Пластмассы и полимеры: Полимеры и пластмассы: основные понятия и определения

alexxlab | 24.03.1989 | 0 | Разное

52. Полимеры, пластмассы. Материаловедение. Шпаргалка

52. Полимеры, пластмассы

Полимеры – это вещества, макромолекулы которых состоят из многочисленных повторяющихся элементарных звеньев, которые представляют одинаковую группу атомов. Молекулярная масса молекул составляет от 500 до 1000000.

В молекулах полимеров различают главную цепь, которая построена из большого числа атомов. Боковые цепи имеют меньшую протяженность.

Полимеры, главная цепь которых содержит одинаковые атомы, называют гомоцепными, а если атомы углерода – карбоцепными. Полимеры, в главной цепи которых содержатся различные атомы, называют гетероцепными.

Макромолекулы полимеров по форме делят на линейные, разветвленные, плоские, ленточные, пространственные или сетчатые.

Линейные макромолекулы полимера – длинные зигзагообразные и скрученные в спираль цепочки, которым присуща гибкость, ограничивающаяся жесткими участками – сегментами, состоящими из нескольких звеньев. Такие макромолекулы обладают высокой прочностью вдоль главной цепи, слабо связаны между собой и обеспечивают высокую эластичность материала.

Нагрев вызывает размягчение, а последующее охлаждение – затвердевание полимера (полиамид, полиэтилен).

Разветвленная макромолекула содержит боковые ответвления и это затрудняет сближение макромолекул и понижает межмолекулярное взаимодействие. Полимеры с такой формой отличаются пониженной прочностью, повышенной плавкостью и рыхлостью. Сшитые формы макромолекул свойственны более прочным, нерастворимым и неплавким полимерам, склонным к набуханию в растворителях и размягчению при нагревании.

Макромолекулы полимеров обладают гибкостью.

Пластмассы (пластики) – это органические материалы на основе полимеров, которые способны при нагреве размягчаться и под давлением принимать определенную устойчивую форму. Простые пластмассы состоят из одних химических полимеров. Сложные пластмассы включают добавки: наполнители, пластификаторы, красители, отвердители, катализаторы.

Наполнители в пластмассы вводят в количестве 40–70 % для повышения твердости, прочности, жесткости, придания особых специфических свойств. Наполнителями могут быть ткани и порошкообразные, волокнистые вещества.

Пластификаторы (стеарин, олеиновая кислота) способствуют повышению эластичности, пластичности и облегчают обработку пластмасс.

Отвердители (амины) и катализаторы (перекисные соединения) вводят в пластмассы для отверждения.

Красители (минеральные пигменты, спиртовые растворы органических красок) придают пластмассам определенную окраску и снижают их стоимость. Состав компонентов, их сочетание и количественное соотношение позволяют изменять свойства пластмасс в широких пределах. Пластмассы классифицируют по признакам.

По виду наполнителя: с твердым наполнителем; с газообразным наполнителем.

По реакции связующего полимера к повторным нагревам. Термопластичные пластмассы на основе термопластичного полимера размягчаются при нагреве и затвердевают при последующем охлаждении (чистые полимеры или композиции полимеров с пластификаторами, противостарителями).

Термопласты отличаются низкой усадкой 1–3%. Для них характерны малая хрупкость, большая упругость и способность к ориентации.

Термореактивные пластмассы на основе термореактивных полимеров (смол) после тепловой обработки – отверждения – переходят в термостабильное состояние и отличаются хрупкостью, имеют большую усадку 10–15 % и содержат в своем составе наполнители.

По применению подразделяются на группы: конструкционные – для силовых деталей и конструкций, для несиловых деталей; прокладочные, уплотнительные; фрикционные и антифрикционные; электроизоляционные, радиопрозрачные теплоизоляционные; стойкие к воздействию огня, масел, кислот; облицовочно-декоративные.

Полиэтилен можно использовать длительное время при 60-100 °C. Морозостойкость достигает –70 °C и ниже. Химически стоек и нерастворим в растворителях, применяется для изоляции защитных оболочек кабелей проводов, деталей высокочастотных установок и изготовления коррозионностойких деталей – труб, прокладок, шлангов. Его выпускают в виде пленки, листов, труб, блоков.

Полиэтилен подвержен старению.

Полистирол – это аморфный, твердый, прозрачный полимер, который имеет линейное строение, высокие диэлектрические свойства, удовлетворительную механическую прочность, невысокую рабочую температуру (до 100 °C), химическую стойкость в щелочах, минеральных и органических кислотах, маслах. Он набухает в 65 %-ной азотной, ледяной уксусной кислотах, бензине и керосине. При температуре выше 200 °C разлагается, образуя стирол. Полистирол применяют для производства слабонагруженных деталей и высокочастотных изоляторов. Недостатки – хрупкость при пониженных температурах, склонность к постепенному образованию поверхностных трещин.

Пластмассы широко применяются в машиностроении и приборостроении для изготовления деталей. Пластмассы электротехнического назначения применяют в качестве электроизоляционных материалов в конструкциях машин.

Данный текст является ознакомительным фрагментом.

РЕГЕНЕРАЦИЯ ПЛАСТМАССЫ

РЕГЕНЕРАЦИЯ ПЛАСТМАССЫ Самый молодой из используемых материалов, пластмасса, выглядит символом обновления и отречения от старины.

Распространение его по всему свету ознаменовало расцвет культуры выбрасывания отходов. Пластмасса проникает везде и всюду, сопровождая

ПОЛИМЕРЫ В СОЛДАТСКОМ РАНЦЕ

ПОЛИМЕРЫ В СОЛДАТСКОМ РАНЦЕ Инженер-подполковник В. НЕКЛЮДОВСреди выдающихся достижений современной науки одно из главных мест занимают успехи химии в создании веществ и материалов, которых не знала природа. Недаром «атомный» и «космический» двадцатый век называют

2. Полимеры: строение, полимеризация и поликонденсация, свойства

2. Полимеры: строение, полимеризация и поликонденсация, свойства В настоящее время трудно представить себе медицину без полимерных систем для переливания крови, медицинскую аппаратуру – без прозрачных полимерных трубок, предметы ухода за больными – без резиновых

3.

 Пластмассы: термопластичные, термореактивные, газонаполненные

3. Пластмассы: термопластичные, термореактивные, газонаполненные Пластмассы – пластические массы – это материалы, полученные на основе высокомолекулярного органического соединения – полимера, выполняющего роль связующего и определяющего основные технические

2.17. Материал «белланд»: переработка упаковочной пластмассы

2.17. Материал «белланд»: переработка упаковочной пластмассы В деле избавления от отходов пластмасса — это настоящий кошмар. Обычно она не гниет, и поэтому в местах захоронения изделия из пластмассы выглядят настолько уродливо, что становятся мишенью для обвиняющих

1.5. Особенности устройства шлюпок из шпона, пластмассы или легкого сплава

1.5. Особенности устройства шлюпок из шпона, пластмассы или легкого сплава Корпус яла может быть изготовлен из шпона, пластмассы или легкого сплава.

Корпус из шпона настолько прочен, что для двух- и четырехвесельных ялов нет необходимости устанавливать шпангоуты, а для

Из чего делают пластмассы. Полимерное сырье.

Слово полимер широко вошло в обиход, однако, не все точно знают, что оно означает. Каждого из нас окружают предметы, сделанные из полимеров. Что это такое и чем они полезны для человека?

Сложная химия полимеров доступными словами.

Высокомолекулярные соединения, состоящие из повторяющихся мономерных звеньев, которые соединяются химическими связями или слабыми межмолекулярными силами и характеризующиеся определенным набором свойств, называют полимерами. Они бывают разного происхождения:

• Органические;
• Неорганические;
• Элементоорганические.

Основные свойства полимеров – эластичность и почти полное отсутствие хрупкости их кристаллических соединений нашли широкое применение в производстве пластиковых изделий. Под влиянием направленных механических воздействий молекулы полимеров имеют способность к ориентированию.

Разделяют полимеры и по реакции на температурные режимы – одни из них могут плавиться в процессе нагрева и возвращаться в исходное состояние при охлаждении. Эти полимеры получили название

термопластичных, а ряд полимеров, которые при нагреве разрушаются, минуя стадию плавления, относят к термореактивным.

По происхождению различают полимеры природные и синтетические.

В промышленности полимерное сырье используется практически во всех областях. За счет способности некоторых полимеров после переработки принимать свои исходные свойства, существуют производства, выпускающие вторичное полимерное сырье. Используется вторичное полимерное сырье на те же цели, что и первичное, однако его применение имеет ряд ограничений для использования в пищевой и медицинской промышленности.

Первичное полимерное сырье

Рассмотрим основные характеристики некоторых видов первичного полимерного сырья.

Полипропилен – синтетический. Вещество белого цвета, выпускается в виде твердых гранул. Имеет много модификаций, среди которых гомополимер, вспенивающийся полипропилен, каучуковый и металлоценовый полипропилен. Ссылка на каталог: Полипропилен

Полистирол – термопластический синтетический полимер. Твердый, стеклообразный. Хороший диэлектрик, отличается устойчивостью к радиоактивным воздействиям, инертен к кислотам и щелочным растворам (за исключением ледяной уксусной и азотной кислоты). Гранулы полистирола прозрачны и имеют цилиндрическую форму. Используются для производства различной продукции методом экструзионного выдавливания. Ссылка на каталог: Полистирол

Полиэтилен низкого давления – кристаллические малопрозрачные гранулы высокой плотности. Всем известны «шумные» пакеты из ПНД, способные выдержать высокие нагрузки. Путем экструзии из него выдувают очень тонкие пленки. Ссылка на каталог: ПНД

Полиэтилен высокого давления – гранулы белого цвета с красивой гладкой глянцевой поверхностью. Имеет второе название – полиэтилен низкой плотности. Рекомендован для использования в пищевой промышленности и для изготовления изделий медицинского назначения. Ссылка на каталог: ПВД

Поливинилхлорид (ПВХ) – сыпучий порошок с размером частиц до 200 мкм. Легко перерабатывается в твердые и мягкие пластики. Используется для производства труб, пленок, линолеума и других изделий технического назначения. Ссылка на каталог: ПВХ ( Поливинилхлорид )

Линейный полиэтилен высокого давления – используют для выпуска тонких эластичных упаковочных пленок и пленок для ламинирования. По свойствам занимает среднее положение между полиэтиленом низкой и полиэтиленом высокой плотности. Работы по усовершенствованию его свойств не прекращаются. Ссылка на каталог: Линейный полиэтилен низкой плотности ЛПЭНП (LLDPE)

Вторичное полимерное сырье

На многих предприятиях с целью экономии бракованная продукция из полимерных пластиков поступает на вторичную переработку, обеспечивая безотходное производство. Наряду с этим существует целое направление бизнеса по переработке отходов во вторичные гранулы полимера для продажи. Процесс многоступенчатый, весь цикл от сбора и закупки бытовых пластиковых отходов, сортировке, промывке, дробления и переработки в гранулы довольно трудоемкий. Однако готовая продукция по своим свойствам практически не отличается от первичного сырья и успешно используется во многих производствах. Выпуск вторичного полимерного сырья – важная и нужная отрасль народного хозяйства, позволяющая сэкономить огромные средства на отсутствии необходимости утилизации отработанных пластиков.

