Органічні речовини як основа сучасних матеріалів. Пластмаси

Що таке матеріал? Які матеріали е сучасними? На основі яких органічних речовин їх створюють? Чим відрізняється пластмаса від полімеру? Який зв'язок між складом і будовою органічних речовин, їхніми властивостями і застосуванням у складі пластмас?

Опрацювавши цей параграф, ви пригадане суть понять «матеріал», «полімер», зможете навести приклади органічних речовин, які використовують у складі су­часних матеріалів, встановити причинно-наслідкові зв'язки між їхнім складом, бу­довою, властивостями і застосуванням, порівнювати пластмаси, аналізувати їхній хімічний склад і робити висновок щодо придатності для використання.

З матеріалами тісно пов’язане минуле, сьогодення і майбутнє людства.

Матеріал - речовина (або комбінація речовин), оброблена чи створена людиною для виготовлення певного об’єкта з корисними функціями.

Сучасні матеріали вражають розмаїттям. їхня унікальна структура і властивості зумовлюють створення не лише принципово нових продуктів, а й галузей індустрії. Доведімо це на прикладі матеріалів, що вже стали звич­ними атрибутами буденного життя, хоча порівняно недавно їхнє відкриття було величезним кроком уперед у галузі промислових технологій. Це, пе­редусім, пластмаси, синтетичні каучуки й гума, штучні й синтетичні волокна. Що спільного між ними?

Зауважимо, що всі ці матеріали виготовлено на основі природних або синтетичних високомолекулярних сполук - полімерів, здебільшого орга­нічного походження.

Дізнайтеся більше... Науковці Інституту хімії високомолекулярних сполук Національної академії наук України, яким керує академік, професор, доктор наук Євген Вікторович Лебедєв, синтезують нові типи полімерів і відкривають корисні, часто несподівані властивості та ефекти цих чудових сполук. Резуль­тати багаторічних досліджень втілено в низці прикладних розробок, таких як екологічно нешкідливі лаки І фарби, покриття з високою захисною дією в агресивних середовищах, клеї різного призначення, у тому числі для медич­них цілей, і багато чого Іншого.

Пластмаси - що означає ця назва? Йдеться про матеріали, виготовлені на основі полімерів і здатні внаслідок впливу нагрівання і тиску набувати певної форми і зберігати її після охолоджування або тверднення.

У пошуках штучного замінника слонової кістки першу пластмасу - пар - кезін - добув 1855 р. англійський металург і винахідник Олександр Парке. Інша, більш відома назва цієї пластмаси - целулоїд (шал. 12.1, 1), що озна­чає «подібний до целюлози».

Целулоїд - приклад штучного матеріалу, оскільки його виготовляють хімічною обробкою природного полімеру. До продукту нітрування целю­лози (мал. 12.1, 2) добавляють пластифікатори, наповнювачі, барвники. Компоненти-пластифікатори надають полімерним матеріалам еластичності і (або) пластичності під час переробки та експлуатації. Введення до складу полімерних композицій наповнювачів поліпшує експлуатаційні власти­вості, полегшує переробку, а також істотно здешевлює матеріал. Саме ці добавки відрізняють целулоїд від динітроцелюлози, оскільки надають мате­ріалу нових властивостей.

Зауважмо: однією з умов сталого розвитку є створення новітніх матеріа­лів на основі біосировини. Завдяки цьому напряму традиційні матеріали на­бувають нових унікальних властивостей, що дає всі підстави називати їх фантастичною реальністю XXI століття. До того ж біорозкладанні пластич­ні маси на основі природних полімерів зменшують несприятливий техно­генний вплив на довкілля. їх виготовляють, модифікуючи макромолекули крохмалю, целюлози (назвіть природні джерела цих сполук) і хітозану, який виділяють з панцирів крабів, креветок тощо.

