Природные и синтетические высокомолекулярные соединения (полимеры)

Высокомолекулярными соединениями, или полимерами, называют сложные вещества с большими молекулярными массами (порядка сотен, тысяч и миллионов), молекулы которых построены из множества повторяющихся элементарных звеньев, образующихся в результате взаимодействия и соединения друг с другом одинаковых или разных простых молекул - мономеров.

Следующие два процесса приводят к образованию высокомолекулярных соединений: а) реакция полимеризации - процесс, в результате которого молекулы низкомолекулярного соединения (мономера) соединяются друг с другом при помощи ковалентных связей, образуя новое вещество (полимер), молекулярная масса которого в целое число раз больше, чем у мономера; полимеризация характерна, главным образом, для соединений с кратными (двойными или тройными) связями; б) реакция поликонденсации - процесс образования полимера из низкомолекулярных соединений, содержащих две или несколько функциональных групп, сопровождающийся выделением за счет этих групп таких веществ, как вода, аммиак, галогеноводород и т.п.; состав элементарного звена полимера в этом случае отличается от состава исходного мономера.

Примерами природных высокомолекулярных соединений могут служить крахмал и целлюлоза, построенные из элементарных звеньев, являющихся остатками моносахарида (глюкозы), а также белки, элементарные звенья которых представляют собой остатки аминокислот; сюда же относятся природные каучуки (см. ниже).

Все большее значение приобретают синтетические высокомолекулярные соединения или, как их иначе называют, синтетические полимеры. Это разнообразные материалы, обычно синтезируемые из доступного и дешевого сырья; на их основе получают пластические массы (пластмассы) - сложные композиции, в которые вводят различные наполнители и добавки, придающие полимерам необходимый комплекс технических свойств, а также синтетические волокна (см. § 177).

Полимеры являются ценными заменителями многих природных материалов (металлов, дерева, кожи, клеев и т.п.). Синтетические волокна успешно заменяют натуральные - шелковые, шерстяные, хлопчатобумажные. При этом важно подчеркнуть, что по ряду свойств материалы на основе синтетических полимеров часто превосходят природные. Можно получать пластические массы, волокна и другие соединения с комплексом заданных технических свойств. Это позволяет решать многие задачи современной техники, которые не могли быть решены при использовании только природных материалов.

Полимеризационные смолы. К полимеризационным смолам относятся полимеры, получаемые реакцией полимеризации преимущественно этиленовых углеводородов или их производных.

Полиэтилен - представляет собой полимер, образующийся при полимеризации этилена, например при сжатии его до 150-250 МПа при 150-250 °С (полиэтилен высокого давления)

или сокращенно:

Реакция полимеризации представляет собой результат раскрытия двойных связей во множестве молекул непредельного соединения (в данном случае этилена) и последующего соединения этих молекул друг с другом в одну гигантскую макромолекулу. Величина п выражает степень полимеризации - указывает число мономерных звеньев, образующих макромолекулу. Начало полимеризации этилена вызывается введением небольшого количества (0,05-0,1%) кислорода.

Найдены катализаторы, благодаря которым этилен полимеризует- ся при низких давлениях. Например, в присутствии триэтил-алюми- ния (C 2 H 5) 3 Al с добавкой хлорида титана (IV) TiCl 4 (катализатор Циглера) полимеризация протекает при атмосферном давлении (получается полиэтилен низкого давления)", на оксидах хрома (катализатор Филипса) полимер образуется при давлении до 10 МПа (полиэтилен среднего давления).

Полиэтилен - предельный углеводород с молекулярной массой от 10 000 до 400 000. Он представляет собой бесцветный полупрозрачный в тонких и белый в толстых слоях, воскообразный, но твердый материал с температурой плавления 110-125 0 C. Обладает высокой химической стойкостью и водонепроницаемостью, малой газопроницаемостью. Его применяют в качестве электроизоляционного материала, а также для изготовления пленок, используемых в качестве упаковочного материала, для изготовления легкой небьющейся посуды, шлангов и трубопроводов для химической промышленности. Свойства полиэтилена зависят от способа его получения; например, полиэтилен высокого давления обладает меньшей плотностью и меньшей молекулярной массой (10 000-45 000), чем полиэтилен низкого давления (молекулярная масса 70 000-400 000), что сказывается на технических свойствах. Для контакта с пищевыми продуктами допускается только полиэтилен высокого давления, так как полиэтилен низкого давления может содержать остатки катализаторов - вредные для здоровья человека соединения тяжелых металлов.

Полипропилен - образуется из пропилена, следующего за этиленом гомолога непредельных этиленовых углеводородов:

Полимеризация протекает в присутствии катализаторов. В зависимости от условий полимеризации получают полипропилен, различающийся по структуре макромолекул, а следовательно, и по свойствам. По внешнему виду это каучукоподобная масса, более или менее твердая и упругая. Отличается от полиэтилена более высокой температурой плавления. Например, полипропилен с молекулярной массой выше 80 000 плавится при 174-175 0 C.

Используют полипропилен для электроизоляции, изготовления защитных пленок, труб, шлангов, шестерен, деталей приборов, а также высокопрочного и химически стойкого волокна. Последнее применяют в производстве канатов, рыболовных сетей и др. Пленки из полипропилена значительно прозрачнее и прочнее полиэтиленовых, пищевые продукты в упаковке из полипропилена можно подвергать стерилизации, варке и разогреванию.

Полистирол - образуется при полимеризации стирола:

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

Поливинилхлорид (полихлорвинил) - 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 перхлор- виниловую смолу.

Политетрафторэтилен - полимер тетрафторэтилена:

Политетрафторэтилен 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.

Полиакрилаты и полиакрилонитрил. Важное значение имеют полимеры непредельных акриловой CH 2 =CH-COOH и метакриловой CH 2 =C(CH 3)-COOH кислот, особенно их метиловых эфиров - метилакрилата и метилметакрилата, а также нитрила акриловой кислоты (или акрилонитрила ) CH 2 =CH-C=N, - производного этой кислоты, в котором карбоксильная группа -COOH заменена группой -C=N. Строение важнейших из этих полимеров выражается формулами:

Полиметилакрилат и полиметилметакрилат - твердые, бесцветные, прозрачные, стойкие к нагреванию и действию света, пропускающие ультрафиолетовые лучи полимеры. Из них изготовляют листы прочного и легкого органического стекла, широко применяемого для различных изделий. Из полиакрилонитрила получают нитрон (или орлон) - синтетическое волокно, идущее на производство трикотажа, тканей (костюмных и технических).

Каучуки - эластичные материалы, из которых путем специальной обработки получают резину. В технике из каучуков изготовляют шины для автотранспорта, самолетов, велосипедов; каучуки применяют для электроизоляции, а также для производства промышленных товаров и медицинских приборов.

Натуральный (природный) каучук (HK) представляет собой высокомолекулярный непредельный углеводород, молекулы которого содержат большое число двойных связей; состав его может быть выражен формулой (C 5 H 8) w (где значение п составляет от 1000 до 3000); он является полимером изопрена:

Как видно из этой схемы, при полимеризации изопрена раскрываются обе его двойные связи, а в элементарном звене полимера двойная связь возникает на новом месте - между атомами углерода 2 и 3.

Природный каучук содержится в млечном соке каучуконосных растений, главным образом, тропических (например, бразильского дерева гевея). Другой природный продукт - гуттаперча - также является полимером изопрена, но с иной конфигурацией молекул.

Сырой каучук липок, непрочен, а при небольшом, понижении температуры становится хрупким. Чтобы придать изготовленным из каучука изделиям необходимую прочность и эластичность, каучук подвергают вулканизации - вводят в него серу и затем нагревают. Вулканизованный каучук называется резиной.