Что выбрать?

Вопрос какое сырье выбрать стоит перед каждым производителем. И если у вторичного сырья есть очевидный плюс – низкая цена. То не менее очевидны и его минусы:

• Нестабильность свойств
• Наличие посторонних примесей
• Нет уверенности в марке полимера

Автоматически вытекают плюсы первичного полимерного сырья:

• Стабильные свойства
• Точно известна марка
• Абсолютная чистота
• Стабильные поставки

Пластик, технологии пластика, пластмассы и полимера

Поиск Вход

8 800 222 45 47

Пн-Пт 9:00-18:00

Краткое введение в химическую природу пластиков, как попытка продемонстрировать разнообразность и неоднородность пластмасс. Обоснование утверждения о необходимости индивидуального подхода к выбору технологии и лакокрасочных материалов для окраски пластика.

Пластмассами (пластическая масса, пластик), принято называть сложные композитные системы из высокомолекулярных органических соединений – полимеров, дисперсных наполнителей и функциональных добавок. Полимеры имеют “цепное” строение, звеньями которой являются низкомолекулярные соединения, мономеры. Одна молекула полимера содержит от пяти тысяч до 500 тысяч таких звеньев, молекулярная масса. Вещества, молекулы которых содержат меньшее количество мономеров, называют олигомерами, большее – сверхвысокомолекулярные полимеры.

Полимеры и пластик

Определяющие особенности полимеров, это термопластичность (сохранение химической структуры при плавлении) и термореактивность (нагрев приводит к деструкции полимера), является следствием природы связи макромолекул в полимере. В сополимерах в построении цепи принимают участие два и более вида мономеров.

Полистирол, многочисленная группа термопластичных пластиков со стиролом либо продуктом его сополимеризации в качестве мономера. Пластик характеризуется высокой прочностью и жесткостью. Среди сополимеров большое практическое применение имеют бутадиен-стирольный и АБС пластик, продукт сополимеризации акрилонитрила, бутадиена и стирола. Полистирольные пластмассы широко используются в электро- и радиотехнике.

Поливинилхлорид (пластик ПВХ), аморфный термопласт с молекулярной массой 40-150 тысяч. Непластифицированный ПВХ пластик, винипласт, жесткий конструктивный материал, применяемый в строительстве (погонаж, профиль, трубы и т.д.). Эластичный ПВХ, пластикат, также имеет широкое применение (пленки, шланги, клеенка, линолеум).

Полипропилен, жесткий материал с высокой прочностью на изгиб и растяжение. Применяется для производства газо- и водопроводных напорных труб, жестких пленок, мебельной фурнитуры и профиля.

Полиэтилен, треть мирового производства пластмасс, в зависимости от способа получения различают низкой и высокой плотности, главным образом используется последний. Изготавливают пленки, небольшие емкости и пластиковую мебельную фурнитуру. Также производятся и широко используются полимеры на основе амидов, метилметакрилата, тетрафторэтилена, трихлорфторэтилена, формальдегида и т.д.

Наполнители для пластика

Введение наполнителей повышает прочностные характеристики пластика и придает требуемые технологические свойства, а также для получения специфических свойств и придания декоративности. Наполнители для пластиков можно классифицировать как: дисперсные, волокнистые и армирующие, они могут иметь как неорганическую, так и органическую природу. В пластмассе может содержаться до 95% наполнителя.

Из наиболее часто используемых дисперсных материалов следует отметить: технический углерод, мел, коалин, асбест; волокнистые наполнители: стекловолокна, хлопчатобумажные волокна. Например при производстве пластикового профиля ПВХ используют до 20% тонко- и среднедисперсных фракций мела, а для повышения белизны до 2% двуокиси титана.

Функциональные добавки для пластмассы и пластиков

Пластификатор повышает эластичность, при этом снижаются прочность, твердость, температуры размягчения и плавления пластмассы. Содержание пластификатора в пластике может доходить до 45%.

Смазки вводятся в пластмассу непосредственно перед переработкой в изделие. Несмотря на то, что смазки являются технологическими добавками (для того, чтобы изделие не прилипало к поверхности формующего инструмента), они могут существенно влиять на поверхностные свойства пластика. В качестве смазок используют стеараты, парафины и силиконы. Рекомендованное содержание смазки в пластике до 2%.

Помимо выше названных добавок в состав пластмассы могут входить: отвердители – переводят термопластичные полимеры в термореактивные; антипирены – препятствуют горению полимерных материалов; антиоксиданты – предотвращают термическую деструкцию пластика; светостабилизаторы – уменьшают восприимчивость к воздействию ультрафиолетового излучения; антистатики – устраняют возникновение на поверхности полимера статического электрического заряда; антисептики – предотвращают заражение пластиков различными микроорганизмами. Содержание каждой добавки колеблется от 1 до 5%.

Кроме того, необходимо отметить, что в состав пластика могут входить специализированные добавки, которые существенно изменяют то или иное свойство. Например, повышение гидрофобности пластмассы или понижение коэффициента трения.

Изложенные сведения демонстрируют, что пластики сложные композиции, в которых каждый компонент формирует или изменяет какую-то характеристику, но помимо этого способен влиять и на другие характеристик. Например, введение антипиренов существенно понижает поверхностное натяжение.

Таким образом, перед тем как принимать решение о применении той или иной краски для пластика, очистителя пластика или технологии окраски пластика в целом, следует провести отдельные испытания, учитывая историю происхождения пластмассы.

статьи

© Palina Coatings 2000‐2022

пластик | Состав, история, использование, типы и факты

пластиковые бутылки из-под безалкогольных напитков

Посмотреть все материалы

Похожие темы:

микропластик биопластик полиметилметакрилат композитный материал полимеризация

Просмотреть весь связанный контент →

Резюме

Прочтите краткий обзор этой темы

пластмасса , полимерный материал, который можно формовать или формовать, обычно под воздействием тепла и давления. Это свойство пластичности, часто встречающееся в сочетании с другими особыми свойствами, такими как низкая плотность, низкая электропроводность, прозрачность и ударная вязкость, позволяет изготавливать из пластмасс самые разнообразные продукты. К ним относятся прочные и легкие бутылки для напитков из полиэтилентерефталата (ПЭТ), гибкие садовые шланги из поливинилхлорида (ПВХ), изолирующие пищевые контейнеры из вспененного полистирола и небьющиеся окна из полиметилметакрилата.

В этой статье представлен краткий обзор основных свойств пластмасс, за которым следует более подробное описание их переработки в полезные продукты и последующей переработки. Для более полного понимания материалов, из которых изготавливаются пластмассы, см. Химия промышленных полимеров.

Многие химические названия полимеров, используемых в качестве пластмасс, стали знакомы потребителям, хотя некоторые из них более известны по своим аббревиатурам или торговым наименованиям. Таким образом, полиэтилентерефталат и поливинилхлорид обычно называют ПЭТФ и ПВХ, в то время как пенополистирол и полиметилметакрилат известны под своими товарными знаками: пенополистирол и оргстекло (или плексиглас).

Промышленные производители пластмассовых изделий обычно рассматривают пластмассы либо как «товарные» смолы, либо как «специальные» смолы. (Термин смола восходит к ранним годам индустрии пластмасс; первоначально он относился к встречающимся в природе аморфным твердым веществам, таким как шеллак и канифоль.) Товарные смолы — это пластмассы, которые производятся в больших объемах и по низкой цене для наиболее распространенных предметов одноразового использования. и товары длительного пользования. Они представлены в основном полиэтиленом, полипропиленом, поливинилхлоридом, полистиролом. Специальные смолы — это пластмассы, свойства которых адаптированы к конкретным применениям и которые производятся в небольших объемах и по более высокой цене. В эту группу входят так называемые инженерные пластмассы или инженерные смолы, представляющие собой пластмассы, которые могут конкурировать с литыми под давлением металлами в сантехнике, скобяных изделиях и автомобилях. Важными техническими пластиками, менее знакомыми потребителям, чем товарные пластики, перечисленные выше, являются полиацеталь, полиамид (особенно те, которые известны под торговой маркой нейлон), политетрафторэтилен (торговая марка тефлон), поликарбонат, полифениленсульфид, эпоксидная смола и полиэфиркетон. Другим представителем специальных смол являются термопластичные эластомеры, полимеры, которые обладают эластичными свойствами резины, но при этом могут подвергаться многократному формованию при нагревании. Термопластичные эластомеры описаны в статье эластомер.

Викторина «Британника»

Викторина «Знай свою химию»

От элементов периодической таблицы до процессов, создающих предметы повседневного обихода — это лишь некоторые из вещей, которым может научить нас химия. Можете ли вы отфильтровать свой путь через нашу викторину по химии?

Пластмассы также можно разделить на две отдельные категории на основе их химического состава. Одна категория — пластмассы, состоящие из полимеров, содержащих только алифатические (линейные) атомы углерода в основных цепях. Все перечисленные выше товарные пластики попадают в эту категорию. Примером может служить структура полипропилена; здесь к каждому другому атому углерода присоединена боковая метильная группа (CH ₃ ):

Другая категория пластмасс состоит из гетероцепных полимеров. Эти соединения содержат такие атомы, как кислород, азот или сера в своих основных цепях, в дополнение к углероду. Большинство перечисленных выше инженерных пластиков состоят из гетероцепных полимеров. Примером может служить поликарбонат, молекулы которого содержат два ароматических (бензольных) кольца:

Оформите подписку Britannica Premium и получите доступ к эксклюзивному контенту. Подпишитесь сейчас

Различие между полимерами с углеродной цепью и полимерами с гетероцепью отражено в таблице, в которой показаны избранные свойства и области применения наиболее важных пластиков с углеродной цепью и гетероцепью, а также даны прямые ссылки на статьи, описывающие эти материалы. более подробно. Важно отметить, что для каждого типа полимера, указанного в таблице, может быть множество подтипов, поскольку любой из десятка промышленных производителей любого полимера может предложить 20 или 30 различных вариаций для использования в конкретных приложениях. По этой причине свойства, указанные в таблице, следует принимать как приблизительные.