Незважаючи на привабливість таких пластмас, наразі найпоширеніши­ми є пластики на основі синтетичних високомолекулярних сполук. Назви й хімічні формули їх і їхніх мономерів траплялися вам у попередньому пара­графі, де йшлося про продукти синтезів на основі вуглеводневої сировини. З курсу хімії основної школи ви вже маєте уявлення про способи синтезу ви­сокомолекулярних сполук — полімеризацію і поліконденсацію. З першим способом ви ознайомились, вивчаючи властивості етену:

Поліконденсацію ви розглянули на прикладі утворення поліпептидного ланцюга з молекул амінокислот (назвіть характеристичні групи, внаслі­док взаємодії яких відбувається поліконденсація молекул амінокислот):

Зверніть увагу: поліконденсація можлива, якщо кожен мономер є бі- функціонйльниМу тобто містить дві функціональні групи, що обидві можуть реагувати з функціональними групами іншого мономера. Окрім полімеру продуктом поліконденсації е низькомолекулярна сполука, зазвичай — вода.

Термопластичність - здатність полімерів і пластмас багаторазово розм'якшуватися і тверднути внаслідок нагрівання і наступного охолодження.

Зверніть увагу: під час нагрівання й охолодження термопластичні полімери не зазнають хімічних змін! Більшість з них добре розчиняються в органічних розчин­никах. Це зумовлено лінійною будовою молекул, слабкими зв’язками між ними, нездатністю до утворення сітчастих (зши­тих) макромолекул. З розплавів термо­пластичних полімерів формують найріз­номанітніші вироби. Для цього розплав полімеру пропускають крізь тонкі отвори, упорскують його під тиском у прес-форму з наступним охолодженням, здійснюють видувне формування (мал. 12.2).

Рециклізація багатьох пластмас ґрун­тується саме на їхній термопластичності.

Для забезпечення утилізації одноразових предметів Товариство пластмасової про­мисловості 1988 р. запровадило систему маркування й ідентифікаційні коди для всіх видів пластику. Маркування склада­ється з трьох стрілок у формі трикутни­ка, усередині яких розташована цифра:

Нею та літерною абревіатурою під трикутником позначають тип пласти­ку: PETE (РЕТ або ПЕТ) - поліетилентерфталат, HDPE або ПВТ - поліети­лен високого тиску, V, PVC або ПВХ - полівінілхлорид, LDPE або ПНД - по­ліетилен низького тиску, PP або ПП - поліпропілен, PS або ПС - полістирол, OTHER або ІНШЕ (не можна рецик лізу вати). Таке інформування про тип

Матеріалу і можливості його переробки спрощує сортування перед відправ­кою пластмаси на переробку і вторинне використання.

Зверніть увагу: для зберігання харчових продуктів придатні лише пласт­

Доміших термопластичних синтетичних полімерів і пластмас на їхній основі.

Поліетилен - карболанцюговий (поясніть, що це означає) полімер. Як ви вже знаєте, у промисловості його добувають полімеризацією за високого, се­реднього і низького тиску (мал. 12.3). Поліетилен має високі діелектричні властивості, стійкий до агресивних середовищ - кислот, лугів, розчинів со­лей і органічних розчинників. Тому його застосовують як електроізоляційну

Оболонку кабелів, захисний матеріал в агресивних середовищах. Це зруч­ний пакувальний плівковий мате­ріал. Також з поліетилену виготов­ляють посуд, одноразовий зокрема.

Недоліками поліетилену є низька теплопровідність, недостатня стій­кість до УФ-випромінювання, схиль­ність до деформації внаслідок трива­лої дії статичних навантажень.

Полімеризація мономерів, про які йтиметься далі, відбувається подіб­но до етену. Пересвідчитися в цьому ви зможете, розглянувши малюнок 12.4.

Які властивості добутих унаслі­док цього полімерів зумовлюють їхнє широке застосування в найріз­номанітніших галузях суспільного господарства, побуті тощо?

Поліпропілен — карболанцюговий лінійний полімер, багато в чому подіб­ний до поліетилену. Це досить твердий матеріал, у тонких шарах прозорий, у товстих - молочно-білий. Він стійкий до дії кислот, лугів, розчинів солей, інших агресивних середовищ. Вироби з поліпропілену вирізняються стій­кістю до стирання і твердістю поверхні, витримують нагрівання до темпе­ратури *100 °С. Тому цю пластмасу використовують для виробництва паку­вальної плівки, сантехнічних труб, побутового і хімічного посуду, іншого обладнання.