При вулканизации сера присоединяется к двойным связям макромолекул каучука и «сшивает» их, образуя дисульфидные «мостики».

В результате вулканизации каучук теряет пластичность, становится упругим.

По способу, предложенному С.В. Лебедевым (1874-1934), исходным материалом для производства синтетического каучука (CK) служит непредельный углеводород бутадиен, или дивинил, который по- лимеризуется подобно изопрену:

По Лебедеву, исходный бутадиен получают из этилового спирта. Теперь разработано получение его из бутана попутного нефтяного газа.

В настоящее время химическая промышленность производит много различных видов синтетических каучуков, превосходящих по некоторым свойствам натуральный каучук. Кроме полибутадиенового каучука (СКВ), широко применяются сополимерные каучуки - продукты совместной полимеризации (сополимеризации ) бутадиена с другими непредельными соединениями, например со стиролом (CKC) или с акрилонитрилом (СКН):

В молекулах этих каучуков звенья бутадиена чередуются со звеньями соответственно стирола и акрилонитрила.

Конденсационные смолы - к ним относят полимеры, получаемые реакцией поликонденсации.

Фенолоформальдегидные смолы. Эти высокомолекулярные соединения образуются в результате взаимодействия фенола (C 6 H 5 OH) с формальдегидом (CH 2 =O) в присутствии кислот (НС1 и др.) или щелочей (NaOH, NH 4 OH) в качестве катализаторов. Образование фенолоформальдегидных смол происходит согласно схеме:

Процесс сопровождается выделением воды. Фенолоформальдегид- ные 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 и т.п.), с пластификаторами, красителями, и из полученной массы изготовляют методом горячего прессования различные изделия. В последние годы фенолоформаль- дегидные смолы нашли новые области применения, например производство строительных деталей из отходов древесины, изготовление оболочковых форм в литейном деле.

Полиэфирные смолы. Примером таких смол может служить продукт поликонденсации двухосновной ароматической терефталевой кислоты с двухатомным спиртом этиленгликолем:

Полиэтилентерефталат - полимер, в молекулах которого многократно повторяется группировка сложного эфира. В России эту смолу выпускают под названием лавсан (за рубежом - терилен , дакрон). Из нее готовят волокно, напоминающее шерсть, но значительно более прочное, дающее несминаемые ткани. Лавсан обладает высокой термо-, влаго- и светостойкостью, устойчив к действию щелочей, кислот и окислителей.

Полиамидные смолы. Полимеры этого типа являются синтетическими аналогами белков. В их цепях имеются такие же, как в белках, многократно повторяющиеся амидные -СО-NH- группы. В цепях молекул белков они разделены звеном из одного С-атома, в синтетических полиамидах - цепочкой из четырех и более С-атомов. Волокна, полученные из синтетических смол, - капрон, энант и анид - по некоторым свойствам значительно превосходят натуральный шелк. В текстильной промышленности из них вырабатывают красивые прочные ткани и трикотаж. В технике используют изготовленные из капрона или анида веревки, канаты, отличающиеся высокой прочностью; эти полимеры применяют также в качестве основы автомобильных шин, для изготовления сетей, различных технических тканей.

Капрон является продуктом поликонденсации аминокапроновой кислоты:

Энант - поликонденсат аминоэнантовой кислоты, содержащей цепь из семи атомов углерода.

Анид (найлон или перлон ) получается поликонденсацией двухосновной адипиновой кислоты HOOC-(CH 2) 4 -COOH и гексамети- лендиамина NH 2 -(CH 2) 6 -NH 2 . Строение цепи анида можно выразить формулой:

Натуральные и химические волокна. Все текстильные волокна, применяемые для производства различных видов пряжи, подразделяют на натуральные и химические.

Натуральными - называют волокна, образующиеся в растениях (хлопковое, льняное и другие волокна, состоящие из целлюлозы) или из выделений живых организмов (шерсть, шелковые нити, выделяемые тутовым шелкопрядом, состоящие из белков),

Химическими - называют все волокна, которые производятся искусственным путем. Их, в свою очередь, подразделяют на искусственные , получаемые при химической переработке природных веществ (главным образом, целлюлозы), и синтетические , изготовляемые из специально синтезируемых химических материалов (главным образом, синтетических высокополимеров).

К искусственным относятся волокна вискозного, ацетатного и медноаммиачного шелка, получаемого переработкой целлюлозы. Примерами синтетических волокон служат рассмотренные выше волокна из полимеров, полученных полимеризацией (нитрон) или поликонденсацией (лавсан, капрон, энант, анид) смол.

Как вы смогли убедиться на примере рассмотрения органических соединений живой природы, многие из них имеют полимерную природу.

Полимерные вещества и материалы на их основе прочно вошли в повседневную жизнь человека. Разнообразие областей их применения требует придания этим веществам свойств, которыми не обладают природные полимеры.

Химики нашли способы химической модификации природных полимеров. При этом основная цепь макромолекул не претерпевает изменений, но в составе вещества появляются новые группы атомов, придающие ему новые физические и химические свойства.

Схематично получение искусственных полимеров можно изобразить следующим образом:

Искусственные полимеры используют для изготовления пластмасс, волокон и других материалов.

Полимер и пластмасса - это не одно и то же. Любая пластмасса содержит полимер, но кроме него в ее состав могут входить и другие компоненты: красители (придают материалу цвет), наполнители (обеспечивают жесткость пластмассы), пластификаторы (делают материал более эластичным, гибким) и др.

Пожалуй, самым удобным природным полимером для химической реконструкции его молекул является целлюлоза.

Первая пластмасса была получена в конце XIX в. в Америке. При обработке целлюлозы концентрированной азотной кислотой в присутствии концентрированной серной кислоты две гидроксильные группы в структурном звене замещаются на нитрогруппы. Полученное вещество называют динитратом целлюлозы:

целлюлоза + HNO 3 → динитрат целлюлозы + вода.

При добавлении к динитрату целлюлозы камфоры (в качестве пластификатора) получают пластмассу молочно-белого цвета, похожую на слоновую кость. Эта пластмасса получила название целлулоид.

Первыми изделиями, которые были изготовлены из целлулоида, стали бильярдные шары, затем мелкие бытовые предметы: расчески, игрушки, линейки. Из нитратов целлюлозы изготавливали кино- и фотопленку.

Большим недостатком целлулоида является его горючесть. Ввиду повышенной пожароопасности область применения целлулоида теперь ограничена. В настоящее время из этого материала изготавливают теннисные шарики и красивую, блестящую облицовку музыкальных инструментов. На основе нитратов целлюлозы изготавливают клей и лаки.

Люди научились многие недостатки веществ обращать в достоинства. Сделать динитрат целлюлозы еще более горючим можно, превратив его в тринитрат. Тринитрат целлюлозы используют в качестве пороха и называют пироксилином.

На основе искусственных полимеров получают не только пластмассы, но и волокна.

Сама целлюлоза - это волокнистый материал. В этом легко убедиться, рассмотрев кусочек медицинской ваты. Из целлюлозных волокон состоят хлопчатобумажные и льняные ткани. Наряду с неоспоримыми преимуществами изделия из хлопка и льна обладают существенными недостатками. Они недостаточно прочны (особенно при намокании), легко мнутся, не имеют блеска, повреждаются грибком.

Этих недостатков лишены изделия из самого распространенного искусственного волокна - ацетатного шелка.

