educației și Științei al Federației Ruse
instituție de învățământ autonomă a statului federal
studii profesionale superioare
„CERCETARE NAȚIONALĂ
UNIVERSITATEA POLITEHNICĂ TOMSK”
Institutul de Resurse Naturale
Directia de pregatire (specialitatea) Tehnologia chimica
Departamentul de Tehnologia Chimică a Combustibilului și Cibernetică Chimică
Eseu
Titlu rezumat:
“ Polimeri naturali, polimeri din jurul nostru”
la disciplina „Introducere în inginerie”
Completat de elevi gr. 2D42 Nikonova Nyurguyaana
Prokopchuk Kristina
Dayanova Regina
Rezumat acceptat:
Moises O. E.
(Semnătură)
2014
(data verificării raportului)
Tomsk 2014
1.Introducere…………………………………………………………………………………………………………..2
2. Conceptul de polimer și clasificare …………………………………………………………….3
3. Celuloza………………………………………………………………………………………………………………3
4. Amidon ………………………………………………………………………………………………………………………… 5
5. Glutina………………………………………………………………………………………………………………………..6
6. Cazeina………………………………………………………………………………………………………………………6
7. Cauciuc…………………………………………………………………………………………………………………………….7
8. Cauciuc……………………………………………………………………………………………………………7
9. Polimeri sintetici………………………………………………………………………….9
10.Proprietăți și cele mai importante caracteristici……………………………………………10
11. Reacții chimice…………………………………………………………………………………………….11
12.Chitanța………………………………………………………………………………………………………………………12
13.Polimeri în agricultură……………………………………………………………………..12
14.Polimeri în industrie……………………………………………………………………….14
Introducere
Termenul „polimerism” a fost introdus în știință de I. Berzelius în 1833 pentru a desemna un tip special de izomerie, în care substanțele (polimerii) având aceeași compoziție au greutăți moleculare diferite, de exemplu, etilena și butilena, oxigenul și ozonul. Acest conținut al termenului nu corespundea ideilor moderne despre polimeri. Polimerii sintetici „adevărați” nu erau încă cunoscuți la acel moment.
Se pare că o serie de polimeri au fost preparați încă din prima jumătate a secolului al XIX-lea. Cu toate acestea, chimiștii au încercat de obicei să suprime polimerizarea și policondensarea, ceea ce a dus la „rășinizarea” produselor reacției chimice principale, adică, de fapt, la formarea polimerilor (polimerii sunt încă adesea numiți „rășini”). Primele mențiuni despre polimeri sintetici datează din 1838 (clorura de poliviniliden) și 1839 (polistiren),
Chimia polimerilor a apărut numai în legătură cu crearea teoriei structurii chimice de către A.M. Butlerov. A.M. Butlerov a studiat relația dintre structura și stabilitatea relativă a moleculelor, manifestată în reacțiile de polimerizare. Știința polimerilor a primit dezvoltarea ulterioară în principal datorită căutării intensive a metodelor de sinteză a cauciucului, la care au participat oamenii de știință de frunte din multe țări (G. Buscharda, W. Tilden, om de știință german K. Harries, I. L. Kondakov, S. V. Lebedev si altii ). În anii 30 s-a dovedit existența mecanismelor de polimerizare a radicalilor liberi și ionice. Lucrările lui W. Carothers au jucat un rol major în dezvoltarea ideilor despre policondensare.
De la începutul anilor 20 ai secolului XX s-au dezvoltat și idei teoretice despre structura polimerilor.Inițial, s-a presupus că biopolimeri precum celuloza, amidonul, cauciucul, proteinele, precum și unii polimeri sintetici similari acestora în proprietăți (de exemplu, poliizopren), constau din molecule mici care au capacitatea neobișnuită de a se asocia în soluție în complexe de natură coloidală datorită legăturilor necovalente (teoria „blocurilor mici”). Autorul unui concept fundamental nou de polimeri ca substanțe constând din macromolecule, particule cu greutate moleculară neobișnuit de mare, a fost G. Staudinger. Victoria ideilor acestui om de știință ne-a forțat să considerăm polimerii drept un nou obiect de studiu calitativ în chimie și fizică.
