Тема уроку: Пластмаси. Каучуки, гума. Найпоширеніші полімери та сфери їхнього використання.
Необхідність створення сировинної бази гумової
промисловості спонукало радянський уряд на початку 1926 р. оголосити конкурс на
кращий спосіб отримання синтетичного каучуку. Першого успіху досягла група
вчених під керівництвом С. В. Лебедєва. 30 грудня 1927 р. 2 кг дивінілового
каучуку було відправлено на конкурсну комісію. Спосіб Лебедєва полягав у
полімеризації бута-1,3-дієну під дією натрію. З 1932 р. було почато промислове
виробництво бута-1,3-дієну за методом Лебедєва, а з бута-1,3-дієну —
виробництво каучуку. (запишіть рівняння реакції зі с.206)
Після відкриття Ч. Гуд’їром (1839) і Т. Генкоком
(1843) процесу вулканізації потреба в каучуку різко зросла. Щоб сучасний
автомобіль вийшов з воріт заводу, потрібно 250 кг каучуку; на кожен літак у
середньому витрачається 600 кг, а на обладнання великого військового корабля каучуку
багато доводилося блукати по лісах у пошуках гевей, оскільки вони ростуть на
відстані 20–100 м.
Пропоную перевірити себе наскільки добре ви засвоїли попередню тему «Пластмаси»
1. Які речовини належать до високомолекулярних сполук (ВМС)?
(ВМС — це сполуки, молекули яких складаються з великого числа повторюваних ланок.)
2. Наведіть приклади природних ВМС.
(Органічні сполуки — целюлоза, білки, крохмаль, натуральний каучук; неорганічні — графіт, силікати.)
3. Що являють собою штучні й синтетичні ВМС?
(Штучні ВМС одержують із природних ВМС, використовуючи хімічні методи, що не змінюють головний ланцюг. Синтетичні ВМС одержують реакціями полімеризації й поліконденсації низькомолекулярних речовин.)
4. Наведіть приклади штучних і синтетичних полімерів.
(Штучні органічні полімери — ацетилцелюлоза, нітроцелюлоза, гума; синтетичні органічні полімери — поліетилен, полістирол, полівінілхлорид, капрон, лавсан, каучуки; синтетичні неорганічні полімери — скловолокно, керамічні волокна.)
5. Як із грецької мови перекладаються слова «полімер» і «мономер»?
(«Полі» — багато, «моно» — один, «мерос» — частина. Полімери — це високомолекулярні сполуки. Мономери — це низькомолекулярні речовини, з яких одержують полімери.)
6. Що таке «ступінь полімеризації»? (середнє число структурних ланок у молекулі полімеру.)
7. Що таке «структурна ланка»? (Повторювана ділянка молекули полімеру)
8. Які полімери називають полімерами стереорегулярної будови?
(Полімери стереорегулярної будови мають регулярно розташовані радикали з одного або з двох боків головного ланцюга.)
9. Чим відрізняються реакції полімеризації від реакцій поліконденсації?
10. У чому особливість поняття «молекулярна маса полімеру»?
(Відносна молекулярна маса для полімеру є його середньою відносною молекулярною масою, оскільки ступінь полімеризації не є величиною постійною.)
Уважно опрацюйте матеріал підручника §33
Цілий ряд подій вплинув на
винахід синтетичного каучуку: індустріальна революція, прогрес у
моторобудуванні, дві світові війни, зростаючий попит на каучук і дефіцит
натурального каучуку. Все це значною мірою спровокувало світовий попит на
еластомери. Синтетичні каучуки стали необхідною альтернативою натуральному
каучуку й надали додаткових властивостей виробам.
Для вивчення теми пропоную скористатися планом:
1. Визначення каучуку.
2. Історія відкриття каучуку.
3. Види синтетичних каучуків, їхні властивості
(Складання та обговорення таблиці.)
4. Гума, види гуми. Ебоніт.
5. Застосування гуми і
каучуку
1. Визначення каучуку
Каучук — це еластичний матеріал,
який отримують при коагуляції латексу каучуконосних рослин.
Природний каучук — полімер ненасиченого вуглеводню
ізопрену C5H8. Його добувають із
молочного соку деяких рослин, переважно з гевеї, що росте в тропічних країнах.