Процесс получения полимера для изготовления ацетатных нитей очень напоминает получение динитрата целлюлозы. Только в этом случае целлюлозу обрабатывают не азотной, а уксусной кислотой. Все три гидроксильные группы структурного звена целлюлозы вступают в реакцию этерификации. В результате образуется полимер с тремя сложноэфирными группами - триацетат целлюлозы:

целлюлоза + СН 3 СООН → триацетат целлюлозы + вода.

Триацетат целлюлозы, в отличие от исходного природного полимера, волокнистой структурой не обладает. Как же изготовить из него нити? Для этого был придуман специальный технологический процесс.

Триацетат целлюлозы растворяют в органическом растворителе до образования вязкого раствора и под большим давлением продавливают его через колпачки со множеством мельчайших отверстий - так называемые фильеры. Струйки раствора обдуваются теплым воздухом, растворитель испаряется, полимер затвердевает в тончайшие нити (рис. 83).

Рнс. 83.
Схема формирования волокон:
1 - фильера; 2 - пучок волокон

Ткани из ацетатного волокна (ацетатного шелка) очень красивы, легко окрашиваются и многофункциональны: из них с одинаковым успехом изготавливают и подкладочный материал, и нарядные бальные платья.

Помимо ацетатного шелка, к искусственным волокнам относятся также вискоза, медно-аммиачное волокно.

Вискозу также получают на основе целлюлозы путем последовательной обработки раствором щелочи, сероуглеродом CS 2 , раствором кислоты. Вискозное волокно по красоте почти не уступает натуральному, оно также гигиенично (пропускает наружу влагу) и, что немаловажно, намного дешевле натурального.

Можно ли совсем отказаться от природного полимерного сырья при производстве пластмасс и волокон? Для современной химии нет ничего невозможного! О синтетических полимерах пойдет речь в следующем параграфе.

Новые слова и понятия

1. Искусственные полимеры.
2. Пластмассы.
3. Целлулоид.
4. Волокна.
5. Ацетатное волокно, вискоза, медно-аммиачное волокно.

Вопросы и задания

1. Какие полимеры называют искусственными? В чем их отличие от природных?
2. Пластмассы иногда называют композиционными материалами. Объясните происхождение этого термина.
3. Какую пластмассу называют целлулоидом? Как и из чего ее получают? Укажите недостаток этого полимера. Перечислите области применения целлулоида.
4. На упаковках с нитроцеллюлозным клеем имеется предупреждение о соблюдении при работе с ним мер пожарной безопасности. С чем это связано?
5. Что такое волокна? Какие натуральные волокна (животного и растительного происхождения) и искусственные волокна вы знаете?
6. К какому типу реакций относят получение триацетата целлюлозы? К какому классу органических соединений относят продукт этой реакции?
7. Как из триацетата целлюлозы формуют волокно? Для чего используют ткани из ацетатного шелка?

Сегодня без применения разнообразных полимеров, пожалуй, невозможно себе представить ни одно Они завоевали господствующее место как в тяжелой индустрии и строительстве, так и в легкой и пищевой промышленности. Что же представляет собой этот чудодейственный материал?

Что такое полимеры

Полимер - это макромолекулярное вещество, состоящее из периодически повторяющихся цепных структур (мономеров). Таких звеньев в полимерной цепи может быть неимоверно много. Их взаимодействие между собой осуществляется с помощью которые способствуют образованию макромолекул.

Полимеры бывают органического либо неорганического происхождения. В органических молекулярных соединениях обязательно присутствие углерода, что не является основополагающим для неорганических или синтетических структур. Органические полимерные соединения бывают элементоорганическими, карбоцепными и гетероцепными.

Кроме этого, полимеры подразделяются еще на природные, искусственные и синтетические. Причем из органических моноцепей с помощью определенных химических реакций получают также искусственные макромолекулярные соединения. Например, шерсть либо хлопок в результате химического процесса превращается в искусственные полимерные волокна.

А в чем отличительные признаки от синтетических? Современные дают возможность искусственного создания или синтезирования полимеров без использования органики, то есть образования из искусственных материалов. Синтетические полимеры получают путем синтеза простых низкомолекулярных субстанций либо из других синтетических полимерных веществ.

Классификация полимеров

Условная систематизация подразделяет их на такие группы:

1. Природные животные полимеры, используемые человечеством довольно давно. Примерами являются следующие: желатин, гликоген.

2. Природные растительные полимеры, которые нам также знакомы. Это крахмал, каучук, лигнин и целлюлоза.

3. Природные минеральные полимеры - это широко используемый кремнезем или минерал кварца, называемый Окрашенный кристаллик становится драгоценным камнем - аметистом. В измельченном виде он превращается в привычный для нас песок.

4. Искусственные полимеры, изготовленные из органических мономеров. Из субстанции целлюлозы при помощи выщелачивания изготавливаются полиэфиры: этилцеллюлоза, бензилцеллюлоза, а также метилцеллюлоза, применяемая в лакокрасочной промышленности. Множество таких веществ изготавливается из шерсти, кожи, меха, шелка и т. д.

5. Синтетические полимеры, широко применяемые во многих производственных отраслях, получили огромное распространение. Например, в легкой промышленности создаются ткани и трикотаж из таких синтетических волокон, как лавсан, нейлон, полипропилен, нитрон. Они очень прочные и практически нестираемые. Синтетические полимеры, представляющие основной состав волокон данных тканей, получают поликонденсацией определенных химических кислот с такими субстанциями, как этиленгликоль, гексаметилендиамин, полиолефин либо полиакрилонитрил. Поэтому основные качества полимеров-«прародителей» передаются и совершенно новым полисоединениям. В итоге мы получаем очень легкие и эластичные материалы с низкой теплопроводностью, стойкие к химическим, физическим и атмосферным воздействиям.

Благодаря многим ценным свойствам, синтетические полимеры нашли себе применение не только в текстильной промышленности, но и в медицине, косметической и парфюмерной промышленности, сельском хозяйстве, автомобилестроении, строительстве, в быту и в других областях.

Определение

Историческая справка

Наука о полимерах

Полимеризация

Виды полимеризации

Исторические данные

Синтетические полимеры . Искусственные полимерные материалы

Полиэтилен

Полистирол

Поливинилхлорид

Пластмассы

Классификация полимеров

Особенности полимеров

Биополимеры

Нуклеиновые кислоты

Полисахариды

Целлюлоза

Крахмал

Поликонденсация

Линейная и трёхмерная поликонденсации

Основные промышленные группы полимеров, синтезируемых поликонденсацией

Поликонденсация в химии природных соединений

Полиамиды

Поликарбонаты

Полиэфиры

Полимеразная цепная реакция

История

Проведение ПЦР

Компоненты реакции

Сополимеры

Полиуретаны

Получение

Свойства

Жидкокристаллический полимер

Эластомер

Термопласты

Полимер это (от греч. πολύ- — «много» и μέρος — «часть») — высокомолекулярное соединение, вещество с большой молекулярной массой (от нескольких тысяч до нескольких миллионов), состоит из большого числа повторяющихся одинаковых или различных по строению атомных группировок — составных звеньев, соединенных между собой химическими или координационными связями в длинные линейные (например, целлюлоза) или разветвленные (например, амилопектин) цепи, а также пространственные трёхмерные структуры.

Часто в его строении можно выделить мономер — повторяющийся структурный фрагмент, включающий несколько атомов. Полимеры состоят из большого числа повторяющихся группировок (звеньев) одинакового строения, называют например поливинилхлорид (—СН2—СНСl—)n, каучук натуральный и др. Высокомолекулярные соединения, молекулы которых содержат несколько типов повторяющихся группировок, называют сополимерами.