Свойства и применение коммерчески важных пластмасс
*Все значения приведены для образцов, армированных стекловолокном (кроме полиуретана).
Углеродная цепь
полиэтилен высокой плотности (HDPE)	0,95–0,97	высокая	–120	137	—
полиэтилен низкой плотности (LDPE)	0,92–0,93	умеренный	−120	110	—
полипропилен (ПП)	0,90–0,91	высокая	−20	176	—
полистирол (ПС)	1,0–1,1	ноль	100	—	—
акрилонитрил-бутадиен-стирол (АБС)	1,0–1,1	ноль	90–120	—	—
поливинилхлорид непластифицированный (ПВХ)	1,3–1,6	ноль	85	—	—
полиметилметакрилат (ПММА)	1,2	ноль	115	—	—
политетрафторэтилен (ПТФЭ)	2. 1–2.2	умеренно-высокий	126	327	—
гетероцепь
полиэтилентерефталат (ПЭТ)	1,3–1,4	умеренный	69	265	—
поликарбонат (ПК)	1,2	низкий	145	230	—
полиацеталь	1,4	умеренный	–50	180	—
полиэфиркетон (PEEK)	1,3	ноль	185	—	—
полифениленсульфид (PPS)	1,35	умеренный	88	288	—
диацетат целлюлозы	1,3	низкий	120	230	—
поликапролактам (нейлон 6)	1,1–1,2	умеренный	50	210–220	—
гетероцепь
полиэстер (ненасыщенный)	1,3–2,3	ноль	—	—	200
эпоксидные смолы	1,1–1,4	ноль	—	—	110–250
фенолформальдегид	1,7–2,0	ноль	—	—	175–300
мочевина и меламиноформальдегид	1,5–2,0	ноль	—	—	190–200
полиуретан	1,05	низкий	—	—	90–100
Углеродная цепь
полиэтилен высокой плотности (HDPE)	20–30	10–1000	1–1,5	молочные бутылки, изоляция проводов и кабелей, игрушки
полиэтилен низкой плотности (LDPE)	8–30	100–650	0,25–0,35	упаковочная пленка, продуктовые пакеты, сельскохозяйственная мульча
полипропилен (ПП)	30–40	100–600	1,2–1,7	бутылки, контейнеры для еды, игрушки
полистирол (ПС)	35–50	1–2	2,6–3,4	столовые приборы, пенопластовые пищевые контейнеры
акрилонитрил-бутадиен-стирол (АБС)	15–55	30–100	0,9–3,0	корпуса приборов, каски, фитинги
поливинилхлорид непластифицированный (ПВХ)	40–50	2–80	2,1–3,4	трубы, трубопровод, сайдинг, оконные рамы
полиметилметакрилат (ПММА)	50–75	2–10	2,2–3,2	ударопрочные окна, световые люки, козырьки
политетрафторэтилен (ПТФЭ)	20–35	200–400	0,5	самосмазывающиеся подшипники, посуда с антипригарным покрытием
гетероцепь
полиэтилентерефталат (ПЭТ)	50–75	50–300	2,4–3,1	прозрачные бутылки, магнитофон
поликарбонат (ПК)	65–75	110–120	2,3–2,4	компакт-диски, защитные очки, спортивные товары
полиацеталь	70	25–75	2,6–3,4	подшипники, шестерни, душевые лейки, молнии
полиэфиркетон (PEEK)	70–105	30–150	3,9	машины, автомобильные и аэрокосмические детали
полифениленсульфид (PPS)	50–90	1–10	3,8–4,5	детали машин, приборы, электрооборудование
диацетат целлюлозы	15–65	6–70	1,5	фотопленка
поликапролактам (нейлон 6)	40–170	30–300	1,0–2,8	подшипники, шкивы, шестерни
гетероцепь
полиэстер (ненасыщенный)	20–70	<3	7–14	корпуса лодок, автомобильные панели
эпоксидные смолы	35–140	<4	14–30	ламинированные печатные платы, напольные покрытия, детали самолетов
фенолформальдегид	50–125	<1	8–23	электрические разъемы, ручки приборов
мочевина и меламиноформальдегид	35–75	<1	7,5	столешницы, посуда
полиуретан	70	3–6	4	гибкие и жесткие пеноматериалы для обивки, изоляции

Для целей настоящей статьи пластмассы в первую очередь определяются не на основе их химического состава, а на основе их технических характеристик. Более конкретно, они определяются как термопластичные смолы или термореактивные смолы.

7.9: Полимеры и пластмассы – Химия LibreTexts

1. Последнее обновление

2. Сохранить как PDF

Идентификатор страницы

3586

• Стивен Лоуэр
• Университет Саймона Фрейзера

Цели обучения

Убедитесь, что вы полностью поняли следующие основные идеи, которые были представлены выше. Особенно важно, чтобы вы знали точное значение всех терминов, выделенных жирным шрифтом в контексте этой темы.

• Чем синтетические полимеры отличаются от обычных молекулярных твердых тел, помимо высокой молекулярной массы?
• Полимеры можно классифицировать по химическому составу, физическим свойствам и общему применению. Для каждой из этих трех категорий назовите два примера, которые можно учитывать при адаптации полимера к конкретному конечному использованию.
• и термореактивный материал , а также прокомментируйте молекулярную основу их различных свойств, включая кристалличность.
• Опишите два основных метода синтеза полимеров.
• Назовите по два вида коммерчески важных синтетических термопластов и реактопластов и укажите некоторые из их основных применений.
• Назовите два вида коммерчески важных природных полимеров.
• Опишите некоторые проблемы и источники высвобождения малых молекул из полимеров.
• Какие проблемы связаны с переработкой или повторным использованием полимерных материалов?

Пластмассы и натуральные материалы, такие как каучук или целлюлоза, состоят из очень больших молекул, называемых полимерами. Полимеры состоят из относительно небольших молекулярных фрагментов, известных как мономеры, которые соединены вместе. Шерсть, хлопок, шелк, дерево и кожа являются примерами натуральных полимеров, которые были известны и использовались с древних времен. В эту группу входят биополимеры, такие как белки и углеводы, которые входят в состав всех живых организмов.

Синтетические полимеры, включающие большую группу, известную как пластмассы, получили известность в начале двадцатого века. Способность химиков создавать из них желаемый набор свойств (прочность, жесткость, плотность, термостойкость, электропроводность) значительно расширила многие роли, которые они играют в современной промышленной экономике. Этот модуль посвящен в основном синтетическим полимерам, но будет включать краткий обзор некоторых из наиболее важных природных полимеров. Он завершится кратким изложением некоторых очень важных экологических проблем, вызванных широким использованием пластмасс.

Полимеры и «чистые вещества»

Начнем с рассмотрения известного всем искусственного полимера в виде гибких, прозрачных полиэтиленовых пакетов : полиэтилен . Это также самый простой полимер, состоящий из цепей случайной длины (но обычно очень длинных), состоящих из двухуглеродных звеньев.

Рисунок \(\PageIndex{1}\): Полимеры

Вы заметите некоторую «нечеткость» в том, как структуры полиэтилена представлены выше. Волнистые линии на концах длинной структуры указывают на то, что один и тот же узор простирается бесконечно. Более компактное обозначение справа показывает минимальную повторяющуюся единицу, заключенную в скобки, надпечатанную тире; это означает то же самое и является предпочтительным способом изображения полимерных структур.

В большинстве областей химии «чистое вещество» имеет определенную структуру, молекулярную массу и свойства. Однако оказывается, что немногие полимерные вещества являются однородными в этом отношении. Это особенно относится к синтетическим полимерам, молекулярная масса которых охватывает диапазон значений, равно как и последовательность, ориентация и связность отдельных мономеров. Таким образом, большинство синтетических полимеров на самом деле являются смесями , а не чистыми веществами в обычном химическом смысле этого слова. Их молекулярные массы обычно распределяются в широком диапазоне.

Рисунок \(\PageIndex{1}\): Полимеры

Не дайте себя ввести в заблуждение химическими формулами, которые изображают полимеры, такие как полиэтилен, в виде достаточно прямых цепей замещенных атомов углерода. Свободное вращение вокруг связей С—С позволяет длинным молекулам полимера скручиваться и запутываться, как спагетти (рис. \(\PageIndex{2}\)). Таким образом, полимеры обычно образуют аморфных твердых веществ. Однако существуют способы частичной ориентации некоторых полимеров.

Рисунок \(\PageIndex{2}\): Структура полимеров больше напоминает спагетти, чем линейная структура на рисунке \(\PageIndex{1}\). из Википедии

Классификация полимеров

Полимеры можно классифицировать способами, отражающими их химический состав или, что более важно, их свойства и области применения. Многие из этих факторов сильно взаимозависимы, и большинство из них более подробно обсуждаются в последующих разделах этой страницы.

Химия

• Природа мономерных звеньев
• Средняя длина цепи и молекулярная масса
• Гомополимеры (один вид мономерного звена) или сополимеры ;
• Топология цепи: как связаны мономерные звенья
• Наличие или отсутствие перекрестного разветвления
• Метод полимеризации

Свойства

• Плотность
• Термические свойства — могут ли они размягчаться или плавиться при нагревании?
• Степень кристалличности
• Физические свойства, такие как твердость, прочность, обрабатываемость.
• Растворимость, газопроницаемость

Применения

• Формованные и фасонные изделия (“пластмассы”)
• листов и пленок
• эластомеры (т. е. эластичные полимеры, такие как каучук)
• клеи
• покрытия, краски, чернила
• волокна и пряжа

Физические свойства полимеров

Физические свойства полимера, такие как его прочность и гибкость, зависят от:

• длины цепи – как правило, чем длиннее цепи, тем прочнее полимер;
• боковые группы – полярные боковые группы (включая те, которые приводят к образованию водородных связей) обеспечивают более сильное притяжение между полимерными цепями, делая полимер более прочным;
• разветвленный – прямые неразветвленные цепи могут упаковываться вместе более плотно, чем сильно разветвленные цепи, что дает полимеры, которые имеют более высокую плотность, являются более кристаллическими и, следовательно, более прочными;
• сшивание – если полимерные цепи в значительной степени связаны друг с другом ковалентными связями, полимер становится более твердым и его труднее плавить.

