Происхождение и применение полимеров. Природный полимер - формула и применение Сообщение об истории открытия синтетического полимера

Большая часть современных строительных материалов, лекарственных средств, тканей, предметов быта, упаковочных и расходных веществ является полимерами. Это целая группа соединений, имеющих характерные отличительные признаки. Их очень много, но несмотря на это, число полимеров продолжает расти. Ведь химики-синтетики ежегодно открывают все новые и новые вещества. При этом особенное значение во все времена имел именно природный полимер. Что же собой представляют эти удивительные молекулы? Каковы их свойства и в чем заключаются особенности? Ответим на эти вопросы в ходе статьи.

Полимеры: общая характеристика

С точки зрения химии, полимером принято считать молекулу, имеющую огромную молекулярную массу: от нескольких тысяч до миллионов единиц. Однако, помимо этого признака, существует и еще несколько, по которым вещества можно классифицировать именно как природные и синтетические полимеры. Это:

постоянно повторяющиеся мономерные звенья, которые соединяются при помощи разных взаимодействий;
степень полимеразии (то есть число мономеров) должна быть очень высокой, иначе соединение будет считаться олигомером;
определенная пространственная ориентация макромолекулы;
набор важных физико-химических свойств, характерных только для данной группы.

В целом вещество полимерной природы отличить от других достаточно легко. Стоит лишь взглянуть на его формулу, чтобы понять это. Типичным примером может служить всем известный полиэтилен, широко применяемый в быту и промышленности. Он является продуктом в которую вступает этен или этилен. Реакция в общем виде записывается следующим образом:

nCH 2 =CH 2 →(-СН-СН-) n , где n - это степень полимеризации молекул, показывающая, сколько мономерных звеньев входит в ее состав.

Также в качестве примера можно привести природный полимер, который всем хорошо известен, это крахмал. Кроме того, к данной группе соединений принадлежат амилопектин, целлюлоза, куриный белок и многие другие вещества.

Реакции, в результате которых могут образоваться макромолекулы, бывают двух типов:

полимеризации;
поликонденсации.

Разница в том, что во втором случае продукты взаимодействия являются низкомолекулярными. Строение полимера может быть различным, это зависит от тех атомов, что его образуют. Часто встречаются линейные формы, но есть и трехмерные сетчатые, очень сложные.

Если же говорить о силах и взаимодействиях, которые удерживают мономерные звенья вместе, то можно обозначить несколько основных:

Ван-Дер-Ваальсовы силы;
химические связи (ковалентные, ионные);
электроностатическое взаимодействие.

Все полимеры нельзя объединять в одну категорию, так как они имеют совершенно различную природу, способ образования и выполняют неодинаковые функции. Свойства их также разнятся. Поэтому существует классификация, которая позволяет делить всех представителей этой группы веществ на разные категории. В ее основе может лежать несколько признаков.

Классификация полимеров

Если брать за основу качественный состав молекул, то все рассматриваемые вещества можно определить в три группы.

Органические - это те, в состав которых входят атомы углерода, водорода, серы, кислорода, фосфора, азота. То есть те элементы, которые являются биогенными. Примеров можно привести массу: полиэтилен, поливинилхлорид, полипропилен, вискоза, нейлон, природный полимер - белок, нуклеиновые кислоты и так далее.
Элементорганические - такие, в состав которых входит какой-то посторонний неорганический и не Чаще всего это кремний, алюминий или титан. Примеры подобных макромолекул: стеклополимеры, композиционные материалы.
Неорганические - в основе цепи лежат атомы кремния, а не углерода. Радикалы же могут быть частью боковых ответвлений. Они открыты совсем недавно, в середине XX века. Используются в медицине, строительстве, технике и прочих отраслях. Примеры: силикон, киноварь.

Если разделять полимеры по происхождению, то можно выделить три их группы.

Природные полимеры, применение которых широко осуществлялось с самой древности. Это такие макромолекулы, для создания которых человек не прилагал никаких усилий. Они являются продуктами реакций самой природы. Примеры: шелк, шерсть, белок, нуклеиновые кислоты, крахмал, целлюлоза, кожа, хлопок и прочие.
Искусственные. Это такие макромолекулы, которые создаются человеком, но на основе природных аналогов. То есть просто улучшаются и изменяются свойства уже имеющегося природного полимера. Примеры: искусственный
Синтетические - это такие полимеры, в создании которых участвует только человек. Природных аналогов для них нет. Ученые разрабатывают методы синтеза новых материалов, которые отличались бы улучшенными техническими характеристиками. Так рождаются синтетические полимерные соединения разного рода. Примеры: полиэтилен, полипропилен, вискоза, и прочее.

Есть и еще один признак, который лежит в основе разделения рассматриваемых веществ на группы. Это реакционная способность и термоустойчивость. Выделяют две категории по этому параметру:

термопластичные;
термореактивные.

Самым древним, важным и особенно ценным является все же природный полимер. Его свойства уникальны. Поэтому дальше рассмотрим именно эту категорию макромолекул.

Какое вещество является природным полимером?

Чтобы ответить на этот вопрос, сначала оглянемся вокруг себя. Что нас окружает? Живые организмы вокруг нас, которые питаются, дышат, размножаются, цветут и дают плоды и семена. А что они представляют собой с молекулярной точки зрения? Это такие соединения, как:

белки;
нуклеиновые кислоты;
полисахариды.

Так вот, природным полимером является каждое из приведенных соединений. Таким образом, выходит, что жизнь вокруг нас существует только благодаря наличию этих молекул. С самых древних времен люди использовали глину, строительные смеси и растворы для укрепления и создания жилища, ткали пряжу из шерсти, применяли для создания одежды хлопок, шелк, шерсть и кожу животных. Природные органические полимеры сопровождали человека на всех ступенях его становления и развития и во многом помогли ему добиться тех результатов, что мы имеем сегодня.

Сама природа давала все для того, чтобы жизнь людей была максимально комфортной. Со временем был открыт каучук, выяснены его замечательные свойства. Человек научился использовать в пищевых целях крахмал, в технических - целлюлозу. Природным полимером является и камфора, которая также известна с древних времен. Смолы, белки, нуклеиновые кислоты - все это примеры рассматриваемых соединений.

Строение природных полимеров

Не все представители данного класса веществ устроены одинаково. Так, природные и синтетические полимеры могут существенно различаться. Их молекулы ориентируется так, чтобы максимально выгодно и удобно существовать с энергетической точки зрения. При этом многие природные виды способны набухать и структура их в процессе меняется. Можно выделить несколько самых распространенных вариантов строения цепи:

линейные;
разветвленные;
звездчатые;
плоские;
сетчатые;
ленточные;
гребневидные.

Искусственные и синтетические представители макромолекул имеют очень большую массу, огромное число атомов. Их создают со специально заданными свойствами. Поэтому и строение их изначально планируется человеком. Натуральные же полимеры чаще всего либо линейные, либо сетчатые по своей структуре.

Примеры природных макромолекул

Природные и искусственные полимеры очень близки друг другу. Ведь первые становятся основой для создания вторых. Примеров подобных превращений много. Приведем некоторые из них.

