tworzywa sztuczne i polimery

 

Związki o budowie łańcuchowej, których cząsteczki zbudowane są z połączonych ze sobą, powtarzających się elementów, noszą nazwę polimerów. Najmniejszy, powtarzający się element budowy łańcucha polimeru, nazywamy merem. Polimery otrzymuje się na drodze łączenia ze sobą cząsteczek prostych związków (tzw. monomerów).

........-A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-A........
         polimer            mer

      Ze względu na swoje specyficzne właściwości, polimery znalazły szerokie zastosowanie w życiu codziennym. Wykorzystuje się je do wyrobu tworzyw sztucznych, włókien, klejów, farb, lakierów itp. Polimery powstają w sposób naturalny, lub w wyniku reakcji chemicznych. Reakcje powstawania polimerów dzieli się na reakcje polimeryzacji i reakcje polikondensacji.

 

Reakcją polimeryzacji nazywamy proces łączenia się cząsteczek monomeru w łańcuch, któremu nie towarzyszy powstawanie żadnych produktów ubocznych.

Typowym przykładem jest reakcja polimeryzacji etylenu:

n CH₂ = CH₂ -> ......... CH₂ - CH₂- CH₂ - CH₂- CH₂ - CH₂- CH₂ - CH₂-............
monomer                        polimer

      Wiązanie pomiędzy dwoma merami tworzy się najczęściej podczas rozerwania wiązanie podwójnego węgiel - węgiel lub węgiel - tlen.

 

Reakcją polikondensacji nazywamy reakcję powstawania polimeru i towarzyszącego mu prostego produktu ubocznego (najczęściej wody).

Przykładem tego typu reakcji jest tworzenie się peptydów z aminokwasów.

      Polimery łańcuchowe, niezależnie od typu reakcji, w których powstają, poddaje się procesowi sieciowania. Proces ten poprawia właściwości użytkowe polimerów. Warunkiem koniecznym do przeprowadzenia usieciowienia jest występowanie w łańcuchu polimeru reaktywnych grup funkcyjnych lub wiązań wielokrotnych. W wyniku ogrzewania takich związków z odpowiednimi substancjami (tzw. utwardzaczami) następuje łączenie się ze sobą łańcuchów. Powstaje jedna gigantyczna cząsteczka polimeru.

 

      Większość polimerów to ciała stałe o różnej twardości, elastyczności i wytrzymałości. Polimery, które ulegają stopieniu w temperaturach niższych niż temperatura rozkładu, można formować poprzez odlewanie, wtryskiwanie do form lub wytłaczanie. Polimery, których nie można stopić otrzymuje się na drodze dwuetapowej polimeryzacji lub polikondensacji. W pierwszym etapie otrzymuje się polimer, o stosunkowo niskiej masie cząsteczkowej, nazywany żywicą. Po uformowaniu wyrobu żywicę poddaje się dalszym procesom polimeryzacji lub polikondensacji i usieciowienia. W ten sposób otrzymane polimery nazywa się termoutwardzalnymi lub chemoutwardzalnymi. Tworzywa sztuczne, z którymi spotykamy się na co dzień, są zwykle wzbogacane o barwniki, wypełniacze i plastyfikatory.

      Właściwości chemiczne polimerów zależą od budowy chemicznej merów i rodzaju łączących je wiązań. Wspólna cechą wszystkich polimerów łańcuchowych jest zdolność do rozpadu na prostsze fragmenty. Np. ogrzewanie polietylenu w wysokiej temperaturze powoduje jego depolimeryzację z utworzeniem cząsteczek monomeru - etylenu:

-[- CH₂-]-_n -> n/2 CH₂ = CH₂

      Polimery powstające w reakcjach polikondensacji, ogrzewane do wysokiej temperatury, zwykle ulegają zwęgleniu. Niektóre z nich można jednak rozłożyć na prostsze fragmenty w wyniku reakcji hydrolizy. Np. hydroliza polipeptydów prowadzi do otrzymania aminokwasów, z których składał się polipeptyd.

Ze względu na swoje pochodzenie i sposób otrzymywania polimery można podzielić na:
 

• Polimery naturalne
  
   
• Polimery naturalne modyfikowane
  
   
• Polimery syntetyczne (otrzymywane przez polimeryzację i polikondensację)

POLIMERY NATURALNE I MODYFIKOWANE

      Jednym z najważniejszych polimerów naturalnych jest kauczuk. Produkt jego przeróbki - guma jest najstarszym znanym tworzywem sztucznym. Pierwsze informacje o elastycznej żywicy, z której Indianie lepili piłki, pochodzą od Krzysztofa Kolumba. Jednak dopiero w 1739 roku wysłany do Ameryki przez Paryską Akademię Nauk geograf, Charles Maria de la Condamin, przesłał do Europy bryłkę kauczuku i opis wykorzystania tego surowca. Zapomniana bryłka, trzydzieści lat po sprowadzeniu jej do Europy, wpadła w ręce Josepha Priestleya, który przypadkowo odkrył, że nadaje się ona do wycierania ołówka. Stąd wzięła się, do dziś używana w języku angielskim, nazwa gumy - rubber (wycieracz).