Аморфные и кристаллические полимеры

Спагетти-подобные запутывания полимерных молекул имеют тенденцию образовывать аморфные твердые вещества, но часто случается, что некоторые части могут стать достаточно выровненными, чтобы образовать область, демонстрирующую кристаллоподобный порядок, так что это не редкость для некоторых полимерные твердые тела состоят из случайной смеси аморфных и кристаллических областей. Как и следовало ожидать, более короткие и менее разветвленные полимерные цепи могут легче организоваться в упорядоченные слои, чем длинные цепи. Водородные связи между соседними цепями также помогают и очень важны в волокнообразующих полимерах, как синтетических (нейлон 6.6), так и натуральных (хлопковая целлюлоза).

Рисунок \(\PageIndex{3}\): Кристаллические части этого полимера показаны синим цветом.

Чистые кристаллические вещества имеют определенные температуры плавления, но полимеры, если они вообще плавятся, демонстрируют более сложное поведение. При низких температурах запутанные полимерные цепи имеют тенденцию вести себя как жесткие стекла. Например, природный полимер, который мы называем каучуком , становится твердым и хрупким при охлаждении до температуры жидкого азота. Многие синтетические полимеры остаются в этом состоянии при температуре значительно выше комнатной.

Плавление кристаллического соединения соответствует внезапной потере дальнего порядка; это основная причина того, что такие твердые тела имеют определенные температуры плавления, и вот почему нет промежуточной формы между жидким и твердым состояниями. В аморфных твердых телах нет дальнего порядка, поэтому нет и точки плавления в обычном понимании. Такие твердые вещества просто становятся все менее и менее вязкими по мере повышения температуры.

В некоторых полимерах (известных как термопласты ) существует довольно определенная точка размягчения, которая наблюдается, когда тепловая кинетическая энергия становится достаточно высокой, чтобы внутри связей происходило внутреннее вращение и чтобы отдельные молекулы могли скользить независимо от своих соседей, делая их, таким образом, более гибкими и деформируемыми. Это определяет температуру стеклования t _g .

В зависимости от степени кристалличности будет более высокая температура, точка плавления t _m , при котором кристаллические области распадаются и материал становится вязкой жидкостью. Такие жидкости можно легко вводить в формы для изготовления изделий различной формы или экструдировать в листы или волокна. Другие полимеры (обычно сильно сшитые) вообще не плавятся; они известны как реактопласты . Если из них нужно сделать формованные предметы, внутри форм должна происходить реакция полимеризации — гораздо более сложный процесс. Около 20% коммерчески производимых полимеров являются термореактивными; остальные – термопласты.

2 Структуры термопластичных полимеров

Гомополимеры и гетерополимеры

Сополимеризация является бесценным инструментом для «настройки» полимеров таким образом, чтобы они имели правильную комбинацию свойств для применения. Например, гомополимерный полистирол представляет собой жесткий и очень хрупкий прозрачный термопласт с температурой стеклования 97°С. Сополимеризация его с акрилонитрилом дает чередующийся сополимер «SAN», в котором t _г повышается до 107°, что делает его пригодным для использования в прозрачных контейнерах для напитков.

Полимер, состоящий из идентичных мономерных звеньев (например, полиэтилен), называется гомополимером . Гетерополимеры состоят из более чем одного типа мономера. Искусственные гетерополимеры более известны как сополимеры.

Топология цепи

Полимеры также могут быть классифицированы как с прямой или разветвленной цепью, что приводит к таким формам:

0023 сшитый для получения более твердого материала:

Если поперечные связи достаточно длинные и гибкие, соседние цепи могут перемещаться относительно друг друга, образуя эластичный полимер или эластомер

Конфигурация цепи и тактичность

В линейном полимере, таком как полиэтилен, вращение вокруг углерод-углеродных одинарных связей может позволить цепям изгибаться или скручиваться различными способами, что приводит к образованию спагетти-подобной смеси этих различных конформации мы упоминали выше. Но если один из атомов водорода заменить какой-либо другой единицей, такой как метильная группа, относительная ориентация отдельных мономерных звеньев, составляющих линейный участок любой углеродной цепи, становится важной характеристикой полимера.

Цис-транс изомерия происходит потому, что вращение вокруг углерод-углеродных двойных связей невозможно — в отличие от одинарных связей. Любая пара разнородных заместителей, присоединенных к двум атомам углерода, постоянно находится на одной стороне (9).0023 цис ) или противоположные стороны ( транс ) двойной связи.

Если углеродная цепь содержит двойные связи, то становится возможной цис-транс изомерия , приводящая к двум различным возможным конфигурациям (известным как диастереомеры) на каждом звене цепи. Эта, казалось бы, небольшая переменная может сильно повлиять на природу полимера. Например, латекс натурального каучука состоит в основном из цис полиизопрена, тогда как транс 9Изомер 0024 (известный как латекс гуттаперчи) имеет очень разные (и, как правило, худшие) свойства.

Хиральность

Тетраэдрическая природа связи углерода имеет важное следствие, которое не раскрывается простыми двухмерными структурными формулами: атомы, присоединенные к углероду, могут быть с одной или с другой стороны, и они не будут геометрически эквивалентны, если все четыре группы, присоединенные к одному атому углерода, различны. Такие атомы углерода (и связанные с ними группы) называются хиральный, и может существовать в двух различных трехмерных формах, известных как энантиомеры .

Для отдельного атома углерода в полимерной цепи две присоединенные к нему группы обычно представляют собой сегменты цепи по обе стороны от углерода. Если две оставшиеся группы различны (скажем, одна водородная, а другая метильная), то вышеуказанные условия выполняются, и эта часть цепи может дать начало двум энантиомерным формам.

Цепь, которую можно представить как (в которой оранжевые и зеленые кружки представляют разные группы), будет иметь несколько хиральных центров, что приведет к возникновению огромного количества возможных энантиомеров. На практике обычно достаточно классифицировать хиральные полимеры по следующим трем классам:0023 стереорегулярность , обычно называемая тактичностью .

Тактичность полимерной цепи может иметь большое влияние на ее свойства. Например, атактические полимеры, будучи более разупорядоченными, не могут кристаллизоваться.

Один из крупнейших прорывов в химии полимеров произошел в начале 1950-х годов, когда немецкий химик Карл Циглер открыл группу катализаторов, способных эффективно полимеризовать этилен. Примерно в то же время Джулио Натта (итальянец) изготовил первый изотактический (и кристаллический) полиэтилен. Катализаторы Циглера-Натта произвели революцию в химии полимеров, позволив контролировать стереорегулярность этих гигантских молекул. Эти двое разделили 1963 Нобелевская премия по химии

3 Как получают полимеры

Полимеры получают путем соединения малых молекул в большие. Но большинство этих мономерных молекул совершенно стабильны сами по себе, поэтому химики разработали два общих метода, позволяющих заставить их реагировать друг с другом, создавая основную цепь по мере протекания реакции.

Конденсационно-элиминационная полимеризация

Этот метод (также известный как ступенчатый рост ) требует, чтобы мономеры обладали двумя или более типами функциональных групп, которые способны реагировать друг с другом таким образом, что части этих групп объединяются с образованием небольшой молекулы (часто H ₂ O), который исключается из двух частей. Теперь уже пустые позиции связывания на двух мономерах могут затем соединиться.

Это происходит, например, при синтезе полимеров семейства нейлон, в котором отщепляемая молекула H ₂ O происходит от гидроксильной группы кислоты и одного из аминоводородов:

Обратите внимание, что мономерные звенья, из которых состоит полимер, не идентичны исходным компонентам.

Аддитивная полимеризация

Присоединение или рост цепи полимеризация включает перегруппировку связей внутри мономера таким образом, что мономеры соединяются непосредственно друг с другом:

Чтобы это произошло, химически активная молекула ( называется инициатором ) необходим для запуска так называемой цепной реакции . Производство полиэтилена является очень распространенным примером такого процесса. Он использует свободных радикалов , который отдает свой неспаренный электрон мономеру, делая последний высокореакционноспособным и способным образовывать связь с другим мономером в этом месте.

Теоретически должен иметь место только один процесс инициирования цепи, а затем этап продолжения цепи повторяется бесконечно, но на практике требуется несколько этапов инициирования, и в конечном итоге два радикала реагируют ( обрыв цепи ), чтобы привести полимеризация останавливается.

Как и при любой полимеризации, образуются цепи, имеющие диапазон молекулярной массы, и этот диапазон можно изменить, контролируя давление и температуру процесса.

4 Галерея распространенных синтетических полимеров

Термопласты

Примечание: на левых панелях внизу показаны название полимера и синонимы, структурная формула, температура стеклования, точка плавления/температура разложения и (где применимо) идентификационный символ смолы используется для облегчения переработки.