Обычная пластмасса молочно-белого цвета - это продукт, получаемый при обработке азотной кислотой целлюлозы с добавлением природной камфоры. Реакция полимеризации приводит к затвердеванию полученного полимера и превращению в нужный продукт. А пластификатор - камфора, делает его способным размягчаться при нагревании и менять свою форму.
Ацетатный шелк, медно-аммиачное волокно, вискоза - все это примеры тех нитей, волокон, которые получают на основе целлюлозы. Ткани из и льна не так прочны, не блестящи, легко сминаемы. А вот искусственные аналоги их этих недостатков лишены, что и делает их использование весьма привлекательным.
Искусственные камни, строительные материалы, смеси, кожзаменители - это также примеры полимеров, полученных на основе натурального сырья.

Вещество, являющееся природным полимером, может использоваться и в истинном виде. Таких примеров тоже немало:

канифоль;
янтарь;
крахмал;
амилопектин;
целлюлоза;
шерсть;
хлопок;
шелк;
цемент;
глина;
известь;
белки;
нуклеиновые кислоты и так далее.

Очевидно, что рассматриваемый нами класс соединений очень многочисленный, практически важный и значимый для людей. Теперь рассмотрим более подробно несколько представителей природных полимеров, которые являются очень востребованными в настоящее время.

Шелк и шерсть

Формула природного полимера шелка сложна, ведь его химический состав выражается следующими компонентами:

фиброин;
серицин;
воски;
жиры.

Сам главный белок - фиброин, насчитывает в своем составе несколько разновидностей аминокислот. Если представить его полипептидную цепочку, то она будет выглядеть примерно так: (-NH-CH 2 -CO-NH-CH(CH 3)-CO-NH-CH 2 -CO-) n. И это лишь ее часть. Если представить, что к данной структуре при помощи сил Ван-Дер-Ваальса присоединяется не менее сложная молекула белка серицина, вместе они смешиваются в единую конформацию с воском и жирами, то понятно, почему сложно изобразить формулу натурального шелка.

На сегодняшний день большую часть данного продукта поставляет Китай, ведь на его просторах существует естественная среда обитания основного производителя - тутового шелкопряда. Раньше, начиная с самых древних времен, натуральный шелк очень ценился. Позволить себе одежду из него могли лишь знатные, богатые люди. Сегодня многие характеристики этой ткани оставляют желать лучшего. Например, он сильно намагничивается и мнется, кроме того, от пребывания на солнце теряет блеск и тускнеет. Поэтому больше в обиходе искусственные производные на его основе.

Шерсть - это тоже природный полимер, так как является продуктом жизнедеятельности кожи и сальных желез животных. На основе этого белкового продукта изготавливают трикотаж, который, как и шелк, является ценным материалом.

Крахмал

Природный полимер крахмал является продуктом жизнедеятельности растений. Они производят его в результате процесса фотосинтеза и накапливают в разных частях тела. Его химический состав:

амилопектин;
амилоза;
альфа-глюкоза.

Пространственная структура крахмала очень разветвленная, неупорядоченная. Благодаря входящему в состав амилопектину, он способен набухать в воде, превращаясь в так называемый клейстер. Этот используется в технике и промышленности. Медицина, пищевая отрасль, изготовление обойных клеев - это также области использования данного вещества.

Среди растений, содержащих максимальное количество крахмала, можно выделить:

кукурузу;
картофель;
пшеницу;
маниок;
овес;
гречиху;
бананы;
сорго.

На основе этого биополимера выпекают хлеб, изготавливают макаронные изделия, варят кисели, каши и прочие пищевые продукты.

Целлюлоза

С точки зрения химии, данное вещество - это полимер, состав которого выражается формулой (С 6 Н 5 О 5) n . Мономерным звеном цепи является бета-глюкоза. Основные места содержания целлюлозы - это клеточные стенки растений. Именно поэтому древесина - ценный источник этого соединения.

Целлюлоза - природный полимер, который имеет линейное пространственное строение. Она используется для производства следующих видов изделий:

целлюлозно-бумажной продукции;
искусственного меха;
разных видов искусственных волокон;
хлопка;
пластмассы;
бездымного пороха;
кинопленок и так далее.

Очевидно, что промышленное значение ее велико. Чтобы данное соединение возможно было использовать в производстве, его следует для начала извлечь из растений. Это делают путем длительной варки древесины в специальных устройствах. Дальнейшая обработка, а также реагенты, используемые для вываривания, различаются. Есть несколько способов:

сульфитный;
азотнокислый;
натронный;
сульфатный.

После подобной обработки продукт все еще содержит примеси. В основе это лигнин и гемицеллюлоза. Чтобы избавиться от них, массу обрабатывают хлором или щелочью.

В организме человека не существует таких биологических катализаторов, которые сумели бы расщепить этот сложный биополимер. Однако некоторые животные (травоядные) приспособились к этому. В их желудке поселяются определенные бактерии, которые делают это за них. Взамен микроорганизмы получают энергию для жизни и среду обитания. Такая форма симбиоза является крайне выгодной для обеих сторон.

Каучук

Это природный полимер, имеющий ценное хозяйственное значение. Впервые он был описан еще Робертом Куком, который в одном из своих путешествий его обнаружил. Произошло это так. Высадившись на острове, на котором жили неизвестные ему туземцы, он был гостеприимно встречен ими. Его внимание привлекли местные дети, которые играли необычным предметом. Это шарообразное тело отталкивалось от пола и подпрыгивало высоко вверх, затем возвращалось.

Поинтересовавшись у местного населения о том, из чего сделана эта игрушка, Кук узнал, что так застывает сок одного из деревьев - гевеи. Много позже было выяснено, что это и есть биополимер каучук.

Химическая природа данного соединения известна - это изопрен, подвергшийся естественной полимеризации. Формула каучука (С 5 Н 8) n . Его свойства, благодаря которым он так высоко ценится, следующие:

эластичность;
износостойкость;
электроизоляция;
водонепроницаемость.

Однако есть и недостатки. На холоде он становится хрупким и ломким, а на жаре - липким и тягучим. Именно поэтому появилась необходимость синтеза аналогов искусственной или синтетической основы. Сегодня каучуки широко используются в технических и промышленных целях. Самые главные продукты на их основе:

резины;
эбониты.

Янтарь

Является природным полимером, поскольку по своей структуре представляет смолу, ископаемую ее форму. Пространственная структура - каркасный аморфный полимер. Очень горюч, зажечь его можно пламенем спички. Обладает свойствами люминесценции. Это очень важное и ценное качество, которое используется в ювелирном деле. Украшения на основе янтаря очень красивы и востребованы.

Кроме того, этот биополимер используют и в медицинских целях. Из него же изготовляют наждачную бумагу, лаковые покрытия для различных поверхностей.

Слово «полимер» — греческого происхождения. Буквально, полимер — это молекула, состоящая из многих («поли») частей («мерос»), каждая из которых представляет собой мономерную, то есть состоящую из одной («монос») части, молекулу. Проще говоря, полимеры — это разветвленные цепочки из обычных молекул, мономеров.

Так выглядит процесс выработки пластика сегодня

На наших глазах вилка исчезает

Как растят суперпластик Ученые создали генетически модифицированное растение, в семенах которого содержится органический полимер PHBV. Из него делают саморазрушающийся термопластик. Некоторые виды бактерий вырабатывают полимеры вроде PHBV, используя их как хранилище энергии, как крахмал у растений или гликоген у животных

В XX веке человечество пережило синтетическую революцию. Ее главным завоеванием можно смело назвать изобретение пластика. Сейчас даже трудно представить себе, что еще в начале прошлого века его просто не существовало и все вокруг делалось из модных нынче натуральных материалов.

