Пластмассы. Биополимеры. Эластомеры. Волокна

Пластмассами называют материалы на основе природных и синтетических высокомолекулярных соединений, способные под воздействием высокой температуры и давления принимать любую заданную форму и сохранять её после охлаждения. Пластмассы используются в качестве заменителей металлов, дерева и других веществ.

Пластмассы бывают тэрмопластичными и тэрмореактивными. Тэрмопластичные пластмассы представляют собой линейные полимеры, у них отсутствуют прочные связи между отдельными цепями, поэтому они легко плавятся и используются для переправки. К таким пластмассам относятся полиэтилен, плексиглас.

Тэрмореактивные пластмассы представляют собой сетчатые полимеры, у них прочные связи между отдельными цепями, поэтому они с трудом плавятся и не подвергаются переплавке. К таким пластмассам относятся фенолформальдэгидные смолы, эбонит.

Полиэтилен высокого давления получают реакцией полимеризации из этилена. Полиэтилен представляет собой бесцветный полупрозрачный в тонких и белый в толстых слоях, воскообразный, но твердый материал. Он обладает высокой химической стойкостью и водонепроницаемостью, малой газопроницаемостью. Его применяют в качестве электроизоляционного материала, а также для изготовления пленок, используемых в качестве упаковочного материала, так как он обладает высокой механической прочностью, полиэтилен используют для изготовления легкой небьющейся посуды, шлангов и трубопроводов для химической промышленности, та как он устойчив к действию концентрированных кислот и щелочей.

Сырьём для получения полипропилена является пропилен.

По внешнему виду это каучукоподобная масса, более или менее твердая и упругая. Отличается от полиэтилена высокой температурой плавления. Используют полипропилен для электроизоляции, для изготовления защитных пленок, труб, шлангов, шестерён, деталей приборов, а также высокопрочного и химически стойкого волокна, которое необходимо в производстве канатов, рыболовных сетей.

Пленки из полипропилена значительно прозрачнее и прочнее полиэтиленовых, пищевые продукты в упаковке из полипропилена можно подвергать стерилизации, варке и разогреванию.

Из полипропилена изготавливают листы для облицовки вагонов, его используют в качестве материала для отделочных работ.

Полистирол — образуется при полимеризации стирола.

Он может быть получен в виде прозрачной стеклообразной массы. Применяется как органическое стекло, для изготовления промышленных товаров (пуговиц, гребней), в качестве электроизолятора.

Поливинилхлорид получается полимеризацией винилхлорида.

Это эластичная масса, очень стойкая к действию кислот и щелочей. Широко используется для футеровки труб и сосудов в химической промышленности.

Применяется для изоляции электрических проводов, изготовления искусственной кожи, линолеума, непромокаемых плащей. Хлорированием поливинилхлорида получают перхлорвиниловую смолу, из которой готовят химически стойкое синтетическое волокно хлорин.

Политэтрафторэтилен — полимер тэтрафторэтилена.

Он выпускается в виде пластмассы, называемой тефлоном или фторопластом.

Весьма стоек по отношению к щелочам, концентрированным кислотам и другим реагентам. По химической стойкости превосходит золото и платину. Негорюч, обладает высокими диэлектрическими свойствами. Применяется в химическом машиностроении, электротехнике.

Смола – основа фенолформальдэгидных пластмасс. Её получают реакцией поликондэнсации фенола и формальдегида.

Фенолоформальдэгидные смолы обладают замечательным свойством: при нагревании они вначале размягчаются, а при дальнейшем нагревании (особенно в присутствии соответствующих катализаторов) затвердевают.

Из этих смол готовят ценные пластические массы — фенопласты: смолы смешивают с различными наполнителями (древесной мукой, измельченной бумагой, асбестом, графитом), с пластификаторами, красителями, и из полученной массы изготовляют методом горячего прессования различные изделия. В последние годы фенолоформальдэгидные смолы нашли новые области применения, например производство строительных деталей из отходов древесины. 

Биополимерами являются нуклеиновые кислоты, макромолекулы которых состоят из мононуклеотидов. Таким образом, нуклеиновые кислоты являются полинуклеотидами.

Нуклеиновые кислоты впервые были обнаружены в 1868 г. швейцарским химиком Мишером в клеточном ядре, поэтому нуклеус – это ядро.

Ф. Мишер

(1844–1895)

Продуктами полного гидролиза нуклеиновых кислот являются гетэроциклические азотистые основания, углеводы (рибоза или дэзоксирибоза) и фосфорная кислота. Нуклеиновые кислоты, как и белки, обладают первичной структурой и трёхмерной (пространственной структурой).

В 1953 г. английские учёные Уотсон и Крик предложили пространственную модель молекулы ДНК.

Согласно этой модели, макромолекула ДНК представляет собой спираль, состоящую из двух полинуклеотидных цепей, закрученных в спираль.

Азотистые основания внутри спирали. Сами цепи располагаются в противоположных направлениях и удерживаются водородными связями, образующими между пуриновыми и пиримидиновыми основаниями.

Макромолекула РНК представляет собой одну полинуклеотидную цепь, принимающую различные пространственные формы.

Молекула АТФ также является нуклеотидом, но здесь содержится три остатка фосфорной кислоты. АТФ играет центральную роль в энергетическом обмене клетки.