Поликарбонат (Lexan®) Т г = 145°С, Т м = 225°С.	Этот полимер был независимо открыт в Германии и США в 1953 году. Лексан исключительно твердый и прочный; чаще всего мы видим его в виде компакт-дисков . Когда-то он широко использовался в бутылках для воды, но опасения по поводу выщелачивания непрореагировавшего мономера (бисфенола-А) в значительной степени подавили этот рынок.
Полиэтилентерефталат (ПЭТ, Майлар ) Т г = 76°С, Т м = 250°С.	Тонкие и очень прочные пленки этого материала изготавливаются путем вытягивания расплавленного полимера в обоих направлениях, таким образом ориентируя молекулы в высококристаллическое состояние, которое становится «запертым» при охлаждении. Его многочисленные области применения включают упаковку для пищевых продуктов (в ламинированных фольгой контейнерах для напитков и контейнерах для замороженных продуктов, пригодных для использования в микроволновой печи), пленке для диапроекторов, метеозондах, а также в качестве отражающего материала с алюминиевым покрытием в космических кораблях и других приложениях.
Нейлон ( полиамид ) Т г = 50°С, Т м = 255°С.	Нейлон имеет увлекательную историю, как научную, так и культурную. Его изобрел химик компании DuPont Уоллес Карозерс (1896-1937). Обычная форма Nylon 6.6 имеет шесть атомов углерода в обеих частях цепи; есть несколько других видов. Обратите внимание, что две субъединицы сополимера удерживаются вместе на пептид связи, такие же, которые соединяют аминокислоты в белки. Нейлон 6.6 обладает хорошей стойкостью к истиранию и является самосмазывающимся, что делает его хорошим конструкционным материалом. Он также широко используется в качестве волокна в ковровых покрытиях, одежде и шинном корде. Интересный отчет о развитии нейлона см. в Достаточно для одного подъема: Уоллес Карозерс, изобретатель Нейлон Энн Гейнс (1971)
Полиакрилонитрил (Орлон, Акрилан, «акриловое» волокно) Т г = 85°С, Т м = 318°С.	Используется в виде волокон в коврах, одеялах и одежде, особенно в кашемировых свитерах. Ткань очень мягкая, но имеет тенденцию «скатываться», то есть образовывать пушистые комочки. Из-за низкой температуры стеклования требует бережного отношения при чистке и глажке.
Полиэтилен Т г = –78°С, Т м = 100°С. ПЭНП ПЭВП	Контроль полимеризации с помощью катализаторов и добавок привел к созданию большого разнообразия материалов на основе полиэтилена, отличающихся плотностью, степенью разветвленности цепи и кристалличностью, а также сшивкой. Некоторые основные типы: низкая плотность (LDPE), линейная низкая плотность (LLDPE), высокая плотность (HDPE). LDPE был первой коммерческой формой (1933 г.) и используется в основном для обычных «пластиковых пакетов», но также для пищевых контейнеров и колец для банок из шести упаковок. Его низкая плотность обусловлена ​​разветвлением длинных цепей, препятствующим плотной упаковке. LLDPE имеет меньше разветвлений; его большая прочность позволяет использовать его в тех раздражающе тонких пластиковых пакетах, которые часто можно найти на продовольственных рынках. Форма «очень низкой плотности» (VLDPE) с обширными разветвлениями с короткой цепью теперь используется для пластиковой стретч-пленки (заменяющей исходный компонент Saran Wrap) и в гибких трубках. HDPE имеет в основном прямые цепи и поэтому прочнее. Он широко используется в кувшинах для молока и подобных емкостях, мусорных контейнерах, а также в качестве «инженерного пластика» для деталей машин.
Полиметилметакрилат (плексиглас, люцит, плексиглас) Т г = 114°С, Т м = 130-140°С.	Этот прозрачный бесцветный полимер широко используется вместо стекла, где преимуществами являются его более высокая ударопрочность, меньший вес и обрабатываемость. Обычно его сополимеризуют с другими веществами для улучшения его свойств. Окна самолетов, пластиковые вывески и осветительные панели – очень распространенные области применения. Его совместимость с тканями человека привела к различным медицинским применениям, таким как сменные линзы для пациентов с катарактой.
Полипропилен Т г = –10°С, Т м = 173°С. ПП	Полипропилен используется отдельно или в виде сополимера, обычно с этиленом. Эти полимеры имеют исключительно широкий спектр применения — веревки, переплеты, пластиковые бутылки, штапельные нити, нетканые материалы, электрические чайники. В неокрашенном виде полупрозрачный, но не прозрачный. Его устойчивость к усталости делает его полезным для пищевых контейнеров и их крышек, а также откидных крышек для продуктов в бутылках, таких как кетчуп.
полистирол Т г = 95°С, Т м = 240°С. ПС	Полистирол прозрачен, но довольно хрупок и желтеет под воздействием ультрафиолета. Широко используется для недорогих упаковочных материалов и «лотков на вынос», пенопласта для «упаковки арахиса», коробок для компакт-дисков, чашек для напитков с пенопластовыми стенками и других тонкостенных и формуемых деталей.
поливинилацетат T г = 30°C	ПВС слишком мягкий и легкоплавкий, чтобы его можно было использовать отдельно; он обычно используется в виде эмульсии на водной основе в красках, столярном клее и других клеях.
поливинилхлорид (“винил”, “ПВХ”) Т г = 85°С, Т м = 240°С. ПВХ	Это один из наиболее широко используемых полимеров в мире. Сам по себе он довольно жесткий и используется в таких строительных материалах, как трубы, обшивка домов, напольные покрытия. Добавление пластификаторов делает его мягким и гибким для использования в обивке, электроизоляции, занавесках для душа и водонепроницаемых тканях. Предпринимаются некоторые усилия по поэтапному отказу от этого полимера из соображений защиты окружающей среды (см. ниже).
Синтетические каучуки Неопрен (полихлоропрен) T г = –70°C Полибутадиен T г < –90°C	Неопрен , изобретенный в 1930 году, был первым синтетическим каучуком, выпускаемым серийно. Он используется для таких вещей, как кровельные мембраны и гидрокостюмы. Полибутадиен заменяет хлор водородом; это основной компонент (обычно смешанный с другими каучуками) шин. Синтетические каучуки сыграли решающую роль во Второй мировой войне Резина SBS (стирол-бутадиен-стирол) представляет собой блок-сополимер, особая прочность которого делает его ценным для протекторов шин.
Политетрафторэтилен ( Тефлон , ПТФЭ) Разлагается при температуре выше 350°C.	Этот высококристаллический фторуглерод исключительно инертен к химическим веществам и растворителям. Вода и масла не смачивают его, что объясняет его использование в посуде для приготовления пищи и других антипригарных покрытиях, включая средства личной гигиены. Эти свойства — неприлипание к другим материалам, несмачиваемость и очень низкий коэффициент трения («скользкость») — обусловлены высокой электроотрицательностью фтора, атомы которого частично экранируют углеродную цепь. Внешние электроны фтора настолько сильно притягиваются к его ядру, что они менее доступны для участия в лондонских (дисперсионных) взаимодействиях.
Полиарамид (кевлар ) Температура возгонки 450°С.	Кевлар известен своей способностью превращаться в волокна, прочность на растяжение которых в пять раз выше, чем у стали. Впервые он был использован в 1970-х годах для замены стального корда шин. Пуленепробиваемые жилеты – одно из наиболее ярких применений, но другие области применения включают корпуса лодок, барабанные головки, спортивный инвентарь и замену асбеста в тормозных колодках. Его часто комбинируют с углеродными или стеклянными волокнами в композитных материалах. Высокая прочность на растяжение частично обусловлена ​​обширными водородными связями между соседними цепями. Кевлар также известен тем, что был изобретен женщиной-химиком Стефани Кволек.

Термореактивные материалы

Описанные выше термопластические материалы представляют собой цепи, основанные на относительно простых мономерных звеньях, имеющих разную степень полимеризации, разветвления, изгиба, сшивки и кристалличности, но каждая молекулярная цепь представляет собой дискретное звено. В термореактивных материалах понятие индивидуальной молекулярной единицы в значительной степени утрачено; материал становится больше похож на гигантскую протяженную собственную молекулу — отсюда отсутствие чего-либо вроде температуры стеклования или точки плавления.

Эти свойства обусловлены природой мономеров, используемых для их производства. Важнейшей особенностью является наличие нескольких реактивных сайтов, способных формировать сколько угодно перекрестных ссылок в каждом центре. Фенольные смолы, типичным примером которых является реакция фенола с формальдегидом, иллюстрируют множество связей, которые могут быть созданы.

Фенольные смолы

Их получают путем конденсации одного или нескольких типов фенолов (гидроксизамещенных бензольных колец) с формальдегидом, как показано выше. Это был первый промышленный синтетический пластик для литья под давлением. Он был разработан в 1907-1909 бельгийским химиком Лео Бакеландом, отсюда и общее название бакелит. Коричневый материал (обычно наполненный древесным порошком) ценился за его электроизоляционные свойства (светильники, розетки и другие электропроводные устройства), а также в качестве потребительских товаров до середины века. С тех пор недавно разработанные полимеры в значительной степени вытеснили эти области применения. Фенолы до сих пор широко используются в качестве клеев при производстве фанеры, а также для изготовления красок и лаков.

Смолы мочевины

Конденсация формальдегида с мочевиной дает более светлые и менее дорогие материалы, чем фенольные смолы. В основном мочевиноформальдегидные смолы используются для склеивания древесных частиц в древесно-стружечные плиты. Другие области применения включают в себя запекание эмалевых покрытий для кухонной техники и покрытие хлопковых и вискозных волокон для придания готовой ткани устойчивости к морщинам, воде и пятнам.

Меламиновые смолы

Меламин с еще большим содержанием амино (–NH ₂ ) группы, чем мочевина, реагирует с формальдегидом с образованием бесцветных твердых веществ, которые тверже мочевинных смол. Они чаще всего встречаются в столовой посуде (пластиковые тарелки, чашки и сервировочные миски) и в пластиковых ламинатах, таких как Formica.

Алкидно-полиэфирные смолы

Сложный эфир является продуктом реакции органической кислоты со спиртом, поэтому при взаимодействии многофункциональных кислот, таких как фталевая кислота, с многоатомными спиртами, такими как глицерин, образуются сложные полиэфиры. Срок алкид происходит от двух слов алк охол и ак там же.

Алкидные смолы были впервые изготовлены Берцелиусом в 1847 году и впервые поступили в продажу как Глиптал ( gly церин + p hth al ic acid) лаки для лакокрасочной промышленности

Более поздняя разработка других полиэфиров значительно расширила область их применения в самых разнообразных волокнах и формованных изделиях, начиная от тканей для одежды и наполнителей для подушек и заканчивая армированными стекловолокном пластиками.

Эпоксидные смолы

Эта большая и важная в промышленном отношении группа смол обычно начинается с конденсации бисфенола-А с эпихлоргидрином в присутствии катализатора. (Префикс – epi относится к группе эпоксида , в которой атом кислорода соединяет два атома углерода.) Эти смолы обычно комбинируют с другими для получения желаемых свойств. Эпоксидные смолы особенно ценятся в качестве клеев и клеев, так как их схватывание не зависит от испарения и время схватывания можно варьировать в широких пределах. В двухкомпонентные смолы , обычно продаваемые для домашнего использования, неполимеризованная смесь и отвердитель-катализатор упаковываются отдельно для смешивания непосредственно перед использованием. В некоторых составах полимеризация инициируется нагреванием («тепловое отверждение»). Зубные пломбы из эпоксидной смолы отверждаются под действием ультрафиолетового излучения.

Полиуретаны

Органические изоцианаты R–NCO реагируют с многофункциональными спиртами с образованием полимерных карбаматов , обычно обозначаемых как полиуретаны . В основном они используются в пенопластах для теплоизоляции и обивки, но также в очень большом количестве других применений, включая краски и лаки и пластиковые колеса, используемые в вилочных погрузчиках, тележках для покупок и скейтбордах.