Игра в мяч

Человечество, можно сказать, доигралось до изобретения пластика. В истории этого материала прослеживается мистическая связь с любовью людей к игре с мячом. Во II веке до нашей эры греки играли в мяч из желчного пузыря свиньи, наполненного воздухом. Этот спортивный снаряд по форме напоминал яйцо или, если угодно, мяч для регби. Уже тогда наши предки искали способ исправить форму мяча и сделать его абсолютно круглым. Древние греки без конца пробовали различные растительные добавки, чтобы придать стенкам свиного пузыря эластичность.

Индейцы майя делали мяч из кожуры плодов, обернутой в натуральный каучук, который они добывали из фикусов. Похожую технологию использовали жители островов Океании и Юго-восточной Азии. До ума, впрочем, ее довели только европейцы. В XIX веке из Малайзии в Европу было привезено гуттаперчевое дерево, из млечного сока которого стали добывать гуттаперчу. Первым изделием из нового материала стали шары для гольфа (а вовсе не цирковые мальчики). Сегодня этот материал используют для изоляции подводных и подземных кабелей и производства клеев.

От мяча эстафетная палочка перешла к бильярду. В 1862 году британский химик Александр Паркес решил придумать дешевый заменитель дорогостоящей слоновой кости, из которой делались бильярдные шары. Результатом стало открытие первого пластификатора.

Сперва Паркес изобрел нитроцеллюлозу. Однако ее свойства не подходили для игральных шаров, так как материал оказался легкобьющимся. Нужна была добавка, которая смягчила бы его, не уменьшив главное полезное свойство — упругость. Паркес решил добавить камфору. Смесь нитроцеллюлозы, камфоры и спирта подогревалась до текучего состояния, далее заливалась в форму и застывала при нормальном атмосферном давлении. Так на свет появился паркезин — первый полусинтетический пластик. Увы, как это часто бывает, его первооткрыватель не добился коммерческого успеха.

Зато последователь Паркеса, американец Джон Хайт, заработал на первом пластике целое состояние. Он основал компанию и стал производить расчески, игрушки и массу других изделий из целлулоида. К сожалению, материал оказался высоковоспламеняемым, поэтому сейчас из него делают лишь шарики для настольного тенниса да школьные линейки.

В 1897 году немецкие химики открыли казеин — протеин, образующийся при сворачивании молока под действием протеолитических ферментов (тех самых веществ, с помощью которых мы перевариваем пищу). Ученые обнаружили, что казеин придает материалам эластичные свойства, а при остывании — твердость и прочность. Из казеина наладили выпуск пуговиц и вязальных спиц.

Первый полностью синтетический пластик был разработан Лео Беикеландом в США в 1907 году. Беикеланд искал синтетический заменитель для шеллака — воскообразного вещества, выделяемого тропическими насекомыми. Его в огромных количествах потребляла граммофонная и электротехническая промышленность: из шеллака делали пластинки и изоляторы. Ученый изобрел жидкое вещество, напоминающее смолу, которое после застывания превращалось в материал с удивительными свойствами. Изделия из него были прочными и не растворялись даже в кислоте. Первые телефонные аппараты были сделаны именно из находки Беикеланда. Пластик мгновенно (менее чем за год) распространился по всему миру.

Начало биоэры

Однако пластик, кроме всех своих замечательных свойств, имеет два важных недостатка. Во‑первых, он производится из невосстанавливаемых природных ресурсов — нефти, угля и газа. Во‑вторых, его главное достоинство — долговечность, — за которым так гнались изобретатели пластика в начале прошлого столетия, сегодня обернулось недостатком. Чем больше пластмассы мы используем, тем быстрее растут горы отходов, которые не разлагаются в среде ни при каких условиях. Миллионы тонн пластика скапливаются в природе, загрязняя окружающую среду.

Поэтому ближе к концу прошлого столетия ученые задумались о том, чтобы создать материал, схожий по свойствам с пластиком. При этом требовалось, чтобы заменитель пластика можно было делать из возобновляемых компонентов (например, растений) и чтоб он был по зубам бактериям, то есть мог разлагаться в природных условиях. В середине 1990-х, как грибы после дождя, стали появляться сенсационные сообщения об изобретении биопластика — пластика из натурального крахмала, разлагающегося под воздействием различных микроорганизмов. Но тогда о крупномасштабном внедрении новшества в нашу повседневную жизнь не могло быть и речи: производство биопластика оказалось слишком дорогим удовольствием.

С наступлением нового века ситуация изменилась кардинальным образом. Ученые нашли способ снизить себестоимость изготовления биопластика и утверждают, что в скором времени она приблизится к стоимости изготовления обычной пластмассы. Более того, некоторые эксперты считают, что цена на разлагаемую пластмассу искусственно завышается коммерческими производителями и нефтяными компаниями (нефтяники не жалуют биопластик потому, что его массовое производство может привести к падению цен на нефть). А ведь, если посчитать затраты на переработку пластмассовых отходов и внести эту цифру в стоимость обычного пластика, еще неизвестно, какой из них будет дороже.

Пластиковые плантации

Обычный пластик не поддается разложению в среде из-за того, что он состоит из слишком длинных полимеров, которые тесно связаны друг с другом. Совсем по‑иному ведет себя пластик, содержащий более короткие натуральные полимеры растений.

Биопластик можно делать из крахмала, который является природным полимером и производится растениями в процессе фотосинтеза. В большом количестве крахмал содержится в злаковых, картофеле и других неприхотливых растениях. Урожай крахмала с кукурузы доходит до 80% от всей собранной зеленой массы. Поэтому производство пластика нового поколения должно стать достаточно рентабельным. Биопластик ломается и крошится при любой температуре, в которой активны микроорганизмы. Остаточными продуктами этого процесса являются двуокись углерода и вода.

Из-за того что крахмал хорошо растворяется в воде, изделия из него легко деформируются при малейшем контакте с влагой. Для того чтобы придать крахмалу большую прочность, его обрабатывают специфическими бактериями, разлагающими полимеры крахмала в мономеры молочной кислоты. Затем химическим способом мономеры заставляют соединиться в цепочки полимеров. Эти полимеры гораздо прочнее, но при этом не так длинны, как полимеры пластмассы, и могут разлагаться микроорганизмами. Полученный материал назвали полилактидом (PLA). В прошлом году в штате Небраска открылся первый в мире завод по изготовлению PLA.

Другой способ получения биопластика заключается в использовании бактерий Alcaligenes eutrophus. В процессе своей жизнедеятельности они производят гранулы органического пластика, получившего название «полигидроксиалканонат» (PHA). Уже были проделаны успешные эксперименты по внедрению генов этих бактерий в хромосомы растений, чтобы те смогли в дальнейшем производить пластик внутри своих собственных клеток. Это означает, что пластик можно буквально выращивать. Правда, такой способ пока остается дорогостоящим. К тому же, так как процесс включает в себя вмешательство на генетическом уровне, он имеет и своих противников.

Кукурузные вилки

Биопластики уже сегодня находят широкое практическое применение во многих странах. Полилактид можно использовать для производства одноразовых подгузников и посуды. Он не вреден для человеческого организма, поэтому не так давно его начали применять в медицине в качестве основы для временных имплантатов и хирургических ниток. «Кукурузные» изделия могут быть сделаны с расчетом на срок самораспада, который требует специфика его употребления. Некоторые виды биопластика растворяются очень быстро, другие могут служить месяцы, а то и годы.