 

DRZEWO KAUCZUKOWE

 

      Przez następne pół wieku kauczuk nie robił zawrotnej kariery. Uformowane z niego przedmioty łatwo deformowały się po ogrzaniu, natomiast zimą stawały się sztywne i kruche. Sytuację tę zmieniło dopiero odkrycie przez Amerykanina Charesa Goodyeara metody uszlachetniania kauczuku. Goodyear zajmował się impregnowaniem worków pocztowych do przewozu listów. Niestety, ze względu na częste przypadki sklejania się ogrzewanych przez słońce worków, zbankrutował. Zniechęcony do wyrobów kauczukowych Goodyear, wraz z Natanielem Haywardem zajęli się badaniami materiałów wybuchowych. Przy okazji tych badań odkryli, że poprzez stapianie kauczuku z siarką można otrzymać substancję odporna na temeraturę powyżej 100°C i elastyczną poniżej -15°C. Na cześć rzymskiego boga Wulkana, odkryty w 1839 roku proces wytwarzania udoskonalonej gumy, nazwano wulkanizacją.

 

      W 1888 roku weterynarz John Boyd Dunlop zgłasza patent - opony i dętki do bicykli. Dzięki nowemu zastosowaniu kauczuk stał się jedną z najbardziej poszukiwanych substancji. Gwałtowny wzrost zapotrzebowania na egzotyczną żywicę spowodował rabunkowe wycinanie drzew kauczukowych i wzrost cen tego surowca. Zdopingowało to uczonych do prób otrzymania kauczuku syntetycznego. Ustalono, że cząsteczka kauczuku naturalnego składa się z cząsteczek monomeru - izoprenu C₅H₈.

 

      Kauczuk syntetyczny otrzymano z 1,3 butadienu i 2-chloro-1,3-butadienu (chloroprenu). Istnieje również metoda, opracowana znacznie później, syntezy i polimeryzacji izoprenu, dająca kauczuk praktycznie identyczny z naturalnym.

 

      Drugą podstawową grupą polimerów, otrzymywanych z surowców naturalnych, jest celuloza i jej pochodne. Poddając celulozę odpowiedniej obróbce ( bez modyfikowania jej budowy chemicznej), można otrzymać papier oraz włókno nazywane sztucznym jedwabiem. Przez estryfikację obecnych w cząsteczce celulozy grup hydroksylowych otrzymuje się estry celulozy, zawierające maksymalnie trzy grupy estrowe w każdym merze. W ten sposób otrzymuje się octan celulozy - bezbarwną, przezroczystą substancję stałą, dającą się formować w cienkie folie i włókna o dużej wytrzymałości. Również niektóre farby i lakiery zawierają octan celulozy. W analogiczny sposób można otrzymać azotan (V) celulozy nazywany potocznie nitocelulozą. Jest to substancja niezwykle łatwopalna. Pod nazwą bawełny strzelniczej jest stosowana do wyrobu prochu bezdymnego. Ponadto otrzymuje się z niej również lakiery i celuloid.

 

      Dawniej celuloid był wykorzystywany do produkcji taśm filmowych, jednak, ze względu na swoją łatwopalność, został zastąpiony innymi tworzywami, między innymi octanem celulozy.

 

KUBECZKI WYKONANE Z POLIMERÓW

POLIMERY SYNTETYCZNE OTRZYMYWANE NA DRODZE POLIMERYZACJI

 