Невисока морозостійкість (до - ЗО 0C) і зависока чутливість до світла і кисню - недоліки, які дещо обмежують застосування поліпропілену.

Полівінілхлорид (ПВХ) - речовина білого кольору, хімічно стійка до лу­гів, мінеральних масел, багатьох кислот і розчинників, не горить на повітрі, діелектрик. Проте його морозо - і термостійкість невеликі. З полівінілхло­риду виготовляють лінолеум, віконні профілі, кромки меблів, упаковку побутової техніки, шкірозамінники, плівки для натяжних стель, сайдінг, труби, ізоляції дротів і кабелів, обгортки, пляшки для побутової хімії і ще багато інших корисних предметів (мал. 12.5).

Основною проблемою, пов’язаною з використанням ПВХ, є складність його утилізації. Адже внаслідок спалювання цього пластику утворюються високотоксичні хлорорганічні сполуки. Із часом матеріал самостійно почи­нає виділяти їх у довкілля. Сучасні технології, спрямовані на подолання вади, поки що недостатньо ефективні.

Полістирол - тверда, пружна, безбарвна, прозора, гнучка, негігроскопіч на речовина. З пластмас на його основі виготовляють електроізоляцій', предмети буденного вжитку (посуд, фігурки, дитячі іграшки тощо), лін­зи, різнокольорову облицювальну плитку і теплоізоляцію для будинків (мал. 12.6).

Зверніть увагу: пінополістирол - один з видів пінопласту. Його добува­ють пресуванням полістиролу з твердим газоутворювачем за нагрівання.

Газуваті продукти термічного розкладання газоутворювача розчиняються в полімері. Після цього заготовку виймають з прес-форми і нагрівають до 100-105 °С. Розчинені в полімері гази розширюють запресовування, утво­рюючи пінополістирол.

Недоліки полістиролу полягають у низьких теплостійкості і ударній міц­ності, схильності до старіння тощо.

Тефлон (його ще називають фторопластом) - пластмаса на основі політе - трафлуороетену. Це біла, у тонкому шарі прозора речовина, зовні подібна до парафіну або поліетилену. Має високі тепло - і морозостійкість, не втрачає гнучкості й еластичності в широкому інтервалі температур, не змочується ні водою, ні жирами, ані більшістю органічних розчинників. За своєю хі­мічною стійкістю перевершує всі відомі синтетичні матеріали й благородні метали. Тефлон використовують у хімічній, електротехнічній і харчовій промисловості, у побуті, у медицині, у військовій і аерокосмічній техніці. За малюнком 12.7 ви пересвідчитеся, що вироби з тефлону або з тефлоновим покриттям широко використовують у повсякденному житті (наведіть ще кілька прикладів).

Дізнайтеся більше.... Політетрафлуороетен було синтезовано 1938 р. Вперше ТЕФЛОН® (розробка корпорації DuPont) у середині 50-х років мину­лого століття був нанесений на хлібопекарські форми. 10 років по тому його стали використовувати як антипригарне покриття на кухонному посуд).

Однак, використовуючи посуд з тефлоновим покриттям, варто пам’ятати, що його легко ушкодити тертям абразивами. За температури понад 200 0C політетрафлуороетен розкладається з утворенням токсичних продуктів. Тож ніколи не використовуйте для приготування їжі посуд з пошкодженим тефлоновим покриттям!

Поліаміди - високомолекулярні сполуки, що містять повторювані амідні

O

Il

Групи wwwww—N—C—vwvwwv в основному ланцюзі макромолекули H

(мал. 12.8). Поліаміди здатні витримувати циклічні навантаження. Вони зберігають свої характеристики в широкому діапазоні температур* ви­тримують стерилізацію парою до 140 °С. Залишаються еластичними за

Низьких температур. Недоліками поліамідів є висока гігроскопічність і низька світлостійкість. Ці матеріали застосовують для виробництва клеїв, плівок різних призначень (пакувальний матеріал, кіноплівка, шкірозамін­ники тощо). Поліаміди - замінники кісток, шкіри в медицині, захисні ан­тикорозійні покриття для металів, бетону.