Полимер образуется из мономеров в результате реакций полимеризации или поликонденсации. К полимерам относятся многочисленные природные соединения: белки, нуклеиновые кислоты, полисахариды, каучук и другие органические вещества. В большинстве случаев понятие относят к органическим соединениям, однако существует и множество неорганических полимеров. Большое число полимеров получают синтетическим путём на основе простейших соединений элементов природного происхождения путём реакций полимеризации, поликонденсации и химических превращений. Названия полимеров образуются из названия мономера с приставкой поли-: полиэтилен, полипропилен, поливинилацетат...

Благодаря ценным свойствам полимеры применяются в машиностроении, текстильной промышленности, сельском хозяйстве и медицине, автомобиле- и судостроении, в быту (текстильные и кожевенные предмета торговли, посуда, клей и лаки, украшения и другие предметы). На основании высокомолекулярных соединений изготовляют резины, волокна, пластмассы , пленки и лакокрасочные покрытия. Все ткани живых организмов представляют высокомолекулярные соединения.

Историческая справка

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 П. "Истинные" синтетические полимеры к тому времени ещё не были известны.

Ряд П. был, по-видимому, получен ещё в 1-й половине 19 в. Однако химики тогда обычно пытались подавить полимеризацию и поликонденсацию, которые вели к "осмолению" продуктов основной химической реакции, т. е., собственно, к образованию П. (до сих пор П. часто называли "смолами"). Первые упоминания о синтетических П. относятся к 1838 (поливинилиденхлорид) и 1839 (полистирол).

Химия П. возникла только в связи с созданием А. М. Бутлеровым теории химического строения (начало 60-х гг. 19 в.). А. М. Бутлеров изучал связь между строением и относительной устойчивостью молекул, проявляющейся в реакциях полимеризации. Дальнейшее своё развитие (до конца 20-х гг. 20 в.) наука о П. получила главным образом благодаря интенсивным поискам способов синтеза каучука, в которых участвовали крупнейшие учёные многих стран (Г. Бушарда, У. Тилден, нем. учёный К. Гарриес, И. Л. Кондаков, С. В. Лебедев и др.). В 30-х гг. было доказано существование свободнорадикального (Г. Штаудингер и др.) и ионного (американский учёный Ф. Уитмор и др.) механизмов полимеризации. Большую роль в развитии представлений о поликонденсации сыграли работы У. Карозерса.

С начала 20-х гг. 20 в. развиваются также теоретические представления о строении П. Вначале предполагалось, что такие биополимеры, как целлюлоза, крахмал, каучук, белки, а также некоторые синтетические П., 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 (к началу 40-х гг. 20 в.) заставила рассматривать П. как качественно новый объект исследования химии и физики.

Наука о полимерах

Наука о полимерах стала развиваться как самостоятельная область знания к началу Второй мировой войны и сформировалась как единое целое в 50-х гг. XX столетия, когда была осознана роль полимеров в развитии технического прогресса и жизнедеятельности биологических объектов. Она тесно связана с физикой, физической, коллоидной и органической химией и может рассматриваться как одна из базовых основ современной молекулярной биологии, объектами изучения которой являются биополимеры.

Полимеризация

Полимериза́ция (греч. polymeres - состоящий из многих частей) — образования высокомолекулярного вещества (полимера) путём многократного присоединения молекул низкомолекулярного вещества (мономера, олигомера) к активным центрам в растущей молекуле полимера. Молекула мономера, входящая в состав полимера, образует т.наз. мономерное звено. Элементный состав (молекулярные формулы) мономера и полимера приблизительно одинаков.

Обычно мономерами являются соединения, содержащие кратные связи, которые способны, раскрываясь, образовывать новые связи с другими молекулами, обеспечивая рост цепей.

Механизм полимеризации обычно включает в себя ряд связанных стадий:

Инициирование - зарождение активных центров полимеризации;

Рост (продолжение) цепи - процесс последовательного присоединения молекул мономеров к центрам;

Передача цепи - переход активного центра на другую молекулу;

Разветвление цепи - образование нескольких активных центров из одного;

Обрыв цепи - гибель активных центров.

Виды полимеризации

1. В основу классификации полимеризации могут быть положены различные признаки:

Число типов молекул мономеров:

Гомополимеризация — полимеризация одинаковых мономеров;

Сополимеризация — полимеризация двух и более разных мономеров.

2. Природа активного центра и механизм процесса :

Радикальная полимеризация — активными центрами являются свободные радикалы;

Ионная полимеризация — активные центры ионы или поляризованные молекулы;

3. Фазовое состояние мономеров:

Газофазная полимеризация;

Жидкофазная полимеризация;

Твердофазная полимеризация.

4. Структура области, в которой сосредоточены активные центры:

Объемная полимеризация — полимеризация во всем объёме мономера;

Фронтальная полимеризация — полимеризация в узком распространяющемся фронте;

Эмульсионная полимеризация — полимеризация на поверхности высокодиспергированных частиц мономера в эмульсии.

5. Способ инициирования:

Фотополимеризация;

Термическая полимеризация;

Радиационная полимеризация и др.

6. Структурные особенности полученного полимера:

Стереорегулярная полимеризация — полимеризация с образованием полимеров с упорядоченной пространственной структурой;

7. Технологические особенности полимеризации:

Полимеризация при высоком давлении и др.

8. Химическая природа мономеров:

Полимеризация олефинов и др.

В основе химических превращений полимеров лежит замена одних функциональных групп на другие, что проходит без изменения степени полимеризации.

Исторические данные

Полимеризация была открыта ещё в середине XIX века, практически одновременно с выделением первых способных к полимеризации мономеров (стирола, изопрена, винилхлорида, метакриловой кислоты и др.). Однако суть полимеризации как цепного процесса образования истинных химических связей между молекулами мономера была понята лишь в 20—30-е гг. XX века благодаря работам Г. Штаудингера, С. В. Лебедева, Б. В. Бызова, К. Циглера. В 1922 химик Штаудингер доказал, что полимеры представляют собой соединения, состоящие из больших молекул, атомы которых связаны между собой ковалентными связями.

Синтетические полимеры. Искусственные полимерные материалы

Человек давно использует природные полимерные материалы в своей жизни. Это кожа, меха, шерсть, шелк, и т.п., используемые для изготовления одежды, различные связующие (цемент, известь, глина), образующие при соответствующей обработке трехмерные полимерные тела, широко используемые как строительные материалы. Однако цепных полимеров началось в начале XX в., хотя предпосылки для этого создавались ранее.

Практически сразу же промышленное производство полимеров развивалось в двух направлениях - путем переработки природных органических полимеров в искусственные полимерные материалы и путем получения синтетических полимеров из органических низкомолекулярных соединений.

В первом случае крупнотоннажное производство базируется на целлюлозе. Первый полимерный материал из физически модифицированной целлюлозы - целлулоид - был получен еще в начале XX в. Крупномасштабное производство простых и сложных эфиров целлюлозы было организовано до и после Второй мировой войны и существует до настоящего времени. На их основе производят пленки, волокна, лакокрасочные материалы и загустители. Необходимо отметить, что развитие кино и фотографии оказалось возможным лишь благодаря появлению прозрачной пленки из нитроцеллюлозы.

Производство синтетических полимеров началось в 1906 г., когда Л. Бакеланд запатентовал так называемую бакелитовую смолу - товар конденсации фенола и формальдегида, превращающийся при нагревании в трехмерный полимер. В течение десятилетий он применялся для изготовления корпусов электротехнических приборов, аккумуляторов, телевизоров, розеток и т.п., а в настоящее время чаще используется как связующее и адгезивное вещество.