Conceptul și clasificarea polimerului
Polimeri- compuși chimici cu greutate moleculară mare (de la câteva mii la multe milioane), ale căror molecule (macromolecule) constau dintr-un număr mare de grupe repetate (unități monomerice). Atomii care alcătuiesc macromoleculele sunt legați între ei prin forțe ale valențelor principale și (sau) de coordonare.
Clasificare.
Pe baza originii lor, polimerii sunt împărțiți în:
naturali (biopolimeri), de exemplu proteine, acizi nucleici, rășini naturale
rășini sintetice, de exemplu polietilenă, polipropilenă, fenol-formaldehidă.
Polimerii naturali utilizați în imprimare includ: polizaharide (amidon celulozic, gume), brazi, glutină, cazeină, albumină), polidiene (cauciuc).
Celuloză
Celuloza sau fibra (de la cuvântul latin „cellulula” - celulă), este larg răspândită în natură. Celuloza este o substanță fibroasă puternică de origine organică care alcătuiește țesutul de susținere al tuturor plantelor (celulele vegetale).
Proprietățile fizice ale celulozei
Fibrele celulozice se disting prin alb, flexibilitate, rezistenta, elasticitate, i.e. capacitatea de a se deforma reversibil, fără distrugere, chiar și în condiții de stres mecanic ridicat, insolubilitate în apă și solvenți organici și infuzibilitate.
Celuloza poate rezista la încălzire până la 150° fără distrugere; la temperaturi mai ridicate se observă depolimerizarea celulozei și pierderea de rezistență asociată, iar la 270° și peste, descompunerea termică începe cu eliberarea produșilor de descompunere: acid acetic, alcool metilic, cetone, restul fiind gudron și cărbune.
Structura fibrei de celuloză.
Fiecare fibră vegetală, de exemplu bumbac, in, lemn etc., este o singură celulă, a cărei înveliș constă în principal din celuloză. În interiorul fibrei există un canal - un capilar, accesibil pentru pătrunderea aerului și a umidității. Fibrele tehnice de celuloză au lungimea medie de 2,5-3 mm (molid, pin, mesteacăn, plop) și 20-25 mm (in, bumbac, cânepă) cu diametrul de 25 microni.
Fibra vegetală celulozică are o structură fibrilă. Fibrilele sunt ferestre elementare tip fir - pachete de molecule de celuloză ferm conectate între ele prin legături de hidrogen, lungi de 50 µm și diametru de 0,1-0,4 µm. Cel mai probabil, celuloza formează un sistem ordonat de fire - fibrile, situate mai strâns în jurul canalului intern (capilar) al fibrei și mai liber în straturile sale exterioare. In spatiile dintre fibrile se gasesc miceluloze si lignina, iar continutul acestora creste de la straturile interioare ale structurii celulare la cele exterioare. Spațiile intercelulare ale celulozei sunt umplute predominant cu lignină.
Principala sursă de celuloză este lemnul... Lemnul este partea interioară a copacilor, situată sub scoarță și constituind principalul țesut vegetal din care se formează trunchiul copacului.
O celulă vie a unui copac în creștere are o înveliș de celuloză (pereți), o cavitate internă plină cu protoplasmă și un nucleu. O celulă vie este capabilă să crească și să formeze noi formațiuni lemnoase în stratul de cambium, sub scoarță, de la an la an într-un copac în creștere.
Celulele vii suferă lignificare în timp, ducând în cele din urmă la moartea lor completă sau lignificare. Lignificarea celulară are loc în principal ca urmare a apariției ligninei în ea. Lemnul este format din 90-95% din astfel de celule moarte - fibre, lipsite de protoplasmă și nucleu, dar capabile de diviziune, cu o cavitate internă umplută cu aer și apă.
Structura chimică și proprietățile celulozei. Celuloza este un polimer polizaharid natural aparținând clasei carbohidraților. Molecula gigantică (macromolecula) de celuloză este construită din unități structurale care se repetă în mod repetat - reziduuri de β-glucoză (O6H10O5)p. Numărul n, sau coeficientul de polimerizare, arată de câte ori se repetă o unitate structurală - un reziduu de β-glucoză - într-o macromoleculă de celuloză și, prin urmare, caracterizează lungimea lanțului molecular (lungimea moleculei) și predetermină greutatea moleculară a acesteia.