Силиконы

Полисилоксаны (–Si–O–Si-) являются наиболее важными неорганическими полимерами малого класса . Коммерческие силиконовые полимеры обычно содержат присоединенные органические боковые группы, которые способствуют образованию поперечных связей. Силиконы могут быть изготовлены в самых разных формах; те, которые имеют более низкую молекулярную массу, представляют собой жидкости, тогда как более высокополимеризованные материалы представляют собой каучукоподобные твердые вещества. Эти полимеры имеют столь же широкий спектр применений: смазочные материалы, уплотняющие материалы и герметики, медицинские имплантаты, антипригарные покрытия для посуды, кондиционеры для волос и другие средства личной гигиены.

Природные полимеры

Полимеры, полученные из растений, были важными компонентами человеческого существования на протяжении тысячелетий. В этом обзоре мы рассмотрим только те из них, которые широко используются в промышленности, поэтому мы не будем обсуждать очень важные биополимеры , белки и нуклеиновые кислоты .

Полисахариды

Полисахариды представляют собой полимеры сахаров ; они играют важную роль в хранении энергии, передаче сигналов и в качестве структурных компонентов во всех живых организмах. Здесь нас будут интересовать только те, которые состоят из глюкоза , самая важная из шестиуглеродных гексоз . Глюкоза служит основным топливом большинства организмов.

Глюкоза, однако, хорошо растворима и не может быть легко сохранена, поэтому организмы создают полимерные формы глюкозы, чтобы откладывать ее в качестве резервного хранилища , из которого молекулы глюкозы могут быть извлечены по мере необходимости.

Гликоген

У человека и высших животных запасным полимером является гликоген . Он состоит примерно из 60 000 единиц глюкозы в сильно разветвленной конфигурации. Гликоген вырабатывается преимущественно в печени под влиянием гормона 9.0023 инсулин , который запускает процесс, при котором переваренная глюкоза полимеризуется и хранится в основном в этом органе. Через несколько часов после еды содержание глюкозы в крови начинает падать, а гликоген начинает расщепляться, чтобы поддерживать необходимый организму уровень глюкозы.

Крахмал

В растениях эти запасы полимеров глюкозы известны как крахмал . Гранулы крахмала хранятся в семенах или клубнях, чтобы обеспечить глюкозу для энергетических потребностей только что проросших растений, а также в ветвях лиственных растений, чтобы переносить их зимой, когда фотосинтез (процесс синтеза глюкозы из СО ₂ и Н ₂ О) не происходит. Крахмалы в продовольственных зернах, таких как рис и пшеница, и в клубнях, таких как картофель, являются основным источником питания для человека.

Растительные крахмалы представляют собой смеси двух основных форм: амилозы и амилопектина . Амилоза представляет собой в значительной степени неразветвленный полимер из 500–20 000 молекул глюкозы, который скручивается в спиральную форму, стабилизированную внутренними водородными связями. Амилопектин представляет собой гораздо более крупный полимер, содержащий до двух миллионов остатков глюкозы, расположенных в ответвлениях по 20–30 звеньев.

Целлюлоза и ее производные

Целлюлоза является наиболее распространенным органическим соединением на Земле. Обширные водородные связи между цепями приводят к тому, что нативная целлюлоза на 70% состоит из кристаллов. Он также повышает температуру плавления (> 280 ° C) выше его температуры сгорания. Структуры крахмала и целлюлозы кажутся очень похожими; в последнем каждая вторая молекула глюкозы находится «вверх ногами». Но последствия этого далеко идущие; крахмал может растворяться в воде и усваиваться высшими животными, включая человека, тогда как целлюлоза нерастворима и не переваривается. Целлюлоза служит основным структурным компонентом зеленых растений и (наряду с лигнином) древесины.

Хлопок — одна из самых чистых форм целлюлозы, которую выращивают с древних времен. Его способность впитывать воду (что увеличивает его прочность) делает хлопчатобумажные ткани особенно полезными для одежды в очень теплом климате.

Хлопок также служит (наряду с обработанной древесной массой) источником промышленного производства материалов на основе целлюлозы, которые были первыми «пластиковыми» материалами коммерческого значения.

• Нитроцеллюлоза была разработана во второй половине XIX в.^-й Века. Его получают путем обработки хлопка азотной кислотой, которая вступает в реакцию с гидроксильными группами в цепи целлюлозы. Впервые он был использован для изготовления формованных предметов. Это первый материал, который компания Eastman Kodak использовала для основы фотопленки. Его чрезвычайная воспламеняемость представляла значительную опасность в кинотеатрах, а его самопроизвольное медленное разложение с течением времени серьезно ухудшило качество многих ранних фильмов, прежде чем они были перенесены на более стабильные носители. Нитроцеллюлоза также использовалась в качестве взрывчатого вещества и топлива, для чего она известна как 9.0023 пироксилин .
• Ацетат целлюлозы был разработан в начале 1900-х годов и стал первым искусственным волокном, которое было вплетено в ткани, которые стали цениться за их блестящий внешний вид и комфорт при ношении. Компания Kodak разработала его в качестве основы для «защитной пленки» в 1930-х годах для замены нитроцеллюлозы, но он не получил широкого распространения для этой цели до 1948 года. Несколько лет спустя он стал основным материалом для магнитных записывающих лент.
• Вискоза — это общий термин для «регенерированных» форм целлюлозы, изготовленных из растворов полимера в некоторых сильных растворителях. При экструзии в тонкую пленку он превращается в целлофан, который используется в качестве упаковки для пищевых продуктов с 19 века.12 и является основой для прозрачных клейких лент, таких как Scotch Tape. Растворы вискозы, экструдированные через фильеру, производят волокна, известные как искусственный шелк. Вискоза (справа) была первым «искусственным шелком», который использовался для шин, одежды и ковров. Он был популярен для изготовления женских чулок до того, как для этой цели стал доступен нейлон.

Каучук

Различные растения производят сок, состоящий из коллоидной дисперсии цис--полиизопрена. Этой молочной жидкости особенно много в каучуковом дереве (9).0023 Hevea ), из которого капает при поранении коры. После сбора латекс коагулируют для получения твердого каучука. Натуральный каучук термопластичен, его температура стеклования –70°C.

цис -полиизопрен

Сырой натуральный каучук имеет тенденцию быть липким в тепле и ломким в холоде, поэтому он был не более чем новым материалом, когда впервые был представлен в Европе около 1770 года. Он не стал широко использоваться до середины девятнадцатого века, когда Чарльз Гудиер обнаружил, что нагревание с серой — процесс, который он назвал 9Вулканизация 0023 — позволила значительно улучшить его свойства.

Почему резинка нагревается при растяжении и почему она самопроизвольно возвращается в исходное положение? Все это связано с энтропией .

Вулканизация создает дисульфидные поперечные связи, которые предотвращают скольжение полиизопреновых цепей друг относительно друга. Степень сшивания можно контролировать для получения каучука, имеющего желаемую эластичность и твердость. Совсем недавно были разработаны другие виды химической обработки (например, эпоксидирование) для производства каучуков специального назначения.

Лучшее для лучшей жизни… с помощью химии ” — известный коммерческий слоган, отразивший отношение общественности примерно в 1940 году, когда синтетические полимеры начали оказывать большое влияние на жизнь людей. То, что не было реализовано в то время

Низкомолекулярный выпуск 9, однако, были некоторые из проблем, которые эти материалы создавали по мере увеличения их использования, и мир стал более осторожно относиться к «химикатам» (DuPont отказалась от части «сквозной химии» в 1982 г.

).0017

Многие виды полимеров содержат небольшие молекулы — либо непрореагировавшие мономеры, либо специально добавленные вещества (пластификаторы, поглотители УФ-излучения, антипирены и т. д.) для изменения их свойств. Многие из этих более мелких молекул способны диффундировать через материал и попадать в любую жидкость или воздух, контактирующие с пластиком, и, в конечном итоге, в водную среду. Те, которые используются в качестве строительных материалов (например, в мобильных домах), могут накапливаться в закрытых помещениях и способствовать загрязнению воздуха внутри помещений.

Остаточный мономер

Формирование длинных полимерных цепей — сложный и несколько случайный процесс, который никогда не бывает идеально стехиометрическим. Поэтому нередко некоторое количество непрореагировавшего мономера остается в готовом продукте. Некоторые из этих мономеров, такие как формальдегид, стирол (из полистирола, включая контейнеры для еды на вынос из пенополистирола), винилхлорид и бисфенол-А (из поликарбонатов) являются известными канцерогенами. Хотя существует мало доказательств того, что небольшие количества, которые диффундируют в воздух или попадают в жидкости, представляют измеримый риск для здоровья, люди по понятным причинам неохотно переносят такое воздействие, и государственная политика постепенно начинает их регулировать.

Перфтороктановая кислота (PFOA), мономер, из которого изготавливается тефлон, в 2004 году стала предметом судебного иска против завода DuPont, загрязнившего грунтовые воды. Небольшие количества ПФОК были обнаружены в газообразных выбросах горячих фторуглеродных продуктов.

Пластификаторы

Эти вещества добавляют в определенные виды пластмасс, чтобы сделать их более гибкими за счет снижения температуры стеклования. Они достигают этого, занимая пространство между полимерными цепями и действуя как смазка, позволяющая цепям легче скользить друг по другу. Многие (но не все) достаточно малы, чтобы распространяться и являться потенциальным источником проблем со здоровьем.

Поливинилхлоридные полимеры являются одним из наиболее широко пластифицируемых типов, и запахи, часто связанные с гибкими виниловыми материалами, такими как садовые шланги, водяные матрасы, дешевые занавески для душа, плащи и обивка, свидетельствуют об их способности мигрировать в окружающую среду.

Известный «запах новой машины» во многом связан с выделением пластификатора с обивки и внутренней отделки салона.

В настоящее время ведется активное движение по разработке недиффундирующих и «зеленых» пластификаторов, не представляющих такой опасности.

Эндокринные разрушители

Соединения, родственные пластмассам, — не единственный вид эндокринных разрушителей, обнаруженных в окружающей среде. Другие включают остатки пестицидов и фунгицидов, а также промышленные химикаты, такие как полихлорированные бифенолы (ПХБ).

Еще больше усложняет ситуацию то, что многие из этих небольших молекул оказались физиологически активными благодаря их способности имитировать действие гормонов или других сигнальных молекул, вероятно, за счет приспособления и связывания со специализированными рецепторами, присутствующими во многих тканях. . Доказательства того, что многие из этих химических веществ способны действовать таким образом на клеточном уровне, достаточно очевидны, но до сих пор ведутся некоторые споры о том, представляют ли многие из них реальный риск для здоровья взрослых людей при относительно низких концентрациях, в которых они обычно встречаются в организме. окружение.