Благодаря усилиям Генри Форда, перед Первой мировой войной началось бурное развитие автомобильной индустрии сначала на основе натурального, затем также и синтетического каучука. Производство последнего было освоено накануне Второй мировой войны в Союзе Советских Социалистических Республик (), Англии, Республики Германии и США. В эти же годы было освоено промышленное производство полистирола и поливинилхлорида, являющихся прекрасными электроизолирующими материалами, а также полиметилметакрилата - без органического стекла под названием «плексиглас» было бы невозможно массовое самолетостроение в годы войны.

После войны возобновилось производство полиамидного волокна и тканей (капрон, нейлон), начатое еще до войны. В 50-х гг. XX в. было разработано полиэфирное волокно и освоено производство тканей на его основе под названием лавсан или полиэтилентерефталат. Полипропилен и нитрон - искусственная шерсть из полиакрилонитрила замыкают список синтетических волокон, которые использует современный человек для одежды и производственной деятельности. В первом случае эти волокна очень часто сочетаются с натуральными волокнами из целлюлозы или из белка (хлопок , шерсть, шелк). Эпохальным событием в мире полимеров явилось открытие в середине 50-х годов XX столетия и быстрое промышленное освоение катализаторов Циглера-Натта, что привело к появлению полимерных материалов на основе полиолефинов и, прежде всего, полипропилена и полиэтилена низкого давления (до этого было освоено производство полиэтилена при давлении порядка 1000 атм.), а также стереорегулярных полимеров, способных к кристаллизации. Затем были внедрены в массовое производство полиуретаны - наиболее распространенные герметики, адгезивные и пористые мягкие материалы (поролон), а также полисилоксаны - элементорганические полимеры, обладающие более высокими по сравнению с органическими полимерами термостойкостью и эластичностью.

Список замыкают так называемые уникальные полимеры, синтезированные в 60-70 гг. XX в. К ним относятся ароматические полиамиды, полиимиды, полиэфиры, полиэфир-кетоны и др.; непременным атрибутом этих полимеров является наличие у них ароматических циклов и (или) ароматических конденсированных структур. Для них характерно сочетание выдающихся значений прочности и термостойкости.

Полиэтилен

Термопластичный полимер белого цвета. Полиэтилен — полимер этилена (этена).

В промышленности его получают полимеризацией этилена при высоком давлении и низком или среднем давлении. Структура и свойства полиэтилена определяются способом его получения. Среднемассовая молекулярная масса наиболее распространённых марок 30-800 тыс.; степень кристалличности и плотность при 20?С составляют соответственно 50% и 0,918-0,930 г/см3 Для полиэтилена низкой плотности и 75-90% и 0,955-0,968 г/см3 для полиэтилена высокой плотности. С увеличением плотности возрастают твёрдость, модуль упругости при изгибе, предел текучести, химическая стойкость. Полиэтилен сочетает высокую прочность при растяжении (10-45 Мн/м2, или 100-450 кгс/см2) с эластичностью (относительное удлинение при разрыве 500-1000%). Он обладает хорошими электроизоляционными свойствами (например, тангенс угла диэлектрических потерь 2Ч10-4-4Ч10-4 при температурах от -120 до 120?C и частоте 10-50 кгц). Устойчив к действию щелочей любых концентраций, органических кислот, концентрированных соляной и плавиковой кислот; разрушается азотной кислотой, хлором и фтором; выше 80 C растворяется в алифатических и ароматических углеводородах и их галогенопроизводных; сравнительно стоек к радиоактивным излучениям; безвреден; интервал рабочих температур от -80 ё -120 до 60 ё 100 C.

Полиэтилен - один из самых дешёвых полимеров, сочетающий ценные свойства со способностью перерабатываться всеми известными для термопластов высокопроизводительными методами. Поэтому в мировом производстве полимеризационных пластиков полиэтилен занимает первое место.

Из полиэтилен изготовляют плёнки, трубы (в т. ч. для сточных вод и агрессивных жидкостей, магистральные трубопроводы), профилированные предмета торговли , изоляцию для проводов и кабеля, ёмкости (бутыли, канистры, цистерны), гальванические ванны, санитарно-технические предмета торговли, волокна и др., широко применяемые в различных отраслях техники, сельском хозяйстве и в быту. Наибольшее распространение получил полиэтилен низкой плотности. Большое техническое значение имеют также продукты хлорирования и хлорсульфирования полиэтилен.

Полимеры представляют собой обширный класс высокомолекулярных соединений, имеющих как органическое, так и искусственное происхождение. Отличительной чертой полимеров является значительная молекулярная масса и особая структура, объединяющая множество повторяющихся элементов путем особой химической связи. Таким образом, полимерный материал состоит из цепочек мономерных звеньев, при этом, структура связей может быть как линейной, так и пространственной. По типу основы (мономера) полимерные материалы классифицируют на органические (на основе атомов углерода) и неорганические (не содержащие углеродных элементов в основной структуре). Неорганические полимеры в природе, чаще всего, представлены в виде минералов (кварц) и не обладают эластичностью — одним из основных свойств органических полимеров, являющихся главным строительным материалом всего живого мира. Говоря о полимерах, практически всегда, подразумевают, именно, органические соединения, поскольку все уникальные свойства данного материала (упругость, легкость переработки, малый вес и эластичность) характерны только для них.

структура органического полимера структура неорганического полимера

Возникновение и развитие рынка промышленных полимеров

Особые свойства, определившие невероятно широкое распространение органических полимеров в животном и растительном биологических царствах, не могли остаться незамеченными человеком. На протяжении веков, многие пытались получить подобные материалы искусственным путем. Но, совершить подобное открытие стало возможным лишь с развитием новой науки — химии. Первые, созданные человеком, полимеры были получены на основе натуральных компонентов (целлюлоза, латекс), и получили название искусственных. Резина, полученная в середине 19 века методом вулканизации природного каучука (латекса), содержащегося в соке деревьев рода гевеи, стала самым ранним представителем искусственных полимеров.

Вторым этапом, стало использование в качестве сырья модифицированных натуральных компонентов. Так, в конце 19 века, был открыт и запатентован целлулоид, произведенный на основе нитроцеллюлозы и камфоры. В начале 20 века, с развитием автомобильной и военной промышленности спрос на новые материалы, обладающие легкостью, эластичностью и высокой прочностью, существенно вырос. Рынок природного каучука расширялся и не мог обеспечить столь значительные промышленные потребности. Эффективным решением становятся синтетические полимеры, получаемые полностью из искусственного сырья. Полученная в начале 20 века, на основе фенола и формальдегида, бекелитовая смола, становится первым синтетическим полимером. Обладая всеми конструкционными характеристиками искусственных полимеров, синтетические материалы имеют перед ними значительное преимущество — низкую себестоимость, что делает их производство крайне выгодным в экономическом плане. Назревающая угроза Второй мировой войны спровоцировала новый виток развития полимерной промышленности. Изобретение, столь популярных в наше время синтетических полимеров — полиметилметакрилата (оргстекла), поливинилхлорида и полистирола, относится, именно, к этому историческому периоду.