Coeficientul de polimerizare al celulozei de diferite origini este diferit. Deci, pentru celuloza de lemn este 3000, pentru bumbac - 12.000, pentru in - 36.000 (aproximativ). Aceasta explică rezistența mare a fibrelor de bumbac și in în comparație cu fibrele de celuloză din lemn.
Celuloza alcalina se obtine prin tratarea celulozei cu o solutie de hidroxid de sodiu. În acest caz, atomii de hidrogen ai hidroxililor de alcool sunt înlocuiți parțial sau complet cu atomi de sodiu. Celuloza alcalina, fara a-si pierde structura fibroasa, se caracterizeaza printr-o activitate chimica crescuta, care este folosita la producerea eterilor de celuloza, de exemplu carboximetilceluloza.
Carboximetilceluloza (CMC) este un eter al celulozei și acidului glicolic. Metoda industrială de producere a carboximetilcelulozei se bazează pe interacțiunea celulozei alcaline cu acidul monocloroacetic.
Hemicelulozele sunt o încrucișare între celuloză și amidon. Sunt, de asemenea, polizaharide. Moleculele de hemiceluloză sunt construite din reziduuri de monozaharide: manoză (hexoză) și xiloză (pentoză). Hemicelulozele nu au o structură fibroasă. Acestea servesc ca nutrient de rezervă pentru plante și le protejează de infecții. Hemicelulozele se umflă în apă și sunt relativ ușor hidrolizate chiar și de acizi foarte diluați; se dizolvă în alcalii de 18,5%. Hemicelulozele nu sunt impurități nocive ale celulozei utilizate pentru fabricarea hârtiei. Dimpotrivă, celuloza din lemn cu un conținut ridicat de hemiceluloză este ușor de măcinat, iar hârtia din aceasta are o rezistență sporită (în special pe suprafețe), deoarece hemicelulozele sunt un agent de dimensionare natural foarte bun.
Lignina este o substanță instabilă din punct de vedere chimic: sub influența luminii, umidității, oxigenului, aerului și căldurii, lignina este distrusă, în urma căreia fibrele vegetale își pierd rezistența și se întunecă. Lignina, spre deosebire de celuloză, se dizolvă în acizi și alcalii diluați. Metodele de producere a celulozei din lemn, paie, stuf și alte țesuturi vegetale se bazează pe această proprietate a ligninei. Structura ligninei este foarte complexă și nu a fost încă suficient studiată; Se știe că lignina este un polimer natural, a cărui unitate structurală este reziduul unui alcool aromatic foarte reactiv - β-hidroxiconiferil.
Polimerii sunt compuși chimici cu un mol mare. masă (de la câteva mii la multe milioane), ale căror molecule (macromolecule) constau dintr-un număr mare de grupuri repetate (unități monomerice). Atomii care alcătuiesc macromoleculele sunt legați între ei prin forțe ale valențelor principale și (sau) de coordonare.
Pe baza originii lor, polimerii sunt împărțiți în naturali (biopolimeri), de exemplu, proteine, acizi nucleici, rășini naturale și sintetice, de exemplu, rășini de polietilenă, polipropilenă, fenol-formaldehidă. Atomii sau grupările atomice pot fi localizați într-o macromoleculă sub formă de: un lanț deschis sau o secvență alungită de cicluri (polimeri liniari, de exemplu, cauciucul natural); lanțuri ramificate (polimeri ramificați, de exemplu amilopectină), rețele tridimensionale (polimeri reticulati, de exemplu rășini epoxidice întărite). Polimerii ale căror molecule constau din unități monomerice identice se numesc homopolimeri (de exemplu, clorură de polivinil, policaproamidă, celuloză). polimer chimic sintetic supramolecular
Macromoleculele cu aceeași compoziție chimică pot fi construite din unități de configurații spațiale diferite. Dacă macromoleculele constau din aceiași stereoizomeri sau din stereoizomeri diferiți care alternează în lanț cu o anumită periodicitate, polimerii sunt numiți stereoregulari.