Итальянская компания Novamont уже давно приступила к выпуску биопластика под названием MaterBi. В Австрии и Швеции McDonald’s предлагает в своих ресторанах «кукурузные» вилки и ножи, компания Goodyear выпустила первые биошины Biotred GT3, а магазины Carrefour во Франции, Esselunga в Италии и CoOp в Норвегии продают свои товары в биопластиковых пакетах из того же MaterBi.

Австралийские ученые из Исследовательского международного центра продовольственной и упаковочной индустрии тоже рекламируют свою продукцию из кукурузного крахмала. Среди новшеств — горшки для рассады, которые саморазлагаются в почве под воздействием влаги, и черная пленка, замечательные свойства которой порадуют любого огородника.

Уже появились идеи производства не просто одноразовых биоупаковок, а пищевых упаковок, которые содержали бы в себе специфичные бактерии, убивающие патогены — возбудителей различных болезней. Одним из самых опасных патогенов является бактерия под названием «листерия». Она развивается в пищевых продуктах даже при низких температурах и может стать причиной смертельной болезни, сопровождающейся высокой температурой и тошнотой. Ученые из Университета Клемсон изобрели биопластик, который содержит бактерии низина, не позволяющие листерии размножаться. Низин представляет собой антибиотик, который вырабатывается молочнокислыми бактериями Streptococcus lactis. Он безвреден для живого организма и быстро разрушается ферментами человеческого кишечника.

Есть и другие не менее интересные проекты. Фантазии исследователям не занимать. Так что вполне может статься, скоро горы мусора из долговечного пластика уйдут в прошлое, а на их месте будут построены заводы по выпуску «кукурузных» пластмассовых изделий.

Термин "полимерия" был введён в науку И. Берцелиусом в 1833 для обозначения особого вида изомерии, при которой вещества (полимеры), имеющие одинаковый состав, обладают различной молекулярной массой, например этилен и бутилен, кислород и озон. Т. о., содержание термина не соответствовало современным представлениям о полимерах. "Истинные" синтетические полимеры к тому времени ещё не были известны.

Ряд полимеров был, по-видимому, получен ещё в первой половине XIX в. Однако химики тогда обычно пытались подавить полимеризацию и поликонденсацию, которые вели к "осмолению" продуктов основной химической реакции, т. е., собственно, к образованию полимеров (до сих пор полимеры часто называли "смолами"). Первые упоминания о синтетических полимерах относятся к 1838 () и 1839 (полистирол).

Химия полимеров возникла только в связи с созданием А. М. Бутлеровым теории химического строения (начало 1860-х гг.). А. М. Бутлеров изучал связь между строением и относительной устойчивостью молекул, проявляющейся в реакциях полимеризации. А.М. Бутлеров предложил рассматривать способность непредельных соединений к полимеризации в качестве критерия их реакционной способности. Отсюда берут свое начало классические работы в области полимеризационных и изомеризационных процессов А. Е. Фаворского, В. Н. Ипатьева и С. В. Лебедева. От исследований нефтяных углеводородов В. В. Марковниковым и затем Н. Д. Зелинским протягиваются нити к современным работам по синтезу всевозможных мономеров из нефтяного сырья.

Здесь следует отметить, что с самого начала промышленне производство полимеров развивалось по двум направлениям: путем переработки природных полимеров в искусственные полимерные материалы и получения синтетических полимеров из органических низкомолекулярных соединений. В первом случае крупнотоннажное производство базируется на целлюлозе, первый материал из физически модифицированной целлюлозы – целлофан, был получен в 1908 г.

Наука о синтезе полимеров из мономеров оказалась куда более масштабным явлением в плане стоящих перед учеными задач.

Несмотря на изобретение в начале XX века способа получения фенолформальдегидных смол Бакеландом не существовало понимания процесса полимеризации. Лишь в 1922 г. немецкий химик Герман Штаудингер выдвинул определение макромолекула – длинной конструкции из атомов, связанных ковалентными связями. Он же первым установил взаимосвязь между молекулярной массой полимера и вязкостью его раствора. Впоследствие американский химик Герман Марк исследовал форму и размер макромолекул в растворе.

Тогда же в 1920-1930-е гг. благодаря передовым работам Н. Н. Семенова в области цепных реакций было обнаружено глубокое сходство механизма полимеризации с цепными реакциями, которые изучал Н. Н. Семенов.

В 30-х гг. было доказано существование свободнорадикального (Г.Штаудингер и др.) и ионного (Ф.Уитмор и др.) механизмов полимеризации.

В СССР в середине 1930-х гг. С.С. Медведев сформулировал понятие «инициирование» полимеризации как результатк распада перекисных соединений с образованием радикалов. Им же были оценены количественно реакции передачи цепи как процессы регулирования молекулярной массы. Исследования механизмов свободнорадикальной полимеризации проводились вплоть до 1950-х гг.

Большую роль в развитии представлений о поликонденсации сыграли работы У.Карозерса, который ввел в химию высокомолекулярных соединений понятия функциональности мономера, линейной и трехмерной поликонденсации. Он же в 1931 синтезировал совместно с Дж.А.Ньюландом хлоропреновый каучук (неопрен) и в 1937 разработал метод получения полиамида для формования волокна типа найлон.

В 1930-е гг. развивалось и учение о структуре полимеров, А.П.Александров впервые развил в 30-х гг. представления о релаксационной природе деформации полимерных тел; В.А.Каргин установил в конце 30-х гг. факт термодинамической обратимости растворов полимеров и сформулировал систему представлений о трех физических состояниях аморфных высокомолекулярных соединений.

До Второй мировой войны наиболее развитые страны освоили промышленное производство СК, полистирола, поливинилхлорида и полиметилметакрилата.

В 1940-е гг. американский физико-химик Флори внес значительный вклад в теорию растворов полимеров и статистическую механику макромолекул, Флори создал методы определения строения и свойств макромолекул из измерений вязкости, седиментации и диффузии.

Эпохальным событием в химии полимеров стало открытие К. Циглером в 1950-е гг. металлокомплексных катализаторов, что привело к появлению полимеров на основе полиолефинов: полиэтилена и полипропилена, которые стали получать при атмосферном давлении. Затем были внедрены в массовое производство полиуретаны (в частности поролон), а также полисилоксаны.

В 1960-1970-е гг. получены уникальные полимеры – ароматические полиамиды, полиимиды, полиэфиркетоны, содержащие в своей структуре ароматические циклы, и характеризующиеся огромной прочностью и термостойкостью. В частности, в 1960-е гг. Каргин В.А. и Кабанов В.А. положили начало новому виду полимерообразования – комплексно-родикальной полимеризации. Ими было показано, что активность непредельных мономеров в реакциях радикальной полимеризации может быть значительно повышена путем связывания их в комплексы с неорганическими солями. Так были получены полимеры неактивных мономеров: пиридина, хинолина и др.

Первое знакомство человека с каучуком произошло в XV веке. На о. Гаити Х. Колумб и его спутники видели ритуальные игры туземцев с мячами из эластичной древесной смолы. По запискам Шарлю Мари де ля Кондамина, опубликованным в 1735 г. европейцы узнали, что дерево, из которого добывается каучук, на языке перуанских индейцев называется «Heve». При надрезании коры дерева выделяется сок, который по-испански назван латексом. Латекс применяли для пропитки тканей.