NAZWA I WZÓR POLIMERU	NAZWA I WZÓR MONOMERU	WŁAŚCIWOŚCI	ZASTOSOWANIE
POLIETYLEN [-CH2-]N	ETEN (etylen) CH2=CH2	Bezbarwne lub mlecznobiałe ciało stałe. Wykazuje dużą odporność na działanie stężonych kwasów i zasad oraz większości rozpuszczalników organicznych ( z wyjątkiem węglowodorów i tłuszczów). Palny. Wytrzymałość cieplna do 80oCelsjusza.	Folie opakowaniowe, skrzynki na butelki, pojemniki na produkty spożywcze i chemikalia, zabawki, drobne wyroby galanteryjne.
POLIPROPYLEN	PROPEN (propylen) CH2=CH-CH3	Właściwości podobne jak polietylenu. Odznacza się większą wytrzymałością mechaniczną i termiczną.	Jak wyżej.
POLICHLOREK WINYLU (PVC)	CHLOROETEN (chlorek winylu) CH2=CHCl	Mlecznobiałe ciało stałe, sztucznie barwione i zawierające zwykle dodatek plastyfikatora. Wykazuje dużą odporność na działanie kwasów, reaguje natomiast z zasadami. Wytrzymałość cieplna niska. Odporny na rozpuszczanie w tłuszczach, wrażliwy na inne rozpuszczalniki organiczne. Niepalny.	Opakowania produktów spożywczych, izolacja przewodów elektrycznych, płytki i wykładziny podłogowe, elementy konstrukcyjne, rury, sztuczna skóra, zabawki, drobna galanteria.
POLITETRA- FLUOROETYLEN (teflon) [-CF2-]N	TETRA- FLUOROETYLEN CF2=CF2	Ciało stałe, białe, "tłustawe" w dotyku, odporne na wysokie temperatury (-100°C do +350°C) i działanie rozpuszczalników (nie są znane żadne rozpuszczalniki teflonu). Wytrzymały mechanicznie. Niepalny.	Powłoki reaktorów chemicznych i naczyń kuchennych, uszczelki.
POLISTYREN	FENOLOETEN (styren)	Ciało stałe, przezroczyste, wytrzymałe mechanicznie ale stosunkowo kruche. Odporne na działanie związków nieorganicznych z wyjątkiem stężonych kwasów. Rozpuszcza się w większości rozpuszczalników organicznych. Palny.	Pojemniki, pudełka i inne opakowania, zabawki, obudowy (np. odkurzacza), drobna galanteria. Spieniony polistyren znany jest pod nazwą styropianu.
POLI- METAKRYLAN METYLU (szkło organiczne)	ESTER METYLOWY KWASU 2-METYLO- PROPENOWEGO	Bezbarwne ciało stałe o dobrej wytrzymałości mechanicznej. Wrażliwy na działanie kwasów i zasad oraz większości rozpuszczalników organicznych. Odporny na temperatury do 100°C. Palny.	Szyby nietłukące się.
POLI OCTAN WINYLU	OCTAN WINYLU	Bezbarwne ciało stałe o niskiej wytrzymałości termicznej i mechanicznej. Rozpuszcza się w większości rozpuszczalników organicznych, stężonych kwasach i zasadach. Palny. Wykazuje dobrą przyczepność do powierzchni wielu różnych materiałów.	Farby emulsyjne oraz kleje stolarskie i introligatorskie.
POLI ALKOHOL WINYLOWY	Nie ma monomeru. Alkohol winylowy jest nietrwały i szybko ulega przemianie w aldehyd octowy.	Bezbarwne ciało stałe, wytrzymałe mechanicznie. Rozpuszczalny w wodzie, trudno rozpuszczalny w rozpuszczalnikach organicznych. Trudno palny.	Farby emulsyjne i kleje. Po utrwaleniu nadaje się do wyrobu elementów aparatury chemicznej, folii i włókien.
POLI- FORMALDEHYD [-CH2-O-]N	ALDEHYD MRÓWKOWY CH2=O	Bezbarwne ciało stałe, wytrzymałe termicznie i mechanicznie. Odporny na działanie większości rozpuszczalników organicznych, nieodporny na stężone kwasy i zasady. Trudno palny.	Elementy precyzyjnych urządzeń mechanicznych, kasety fotograficzne, panewki łożysk itp.

POLIMERY SYNTETYCZNE OTRZYMYWANE NA DRODZE POLIKONDENSACJI

 

      Najczęściej spotykanym poliestrem, stosowanym do wyrobu włókna syntetycznego - elany, jest politereftalan glikolu etylenowego. Powstaje on w wyniku polikondensacji kwasu 1,4- benzenodikarboksylowego (tereftalowego) z glikolem etylenowym.

      Polimery o podobnej budowie, będące poliestrami kwasu ftalowego i różnych alkoholi wielowodorotlenowych, stosowane są do wyrobu tzw. farb i emalii ftalowych.

      Poliamidy, które znalazły szerokie zastosowanie w życiu codziennym to poliamid-6 (nylon-6, stilon) i poliamid-6.6. Stilon jest poliamidem kwasu 6-aminoheksanowego, natomiast poliamid-6.6 - poliamidem kwasu adypinowego i 1,6-heksanodiaminy.

 

      Poliamidy są podobne w swojej budowie do polipeptydów, dzięki temu przypominają naturalne włókna białkowe.

      Zupełnie inne właściwości mają związki powstające w wyniku polikondensacji aldehydu mrówkowego z fenolami, aminami, amidami i niektórymi rodzajami związków organicznych.

 

      W wyniku reakcji fenolu z aldehydem mrówkowym otrzymuje się półpłynny polimer nazywany żywicą fenolowo-formaldehydową.

      Żywicę przekształca się w wyroby użytkowe, nasycając nią odpowiednie wypełniacze (papier, tkaniny itp.) i poddając prasowaniu w podwyższonej temperaturze. W warunkach tych następuje usieciowienie polimeru. Sztuczne tworzywo uzyskiwane w ten sposób nosi nazwę bakelitu. Jest to substancja stała, nierozpuszczalna w rozpuszczalnikach organicznych i nietopliwa.