Polimerii ale căror macromolecule conțin mai multe tipuri de unități monomerice se numesc copolimeri. Copolimerii în care unitățile de fiecare tip formează secvențe continue suficient de lungi care se înlocuiesc reciproc în cadrul macromoleculei se numesc copolimeri bloc. Unul sau mai multe lanțuri ale unei alte structuri pot fi atașate la legăturile interne (non-terminale) ale unei macromolecule a unei structuri chimice. Astfel de copolimeri sunt numiți copolimeri grefați.
Polimerii în care fiecare sau unii stereoizomeri ai unei unități formează secvențe continue suficient de lungi care se înlocuiesc unul pe altul în cadrul unei macromolecule se numesc copolimeri stereobloc.
În funcție de compoziția lanțului principal (principal), polimerii sunt împărțiți în: heterolanț, al cărui lanț principal conține atomi de diferite elemente, cel mai adesea carbon, azot, siliciu, fosfor și homochain, al cărui lanț principal este construit. din atomi identici. Dintre polimerii cu homocatenă, cei mai obișnuiți sunt polimerii cu lanț de carbon, ale căror catene principale constau numai din atomi de carbon, de exemplu, polietilenă, metacrilat de polimetil, politetrafluoretilenă. Exemple de polimeri cu heterocatenă sunt poliesteri (polietilen tereftalat, policarbonați), poliamide, rășini uree-formaldehidă, proteine și unii polimeri organosilici. Polimerii ale căror macromolecule, împreună cu grupările de hidrocarburi, conțin atomi de elemente anorganogenice se numesc organoelement. Un grup separat de polimeri este format din polimeri anorganici, de exemplu, sulf plastic, clorură de polifosfonitril.
Proprietăți și cele mai importante caracteristici. Polimerii liniari au un set specific de proprietăți fizico-chimice și mecanice. Cele mai importante dintre aceste proprietăți: capacitatea de a forma fibre și pelicule anizotrope foarte orientate de înaltă rezistență, capacitatea de a suferi deformații reversibile mari, pe termen lung; capacitatea de a se umfla într-o stare foarte elastică înainte de dizolvare; vâscozitatea ridicată a soluțiilor. Acest set de proprietăți se datorează greutății moleculare ridicate, structurii lanțului și flexibilității macromoleculelor. Când treceți de la lanțuri liniare la rețele tridimensionale ramificate, rare și, în cele din urmă, la structuri de plasă dense, acest set de proprietăți devine din ce în ce mai puțin pronunțat. Polimerii foarte reticulati sunt insolubili, infuzabili si incapabili de deformari foarte elastice.
Polimerii pot exista în stări cristaline și amorfe. O condiție necesară pentru cristalizare este regularitatea secțiunilor suficient de lungi ale macromoleculei. În polimerii cristalini pot apărea diverse structuri supramoleculare (fibrile, sferulite, monocristale), tipul cărora determină în mare măsură proprietățile materialului polimeric.Structurile supramoleculare în polimerii necristalizați (amorfi) sunt mai puțin pronunțate decât în cei cristalini.
Polimerii necristalizați pot exista în trei stări fizice: sticloase, foarte elastice și vâscoase. Polimerii cu o temperatură scăzută (sub cameră) de tranziție de la o stare sticloasă la una foarte elastică sunt numiți elastomeri, în timp ce cei cu o temperatură ridicată sunt numiți materiale plastice. În funcție de compoziția chimică, structura și aranjarea relativă a macromoleculelor, proprietățile polimerilor pot varia în limite foarte largi. Astfel, 1,4.-cispolibutadiena, construită din lanțuri hidrocarburice flexibile, la o temperatură de aproximativ 20 ° C este un material elastic, care la o temperatură de -60 ° C se transformă în stare sticloasă; metacrilatul de polimetil, construit din lanțuri mai rigide, la o temperatură de aproximativ 20 ° C este un produs solid sticlos care se transformă într-o stare foarte elastică doar la 100 ° C. Celuloza, un polimer cu lanțuri foarte rigide legate prin legături de hidrogen intermoleculare, nu poate exista în general într-o stare foarte elastică înainte de temperatura sa de descompunere.
Diferențele mari în proprietățile polimerilor pot fi observate chiar dacă diferențele în structura macromoleculelor sunt, la prima vedere, mici. Astfel, polistirenul stereoregulat este o substanță cristalină cu un punct de topire de aproximativ 235 °C, în timp ce polistirenul nestereoreregulat nu este capabil să se cristalizeze deloc și se înmoaie la o temperatură de aproximativ 80 °C.