Молекули природного
каучуку мають лінійну будову. Відносна молекулярна маса природного каучуку
становить 150–500 тис., а число елементарних ланок в молекулі — до 2500.
Чистий каучук має густину
0,9–0,95 г / см3, легший за воду, не розчиняється у воді. Природний каучук не
проводить електричний струм.
Природний каучук існує стільки років, скільки й
сама природа. Скам’янілі залишки каучуконосних дерев мають вік близько трьох
мільйонів років. Каучук мовою індіанців тупі-гуарані означає «сльози дерева».
Каучукові кулі із сирої гуми знайдено серед руїн цивілізацій інків і майя в
Центральній і Південній Америці, вік цих куль не менше 900 років.
Перше знайомство європейців з природним каучуком
відбулося п’ять століть тому.
На острові Гаїті (а тоді — Еспаньол) під час своєї
другої подорожі в 1493 р. іспанський адмірал Христофор Колумб побачив
тубільців, які грали великим щільним м’ячем. Хоча це здавалося неймовірним,
але, ударяючися об землю, м’ячі високо підскакували в повітря. Взявши ці кулі в
руки, іспанці побачили, що вони досить важкі, липкі та пахнуть димом.
Індіанці виробляли їх із молочного соку з порізів
на корі дерева гевеї. Колумб привіз кілька шматків цієї дивної речовини на
батьківщину, але в ті часи це нікого не зацікавило. Індіанці робили із соку
непромокальні калоші, що в спеку прилипали до ніг, а розтягнувшись, більше вже
не стискалися.
Багато років іспанці намагалися повторити
водонепроникні речі (взуття, одяг, головні убори) індіанців, але всі спроби
були невдалими.
Перші спроби зробити каучукове взуття викликали
лише сміх. Калоші або чоботи добре служили в дощ, але варто було потрапити на
розігріту сонцем поверхню, як вони розтягувалися і починали прилипати. У мороз
таке взуття ставало крихке як скло.
Наступні два століття каучук для Європи був просто
цікавою заморською дивиною.
У 1731 р. уряд Франції відрядив математика і
географа Шарля Кондамін у географічну експедицію до Південної Америки. У 1736
р. він надіслав до Франції кілька зразків каучуку разом з описом продукції,
виробленої з нього людьми, які населяють Амазонську низовину. Після цього
збільшився науковий інтерес до вивчення цієї речовини і його властивостей.
У 1770 р. британський хімік Джозеф Прістлі вперше
знайшов застосування каучуку: він виявив, що каучук може стирати те, що
написано графітним олівцем. Тоді такі шматки каучуку називали гуміеластиком
(«смолою еластичною»).
У 1791 р. англійський фабрикант Самуель Пил
запатентував спосіб, що дозволяв зробити одяг водонепроникним за допомогою
обробки каучуку в скипидарі.
У Франції у 1820 р. навчилися виготовляти підтяжки
і підв’язки з каучукових ниток, сплетених із тканиною.
В Англії британський хімік і винахідник Чарльз
Макінтош запропонував класти тонкий шар каучуку між двома шарами тканини та з
цього матеріалу шити водонепроникні плащі. У 1823 р. у Глазго він почав
мануфактурне виробництво водонепроникного одягу. Непромокальний плащ із
прогумованої тканини до сьогодні носить його ім’я. Проте ці плащі взимку
ставали твердими від холоду, а влітку розповзалися від спеки.
У США речі з каучуку стають популярними з 1830-го
року: гумові пляшки і взуття, вироблені південноамериканськими індіанцями,
імпортувалися у великих кількостях. Інші гумові вироби завозилися з Англії, а в
1832 р. в місті Роксбері штату Массачусетс Джон Хаскінс і Едвард Шафе
організували першу «каучукову» фабрику в США. У 1834 р. німецький хімік Фрідріх
Людерсдорф і американський хімік Натаніель Хейвард виявили, що додавання сірки
до каучуку зменшує або навіть зовсім усуває клейкість виробів. Американський
винахідник Чарльз Гудьїр з 1834 р. наполегливо намагався «врятувати» каучук.
Але тільки в 1839 р. йому пощастило. Він поклав на піч шматок вкритої каучуком
тканини, на яку був нанесений шар сірки. Через деякий час він виявив подібний
до шкіри матеріал — гуму. Цей процес був названий вулканізацією.