Однако существует некоторая озабоченность по поводу воздействия этих веществ на невзрослых и особенно на плод, учитывая, что эндокринная система тесно связана с половой дифференциацией и неврологическим развитием, которое продолжается до позднего подросткового возраста.

Продукты разложения

Наиболее часто используемые полимеры плохо поддаются биологическому разложению, особенно в анаэробных условиях большинства свалок. И то разложение, которое действительно происходит, соединяется с дождевой водой, образуя вымывает , который может загрязнить близлежащие ручьи и запасы подземных вод. Частичное фоторазложение, инициированное воздействием солнечного света, является более вероятной долгосрочной судьбой незащищенного пластика, в результате чего образуются крошечные фрагменты. Многие из этих материалов имеют меньшую плотность, чем морская вода, и как только они попадают в океаны через прибрежные стоки сточных вод или с морских судов, они, как правило, остаются там на неопределенный срок.

Известно, что открытое сжигание полимерных материалов, содержащих хлор (например, поливинилхлорид), выделяет такие соединения, как диоксины, которые сохраняются в окружающей среде. Сжигание в правильных условиях может эффективно устранить эту опасность.

Выбрасываемые продукты, содержащие фторуглероды (посуда с тефлоновым покрытием, некоторые предметы личной гигиены, гидроизоляционные и антипригарные материалы), распадаются на перфтороктановый сульфонат, который, как было показано, наносит вред водным животным.

Опасность для животных

Существует два основных типа опасностей, которые полимеры могут представлять для водной среды. Один из них относится к высвобождению небольших молекул, которые действуют как разрушители гормонов, как описано выше. Хорошо известно, что мелкие водные животные, такие как рыба, серьезно страдают от таких веществ во многих реках и эстуарных системах, но подробности об источниках и свойствах этих молекул не установлены. Одним из мешающих факторов является сброс сточных вод, содержащих противозачаточные препараты для человека (которые оказывают феминизирующий эффект на половое развитие), во многие водные пути.

Другая опасность связана с кусочками пластиковых отходов, которые водные животные принимают за пищу или запутываются в них.

закупорка кишечника и медленная смерть.

Останки альбатроса, принявшего кусочки пластикового мусора за еду

Эти опасности возникают по всему океану, но особенно сильно они проявляются в регионах, известных как круговороты. Это районы океана, в которых сочетание океанских течений вызывает постоянные вихри, которые имеют тенденцию собирать и концентрировать плавающие материалы. Наиболее известными из них являются Великие тихоокеанские круговороты, в которых накопилось поразительное количество пластиковых отходов.

Переработка

Огромное количество (по одной оценке, 10 ⁸ метрических тонн в год) пластиковых материалов, производимых для потребительского и промышленного использования, создало гигантскую проблему того, что делать с пластиковыми отходами, которые трудно безопасно сжигать. и который, будучи в значительной степени не поддающимся биологическому разложению, угрожает переполнить вместимость свалок. Дополнительным соображением является то, что de novo производство большинства основных полимеров потребляет невозобновляемые углеводородные ресурсы.

Пластиковые бутылки для воды (слева) представляют собой особую проблему утилизации из-за их широкого использования вдали от дома.

Переработка пластмасс стала крупной отраслью промышленности, чему в значительной степени способствовала продуманная политика обращения с отходами в крупных развитых странах. Однако у него есть свои собственные проблемы:

• Переработка выгодна только тогда, когда есть рынок для регенерированного материала. Такие рынки меняются в зависимости от экономического цикла (они практически исчезли во время рецессии, начавшейся в 2008 г.)
• Энергозатраты на сбор и транспортировку пластиковых отходов и особенно на их переработку для повторного использования часто являются решающим фактором при оценке целесообразности переработки.
• Сбор пластиковых отходов из разных источников и мест и их транспортировка в центры переработки потребляют энергию и создают многочисленные эксплуатационные проблемы.
• Большинство процессов переработки оптимизированы для определенных классов полимеров. Разнообразие типов пластика требует их разделения на разные потоки отходов, что обычно требует ручного (то есть недорогого) труда. Это, в свою очередь, стимулирует отправку этих отходов в страны с низкой заработной платой, тем самым снижая доступность переработанных материалов в странах происхождения пластика.

Некоторые из основных процессов переработки включают

• Процессы термического разложения, которые могут обрабатывать смешанные виды пластмасс и превращать их в жидкое топливо, но они требуют больших затрат энергии, что создает проблему.
• Очень небольшое количество конденсационных полимеров можно деполимеризовать, чтобы мономеры можно было восстановить и использовать повторно.
• Термополимеры можно расплавлять и гранулировать, но полимеры самых разных типов должны обрабатываться отдельно, чтобы избежать проблем несовместимости.
• Термореактивные материалы обычно измельчают и используют в качестве наполнителя в переработанных термополимерах.

Для облегчения эффективной переработки был установлен набор из семи идентификационных кодов смолы (седьмой, не показанный ниже, является «другим»).

Эти коды выбиты на дне многих контейнеров с широко распространенными продуктами. Не все категории принимаются всеми местными властями по утилизации, поэтому жителей необходимо информировать о том, какие виды мусора следует помещать в контейнеры для переработки, а какие следует объединять с обычным мусором.

Переработка шин

Большое количество выбрасываемых резиновых шин, а также растущее нежелание свалок принимать их, стимулировали значительные инновации в повторном использовании этого материала, особенно в строительной отрасли.

---

Эта страница под названием 7.9: Polymers and Plastics распространяется под лицензией CC BY 3.0 и была создана, изменена и/или курирована Стивеном Лоуэром с помощью исходного контента, который был отредактирован в соответствии со стилем и стандартами платформы LibreTexts; подробная история редактирования доступна по запросу.

1. Наверх

• Была ли эта статья полезной?

1. Тип изделия

   Раздел или Страница

   Автор

   Стивен Лоуэр

   Лицензия

   СС BY

   Версия лицензии

   3,0

   Показать страницу TOC

   нет на странице

2. Теги

   1. источник@http://www. chem1.com/acad/webtext/virtualtextbook.html
   2. термореактивные полимеры

Революция пластмасс: как химики расширяют возможности полимеров

Герман Штаудингер был пацифистом, но это был единственный бой, в котором он был полон решимости победить. В 1920 году немецкий химик предположил, что полимеры — широкий класс соединений, в который входят каучук и целлюлоза, — состоят из длинных цепей одинаковых небольших молекул, связанных сильными химическими связями. Большинство его коллег считали это полнейшей чушью и утверждали, что полимеры представляют собой просто более рыхлые скопления небольших молекул. Штаудингер отказался отступить, что вызвало вражду, растянувшуюся на десятилетие.

В конце концов, лабораторные данные подтвердили его правоту. За свою работу он получил Нобелевскую премию по химии 1953 года, а синтетические полимеры сейчас вездесущи: в прошлом году в мире было произведено около 300 миллионов тонн их. Молекулярные цепи, которые предполагал Штаудингер, вошли почти во все аспекты современной жизни, от одежды, краски и упаковки до доставки лекарств, 3D-печати и самовосстанавливающихся материалов. Композиты на полимерной основе даже составляют половину веса самого последнего пассажирского самолета Boeing, 787 Dreamliner.

Итак, куда дальше пойдут полимеры? Некоторые ответы появятся на этой неделе, когда один раз в десятилетие будет проводиться семинар, организованный Национальным научным фондом США, для изучения того, какие новые области появляются.

«Общая тенденция — продолжающаяся до сих пор — заключается в распространении полимеров на сферы применения, которых они традиционно не имели», — говорит Тим ​​Лодж, химик-полимер из Миннесотского университета в Миннеаполисе и редактор журнала Macromolecules . По его словам, это расширение было обусловлено достижениями во всех аспектах науки о полимерах. Исследователи разработали новые методы синтеза и анализа молекул, улучшили теоретические модели и создали имитаторы полимеров, встречающихся в природе. В то же время, говорит Лодж, отношение к науке изменилось. Университеты больше не отвергают науку о полимерах как слишком грязную, практичную и промышленную для академических кругов. «Почти на каждом химическом факультете сейчас есть кто-то, кто занимается полимерами», — говорит он, и передовые исследования полимеров становятся все более междисциплинарными.

Так и должно быть. У исследователей есть растущий набор методов, с помощью которых можно создать химическую архитектуру полимерных нитей, но они часто не могут предсказать, будет ли полученное соединение обладать особыми свойствами, необходимыми, скажем, для мембраны или системы доставки лекарств. Решение этой задачи потребует гораздо более глубокого понимания того, как химическая структура полимера определяет его физические свойства в любом масштабе от нанометров до метров.

Полимеры навсегда

Полимеры повсюду — и в этом проблема. «Большинство полимеров, которые мы используем в повседневной жизни, получены из продуктов на основе нефти, и хотя они долговечны в использовании, они также долговечны в отходах», — говорит Марк Хиллмайер, директор Центра устойчивых полимеров (CSP) в университете. Миннесоты. По оценкам, 86% всей пластиковой упаковки используется только один раз, прежде чем ее выбрасывают, создавая поток отходов, которые остаются в водоемах и на свалках, выделяют загрязняющие вещества и наносят вред дикой природе.

 

Nature, 17 августа 2016 г. doi :10.1038/536266a

Вот почему в последнее десятилетие произошел взрыв интереса к полимерам, которые производятся из возобновляемых ресурсов и легко и безвредно разлагаются биологическим путем. Полимеры на основе натурального крахмала уже представлены на рынке; то же самое можно сказать и о синтетическом полилактиде (PLA), который производится из лактида или молочной кислоты, полученных из биологических источников, и который содержится в продуктах от чайных пакетиков до медицинских имплантатов.

Но экологичные полимеры по-прежнему составляют менее 10% всего рынка пластмасс, говорит Хиллмайер. Одно препятствие в том, что они стоят слишком дорого. Другая заключается в том, что мономерные строительные блоки природных полимеров, как правило, содержат больше атомов кислорода, чем ископаемые углеводороды нефти. Это влияет на свойства полимеров — например, на повышение жесткости материалов — что может затруднить их прямую замену дешевых и гибких пластиков, таких как полиэтилен и полипропилен. Превращение природных полимеров в точные молекулярные аналоги обычным полимерам требует сложной химии.

Один из альтернативных подходов заключается в усилении устойчивых полимеров, таких как PLA, путем смешивания их с обычными полимерами. У этого пути обычно есть недостатки, например, некоторые пластмассы становятся менее прозрачными. Но исследователи CSP обошли эту проблему, добавив всего 5% по весу недорогого полимера нефтяного происхождения, который содержит некоторые участки, которые являются гидрофобными, т. е. водонерастворимыми, а другие являются гидрофильными, или водорастворимыми. Эти добавки объединяются, образуя сферические структуры, которые делают PLA существенно более прочным, не снижая его прозрачности.