Polimerii pot intra în următoarele tipuri principale de reacții: formarea de legături chimice între macromolecule (așa-numita reticulare), de exemplu, în timpul vulcanizării cauciucurilor și tăbăcirii pieilor; descompunerea macromoleculelor în fragmente separate, mai scurte, reacții ale grupelor funcționale laterale ale polimerilor cu substanțe cu greutate moleculară mică care nu afectează lanțul principal (așa-numitele transformări polimer-analoage); reacții intramoleculare care apar între grupele funcționale ale unei macromolecule, de exemplu ciclizare intramoleculară. Legătura încrucișată are loc adesea simultan cu distrugerea. Un exemplu de transformări analoge polimerului este saponificarea acetatului de politil, care duce la formarea alcoolului polivinilic. Viteza de reacții a polimerilor cu substanțe cu greutate moleculară mică este adesea limitată de viteza de difuzie a acestora din urmă în faza polimerică. Acest lucru este cel mai evident în cazul polimerilor reticulati. Viteza de interacțiune a macromoleculelor cu substanțe cu molecularitate scăzută depinde adesea în mod semnificativ de natura și locația unităților învecinate în raport cu unitatea de reacție. Același lucru este valabil și pentru reacțiile intramoleculare dintre grupările funcționale aparținând aceluiași lanț.
Unele proprietăți ale polimerilor, de exemplu, solubilitatea, capacitatea de curgere vâscoasă, stabilitatea, sunt foarte sensibile la acțiunea unor cantități mici de impurități sau aditivi care reacționează cu macromoleculele. Astfel, pentru a transforma un polimer liniar din solubil în complet insolubil, este suficient să se formeze 1-2 legături încrucișate per macromoleculă.
Cele mai importante caracteristici ale polimerilor - compoziție chimică, greutatea moleculară și distribuția greutății moleculare, gradul de ramificare și flexibilitatea macromoleculelor, stereoregularitatea și altele. Proprietățile polimerilor depind în mod semnificativ de aceste caracteristici.
Polimerii naturali se formează în timpul procesului de biosinteză în celulele organismelor vii. Folosind extracția, precipitarea fracționată și alte metode, acestea pot fi izolate din materiale vegetale și animale. Polimerii sintetici sunt produși prin polimerizare și policondensare. Polimerii carbochain sunt de obicei sintetizați prin polimerizarea monomerilor cu una sau mai multe legături carbonice multiple sau monomeri care conțin grupări carbociclice instabile (de exemplu, din ciclopropan și derivații săi).Polimerii heterochain sunt obținuți prin policondensare, precum și polimerizarea monomerilor care conțin multiple legături ale unui element carbon (de exemplu, C=O, C=N, N=C=O) sau grupări heterociclice slabe.
Astăzi putem vorbi despre cel puțin patru domenii principale de utilizare a materialelor polimerice în agricultură. Atât în practica domestică, cât și în cea mondială, primul loc revine filmelor. Datorită utilizării filmului de mulci perforat pe câmp, randamentul unor culturi crește cu până la 30%, iar timpul de coacere este accelerat cu 10-14 zile.
Utilizarea foliei de polietilenă pentru impermeabilizarea rezervoarelor create asigură o reducere semnificativă a pierderilor de umiditate stocată. Acoperirea fânului, silozului și furajelor cu peliculă asigură o mai bună conservare a acestora chiar și în condiții meteorologice nefavorabile. Dar principalul domeniu de utilizare a materialelor polimerice de film în agricultură este construcția și exploatarea serelor de film. În prezent, a devenit posibil din punct de vedere tehnic să se producă foi de folie de până la 16 m lățime, iar acest lucru face posibilă construirea de sere de film cu o lățime de bază de până la 7,5 și o lungime de până la 200 m. În astfel de sere, toate produsele agricole munca se poate executa mecanizat; În plus, aceste sere vă permit să creșteți produse pe tot parcursul anului. Pe vreme rece, serele sunt încălzite din nou folosind țevi de polimer îngropate în sol până la o adâncime de 60-70 cm.