К биополимерам относятся также и полисахариды. Мономерами полисахаридов являются моносахариды. Кора деревьев и кустов состоят из такого полисахарида, как целлюлоза, перья, ногти, волосы состоят из полисахарида кератина. Наружный скелет членистоногих состоит из хитина.

Мономерами белков являются аминокислоты. У белков различают первичную, вторичную, третичную и четвертичную структуру.

Первичная структура белка − последовательность аминокислотных остатков в полипептидной цепи.

Один из первых белков, первичная структура которого была установлена в 1954 году – гормон инсулин. Его молекула состоит из двух полипептидных цепей, которые связаны друг с другом. Другой белок – фермент рибонуклеаза – состоит из 124 аминокислотных остатков.

Вторичная структура – это альфа-спираль, которая образуется в результате скручивания полипептидной цепи за счёт водородных связей. Вторичная структура белка была установлена Полингом в 1951 году.

Третичная структура белка – пространственная конфигурация спирали. У большинства белков полипептидные цепи свёрнуты в клубок – «глобулу». Эта структура поддерживается за счёт гидрофобных взаимодействий, водородных, дисульфидных и других связей.

Четвертичная структура – способ совместной укладки нескольких полипептидных цепей. Таким белком является гемоглобин.

Различают следующие типы биополимеров: регулярные, то есть это полимеры, которые построены из одинаковых мономеров. Нерегулярный полимер – это полимер, который построен из различных мономеров.

Эластомеры представляют собой природные или синтетические ВМС с высокоэластичными свойствами.

Макромолекулы эластомеров – это скрученные в клубки цепи. Цепи могут вытягиваться под действием внешней силы, после ее снятия снова скручиваются.

Каучуки – природные или синтетические продукты полимеризации некоторых диеновых углеводородов. Важнейшими физическими свойствами каучуков являются: эластичность, непроницаемость для воды и газов. Натуральный каучук получают из сока дерева гевеи («као чоу») -- слёзы дерева. Первые синтетический бутадиеновый каучук был получен в СССР в Лебедевым.

С. В. Лебедев

(1874–1934)

Макромолекулы каучуков имеют стереорегулярное строение, то есть структурные звенья и функциональные группы расположены в пространстве в определённом порядке.

Другой природный продукт — гуттаперча — также является полимером изопрена, но с иной конфигурацией молекул.

Сырой каучук липок, непрочен, а при небольшом, понижении температуры становится хрупким.

Исходным материалом для производства синтетического каучука служит непредельный углеводород бутадиен-один-три, или дивинил, который полимеризуется подобно изопрэну.

При взаимодействии каучуков с серой происходит образование дисульфидных связей, то есть «сшивание» линейных макромолекул. В результате этого процесса – вулканизации образуются мягкие или твёрдые резины.

Каучуки в основном используют в изготовлении шин, обуви, тканей, строительных материалов, для изготовления лент, ремней и трубок, а также в электротехнике. В технике из каучуков изготовляют шины для автотранспорта, самолетов, велосипедов; каучуки применяют для электроизоляции, а также производства промышленных товаров и медицинских приборов.

Волокна – это высокомолекулярные соединения природного и синтетического происхождения, перерабатываемые в нити, они характеризуются высокой упорядоченностью молекул, то есть представляют собой линейные полимеры.

К природным волокнам относят волокна животного происхождения (белковые), например, шерсть, шёлк.

К волокнам растительного происхождения (целлюлозные) относят хлопок, лён, джут, пеньку.

Химические волокна делят на искусственные, которые являются продуктами переработки природных полимеров, например, вискозное волокно, ацэтатное волокно. Так, ацэтатное волокно получают обрабатывая целлюлозу уксусным ангидридом.

Диацэтил- или триацэтилцеллюлозу растворяют в ацетоне, пропускают через фильеры, удаляют растворитель теплым воздухом и в результате образуются тонкие нити.

Синтетические волокна представляют собой полимеры, образуемые из низкомолекулярных веществ. Например, капрон, лавсан, нитрон, найлон.

Так, полиэфирное волокно лавсан получают реакцией поликонденсации из этиленгликоля и терефталевой кислоты.

Расплав лавсана пропускают через фильеры и при этом формируются нити, которые затвердевают при охлаждении. Волокно лавсан обладает износостойкостью, свето- и тэрмостойкостью, прочностью, оно устойчиво к растворам кислот и щелочей. На основании волокна лавсан изготавливают разнообразные ткани для пошива одежды, трикотажные изделия, тюль, технические ткани, из которых изготавливают пожарные рукава, транспортные ленты, канаты, паруса.

Но волокно лавсан не гигроскопично и не способно накапливать статическое электричество при трении.

Полиамидное волокно капрон получают из шесть-аминокапроновой кислоты.

Капрон — бело-прозрачное, очень прочное вещество. Эластичность капрона намного выше шёлка.

Наряду с высокой прочностью капроновые волокна характеризуются устойчивостью к истиранию. Эти волокна не впитывают влагу, поэтому не теряют прочности во влажном состоянии. Но у капронового волокна есть и недостатки. Оно малоустойчиво к действию кислот, сравнительно невелика и теплостойкость капрона.

Из капрона изготавливают канаты, рыболовные сети, леску, гитарные струны, фильтровальные материалы, а ткани, чулки и другие бытовые товары.

Искусственные и синтетические волокна заменяют природные при изготовлении тканей, канатов.

Таким образом, по свойствам и применению различают такие виды высокомолекулярных соединений, как пластмассы, биополимеры, эластомеры и волокна.