Природные полимеры, такие как целлюлоза и латекс, были впервые химически модифицированы в 19 веке с образованием целлулоида
Пластмассы представляют собой группу материалов, синтетических или встречающихся в природе, которым можно придать форму в мягком состоянии, а затем затвердеть, чтобы сохранить заданную форму. Пластмассы - это полимеры. Полимер – это вещество, состоящее из множества повторяющихся звеньев. Слово « полимер» происходит от двух греческих слов: «поли» , что означает «много », и «мерос», что означает части или единицы . Полимер можно рассматривать как цепь, в которой каждое звено представляет собой «мер» или мономер (единичное звено). Цепь образуется путем соединения или полимеризации не менее 1000 ссылок вместе. Полимеризацию можно продемонстрировать, соорудив цепочку из канцелярских скрепок или соединив множество полосок бумаги вместе, чтобы сформировать бумажную гирлянду.
Встречающиеся в природе полимеры включают деготь, шеллак, панцирь черепахи, рог животных, целлюлозу, янтарь и латекс из древесной смолы. Синтетические полимеры включают полиэтилен (используется в полиэтиленовых пакетах); полистирол (используется для изготовления стаканов из пенопласта); полипропилен (используется для волокон и бутылок); поливинилхлорид (используется для упаковки пищевых продуктов, бутылок и водосточных труб); и политетрафторэтилен или тефлон (используется для антипригарных поверхностей). Хотя многие полимеры представляют собой углеводороды, содержащие только углерод и водород, другие полимеры могут также содержать кислород, хлор, фтор, азот, кремний, фосфор и серу.
Природные полимеры, такие как целлюлоза и латекс, были впервые химически модифицированы в 19 веке с образованием целлулоида и вулканизированного каучука. Первый полностью синтетический полимер, бакелит, был произведен в 1907 году. Первое полусинтетическое волокно, вискоза, было получено из целлюлозы в 1911 году. Шелк и другие материалы стало трудно достать, поэтому синтетические материалы стали производиться массово. Синтетический каучук был нужен для шин, а нейлон был необходим в качестве замены шелка для парашютов. Сегодня синтетические полимеры в виде пластмасс широко используются, а индустрия пластмасс является одной из самых быстрорастущих во всем мире.
Мономеры могут быть химически соединены вместе двумя способами: полимеризацией присоединения или полимеризацией конденсации. Аддитивная полимеризация состоит из трех основных стадий: инициации, распространения и обрыва. В этом типе полимеризации мономеры соединяются, присоединяясь к концу последнего «мера» в цепи, точно так же, как цепочка из скрепок. Полиэтилен, полистирол и акрил являются примерами пластмасс, образованных аддитивной полимеризацией. Эти полимеры часто термопластичны по своей природе: их можно нагреть и сделать мягкими, а затем затвердеть при охлаждении. Они легко обрабатываются и перерабатываются.
Во время конденсационной полимеризации небольшая молекула удаляется, когда мономеры соединяются вместе. Примерами конденсационных полимеров являются нейлоны, некоторые полиэфиры и уретаны. Эти полимеры могут быть термопластичными или термореактивными. Хотя все пластики в какой-то момент обработки находятся в жидком состоянии, а в готовом состоянии остаются твердыми, после образования термореактивного полимера его нельзя расплавить.
Мономеры в полимере могут быть расположены различными способами. Например, мономеры могут иметь линейное расположение, подобное длинной цепочке скрепок, хотя тетраэдрические углеродные связи фактически придают цепочке зигзагообразную конфигурацию. Полиэтилен является простейшим примером линейного полимера.
Если мономеры образуют не только прямые цепи, но и длинные боковые цепи от основной цепи, полученный полимер описывается как разветвленный и может выглядеть как ветка дерева или стебли грозди винограда. Другое расположение возникает, когда длинные цепи химически связаны друг с другом, образуя сетчатую структуру, известную как сшитая конфигурация. Вулканизированный каучук, который образуется путем взаимодействия натурального каучука (изопрена) с серой, является примером сшитого полимера.
Классификация пластмасс
Пластмассы делятся на две основные группы:
- Термопласты
Эти пластики становятся мягкими при нагревании и могут перерабатываться многократно. Примеры: полиэтилен, полипропилен, поликарбонат.
- Реактопласты
После формирования эти материалы затвердевают навсегда. Они устойчивы к высоким температурам, но не подлежат переработке. Примеры: эпоксидные смолы, фенопласты.
Основы химии пластмасс
Пластмассы состоят из полимеров — длинных цепей молекул, построенных из мономеров. Химическая структура полимеров определяет их свойства, такие как гибкость, прочность, устойчивость к нагреванию или химическим веществам.
- Полимеры на основе углеводородов — это материалы, созданные из нефтепродуктов.
- Биополимеры — пластмассы, полученные из возобновляемых источников, таких как кукурузный крахмал или целлюлоза.
Методы производства пластмасс
Современные технологии позволяют производить пластмассы различными методами:
- Экструзия
Полимерный материал разогревается и продавливается через форму для создания длинных изделий, таких как трубы или пленки.
- Литьё под давлением
Пластмасса нагревается, заливается в форму и затвердевает, принимая её очертания. Этот метод используется для производства корпусов техники, игрушек и бытовых изделий.
- 3D-печать
Современный метод, позволяющий создавать сложные изделия слой за слоем.
Значение пластмасс в науке и технике
Пластмассы используются в самых передовых отраслях:
- Медицина: искусственные суставы, кардиостимуляторы, одноразовые инструменты.
- Космос: лёгкие и прочные материалы для спутников и ракет.
- Энергетика: изоляция кабелей, солнечные панели.
Экологический аспект науки о пластмассах
Современная наука активно ищет способы уменьшить экологический след пластмасс. Исследуются биоразлагаемые материалы, создаются технологии переработки и повторного использования.
Будущее пластмасс
С каждым годом учёные находят новые применения пластмассам, разрабатывая умные материалы, которые могут менять свои свойства под воздействием внешних факторов, и разлагаемые пластики, способные минимизировать вред для окружающей среды.