Во начале XIX века началось исследование каучука. В 1823 г. англичанин Карл Макинтош организовал производство непромокаемых прорезиненных тканей и плащей на их основе. Англичанин Томас Гэнкок в 1826 г. открыл явление пластикации каучука. Потом в пластифицированный каучук стали вводить различные добавки и возникла технология наполненных резиновых смесей. В 1839 г. Американец Чарльз Гудьир открыл способ получения нелипкой прочной резины путем нагревания каучука с оксидом свинца и серой. Процесс был назван вулканизацией. Во второй половине XIX века спрос на натуральный каучук быстро нарастает. В 1890-е гг. появляются первые каучуковые шины. Возникает большое количество каучуковых плантаций в различных жарких странах (в настоящее время Индонезия и Малайзия) лидируют в производстве натурального каучука.

В 1825 г. Майкл Фарадей, исследуя пиролиз натурального каучука, установил, что его простейшая формула C 5 H 8 . В 1835 г. немецкий химик Ф.К. Химмли впервые выделил изопрен C 5 H 8 . В 1866 г. французский химик Пьер Бертло получил бутадиен, пропуская через нагретую железную трубку смесь этилена и ацетилена.

В 1860-1870-х гг. А.М. Бутлеров выяснил структуру многих олефинов и многие из них заполимеризовал, в частности изобутилен под действием серной кислоты.

В 1878 г. русский химик А.А. Кракау открыл способность полимеризации непредельных соединений под действием щелочных металлов.

В 1884 г английский химик У. Тилден доказал, что получал изопрен при термическом разложении скипидара, он же установил состав и строение изопрена, высказал мысль о том, что склонность изопрена к полимеризации может быть использована для полученя синтетического каучука. В 1870-е гг. французский химик Г. Бушарда выделил из продуктов термического разложения каучука изопрен, действием на него высокой температуры и соляной кислоты он получил каучукообразный продукт.

В 1901-1905 гг. В. Н. Ипатьев синтезировал бутадиен из этилового спирта при высоких 400-500 атм давлениях. Он же сумел первым в 1913 г. заполимеризовать этилен, что не удавалось до этого никому из исследователей.

В 1908 г. М.К. Кучеров получил натрий-изопреновый каучук (результат опубликовал в 1913 г.).

В 1909 г. С.В. Лебедев впервые продемонстрировал каучук полученный из дивинила.

Еще в 1899 г И. Л. Кондаков разработал метод получения диметилбутадиена и доказал, что последний способен превращаться в каучукоподобное вещество под воздействием света, а также некоторых реагентов, например натрия. На основе работ Кондакова в Германии в 1916 г. Фриц Гофман организовал производство т.н. метилкаучука: твёрдого ("Н") и мягкого ("W") синтетического каучука.

В 1910 г Карл Дитрих Гарриес запатентовал способ полимеризации изопрена под воздействием металлического натрия. Он же в 1902 г. разработал метод озонирования каучука и этим методом установил строение различных видов каучуков.

В 1911 г. И. И. Остромысленский получил бутадиен из ацетальдегида. В 1915 г. Бызов Б. В. получил патент на получение бутадиена пиролизом нефти.

Начиная еще со второй половины XIX века, усилия многих химиков разных стран были направлены на изучение способов получения мономеров и способов их полимеризации в каучукообразные соединения. В 1911 г И. И. Остромысленский предложил получение бутадиена из спирта в три стадии с выходом 12%. В России эта работа была оценена очень высоко. Дело в том, что российские химики в противовес западным химикам стремились получить синтетический каучук из бутадиена, а не изопрена. Возможно, что именно благодаря этому и наличию в России большой спиртовой базы, в России стало возможно создание технической базы по производству синтетического каучука.

В 1926 г. ВСНХ СССР объявил конкурс на разработку технологии получения синтетического каучука, в соответствии с условиями которого 1 января 1928 г. необходимо было представить описание процесса и не менее 2 кг каучука полученного по этому способу. Наиболее разработанными оказались проекты Лебедева С. В. и Бызова Б.В. И в той, и в другой проектных работах предусматривалось получение синтетического каучука из бутадиена. Лебедев предлагал получение бутадиена из спирта в одну стадию на разработанном им катализаторе, обладающим дегидрирующими и дегитратирующими свойствами. Бызов предлагал получение бутадиена из углеводородов нефти. Несмотря на большие достижения российских и советских химиков в области переработки нефти, сырьевой базы для производства бутадиена по методу Бызова не было. Поэтому в январе 1931 года Совет труда и обороны принял решение построить три больших однотипных завода СК по методу Лебедева. Был создан Ленинградский опытный завод «Литер Б» (ныне ВНИИСК) на котором в 1931 году была получена первая партия дивинильного каучука. В 1932-1933 гг. заработали заводы СК в Ярославле, Воронеже, Ефремове, Казани.

В 1941 г. был пущен завод хлоропренового каучука в Ереване.

В 1935 г. наступила новая эра в производстве синтетических каучуков - их стали делать из сополимеров, получаемых радикальной полимеризацией 1,3-бутадиена в присутствии стирола, акрилонитрила и других соединений. В 1938 было организовано промышленное производство бутадиен-стирольных каучуков в Германии, в 1942 - крупное производство синтетического каучука в США.

Здесь следует отметить, что после 1945 г. наметился постепенный отход от получения бутадиена из пищевого спирта с постепенным переходом к получению мономеров из нефти.

В 1948 г. Коротков установил, что физико-механические свойства полимера улучшаются с увеличением содержания звеньев присоединения в положения цис-1,4, наибольшее количество цис-звеньев образуется в присутствии литийорганических соединений.

В 1955 г. К. Циглер открыл новые каталитические системы, ведущие процесс полимеризации по ионному механизму с получением полимерных материалов, подобных тем, которые получены в присутствии лития. В дальнейшем эти исследования были углублены в Италии в лаборатории Джулио Натта.

Отечественный промышленный полиизопрен, полученный на литиевых катализаторах, был назван СКИ, а полученный в присутствии каталитических систем Циглера-Натта был известен под аббревиатурой СКИ-3.

В 1956 г. был предложен метод получения стереорегулярных полибутадиеновых каучуков (СКД), которые по морозостойкости, устойчивости к истиранию превосходили резины, полученные из натурального каучука и СКИ-3.

Были получены полимеры на основе двойных сополимеров этилена и пропилена – СКЭПы (1955-1957). В этих каучуках отсутствуют двойные связи в структуре полимера, по этой причеине резины на их основе оказываются очень устойчивыми в агрессивных средах, вдобавок они прочны на истирание.

В 1960-е гг. был освоен промышленный выпуск каучуков СКД и СКИ-3 в Стерлитамаке, Тольятти, Волжске. В целом все эти предприятия использовали в качестве исходного сырья мономеры, полученные уже из нефти, а не из спирта.

Сополимеры бутадиена и изопрена начали быстро вытеснять натуральный каучук в производстве автомобильных шин. Так, если в 1950 доля К. с. в общем объёме производства натурального и синтетического каучуков составляла около 22%, в 1960 около 48%, то к 1971 она возросла до ~60% (5 млн. т синтетического и 3 млн. т натурального каучука), в 1985 г. в мире было произведено 12 млн т синтетического каучука и только 4 млн т натурального. К началу 1970-х гг. сложилось мнение, что синтетические каучуки вытеснят натуральные. Однако в результате нефтяного эмбарго в 1973 г. цены на нефть резко возрасли и одновременно в Малайзии были достигнуты большие успехи в производстве натурального каучука, позволявшие резко снизить его цену. И по сей день избавиться от натурального каучука в шинной промышленности не удается. Так, Японии, не имеющей собственных природных запасов нефти, выгоднее закупать натуральный каучук в Малайзии и Индонезии. России же, располагающей большими запасами нефти, ни в коем случае не следует пренебрегать имеющимися технологиями и мощностями по производству синтетического каучука.