Команда Хиллмайера также изготовила частично перерабатываемую форму пенополиуретана, которая используется во множестве продуктов, включая изоляцию, подушки сидений и прокладки. Рецепт этого полиуретана включает недорогой полимер под названием поли(β-метил-δ-валеролактон) (ПМВЛ) на основе мономеров, произведенных модифицированными бактериями. Нагревание пены до температуры выше 200 °C разрушает полиуретан, так что мономеры можно извлечь и использовать снова.

Еще неизвестно, можно ли эти устойчивые полимеры коммерциализировать. «Часто самая большая проблема заключается в том, чтобы сделать это в масштабе, что требует благоприятной экономики», — говорит Хиллмайер. Он считает, что в этой области необходимо установить общие правила проектирования, которые предсказывают, как химическая структура мономера влияет на скорость, температуру и выход реакций полимеризации, а также как полученные полимеры будут взаимодействовать с другими материалами. Его команда разработала такие рекомендации для участников PMVL и в прошлом году создала дочернюю компанию CSP под названием Valerian Materials, чтобы использовать эти принципы.

Некоторые исследователи прибегают к другому трюку: вместо того, чтобы связывать воедино мономеры биологического происхождения, они учатся напрямую использовать природные полимеры. Целлюлоза, например, состоит из молекул глюкозы, связанных вместе в цепочки, которые, в свою очередь, образуют прочные волокна или фибриллы, из которых состоят жесткие клеточные стенки растений. Во многих местах цепочки целлюлозы образуют кристаллические куски шириной до 20 нанометров и длиной в сотни нанометров, которые можно извлечь из целлюлозной массы химическим путем. Сторонники говорят, что эти кристаллы могут быть использованы для таких применений, как укрепление композитов, формирование изолирующих пенопластов, доставка лекарств и создание каркаса для восстановления тканей.

Нанокристаллы целлюлозы и более длинные нанофибриллы в настоящее время производятся в промышленных масштабах, но коммерческое применение пока не выходит далеко за рамки придания жесткости бумаге или загустителям. Кристоф Ведер, директор Института нанонаук имени Адольфа Меркла при Университете Фрибурга в Швейцарии, говорит, что потребуется гораздо больше усилий, чтобы снизить затраты и продемонстрировать уникальные преимущества устойчивых полимеров. «Нам действительно нужна дорожная карта для биополимеров», — говорит он.

Скин в игре

В запутанном мире полимеры могут навести порядок. Полимерные мембраны уже служат молекулярными ситами для разделения газов, опреснения морской воды и разделения молекул внутри топливных элементов. Но в будущем они могут оказать гораздо большее влияние, говорит Лодж. «Существует так много проблем, которые можно решить с помощью лучших мембран».

Разделение смесей с помощью мембран требует гораздо меньше энергии, чем дистилляция, при которой жидкость нагревается для испарения ее компонентов при разных температурах. Кроме того, для этого требуется гораздо меньше места, чем при использовании скрубберов — устройств, в которых загрязняющие вещества улавливаются в результате химических реакций. Мембраны из полимеров не только дешевы в производстве в больших масштабах, но и могут покрывать большие площади, не приобретая структурных дефектов, которые пропускают не те молекулы.

Газоразделительные мембраны уже используются в промышленности для выделения водорода и углекислого газа из природного газа. Но усовершенствованные мембраны могут решать более сложные задачи, например различать очень похожие углеводороды пропан и пропен. Более прочные, химически стойкие мембраны могут работать при более высоких температурах для удаления углекислого газа из горячих дымовых газов.

Мембранный химик Бенни Фриман из Университета Техаса в Остине надеется улучшить очистку сточных вод от операций гидроразрыва пласта, при которых вода нагнетается в породу, чтобы расщепить ее и высвободить природный газ. После использования вода настолько грязная, что стандартные фильтрующие мембраны быстро засоряются, поэтому для проталкивания воды приходится подавать воду под высоким давлением, а мембраны очищать химическими веществами, сокращающими срок их службы. Но Фримен нашел способ обойти эту проблему, нанеся на мембраны тонкое, как паутинка, покрытие из полидофамина, которое имитирует водостойкий клей, используемый мидиями, чтобы цепляться за камни. Полидофаминовое покрытие, опробованное на установке для гидроразрыва воды недалеко от Форт-Уэрта, штат Техас, вдвое уменьшило давление, необходимое для проталкивания воды через мембрану, что могло привести к созданию более компактных и эффективных систем очистки. Команда уже использовала эти мембраны для создания устройств для ВМС США, чтобы корабли могли очищать нефтеносные трюмные воды перед их сбросом.

В декабре 2015 года администрация президента США запустила проект по повышению устойчивости водных ресурсов, и в рамках этих усилий Министерство энергетики США планирует создать в 2017 году исследовательский центр по опреснению воды. Полимерные мембраны будут иметь большое значение. роль в этом усилии, говорит Фриман. «Мы должны увидеть огромный рост усилий по расширению использования полимеров в этой области».

Чтобы спроектировать лучшие опреснительные мембраны, исследователям необходимо будет предсказать, как такие факторы, как распределение заряженных химических групп в полимере, влияют на его проницаемость для ионов. Ранее в этом году Фримен и его коллеги опубликовали то, что, по его мнению, является первой моделью, делающей именно это и позволяющей химикам придавать мембране определенные свойства путем подбора ее химических заместителей и сшивания молекул. «У меня есть миссия, чтобы люди задавали такие вопросы об отношениях структура-свойство, которые действительно могли бы направлять синтез», — говорит он.

Окончательная разделительная мембрана может иметь толщину всего в одну молекулу. Эти 2D-полимеры охватывают волну энтузиазма в отношении однослойных материалов, которая последовала за выделением графена чуть более десяти лет назад.

Плоские полимеры — это не просто очень тонкие пленки обычных линейных полимеров. Вместо этого они имеют двумерную химическую структуру, которая выглядит как рыболовная сеть с регулярной повторяющейся сеткой, полной отверстий размером с молекулу. Они также могут нести на своих поверхностях самые разнообразные химические украшения, так что каждое отверстие может быть точно сконструировано так, чтобы пропускать одни молекулы и блокировать другие.

Но создавать двумерные полимеры непросто. Если хотя бы одно из отверстий в растущей сетке закроется неправильно, мембрана может деформироваться и превратиться в трехмерный беспорядок. Химик-полимер Дитер Шлютер из Швейцарского федерального технологического института в Цюрихе работал над этой проблемой более десяти лет, прежде чем добился успеха в 2014 году. Затем вспышка синего света запускает химическую реакцию между мономерами в одной плоскости, создавая новый кристалл, состоящий из уложенных друг на друга слоев полимера. Их можно снять, чтобы получить отдельные 2D-листы толщиной всего в один мономер.

Используя тот же подход, Шлютер и Бенджамин Кинг, глава химического факультета Университета Невады, Рино, независимо друг от друга произвели различные типы 2D-полимера. Теперь оба исследователя надеются, что вскоре они смогут производить эти листы килограммовыми партиями, что будет достаточно легко, чтобы распространять образцы среди исследовательских групп по всему миру.

Шлютер признает, что столкнулся со скептицизмом в отношении того, будут ли процветать двумерные полимеры. «Но это здорово», — говорит он. «И я очень упрямый — я не сдамся, я убежден в большом потенциале этой разработки».

Эксклюзивные полимеры

Широко используемые полимеры, такие как полистирол и полиэтилен, поразительно скучны в одном смысле: они повторяют один и тот же мономер снова и снова. Их однотонная мелодия особенно монотонна по сравнению с квадрофонической симфонией ДНК, кодирующей целый геном из 4-х мономеров; или барочный шедевр белка, состоящий из 23 аминокислот для создания сложной трехмерной структуры.

Одной из самых сложных задач в исследованиях полимеров является создание синтетических полимеров с такой же точностью, чтобы химики могли точно настраивать электронные и физические свойства своих продуктов. «За последние пять лет это стало очень модным», — говорит Жан-Франсуа Лутц, химик-макромолекулярный из Страсбургского университета во Франции. Полимеры с контролируемой последовательностью будут содержать мономеры в заранее определенном порядке, образуя нити очень определенной длины.

В прошлом году группа под руководством Джереми Джонсона, химика из Массачусетского технологического института в Кембридже, показала, что они могут достичь такого контроля за счет итеративного экспоненциального роста — сначала объединяя два разных мономера в димер, а затем соединяя два димеры для получения тетрамера и так далее. Модификация химических боковых цепей каждого мономера между циклами добавляет сложности, а полуавтоматическая система может сделать процесс менее трудоемким.

В настоящее время Джонсон изучает, как его полимеры с контролируемой последовательностью можно использовать для доставки лекарств. В дюжине лекарств, одобренных Управлением по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов США, используется полимер под названием полиэтиленгликоль, который защищает их от воздействия иммунной системы организма, улучшает их растворимость или продлевает время их пребывания в организме. Джонсон говорит, что полимер с контролируемой последовательностью может обеспечить более предсказуемый биологический эффект, потому что каждая нить будет одинаковой длины и формы, а его химический состав может быть тщательно разработан, чтобы помочь его лекарственному грузу наиболее полезным образом.

Полимеры с контролируемой последовательностью также могут хранить данные в более компактной и недорогой форме, чем обычная полупроводниковая технология, где каждый мономер представляет отдельный бит информации. В прошлом году Лутц продемонстрировал ключевой шаг к этой цели. Он использовал два типа мономера для представления цифровых единиц или нулей, а третий — в качестве прокладки между ними. Мономеры содержали химические группы, которые позволяли им соединяться только с растущим полимером, а не реагировать друг с другом случайным образом. Последовательность из 1 и 0 можно было прочитать, наблюдая, как полимер распадается внутри масс-спектрометра.

Ранее в этом месяце Лутц показал, что библиотека различных нитей полимера может кодировать 32-битное сообщение. Это меркнет по сравнению с 1,6 гигабитами, хранящимися в искусственных молекулах ДНК (см. go.nature.com/2b2ve0u). Но импульс для полимерного хранения данных растет. В апреле американское агентство Intelligence Advanced Research Projects Activity (IARPA), которое финансирует исследования высокого риска для разведывательного сообщества, привлекло представителей биотехнологической, полупроводниковой и программной отраслей на семинар по этой теме.