Din punct de vedere al structurii chimice a polimerilor utilizați în sere de acest fel, se remarcă utilizarea predominantă a polietilenei, a clorurii de polivinil neplastifiată și, într-o măsură mai mică, a poliamidelor. Filmele de polietilenă se caracterizează printr-o transmisie mai bună a luminii, proprietăți de rezistență mai bune, dar rezistență mai slabă la intemperii și pierderi de căldură relativ mari. Pot servi corect doar 1-2 sezoane. Poliamida și alte filme sunt încă folosite relativ rar.
Celelalte două domenii principale de utilizare a materialelor polimerice în agricultură sunt construcțiile, în special clădirile pentru animale, și ingineria mecanică.
O cultură specială de microbi este cultivată pe lichide sulfit uzate în fermentatoare speciale la 38 ° C, în timp ce acolo se adaugă amoniac. Randamentul proteinelor furajere este de 50-55%; este consumat cu poftă de porci și păsări de curte.
În mod tradițional, multe evenimente sportive au loc pe terenuri de iarbă. Fotbal, tenis, crochetul... Din păcate, dezvoltarea dinamică a sportului, încărcăturile de vârf la poartă sau la plasă duc la faptul că iarba nu are timp să crească de la o competiție la alta. Și niciun fel de trucuri ale grădinarilor nu poate face față acestui lucru. Este posibil, desigur, să se desfășoare competiții similare, de exemplu, pe suprafețe asfaltate, dar cum rămâne cu sporturile tradiționale? Materialele sintetice au venit în ajutor. Folia de poliamidă cu grosimea de 1/40 mm (25 microni) este tăiată în fâșii de 1,27 mm lățime, întinsă, sertizată și apoi împletită pentru a obține o masă ușoară, voluminoasă, care imită iarba. Pentru a preveni incendiul, polimerului se adaugă în avans substanțe ignifuge, iar pentru a preveni căderea scânteilor electrice sub picioarele sportivilor, se folosește un agent antistatic. Covorașele din iarbă sintetică sunt lipite pe baza pregătită - și apoi un teren de iarbă sau un teren de fotbal sau un alt teren de sport este gata. Și pe măsură ce secțiunile individuale ale terenului de joc se uzează, acestea pot fi înlocuite cu covorașe noi realizate folosind aceeași tehnologie și aceeași culoare verde.
Nu este de mirare că această industrie este principalul consumator al aproape tuturor materialelor produse la noi, inclusiv polimerii. Utilizarea materialelor polimerice în inginerie mecanică crește într-un ritm care nu are precedent în toată istoria omenirii. De exemplu, în 1976 1. ingineria mecanică a țării noastre a consumat 800.000 de tone de materiale plastice, iar în 1960 - doar 116.000 de tone.Este interesant de observat că în urmă cu zece ani 37-38% din toate produsele fabricate în țara noastră erau trimise către materiale plastice de inginerie mecanică, iar în 1980 ponderea ingineriei mecanice în utilizarea materialelor plastice a scăzut la 28%. Iar ideea aici nu este că nevoia ar putea scădea, ci că alte sectoare ale economiei naționale au început să folosească materiale polimerice în agricultură, construcții și în industriile ușoare și alimentare și mai intens.
În același timp, este oportun să rețineți că în anul trecut Funcția materialelor polimerice în orice industrie s-a schimbat oarecum. Din ce în ce mai multe sarcini responsabile au început să fie încredințate polimerilor. Din ce în ce mai multe părți relativ mici, dar complexe din punct de vedere structural și critice ale mașinilor și mecanismelor au început să fie fabricate din polimeri și, în același timp, polimerii au început să fie utilizați din ce în ce mai mult la fabricarea de părți ale corpului de dimensiuni mari ale mașinilor și mecanismelor care transportă sarcini semnificative. O altă zonă specifică polimerilor, unde avantajele acestora față de orice alte materiale se manifestă cel mai clar, este zona finisajelor interioare și exterioare.