Напряженные разработки в области технологии СК в СССР и Германии до Второй мировой войны объснялись тем, что указанные страны понимали, что в случае войны они будут отрезаны от поставок натурального каучука. США подходило к вопросу по другому, США стремилось создать у себя стратегический запас натурального каучука. Как показала жизнь, запасов оказалось недостаточно, когда Япония вторглась в 1941 г. в Юго-Восточную Азию. Из уже написанного ясно, что каучук играл важную роль в мировой политике.

Фенолформальдегидные смолы.

Первый в мире процесс промышленного производства полностью синтетического полимера был запатентован Л. Бакеландом в 1907 г. Л. Бакеланд запатентовал т.н. бакелитовую смолу – продукт конденсации фенола и формальдегида, превращающийся при нагревании в трехмерный полимер. В течение десятилетий бакелит использовался в качестве материала для корпусов электротехнических приборов, сейчас используется как связующее и адгезив. Первооткрывателем же реакции между фенолом и формальдегидом был А. Байер, наблюдавший образование смолы в этой реакции еще в 1872 г, но он результатом не заинтересовался. Начиная с 1940-х и до середины 1970-х гг. в связи с появлением новых видов пластмасс доля фенольных смол быстро сокращалась. Но начиная с 1975 г. вновь начался стремительный рост производства этих полимеров для нужд авиации, ракетной техники, космонавтики и др., а также в связи с падением запасов нефти. Дело в том, что фенол получают из каменного угля, запасы которого несравненно превосходят запасы нефти. Кроме того, на основе фенолформальдегидных смол существовал(ет) большой ассортимент материалов для нужд теплоизоляции (ДСП, ДВП), что стало актуальным в борьбе с энергетическим кризисом.

Полиэтилен и полипропилен.

Этилен чрезвычайно тяжело полимеризуется. Впервые полимеризация этилена наблюдалась в 1933 г. как побочная реакция. Уже в 1937 г. английские химики разработали первый промышленный способ производства полиэтилена, а в 1946 г. начался выпуск полиэтиленовых бутылок.

В 1954 г. Карл Циглер и Джулио Натта открыли новый металлоорганический катализатор, благодаря чему им удалось осуществить ионную полимеризацию полиэтилена при атмосферном давлении и температуре 60 °С.

Они же получили стереорегулярный полипропилен, используя металлокомплексный катализатор.

Политетрафторэтилен (тефлон).

Был случайно открыт в 1938 г Р. Планкеттом, который наблюдал спонтанное образование в баллонах с тетрафторэтиленом белой порошкообразной массы. В 1941 г. он запатентовал свою технологию (США, фирма DuPont). В 1954 г. французский инженер Марк Грегор предложил использовать тефлон в качестве покрытий для посуды. Тефлон чрезвычайно инертен химически, а его температура размягчения почти достигает 300 0 С.

Полистирол.

В 1866 г. М. Бертло идентифицировал образование твердой массы из стирола при нагревании как процесс полимеризации. В 1946 г. Г. Штаудингер установил механизм этой реакции. Впервые полистирол начали выпускать в Германии в 1931 г.

Полиметилметакрилат.

Полиметилметакрилат (ПММА) или плексиглас или оргстекло был создан в 1928 г. В 1933 г. началось производство ПММА в Германии, в 1936 г. ПММА был получен в СССР в НИИ Пластмасс. Полимер широко применяется в авиационной промышленности, в автомобильной промышленности, в строительстве.

Поливинилхлорид.

Впервые полимеризацию винилхлорида осуществил в 1872 г. немецкий химик Эйген Бауман. Заслугой этого исследователя стала разработка способа радикальной полимеризации винилхлорида в присутствии органических пероксидов. Активное практическое использование поливинилхлорида (ПВХ) началось только с середины XX в. Проблема была в том, что чистый ПВХ обладает многими недостатками. При комнатной температуре он очень хрупок и неэластичен. Кроме того, его трудно растворить или расплавить, а это сильно затрудняет переработку полимера. В 30-х гг. учёным удалось найти стабилизаторы, увеличивающие стойкость ПВХ к действию тепла и света. Новый материал - пластифицированный поливинилхлорид получил широкое распространение.

Первое химическое волокно было получено в 1884 г. французским химиком Н. Шардоне. Основные его исследования связаны с разработкой технологии нитроцеллюлозных волокон (нитрошелка). В 1892 г. был освоен вискозный метод производства волокон. Первые ацетатные волокна начали выпускаться в это же время в Англии и США.

Поливинилхлоридные волокна начали выпускаться в 1934 г., а волокна на основе сополимера винилхлорида с винилацетатом (виньон) с 1937 г. В 1939г. появились полиамидные волокна, а в 1943 г. полиакрилонитрильные (орлон).

Создание технологии волокон связано с именами таких ученых как Клоте, еще в 1913 г. предсказавшим возможность получения волокон из поливинилхлорида и Г. Штаудингера, получившего в 1927 г. волокна из расплава полиоксиметилена и полиэтиленоксида.

В СССР независимо от США и Германии в 1947 г.были опубликованы результаты исследований Кнунянца, Роговина и Ромашевского по получению полиамидных волокон.

В 1936 г была создана технология синтетического полигексаметиленадипамида, на основе которой в 1939 г. началось производство волокна «найлон».

В США в 1939 г. началось производство волокна «найлон-6,6» на основе капролактама.

Технология полиакрилонитрильных волокон разрабатывалась одновременно и независимо в США и Германии, с 1934 г США на заводе фирмы Дюпон начали производство полиамидного волокна. В ФРГ его выпуск начали несколько лет спустя.

В СССР первая партия волокна «капрон» была выпущена в 1948 г., в 1957 г. начала работать первая установка по получению волокна «лавсан», в 1960-е гг. началось производство волокна «нитрон» на основе полиакрилонитрила.

В самом начале предприятия по выпуску химических волокон были узкоспециализированными, но по мере наращивания ассортимента волокон расширялся и профиль заводов химических волокон, они выпускали уже по 3-4 вида волокон.

До середины 1930-х гг. все производство лакокрасочных материалов в нашей стране базировалось на импортном сырье. Только в 1936 г. начало осваиваться производство глифталевых смол для производства соответствующих лаков. Синтез алкидных смол путем взаимодействия глицерина, канифоли и тунгового масла освободил страну от импорта копалов (копал – твердая, похожая на янтарь природная смола).

В 1947-1948 гг. были пущены цеха по получению мочевино-, меламино-, фенолформальдегидных смол в Москве и Ярославле. Началось освоение пентафталевых смол в которых глицерин был заменен на пентаэритрит.

Начиная с 1951 г. началось производство лаков на основе перхлорвиниловых смол для авиационной промышленности и железнодорожного транспорта. В 1950-е гг. были созданы спирторастворимые лаки на основе сополимеров бутилметакрилата с метилметакрилатом, метакриламидом, акрилонитрилом, метакриловой кислотой. Было создано несколько десятков марок лаков, грунтовок и эмалей, в т.ч. лак ДС-583, который выпускают и по сей день. Тогда же было освоено производство А-15 – сополимера хлористого винила с винилацетатом. Сочетание А-15 с эпоксидными смолами позволило создать антикоррозионные краски, сократить количество слоев краски при нанесении.

С 1956 г. автомобильные нитроэмали были полностью заменены на алкидномеламиновые.