Дізнайтеся більше... ЗАТ «Броварський завод пластмас» (Київська область) виробляє з полівінілхлориду липку стрічку, стрічку електроізоляційну, плівки, труби. TOB «Завод пластмас» (Київ) є одним з найбільших виробників товарів народного споживання. Основні види матеріалів, використовуваних на ви­робництві, - поліетилен високого і низького тиску, поліпропілен і полістирол.

Аби на власні очі, а радше власноруч ознайомитися з деякими полімера­ми і пластмасами на їхній основі, виконайте лабораторний дослід.

Ознайомлення зі зразками пластмас

Уважно роздивіться видані вам зразки пластмас. Зверніть увагу на їхній зовнішній вигляд, агрегатний стан, колір тощо. Опишіть кожний зі зразків, зазначте спосіб його до­бування і галузі застосування. Чи є поміж них термоплас - ти? Штучні й синтетичні матеріали?

Звіт оформіть у табличній або довільній формі.

ПРО ГОЛОВНЕ

► Матеріал — речовина (або комбінація речовин), оброблена чи створена людиною для виготовлення певного об’єкта з корисними функціями.

► Пластмаси — матеріали, виготовлені на основі полімерів і здатні вна­слідок впливу нагрівання і тиску набувати певної форми і зберігати її після охолоджування або тверднення.

► Введення до складу полімерних композицій барвників, пластифіка­торів, наповнювачів поліпшує ергономічні й експлуатаційні власти­вості, полегшує переробку, а також істотно здешевлює матеріал.

► Найпоширенішими є пластики на основі синтетичних високомолеку­лярних сполук.

^ Термопластичні сть — здатність полімерів і пластмас багаторазово розм’як­шуватися і тверднути внаслідок нагрівання і наступного охолодження.

► Полімеризація і поліконденсація — способи синтезу високомолеку­лярних сполук.

► Важливою умовою сталого розвитку є створення новітніх матеріалів на основі біосировини.

3.  Класифікуйте хімічну реакцію синтезу поліетилену з етену:

Д полімеризація; Б поліконденсація; В гідрування; Г дегідрування.

4.  Укажіть здатність полімерів і пластмас багаторазово розм'якшуватися і тверднути внаслідок нагрівання і наступного охолодження:

Д термореактивність; Б термопластичність; В терморегуляція; Г термодеструкція.

5.  Порівняйте: а) штучні й синтетичні полімери; б) два основні способи синтезу полімерів.

6.  Поясніть подібність властивостей парафіну і поліетилену.

7.  Як ви вважаєте, чому властивості пластмас часто відрізняються від властивостей полімерів, на основі яких вони створені?

8.  Пригадайте властивості пластмас, про які йшлося в цьому параграфі, і поясніть, чому не можна: а) чистити підошву праски з тефлоновим покриттям абразивними мате­ріалами; б) користуватися посудом, якщо тефлонове покриття на ньому пошкоджене; в) вживати і зберігати гарячі напої і страви в посуді, виготовленому з полістиролу; г) ви­користовувати для зберігання харчових продуктів тару з полівінілхлориду.

9.  Дізнайтеся, чи є у вашому регіоні підприємства, що виробляють (чи переробляють) полімери і пластмаси. Підготуйте стисле повідомлення про сировину, яку вони викорис­товують, і про продукцію.

Творча майстерня

Самостійно або у складі малої навчальної групи створіть реальну чи вірту - I альну колекцію пластмас, які ви використовуєте в повсякденному житті. В описі ' прокоментуйте маркування, виявлене вами на виробах із цих матеріалів, установіть зв'язок між їхніми властивостями і застосуванням.

Підготуйте міні-лекцію для членів своєї родини про безпечне використання пластмас у побуті.

Підготуйте для молодших школярів агітаційний спектакль, що має переконати їх у до­цільності викидати пластмасові відходи в спеціально призначений для цього контейнер.