Un alt domeniu de aplicare a materialelor polimerice în inginerie mecanică, demn de mențiune specială, este producția de scule de tăiere a metalelor. Pe măsură ce utilizarea oțelurilor și aliajelor puternice se extinde, cerințele din ce în ce mai stricte sunt impuse instrumentelor de prelucrare. Și aici, materialele plastice vin în salvarea producătorului de scule și a operatorului de mașini. Dar plastice nu chiar obișnuite de duritate ultra-înalta, cele care îndrăznesc să concureze chiar și cu diamantul. Regele durității, diamantul, nu a fost încă detronat de pe tron, dar lucrurile se apropie. Unii oxizi (de exemplu, din genul de zirconiu cubic), nitruri, carburi, demonstrează deja o duritate mai mică și, în plus, o rezistență mai mare la căldură. Problema este că sunt încă mai scumpe decât diamantele naturale și sintetice și, în plus, au un „defect regal” - sunt în mare parte fragile. Așadar, pentru a le împiedica să se crape, fiecare bob de astfel de abraziv trebuie să fie înconjurat cu ambalaje polimerice, cel mai adesea realizate din rășini fenol-formaldehidă. Prin urmare, astăzi trei sferturi din sculele abrazive sunt produse folosind rășini sintetice.
Acestea sunt doar câteva exemple ale principalelor tendințe în introducerea materialelor polimerice în subsectoarele ingineriei mecanice. Industria auto ocupă acum primul loc în ceea ce privește creșterea utilizării materialelor plastice printre alte subsectoare. În urmă cu zece ani, în mașini se foloseau de la 7 la 12 tipuri de materiale plastice diferite, până la sfârșitul anilor 70, acest număr depășea 30. Din punct de vedere al structurii chimice, așa cum era de așteptat, primele locuri în ceea ce privește volumul. sunt ocupate de materiale plastice stiren, clorură de polivinil și poliolefine. Ele sunt încă puțin inferioare lor, dar poliuretanii, poliesterii, acrilații și alți polimeri ajung din urmă în mod activ.
Lista pieselor auto care sunt fabricate din polimeri în anumite modele în aceste zile ar dura mai mult de o pagină. Caroserii și cabine, scule și izolație electrică, ornamente interioare și bare de protecție, radiatoare și cotiere, furtunuri, scaune, uși, capotă. Mai mult, mai multe companii diferite din străinătate au anunțat deja începerea producției de mașini din plastic. Cele mai caracteristice tendințe în utilizarea materialelor plastice pentru industria auto sunt, în general, aceleași ca și în alte subsectoare. În primul rând, economisește materiale: turnare fără deșeuri sau cu deșeuri reduse a blocurilor și ansamblurilor mari. În al doilea rând, datorită utilizării materialelor polimerice ușoare și ușoare, greutatea totală a mașinii este redusă, ceea ce înseamnă că se va economisi combustibil în timpul funcționării acesteia. În al treilea rând, realizate ca o singură unitate, blocurile de piese din plastic simplifică semnificativ asamblarea și economisesc manoperă.
Apropo, aceleași avantaje stimulează utilizarea pe scară largă a materialelor polimerice în industria aviației. De exemplu, înlocuire aliaj de aluminiu Plasticul grafit în fabricarea unei șipci de aripi de avion vă permite să reduceți numărul de piese de la 47 la 14, elemente de fixare - de la 1464 la 8 șuruburi, reduceți greutatea cu 22%, costul - cu 25%. În același timp, marja de siguranță a produsului este de 178%. Paletele elicopterului și palele ventilatorului motorului cu reacție sunt recomandate să fie fabricate din rășini de policondens umplute cu fibre de aluminosilicat, ceea ce reduce greutatea aeronavei, menținând în același timp rezistența și fiabilitatea. Conform brevetului englez nr. 2047188, acoperirea suprafețelor de sprijin ale palelor rotorului aeronavei sau elicopterelor cu un strat de poliuretan cu o grosime de numai 0,65 mm crește rezistența lor la eroziunea prin ploaie de 1,5-2 ori. Cerințe stricte au fost stabilite înaintea proiectanților primei aeronave supersonice de pasageri anglo-franceze, Concorde. S-a calculat că frecarea cu atmosfera va încălzi suprafața exterioară a aeronavei la 120-150° C și, în același timp, se cerea ca aceasta să nu cedeze eroziunii timp de cel puțin 20.000 de ore. O soluție la problemă a fost găsită prin acoperirea suprafeței de protecție a aeronavei cu o peliculă subțire de fluoroplastic.