Увага підприємців усіх країн була звернена на
видобуток каучуку. Бразилія виявилася господарем величезних багатств. Щоб зберегти
їх, уряд Бразилії видав закон, що забороняє під страхом смерті вивозити насіння
і молоді дерева гевеї. Але було пізно.
За порадою ботаніка Дж. Гукера, англієць Генрі
Вікгем поїхав у 1876 р. на береги Амазонки, де зібрав 70 000 насіння гевеї і
контрабандно вивіз їх із Бразилії. Потайки доставив їх до Королівського
ботанічного саду в Лондоні. Насіння було висіяне, але зійшло тільки 4 %.
Через кілька днів сіянці досягли півметрової висоти
і були використані для висадки на плантаціях спочатку в Шрі-Ланці, а потім в
інших тропічних районах Східної півкулі. Близько 99 % плантаційного каучуку
походить з Південно-Східної Азії. Спроби висадити каучуконосні дерева в
тропічних областях Західної півкулі закінчилися невдачею через хвороби рослин.
Компанії, що організовували видобування, збір та
перевезення каучуку, безжально експлуатували людей, прагнучи якомога більше і
дешевше отримати його. Збирачам натурального каучуку, тому безперервно шукали
альтернативних джерел. Наприклад, у Росії у 30-ті роки колгоспник на прізвище
Співаченко вказав ботаніку Л. Е. Родіну, що в горах Тянь-Шаню в Казахстані є
рослина кок-сагиз, що містить у корінні від 16 до 28 % каучуку.
З природним (натуральним ) каучуком ви можете познайомитись, переглянувши відео "Натуральний каучук"
З природним (натуральним ) каучуком ви можете познайомитись, переглянувши відео "Натуральний каучук"
Необхідність створення сировинної бази гумової
промисловості спонукало радянський уряд на початку 1926 р. оголосити конкурс на
кращий спосіб отримання синтетичного каучуку. Першого успіху досягла група
вчених під керівництвом С. В. Лебедєва. 30 грудня 1927 р. 2 кг дивінілового
каучуку було відправлено на конкурсну комісію. Спосіб Лебедєва полягав у
полімеризації бута-1,3-дієну під дією натрію. З 1932 р. було почато промислове
виробництво бута-1,3-дієну за методом Лебедєва, а з бута-1,3-дієну —
виробництво каучуку. (запишіть рівняння реакції зі с.206)
У переважній більшості країн не було природних
джерел для одержання — майже 70 т каучуку.
Запишіть
рівняння отримання каучуку за способом Лебедєва
3. Види синтетичних каучуків, їхні властивості й
застосування
Усі існуючі каучуки можна
розділити на два великих сегменти: каучуки
загального призначення й каучуки спеціального призначення.
Синтетичні каучуки (не
обов’язково для читання)
загального призначення спеціального
призначення
Бутадієн-стирольний Хлоропреновий
Бутадієн-метил-стирольний Бутадієн-нітрильний
Полібутадієновий Галогенірувані
ізобутілени
Бутилкаучук
Уретани
Етиленпропіленовий Силікони
Етиленпропілендієновий Полісульфідні
каучуки
Цис-1,4-поліізопреновий
Каучуки загального
призначення використовуються в тих виробах, де важлива сама природа гуми й
немає будь-яких особливих вимог до готового виробу. Каучуки спеціального
призначення мають більш вузьку сферу застосування й використовуються для
надання гумо-технічному виробу (шинам, ременям, взуттєвій підошві тощо) заданих
властивостей, наприклад, зносостійкості, морозостійкості, підвищеного зчеплення
з мокрою дорогою тощо.
Розглянемо деякі каучуки
загального призначення, зі схожими способами одержання, переробки й застосування. Класифікація каучуків
Каучуки загального і
спеціального призначення.