В послевоенное время развитие рынка полимеров продолжилось с новой силой, поскольку для восстановления колоссальных разрушений требовались недорогие, быстропроизводимые и легкотранспортируемые материалы. Создаются важные для промышленности синтетические полимеры: полиэтилен, полипропилен, полиамиды, поликарбонаты, полиакрилы, полиэфиры и полиуретаны. Постепенно, синтетические полимеры вытесняют дорогие натуральные и сложные в получении искусственные аналоги и, в итоге — практически полностью завоевывают рынок. В наше время, изделия на основе синтетических полимеров востребованы как никогда ранее. Они используются практически во всех отраслях народного хозяйства РФ. Современные исследования сделали возможным освоение производства новейших типов и модификаций синтетических полимеров (кремнийорганические и металлорганические полимеры, фторопласты), а также — множества композиционных материалов на полимерной основе.

Уникальные свойства синтетических полимеров

Себестоимость синтетических полимеров крайне низка, поскольку сырье для их производства, чаще всего, является побочным продуктом перегонки нефти. Способность полимеров при нагревании переходить в высокоэластичное (иногда — вязкотекучее) состояние позволяет материалу принимать любую форму и равномерно окрашиваться. А относительно малый вес готовых изделий позволяет существенно удешевить их транспортировку, монтаж и эксплуатацию. Новейшие технологии переработки позволяют производить качественные полимерные имитации практически всех натуральных фактур (древесина, камень, холст, минеральные штукатурки и т.д.), а также – создавать новые современные, с оригинальной графикой и орнаментом.

Экологичность промышленных полимеров

Промышленные полимеры, как, впрочем, и любые материалы, не лишены недостатков, и эти недостатки, к сожалению, касаются одного из основных свойств любого строительно-отделочного материала – экологичности. Характерным свойством синтетических полимеров являются их исключительные возможности в части модификации. Путем ввода в материал определенного набора целевых добавок (красителей, стабилизаторов, отвердителей, пластификаторов, антипиренов, антистатиков, антифрикционных и упрочняющих компонентов и т.д.)., можно точно варьировать такие свойства готового изделия, как: вес, прочность, эластичность, теплопроводность, электризуемость и т.д. Именно это, столь ценное в технологическом ракурсе, свойство, является одним из основных факторов токсичности синтетических полимеров, поскольку многие подобные добавки являются веществами повышенной опасности, и, даже, экологически безвредный полимер может содержать значительную долю дополнительных веществ, представляющих угрозу для здоровья человека. В полимер могут вводиться, также, и вполне экологичные добавки, произведенные на основе натуральных компонентов, однако — доля их незначительна, в сравнении с веществами, полученными искусственным путем, к тому же — полимерный материал, содержащий натуральный элемент, чаще всего, также, содержит и значительное количество далеко не экологичных синтетических веществ. Стоит заметить, что, практически, любая синтетическая добавка, по прошествии определенного количества времени, либо же — сразу, начинает испаряться из полимерного изделия в окружающую среду, поэтому, чем более агрессивные компоненты применялись при производстве полимера – тем он более опасен для человека. Ситуация усугубляется тем, что многие отечественные производители, ввиду отсутствия экологического надзора, умышленно, либо, халатно, допускают серьезные технологические нарушения в процессе производства изделий, а также — недостоверно отражают их полный химический состав на упаковке.

В противовес данному суждению существует официально утвержденная во многих странах система допустимых концентраций опасных веществ в изделиях широкого потребления, согласно которой определенные количества токсичных добавок в готовом продукте можно признать безопасными. Однако, практика применения как самих синтетических полимеров, так и целевых добавок, не столь продолжительна, чтобы предоставить в достаточной мере достоверную информацию об их опасности для человека, либо об отсутствии таковой. Вполне очевидно, что относительно новые для организма человека химические компоненты, синтезированные за период, продолжительностью менее ста лет, могут влиять на него только, в той или иной степени, отрицательно. О степени же такого влияния остается судить нам самим, поскольку, учитывая индивидуальные различия организмов людей, а также — малый срок лабораторных наблюдений (если таковой существует), вывод о безопасности синтетических полимеров будет, по-меньшей мере, наивным.

Кроме того, нельзя забывать и о, не менее значительных, глобальных экологических последствиях использования синтетических полимеров — загрязнении окружающей среды. Промышленные полимеры практически не разлагаются, а их сжигание приводит к выбросу в атмосферу высокотоксичных канцерогенов (диоксины, хлор, фосген, винилхлорид). Таким образом, естественная утилизация материалов становится невозможной. При этом, стоит отметить и довольно низкую долговечность большинства бытовых изделий, произведенных из полимеров, что, в конце концов, приводит к повышенному объему мусора, нуждающегося в утилизации. Данный фактор компенсирует еще одно характерное свойство полимеров, часто приводимое производителями в качестве неоспоримого аргумента в пользу их применения – способность к многократной переработке. То есть, изделие, изготовленное из полимерного материала, может проходить несколько циклов перерождения, что должно представляться как большое преимущество. Однако, с другой стороны — более качественное и долговечное изделие из натурального материала, Вам не придется приобретать и выбрасывать так часто. Массовая пропаганда недорогих синтетических изделий усугубляет ситуацию, заставляя нас приобретать откровенно ненужные вещи. При этом, отечественная практика переработки полимеров развита крайне плохо и не способна качественно и безопасно утилизировать огромные количества полимерных отходов. Само понятие экологичности синтетических полимеров довольно долгое время являлась наименее интересной темой для исследований, часто, уступая место более коммерциализированным аспектам их применения. Только в относительно недавнее время, и, к сожалению, пока что, лишь за рубежом — производители всерьез заинтересовались аспектами утилизации полимерных изделий. Были разработаны и внедрены в производство, так называемые, биоразлагаемые модификации полимеров, оказывающие минимальное загрязняющее воздействие на окружающую среду. Однако, их доля в общем количестве материалов, пока еще, остается незначительной.

Классификация синтетических полимеров и изделий на их основе

Типы материалов на полимерной основе

Синтетические полимеры служат основой для производства строительных и отделочных материалов различного типа. Изделия, имеющие в своем составе синтезированные полимерные компоненты можно условно разделить на несколько типов:

1. Жи дкие (текучие) материалы — лаки, краски, герметики, грунтовочные, клеевые и защитные составы. Материалы в жидкой фазе, в которых полимер используется в качестве пленкообразующего, либо — растворителя;

2. Тв ердые материалы — материалы с определенной формой — жесткие (пластики), либо эластичные (резины). В свою очередь, делятся на:

• Однородные . Материалы, состоящие из полимера одного типа. Изделия из однородных полимеров имеют низкую стоимость, они просты в изготовлении и, чаще всего, применяются в хозяйственно-бытовой сфере (тара, мелкие аксессуары и упаковка);
• Композиционные . Прочные и долговечные композиционные материалы обладают широчайшими возможностями как в конструкционном, так и в эстетическом отношениях. Современные полимерные композиты занимают лидирующие позиции в сферах строительства и отделки. Их применяют для изготовления деталей и корпусов техники, конструкционно-отделочных материалов, мебели и интерьерных аксессуаров. В композитах полимер выступает в качестве связующего (полимерной матрицы), наполнителем (армирующим компонентом) может служить как натуральный, так и синтетический материал (полимер другого типа). Использование наполнителей обеспечивает дополнительную прочность, жесткость и упругость готового изделия, либо удешевляет его себестоимость. По типу наполнителя, полимерные композиты классифицируются на:

Стеклопластики – полимерные материалы, при изготовлении которых в качестве наполнителя используется стекловолокно. Высокопрочные, устойчивые к внешним воздействиям долговечные стеклопластики широко применяются в строительстве в качестве армирующего компонента. Их часто используют для изготовления конструкционно-отделочных материалов (опор, облицовочных панелей, рамных конструкций), а также элементов мебели и корпусов бытовой техники;

Углепластики – композиционные материалы, армированные углеродными волокнами. Прочность и упругость углепластиков не уступает характеристикам конструкционных сплавов, при этом, полимерный композит существенно легче металла. Однако, ввиду высокой технологичности производства — изделия на основе углепластиков имеют достаточно высокую стоимость. Материал, чаще всего, применяется в качестве армирующего компонента при выполнении строительных и восстановительных работ. Из углепластиков производят детали и корпуса бытовых приборов, а также — конструкционно-отделочные элементы повышенной ответственности (декоративные опоры и объемные инсталляции).