В 1963 г. освоено производство эпоксидных смол для нужд лакокрасочной промышленности, а также противообрастающих покрытий на основе хлорированного поливинилхлорида.

В 1976-1980 гг. созданы научно-производственные объединения, самостоятельный научно-исследовательский и проектный институт неорганических пигментов и судовых покрытий.

В настоящее время для изготовления лакокрасочных композиций различного назначения используются почти все виды полимерных материалов: эпоксидные смолы, уретановые эластомеры, хлоропреновые каучуки, фторкаучуки, полиакрилаты, полиорганосилоксаны и др.

1. Энциклопедия полимеров в 3 т. М.: Изд-во «Советская энциклопедия», 1974-1977.

2. Химическая энциклопедия в 5 т. М.: Большая Российская энцикл., 1992.

3. К. Маналов Великие химики в 2 т., М.: Мир, 1986.

4. О. И. Тужиков История и методология развития полимерной науки и промышленности, Волгоград: 1999.

5. В. Штрубе. Пути развития химии в 2 т. т.2., М.: Мир, 1984.

6. Дж. Х. Бристон, Л. Л. Катан Полимерные пленки М.: Химия, 1993.

7. Ю. Д. Семчиков Высокомолекулярные соединения М.: Издательский центр «Академия», 2003.

Химия полимеров возникла только в связи с созданием А.М.Бутлеровым теории химического строения (начало 1860-х гг.). А.М.Бутлеров изучал связь между строением и относительной устойчивостью молекул, проявляющейся в реакциях полимеризации. А.М.Бутлеров предложил рассматривать способность непредельных соединений к полимеризации в качестве критерия их реакционной способности. Отсюда берут свое начало классические работы в области полимеризационных и изомеризационных процессов А.Е. Фаворского, В.Н.Ипатьева и С.В. Лебедева. От исследований нефтяных углеводородов В.В. Марковниковым и затем Н.Д. Зелинским протягиваются нити к современным работам по синтезу всевозможных мономеров из нефтяного сырья.

Здесь следует отметить, что с самого начала промышленное производство полимеров развивалось по двум направлениям: путем переработки природных полимеров в искусственные полимерные материалы и получения синтетических полимеров из органических низкомолекулярных соединений. В первом случае крупнотоннажное производство базируется на целлюлозе, первый материал из физически модифицированной целлюлозы - целлофан, был получен в 1908 г.

Несмотря на изобретение в начале XX века способа получения фенолформальдегидных смол Бакеландом не существовало понимания процесса полимеризации. Лишь в 1922 г. немецкий химик Герман Штаудингер выдвинул определение макромолекула - длинной конструкции из атомов, связанных ковалентными связями. Он же первым установил взаимосвязь между молекулярной массой полимера и вязкостью его раствора. Впоследствии американский химик Герман Марк исследовал форму и размер макромолекул в растворе.

В 30-х гг. было доказано существование свободнорадикального (Г.Штаудингер и др.) и ионного (Ф. Уитмор и др.) механизмов полимеризации.

В СССР в середине 1930-х гг. С.С. Медведев сформулировал понятие «инициирование» полимеризации как результат распада перекисных соединений с образованием радикалов. Им же были оценены количественно реакции передачи цепи как процессы регулирования молекулярной массы. Исследования механизмов свободнорадикальной полимеризации проводились вплоть до 1950-х гг.

Большую роль в развитии представлений о поликонденсации сыграли работы У. Карозерса, который ввел в химию высокомолекулярных соединений понятия функциональности мономера, линейной и трехмерной поликонденсации. Он же в 1931 синтезировал совместно с Дж.А. Ньюландом хлоропреновый каучук (неопрен) и в 1937 разработал метод получения полиамида для формования волокна типа найлон.

В 1930-е гг. развивалось и учение о структуре полимеров, А.П.Александров впервые развил в 30-х гг. представления о релаксационной природе деформации полимерных тел; В.А. Каргин установил в конце 30-х гг. факт термодинамической обратимости растворов полимеров и сформулировал систему представлений о трех физических состояниях аморфных высокомолекулярных соединений.

В 1960-1970-е гг. получены уникальные полимеры - ароматические полиамиды, полиимиды, полиэфиркетоны, содержащие в своей структуре ароматические циклы, и характеризующиеся огромной прочностью и термостойкостью. В частности, в 1960-е гг. Каргин В.А. и Кабанов В.А. положили начало новому виду полимерообразования - комплексно-радикальной полимеризации. Ими было показано, что активность непредельных мономеров в реакциях радикальной полимеризации может быть значительно повышена путем связывания их в комплексы с неорганическими солями. Так были получены полимеры неактивных мономеров: пиридина, хинолина и др.

При этом совершенно не затронуто исследование биополимеров, особенно белков и нуклеиновых кислот; а также полимерных жидких кристаллов. Исследования в этой области лежат в пограничных областях между химией и другими естественными науками и далеко выходят за рамки данного реферата.

Министерство образования и науки Российской Федерации

федеральное государственное автономное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ

ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Институт природных ресурсов

Направление подготовки (специальность) Химическая технология

Кафедра химической технологии топлива и химической кибернетики

Реферат

Название реферата:

“ Природные полимеры, полимеры вокруг нас “

по дисциплине «Введение в инженерную деятельность»

Выполнили студенты гр. 2Д42 Никонова Ньургуйаана

Прокопчук Кристина

Даянова Регина

Реферат принят:

Мойзес О. Е.

(Подпись)

2014г.

(дата проверки отчета)

Томск 2014 г.

1.Введение ……………………………………………………………………………………………..2

2.Понятие полимера и классификация ………………………………………………….3

3.Целлюлоза ……………………………………………………………………………………………3

4.Крахмал…………………………………………………………………………………………………5

5.Глютин…………………………………………………………………………………………………..6

6.Казеин……………………………………………………………………………………………………6

7.Каучук…………………………………………………………………………………………………….7

8.Резина……………………………………………………………………………………………………7

9.Синтетические полимеры…………………………………………………………………...9

10.Свойства и важнейшие характеристики ……………………………………………10

11. Химические реакции………………………………………………………………………….11

12.Получение……………………………………………………………………………………………12

13.Полимеры в сельком хозяйстве…………………………………………………………..12

14.Полимеры в промышленности…………………………………………………………….14

Введение

Термин “полимерия” был введен в науку И.Берцелиусом в 1833 для обозначения особого вида изомерии, при которой вещества (полимеры), имеющие одинаковый состав, обладают различной молекулярной массой, например этилен и бутилен, кислород и озон. Такое содержание термина не соответствовало современным представлениям о полимерах. “Истинные” синтетические полимеры к тому времени еще не были известны.

Ряд полимеров был, по-видимому, получен еще в первой половине 19 века. Однако химики тогда обычно пытались подавить полимеризацию и поликонденсацию, которые вели к “осмолению” продуктов основной химической реакции, т.е., собственно, к образованию полимеров (до сих пор полимеры часто называют “смолами”). Первые упоминания о синтетических полимерах относятся к 1838 (поливинилиденхлорид) и 1839 (полистирол),

Химия полимеров возникла только в связи с созданием А.М.Бутлеровым теории химического строения. А.М.Бутлеров изучал связь между строением и относительной устойчивостью молекул, проявляющейся в реакциях полимеризации. Дальнейшее свое развитие наука о полимерах получила главным образом благодаря интенсивным поискам способов синтеза каучука, в которых участвовали крупнейшие учёные многих стран (Г.Бушарда, У.Тилден, немецкий учёный К Гарриес, И.Л.Кондаков, С.В.Лебедев и другие). В 30-х годов было доказано существование свободнорадикального и ионного механизмов полимеризации. Большую роль в развитии представлений о поликонденсации сыграли работы У.Карозерса.