(За галузями їхнього застосування)
Класифікація
|
Особливості
використання
|
Властивості
|
Вироби
|
Загального призначення
|
Широке коло споживчої продукції
|
Висока еластичність за звичайних температур
|
Шини, транспортерні стрічки, взуття…
|
Спеціального призначення
|
Вузька спеціалізація , специфічні, екстремальні умови
|
Стійкість до дії розчинників, технічних масел, кисню,
озону, зберігають високу еластичність у широкому діапазоні температур
|
Ізоляція, прокладки до техніки,шланги, взуття,
антикорозійне покриття
|
Натуральний |
Поліізопреновий
|
(-сн2- с(сн3) = сн – сн2-)n
|
Полібутадієновий
|
(-сн2 – сн = сн – сн2-)n
|
|
Синтетичний |
Поліізопреновий
|
(-сн2 – с(сн3 = сн –
сн2 -)n цис і транс форми
|
Поліхлоропреновий
|
(сн2 – с(сl) = сн – сн2 -)n
|
|
Полібутадієнстирольний
|
(-сн2 – с(сн3 = сн –
сн2 -)n (- сн(с6н5)
– сн2-)
|
Бутадієн-стирольний каучук
Цей каучук вважають кращим
каучуком загального призначення завдяки високій стійкості до стирання й
високому відсотку наповнюваності. Характерною рисою бутадієн-стирольних
каучуків є низький опір розриву. Важливою перевагою цих каучуків перед
натуральним каучуком є менша ймовірність утворення тріщин, більш висока
стійкість, паро- і водонепроникність, кращий опір тепловому світловому
випромінюванню, діелектричні властивості.
Будучи ненасиченим
каучуком, він легко вулканізується із сіркою. Має стійкість до низьких
температур і до стирання. Оскільки він має погане зчеплення з дорогою
(порівняно з натуральним каучуком), то при виготовленні гумотехнічних виробів
він перемішується з натуральним каучуком або бутадієн-стирольним каучуком.
Полібутадієновий каучук
використовуються як модифікатор у сумішах з іншими еластомерами для поліпшення
морозостійких властивостей, стійкості стирання й розтріскування.
Бутилкаучук
Він має унікальну
здатність утримувати повітря, що забезпечує йому безумовний пріоритет у шинній
промисловості при виробництві камер і діафрагм. Автомобільні камери з
бутилкаучуку зберігають вихідний тиск повітря в 8–10 разів довше, ніж
аналогічні камери з натурального каучуку. Це підвищує термін служби шини
мінімум на 10–18 % у порівнянні з натуральним каучуком. Каучук стійкий до
впливу озону та має гарну стійкість до водяних розчинів кислот і окисників. Він
має гарну стійкість до дії тваринних і рослинних масел, але є нестійким до дії
мінеральних масел.
Міцність на розрив
бутилкаучуку набагато менша в порівнянні з натуральним каучуком, але за високих
температур цей показник є однаковим для обох каучуків. Деякі з недоліків
бутилкаучуку (такі, як низька швидкість вулканізації, низька адгезія до
багатьох матеріалів, особливо металів) усуваються частковою зміною хімічної
природи полімеру. Наприклад, уведенням у макромолекули бутилкаучуку невеликої
кількості атомів галогенів.
Етиленпропіленові каучуки
Найлегші каучуки мають
щільність від 0,86 до 0,87. Властивості залежать від вмісту та варіацій
етиленових ланок. Етиленпропіленовий каучук не містить подвійних зв’язків у
молекулі, безбарвний, має відмінну стійкість до впливу тепла, світла, кисню й
озону. Стійкість таких каучуків до тепла й старіння значно вища, ніж у
бутадієн-стирольного й натурального каучуків.
Усі види
етилен-пропіленових каучуків підсилюються наповнювачами, такими як сажа, щоб
додати гарних механічних властивостей. Ці каучуки мають два значних недоліки:
вони не можуть бути перемішані з іншими простими каучуками та є нестійкими до
дії масел.