Боропластики – композиты, изготавливаемые путем армирования полимерной матрицы волокнами бора (нитями, жгутами или лентами). Из-за высокой стоимости сырья, боропластики являются весьма дорогостоящим материалом и применяются в ответственном строительстве и машиностроении.

Текстолиты – пластики, армированные тканевым материалом, произведенным из натурального или синтетического волокна (шифон, бязь, миткаль, бельтинг, асбестовая ткань, стеклоткань). В качестве строительно-отделочного материала наиболее часто применяются материалы на основе стеклоткани — стеклотекстолиты (стеновые панели, элементы кровли).

Древесно-полимерные композиты – производятся с использованием в качестве наполнителя древесного материала различного типа: шпона (фанера, древесно-слоистые пластики), массива (столярные щиты, брус), волокон, муки, щепы (ДСП, МДФ). Обладая достаточной прочностью и низкой себестоимостью, древесно-полимерные композиты имеют широчайшую сферу использования. Их применяют для производства конструктивов (опор и облицовок), мебели, отделочных материалов (ламината, паркетной доски, декоративных панелей и плиток), интерьерных элементов (окна, двери, столешницы, подоконники, ступени и перила), а также предметов быта и аксессуаров (посуда, вазы, скульптуры и инсталляции).

Бумажно-слоистые пластики – композиты, армированные плотной крафт бумагой. Чаще всего, применяются для производства верхнего (декоративного) слоя отделочных элементов (дверей, окон, столешниц, лестниц), мебели и бытовых аксессуаров.

Порошковые композиты – полимерные материалы, в составе которых присутствуют наполнители в виде порошков органического, реже — искусственного происхождения. Подобные наполнители, очень часто, применяются для существенного снижения себестоимости готового изделия, а также, в некоторых случаях, играют роль красителя. Эффективными порошковыми добавками являются: древесная и кварцевая мука, тальк, карбонат кальция, сажа, каолин, асбест, целлюлоза, скорлупа ореха, пищевые отходы (жмых и шелуха), крахмал. Порошковые композиты применяются для производства корпусов и деталей бытовой техники, предметов быта (хозяйственные изделия, посуда), а также — интерьерных аксессуаров.

3. Газонаполненные материалы — также известные как пенопласты. Легкие пористые изделия, состоящие из полимерной основы и газообразного наполнителя. Применяются, чаще всего, в качестве утеплителя, а также для производства упаковочной продукции.

Классификация полимеров

В процессе производства твердых полимерных материалов используется их способность переходить в высокопластичное и вязкотекучее состояния при нагреве до определенных температур, а также — способность к многократной переработке. Однако, при нагреве, полимеры проявляют различные свойства, и, именно, температурные эффекты лежат в основе принципиального разделения полимеров на два типа:

1. Термопластичные полимеры (термопласты) – полимеры, способные к многократному переходу в высокопластичное состояние. Таким образом, при повторном нагревании готового изделия, материал вновь размягчается, а затем, остывая, затвердевает в новой форме. Термопласты отличаются мягкостью и гибкостью, они универсальны в использовании. Многие термопластичные полимеры относительно хорошо перерабатываются в России и наносят гораздо меньший ущерб окружающей среде. Отсутствие у термопластов склонности к сшиванию (образованию устойчивых сетчатых молекулярных связей) позволяет использовать для их переработки любой из трех основных технологических методов — формование, литье и экструзию;
2. Термореактивные полимеры (реактопласты) – полимеры, которые могут быть переработаны в изделие лишь однократно. При повторном нагревании материала происходит деструкция (разрушение) его молекулярной структуры, часто сопровождаемая выделением токсичных веществ. Имея малый вес, реактопласты обладают высокой прочностью, упругостью и термостойкостью, что позволяет весьма эффективно использовать их для производства конструкционных и конструкционно-отделочных материалов. Сшитая структура реактопластов позволяет производить из них не только высокопрочные изделия, но и материалы с повышенной гибкостью и способностью к восстановлению первоначальной формы (резины). В то же время – сетчатая структура полимеров не позволяет использовать в производственном цикле высокие температуры, вследствие чего, большая часть термореактивных пластиков перерабатывается в готовые изделия методом компрессионного формования, либо — литья с подпрессовкой. Экологичная утилизация термореактивных полимеров крайне затруднительна, и на территории России их практически не перерабатывают.

Термопластичные полимеры

Полиэтилен высокого давления (низкой плотности) (ПВД)

Используется для производства порошковых композитов (изоляционные покрытия), а также для изготовления гидроизоляционных пленок, вспененных термоизоляционных материалов, покрытий (линолеум), а также канализационных труб.

Полиэтилен низкого давления (высокой плотности) (ПНД)

Более жесткий тип полиэтилена. В качестве связующего, применяется для производства наиболее экологичных конструкционных композитов. Является основой для изготовления напорных труб водоснабжения (металлопластиковые трубы), корпусов техники и бытовых принадлежностей.

Чистый полиэтилен, при соблюдении технологических норм производства и правильных условий эксплуатации не токсичен, однако – некоторые типы целевых добавок (сложные эфиры), способны значительно повысить опасность его применения, особенно в условиях воздействия прямых солнечных лучей и высоких температур, некоторые изделия при нагреве выделяют токсичный формальдегид. Изделия на основе полиэтилена успешно перерабатываются, в том числе — на территории РФ.

Полипропилен (ПП)

Используется для изготовления полимерных труб, декоративных молдингов, ковролина и интерьерных аксессуаров, а также – в качестве связующего при производстве композитов. Является безопасным для здоровья человека полимером. По аналогии с полиэтиленом, экологичность готовых изделий в значительной степени зависит от технологии производства и химического состава. Некоторые типы материала могут стать источником опасного для здоровья формальдегида. Изделия из полипропилена эффективно перерабатываются в России.

Поливинилхлорид (ПВХ)

Служит основой для изготовления множества изделий. В своей универсальности, ПВХ не имеет равных — его используют для производства одежды, обуви, технических деталей, конструкционно-отделочных материалов (кабельная изоляция, линолеум, натяжные пленочные потолки, оконные и дверные профили, искусственная кожа, виниловые обои, декоративные самоклеящиеся пленки, отделочные панели, молдинги, ступени и перила, элементы мебели и т.д.). К сожалению, ПВХ является довольно неэкологичным полимером. Основную угрозу представляют диоксины и фосген, выделяющиеся при сжигании изделий на основе поливинилхлорида. Кроме того, изделия из ПВХ могут стать источником выделения токсичного винилхлорида, а также, ряда опасных веществ применяемых в качестве добавок — фталатов, бисфенола А (БФА), соединений ртути, кадмия и свинца. Изделия из ПВХ успешно перерабатываются за рубежом.

Полистирол (ПС)

Используется в качестве связующего при производстве стеклопластиков, углепластиков и порошковых композитов. В отделке интерьера применяются потолочные плитки и профили из полистирола. Изделия могут выделять ядовитые пары стирола. Особенно опасным материал становится в процессе горения. Изделия на основе полистирола перерабатываются на территории РФ.