С начала 20-х годов 20 века развиваются также теоретические представления о строении полимеров Вначале предполагалось, что такие биополимеры, как целлюлоза, крахмал, каучук, белки, а также некоторые синтетические полимеры, сходные с ними по свойствам (например, полиизопрен), состоят из малых молекул, обладающих необычной способностью ассоциировать в растворе в комплексы коллоидной природы благодаря нековалентным связям (теория “малых блоков”). Автором принципиально нового представления о полимерах как о веществах, состоящих из макромолекул, частиц необычайно большой молекулярной массы, был Г.Штаудингер. Победа идей этого учёного заставила рассматривать полимеры как качественно новый объект исследования химии и физики.

Понятие полимера и классификация

Полимеры - химические соединения с высокой молекулярной массой (от нескольких тысяч до многих миллионов), молекулы которых (макромолекулы) состоят из большого числа повторяющихся группировок (мономерных звеньев). Атомы, входящие в состав макромолекул, соединены друг с другом силами главных и (или) координационных валентностей.

Классификация.

По происхождению полимеры делятся на:

природные (биополимеры), например белки, нуклеиновые кислоты, смолы природные

синтетические, например полиэтилен, полипропилен, феноло-формальдегидные смолы.

К природным полимерам, применяемым в полиграфии, относятся: полисахариды (целлюлоза крахмал, камеди), 6елки, глютин, казеин, альбумин), полидиены (каучук).

Целлюлоза

Целлюлоза, или клетчатка (от латинского слова «целлула» - клетка), широко распространена в природе. Целлюлоза - это прочное волокнистое вещество органического происхождения, из которого состоит опорная ткань всех растений (растительных клеток).

Физические свойства целлюлозы

Целлюлозные волокна отличаются белизной, гибкостью, прочностью, упруго-эластичностью, т.е. способностью обратимо деформироваться без разрушения даже при больших механических напряжениях, нерастворимостью в воде и органических растворителях, неплавкостью.

Целлюлоза выдерживает нагрев до 150° без разрушения; при более высокой температуре наблюдается деполимеризация целлюлозы и связанная с этим потеря прочности, а при 270° и выше начинается термическое разложение с выделением продуктов распада: уксусной кислоты, метилового спирта, кетонов, в остатке - деготь и уголь.

Строение целлюлозного волокна.

Каждое растительное волокно, например хлопковое, льняное, древесное и др. это одна клетка, оболочка которой состоит в основном из целлюлозы. Внутри волокна имеется канал - капилляр, доступный для проникновения воздуха и влаги. Технические волокна целлюлозы имеют длину в среднем 2,5-3 мм (ель, сосна, береза, тополь) и 20-25 мм (лен, хлопок, пенька) при диаметре 25 мкм.

Целлюлозного растительного волокна имеет фибриллярное строение. Фибриллы - это нитевидные, элементарные рол окна - пачки молекул целлюлозы, прочно соединенных между собой водородными связями, длиной 50-мкм и диаметром 0,1-0,4 мкм. Вероятнее всего, что целлюлоза образует упорядоченную систему нитей - фибрилл, расположенных более плотно вокруг внутреннего канала (капилляра) волокна и более свободно в наружных его слоях. В промежутках между фибриллами находятся мицеллюлозы и лигнин, причем содержание их увеличивается от внутренних слоев клеточной стоики к наружным. Межклеточные пространства целлюлозы заполнены преимущественно лигнином.

Главный источник получения целлюлозы - древесина... Древесиной называется внутренняя часть деревьев, лежащая под корой и составляющая основную растительную ткань, из которой образуется ствол дерева.

Живая клетка растущего дерева имеет оболочку (стенки) из целлюлозы, внутреннюю полость, заполненную протоплазмой, и ядро. Живая клетка способна долиться и образовывать из года в год в растущем дереве новые образования древесины в слое камбия, под корой.

Живые клетки с течением времени подвергаются одеревенению, приводящему в конечном счете к их полному омертвлению, или одревеснению. Одревеснение клетки происходит главным образом в результате появления в ней лигнина. Древесина на 90-95% состоит, из таких отмерших клеток - волокон, лишенных протоплазмы и ядра, но способных к делению, с внутренней полостью, заполненной воздухом и водой.

Химические строение и свойства целлюлозы. Целлюлоза - это природный полимер полисахарид, принадлежащий к классу углеводов. Гигантская молекула (макромолекула) целлюлозы построена из многократно повторяющихся структурных звеньев - остатков β-глюкозы (О6Н10О5)п. Число п, или коэффициент полимеризации, показывает, сколько раз структурное звено-остаток β -глюкозы - повторяется в макромолекуле целлюлозы, а следовательно, характеризует длину молекулярной цепи (длину молекулы) и предопределяет ее молекулярный вес.

Коэффициент полимеризаций у целлюлозы различного происхождения различен. Так, у древесной целлюлозы он равен 3000, у хлопковой - 12 000, у льняной 36 000 (приблизительно). Этим и объясняется большой прочность хлопкового и льняного волокон по сравнении с волокнами древесной целлюлозы.

Щелочная целлюлоза получается действием на целлюлозу раствора едкого натра. При этом атомы водорода спиртовых гидроксилов частично или полностью заменяются атомами натрия. Щелочная целлюлоза, не теряя своего волокнистого строения, отличается повышенной химической активностью, что и используется при получении простых эфиров целлюлозы, например карбоксиметилцеллюлозы.

Карбоксиметилцеллюлоза (КМЦ) - это простой эфир целлюлозы и гликолевой кислоты. Промышленный способ изготовления карбоксиметилцеллюлозы основан на взаимодействии щелочной целлюлозы с монохлоруксусной кислотой.

Гемицеллюлозы - это нечто среднее между целлюлозой и крахмалом. Они также являются полисахаридами. Молекулы гемицеллюлоз построены из остатков моносахаридов: маннозы (гексозы) и ксилозы (пентозы). Гемицеллюлозы не имеют волокнистого строения. Они служат резервным питательным веществом для растений и предохраняют их от инфекций. Гемицеллюлозы набухают в воде и сравнительно легко гидролизуются даже очень разбавленными кислотами, растворяются в 18,5%-ной щелочи. Гемицеллюлозы не являются вредными примесями целлюлозы, идущей для изготовления бумаги. Наоборот, древесная целлюлоза с большим содержанием гемицеллюлоз легко поддается размолу, а приготовленная из неё бумага имеет повышенную прочность (особенно поверхности), так как гемицеллюлозы являются очень хорошей естественной проклейкой.

Лигнин - вещество химически неустойчивое: под влиянием света, влаги, кислорода, воздуха и тепла лигнин разрушается, вследствие чего растительные волокна теряют прочность и темнеют. Лигнин, в отличие от целлюлозы, растворяется в разбавленных кислотах и щелочах. На этом свойстве лигнина основаны способы производства целлюлозы из древесины, соломы, тростника и других растительных тканей. Строение лигнина очень сложно и еще недостаточно изучено; известно, что лигнин - природный полимер, структурным звеном которого является остаток очень реакционно-способного ароматического спирта - β -оксикониферилового.

Главная » Дети » Происхождение и применение полимеров. Природный полимер - формула и применение Сообщение об истории открытия синтетического полимера