Зразки каучуків, їхні
властивості
Назва матеріалу
|
||||
Ознаки порівняння
|
Натуральний каучук
|
Синтетичний каучук ізопреновий
|
Синтетичний каучук дивінілів
|
Синтетичний каучук хлоропреновий
|
Формули компонентів матеріалу
|
(-сн2- с(сн3) = сн – сн2-)n
|
(-сн2- с(сн3) = сн – сн2-)n
|
(-сн=сн- сн= сн-)п
|
(-сн - с(сl)= сн-сн2 -)п
|
Зовнішній вигляд
|
Пружна
аморфна маса
|
Пружна
жорстка речовина
|
||
Колір
|
Темно -
коричневий
|
Білий –
коричневий
|
||
Пластичність
|
350(кг/см2)
|
300(кг/см2)
|
250(кг/см2)
|
|
Еластичність
|
850%
вулканізований
|
800%
|
500 – 1000%
|
|
Густина
|
0,90-
0,93г/см3
|
|||
Температура плавлення 0С
|
||||
Розчинність у воді
|
-
|
-
|
-
|
Нерозч
|
Хімічні властивості. Взаємодія з:
|
||||
-бромною водою
|
+
|
+
|
+
|
+
|
-калій перманганатом
|
+
|
+
|
+
|
+
|
-сульфатною кислотою
|
-
|
-
|
-
|
-
|
-натрій гідроксидом
|
-
|
-
|
-
|
-
|
-розчинником (бензином або ацетоном)
|
Добре розчинний
|
набухає
|
Бензин-набухає,
ацетон - нерозчинний
|
|
Галузі застосування
|
«сира гума»,
техніка,
медицина
ебоніт
|
Виготовлення
всіх гумових виробів, ебоніт, кабельна промисловість
|
Техніка
|
Ізоляція,
прокладки до техніки,шланги, взуття, антикорозійне покриття
|
4. Гума, види
гуми, застосування. Ебоніт
Гума — високоеластична, міцна сполука, складна
багатокомпонентна система, що складається з полімерної основи (каучуку) і
різних добавок.
Гума — матеріал,
необхідний для виробництва різноманітних виробів — від автомобільних шин до
хірургічних рукавичок. Головна перевага гуми — її еластичність. Вона може
розтягуватися й гнутися, а потім приймати початкову форму. Гума може бути як
м’якою, так і твердою.
Натуральну гуму виробляють
з особливої рідини — латексу, який одержують із соку каучукових дерев.
Батьківщина каучукового дерева — Центральна та Південна Америка. Сьогодні їх
вирощують на плантаціях у теплих країнах у всьому світі, зокрема й у
Південно-Східній Азії.
Після Другої світової
війни з нафти хімічним шляхом одержали синтетичну гуму, яка набула широкого
застосування. Зараз частка синтетичної гуми складає дві третини світового
виробництва гуми.
Найбільшими споживачами
гумових технічних виробів є автомобільна промисловість і сільськогосподарське
машинобудування. Ступінь насиченості гумовими виробами — одна з основних ознак
досконалості, надійності та комфортності масових видів машинобудівної
продукції. У складі механізмів і агрегатів сучасних автомобіля і трактора є
сотні найменувань і близько тисячі штук гумових деталей, причому одночасно зі
збільшенням виробництва машин зростає їхня різноманітність.
Залежно від структури гуму
поділяють на непористу (монолітну) і пористу.
Непористу гуму
виготовляють на основі бутадієнового каучуку. Вона характеризується високим
показником стирання. Термін зносу підошовної гуми в 2–3 рази перевищує термін
зносу підошовної шкіри. Межа міцності гуми при розтягуванні менша, ніж у
натуральної шкіри.
Гума не пропускає воду і
практично в ній не набухає.
Гума поступається шкірі за
морозостійкістю і теплопровідністю, що знижує теплозахисні властивості взуття.
І нарешті, гума є абсолютно повітро- і паронепроникною.
Гума пористої структури
має замкнуті пори, вміст яких залежно від виду гуми коливається від 20 до 80 %
її загального об’єму. Ці гуми мають низку переваг порівняно з непористою гумою:
підвищені м’якість, гнучкість, високі амортизаційні властивості, пружність.
Недоліком пористих гум є
властивість давати усадку, а також викришуватися в певних ділянках виробу при
ударах. Для підвищення твердості пористих гум до їхнього складу вводять
полістирольні смоли.
На сьогодні освоєно
виробництво нових видів пористих гум: порокрепу і вулканітів. Порокреп
характеризується гарним кольором, еластичністю, підвищеною міцністю. Вулканіти
— це пориста гума з волокнистими наповнювачами, що має високу зносостійкість,
гарні теплозахисні властивості.
Ебоніт — вулканізований
каучук з високим вмістом сірки (30–50 % від маси каучуку), зазвичай
темно-бурого або чорного кольору. На відміну від м’якої гуми, ебоніт не виявляє
високої еластичності за звичайних температур і нагадує тверду пластмасу.
Немає коментарів:
Дописати коментар