Полиэтилентерефталат (ПЭТ)

Чаще всего, применяется для производства пищевой тары, а также — деталей бытовых приборов. Может оказывать токсическое воздействие при нарушении технологии производства, вследствие избыточного содержания фталатов. Повторное использование полиэтилентерефталата в пищевой индустрии запрещено, из-за значительного возрастания токсичности вторичного сырья. Полиэтилентерефталат успешно перерабатывается на территории РФ.

Акрилонитрилбутадиенстирол (АБС)

Ударопрочные и легкие АБС пластики применяются для производства корпусов бытовых приборов, мебели и санитарной техники. Изделия могут выделять пары стирола. Особо токсичные свойства материал приобретает при нагревании. АБС склонен к деструкции при длительном воздействии прямых солнечных лучей, из-за чего применение материала вне помещений ограничено.

Полиакрилаты

Полимеры на основе акриловой кислоты широко применяются для производства наиболее экологичных синтетических отделочных покрытий (акриловых красок, шпаклевок, лаков и фактур), а также — относительно безопасных герметиков. Полиметилметакрилат используется для производства прозрачных конструкционно-отделочных материалов (оргстекло или плексиглас), а также — сантехнических приборов (акриловые раковины, мойки и ванны). Изделия на основе акрилатов могут приобретать токсичные свойства, вследствие избыточного содержания целевых добавок (фталатов).

Полиамиды

Применяется для изготовления лаков, клеев, синтетического волокна, а также — в качестве связующего при производстве конструкционно-отделочных композитов — стеклопластиков и углепластиков. В интерьере, широко применяются напольные покрытия изготовленные из полиамидного волокна (ковролин). Также, прочные полиамиды используют для производства корпусов и деталей бытовой техники. При соблюдении технологических норм — полиамиды экологически безопасны. Экологичность изделий определяется наличием в составе избыточной концентрации токсичных целевых добавок.

Полиэстер

Служит основой для производства искусственной шерсти, используемой для изготовления покрытий (ковролин) и изоляционных материалов. Мажет вызывать раздражение слизистых оболочек и аллергические реакции.

Поликарбонат

Используется для производства прозрачных конструкционно-отделочных материалов (сотовый поликарбонат). Может представлять опасность для здоровья, вследствие содержания в готовых изделиях токсичного БФА.

Кремнийорганические полимеры (силиконы)

Служат основой для производства смазочных, защитных и герметизирующих веществ. Изделия низкого качества могут выделять вещества, вызывающие аллергические реакции.

Термореактивные полимеры

Фенолформальдегидные смолы

Служат основой для производства практически всех типов полимерных композиционных материалов (древесно-полимерные композиты, стеклопластики, углепластики и порошковые композиты), а также — лаков, красок, герметизирующих и клеевых составов. Пластики, изготовленные на основе фенолформальдегидных смол называют фенопластами. Различные типы фенопластов используют для производства корпусов электрооборудования (розеток, вилок, выключателей и т.д.), деталей бытовой техники, интерьерных аксессуаров, кухонных принадлежностей (ручек и держателей). Изделия на основе фенолформальдегидных смол могут представлять серьезную опасность, вследствие выделения токсичных компонентов (фенола, формальдегида).

Амино-альдегидные смолы

Используются для производства пластиков (аминопластов), а также — эмалей, клеевых составов и лаков. Материалы на основе амино-альдегидных смол широко применяются в качестве строительных и отделочных материалов (слоистые пластики, вспененные пластики, искусственный камень, детали электрооборудования, мебели и бытовых приборов, декоративные отделочные элементы и аксессуары. Могут проявлять токсичность, из-за выделения паров формальдегида.

Эпоксидные смолы

На основе эпоксидных смол производят прочнейшие клеи, лаки, ламинирующие покрытия, затирки для швов, а также, полимерные композиты (слоистые пластики, стеклопластики, стеклотекстолиты, боропластики и углепластики). Эпоксидные соединения могут вызывать аллергические реакции со стороны кожных покровов и органов дыхания.

Полиэфирные смолы

В качестве связующего, применяются для производства стеклопластиков, стеклотекстолитов и углепластиков. На основе полиэфирных смол изготавливают лакокрасочные материалы отделочные панели, искусственный камень (столешницы, подоконники) и санитарную технику (раковины, мойки). Токсичность материалов обусловлена выделением паров стирола, толуола, метилметакрилата.

Полиуретаны

Применяются для производства лаков, клеевых составов,герметизирующих и изоляционных материалов. Широкое распространение в сферах строительства и отделки получил вспененный полиуретан (монтажная пена). Легкий полиуретан, также, применяется для производства декоративных интерьерных элементов (молдинги, цоколи, плинтусы), особой популярностью пользуются изделия, имитирующие массивные античные декоры (колонны, арки, капители, фризы и т.д.). После окончательного затвердевания считается не токсичным, однако, при нарушении технологии производства, может оказывать значительное раздражающее воздействие на кожу и органы дыхания.

Нитроцеллюлоза

Используется для производства лакокрасочных материалов — нитроэмалей и нитролаков, обладающих высокими эстетическими качествами и низкой стоимостью, но, при этом, крайне токсичных, вследствие присутствия в составе растворителей (ацетон, бутилацетат, амилацетат). По причине высокой токсичности, в некоторых странах нитролаки и нитроэмали запрещены к применению.

Полиакрилонитрил

Является основой для производства уплотнителей (резин), а также искусственного (нитронового) волокна, которое широко применяется для изготовления ковровых покрытий и изоляционных материалов. Поскольку акрилонитрил является высокотоксичным веществом — изделия на основе нитронового волокна могут вызывать раздражение слизистых оболочек и аллергические реакции.

Синтетические каучуки

Используются в качестве сырья для получения резин путем вулканизации. Резиновые изделия имеют широкое применение практически во всех сферах народного хозяйства. На их основе производят клевые и герметизирующие составы, изоляционные материалы, защитные покрытия, а также детали отделочного инструмента и бытовой техники. Токсичность промышленных резин обусловлена содержанием в них опасных для здоровья человека целевых добавок, наиболее агрессивными среди которых являются соединения серы и производные фталевой кислоты.

Промышленные полимеры — безусловная реальность

Несмотря на столь противоречивые аспекты интерьерного применения синтетических полимеров, довольно сложно представить себе современный интерьер совершенно без их участия. Даже если Вы сможете полностью избавиться от присутствия синтетических компонентов в элементах интерьерной отделки, бытовых принадлежностях и аксессуарах — то вряд ли Вам удастся найти качественную и функциональную технику, не имеющую деталей и элементов, произведенных на основе синтезированных материалов. Таким образом, использование промышленных полимеров в нашем жилом пространстве — это реальность, оспаривать которую невозможно, но тем не менее очень многое зависит от того — насколько грамотно подойти к выбору изделий для оформления своего интерьера. Сегодня, в зарубежной практике, сформировалась устойчивая тенденция к повышению как общего качества, так и экологичности химического состава и технологического процесса производства и утилизации промышленных полимеров. Важнейшей предпосылкой к этому явилось нежелание потребителей приобретать товары непродолжительного срока службы, которые к тому же крайне небезопасны для использования. Именно это в конечном счете привело к созданию экологических организаций и эколейблов, осуществляющих контроль и сертификацию производства промышленных полимеров. К сожалению, в России, ввиду пока еще малой заинтересованности потребителей в экологичности своего жилища — подход к данным проблемам по-прежнему остается чисто коммерческим. Обращая внимание на качество и долговечность изделия, его химический состав, технологию производства и методы утилизации, каждый из нас помогает изменить сложившуюся ситуацию в лучшую сторону.