Синтетичні каучуки й гума. Штучні й синтетичні волокна

УРОК 18

Тема. Синтетичні каучуки й гума. Штучні й синтетичні волокна

Мета: дати поняття про синтетичні каучуки, гуму, штучні й синтетичні волокна, їх виробництво й застосування.

Обладнання: роздавальний матеріал, мультимедійний проектор, комп’ютер.

Тип уроку: ВНМ(Д).

Форми роботи: бесіда, робота в групах, проектні роботи, лабораторний дослід, демонстраційні досліди.

ХІД УРОКУ

I. Організація класу

II. Оголошення теми й мети уроку

III. Актуалізація опорних знань

Фронтальна бесіда

– Що таке полімери?

–

Яка їх будова?

– Які види пластмас ви знаєте?

IV. Мотивація навчальної діяльності

Окрім пластмас існує ще ряд органічних сполук-полімерів. На сьогоднішньому уроці ми ознайомимося з ними.

До уроку ви підготували групові завдання: повідомлення та презентації за темами. На доповідь кожній групі відводиться 4-5 хвилин. Ви можете доповнювати відповіді.

V. Доповіді учнів (презентації)

Група 1 – Синтетичні каучуки.

Лабораторний дослід. Ознайомлення зі зразками каучуків

Група 2 – Гума.

Група 3 – Штучні волокна.

Класифікація волокон

Лабораторний

дослід. Ознайомлення зі зразками натуральних, штучних і синтетичних волокон

Група 4 – Синтетичні волокна.

Після кожної доповіді вчитель доповнює матеріал.

Демонстраційний дослід. Витягування ниток зі смоли капрону чи лавсану.

Демонстраційний дослід. Відношення волокон різних видів до розчинів кислот і лугів.

VI. Обговорення доповідей

VII. Підсумок уроку

VIII. Домашнє завдання

Матеріали до уроку

Каучуки – це еластичні матеріали, з яких методом вулканізації (нагріванням із сіркою) одержують гуму. Із каучуків виготовляють покришки й камери для коліс літаків, автомобілів і велосипедів, їх застосовують для електроізоляції, виробництва промислових товарів і медичних приладів.

Натуральний (природний) каучук за хімічним складом є високомолекулярним ненасиченим вуглеводнем складу (C5H8) , де n становить від 1000 до 3000. Натуральний каучук – полімер ізопрену.

Його одержують із молочного соку каучуконосних рослин, головним чином із гевеї (Бразилія). Бразилія – батьківщина каучуку.

Синтетичний каучук у промисловому масштабі вперше одержано 1932 р. в Росії за способом С. В. Лєбєдєва. Його одержують полімеризацією дивінілу. Процес полімеризації відбувається за наявності каталізатора (металічного натрію). Найбільше випускають бутадієн-стирольного каучуку, здійснюючи сумісну полімеризацію бутадієну і стирену. Приєднання молекули стирену відбувається в основному за положеннями 1 і 4 молекули бутадієну.

Сировиною для виробництва синтетичного каучуку за способом Лєбєдєва є етиловий спирт. Наразі розроблено метод одержання бутадієну каталітичним дегідруванням бутану.

Однак бутадієновий каучук поступається натуральному як за еластичністю, так і за зносостійкістю. Тепер освоєно виробництво ізопренового каучуку стереорегулярної будови (у ньому метильні групи розміщено в чітко визначеному порядку), аналогічного за будовою натуральному каучуку. Одержано також і бутадієновий каучук стереорегулярної будови – це так званий дивініловий каучук. Каучуки стереорегулярної будови – ізопреновий і дивініловий – близькі за властивостями до натурального каучуку. Хімічна промисловість випускає два типи каучуків: загального (універсального) і спеціального призначення. Перший тип синтетичних каучуків використовують для масового виробництва таких речей, для яких найважливішим показником є еластичність, – шини, транспортерні стрічки, взуття, іграшки. Каучуки спеціального призначення йдуть на виготовлення виробів, які, крім еластичності, повинні мати специфічні властивості: стійкість проти дії різних агентів (розчинників, кислот, нафтопродуктів, кисню), тепло – й морозостійкість та інші цінні властивості залежно від умов застосування. Синтетичні каучуки часто класифікують також за хімічним складом макромолекул: бутадієнстирольні, ізопренові, бутадієнові та ін.

Синтетичні каучуки мають досить широке застосування. Номенклатура гумових виробів на основі синтетичного каучуку налічує близько 50 000 назв. Найбільше синтетичних каучуків використовує шинна промисловість (більш як загального об’єму використання), машинобудівна (виготовлення деталей для автомобілів, тракторів та інших машин). Широко використовують синтетичні каучуки для виробництва технічних виробів, гумового взуття, прогумованих тканин, побутових гумових виробів, медичних товарів та ін. В електротехніці використовуються каучуки для ізоляції дротів і оболонок кабелів. Рідкі каучуки застосовують для виготовлення клеїв, антикорозійних матеріалів, як зв’язуючу речовину під час виготовлення твердого ракетного палива.

Для поліпшення якості натуральних і синтетичних каучуків їх перетворюють на гуму.

Гума – це вулканізований каучук. Суть вулканізації полягає в тому, що атоми Сульфуру приєднуються до лінійних (ниткоподібних) молекул каучуку за місцем подвійних зв’язків і неначе зшивають ці молекули одна з одною. У результаті вулканізації липкий і неміцний каучук перетворюється на пружну й еластичну гуму. Гума міцніша за каучук і стійкіша до змін температури.

Згідно із загальноприйнятою класифікацією, гумотехнічна галузь промисловості випускає такі види гуми:

– загального призначення (температура експлуатації Q -60… +160 °С – шини автомобільні, взуття, ремені, амортизатори);

– термостійкі (температура експлуатації більше 160 °С – шини літаків, деталі ракет, електродвигунів);

– маслостійкі (для деталей, які працюють з дотиком до бензину, гасу, нафти й нафтопродуктів);

– хімічно стійкі (для деталей, які працюють з дотиком до лугів, кислот, солей);

– газонаповнені (для теплоізоляційних деталей);

– радіостійкі (рентгенгума);

– діелектричні (ізоляція кабелю, захисні килимки, рукавиці, чоботи).

Той чи інший вид гуми отримують, в основному, за рахунок відповідних інгредієнтів, а також технологічних особливостей.

Технологія виготовлення гуми відбувається в чотири стадії:

– різання каучуку на шматки й приготування інгредієнтів (подрібнення, просіювання, сортування, зважування);

– приготування гумової суміші в герметичних гумозмішувачах і на каландрах (валках);

– формування (на валках для листової гуми або в прес-формах для штучних виробів);

– вулканізація (завершальна й дуже відповідальна операція, яка може відбуватися в пресах, котлах і автоклавах за температури 130-160 °С і тиску 18-20 МПа (можливий тиск і 3-6 МПа). Існує також вулканізація з використанням високочастотних коливань і радіації. Якість гуми про цьому покращується, але цей спосіб занадто дорогий.

Під час вулканізації сірка з’єднується з молекулами каучуку, зшиваючи їх у тримірну структуру, яка називається гумою. Саме в процесі вулканізації гума набуває основної якості – можливості подовжуватися.)

Штучні волокна – волокна, які одержують із продуктів хімічної переробки природних полімерів.

Хімічна промисловість виробляє такі штучні волокна:

– віскозне;

– ацетатне;

– мідно-амоніакове.

Натуральні волокна – бавовну, льон, вовну, шовк – виробляють із природних волокнистих матеріалів. Природний полімер целюлоза також має волокнисту структуру, проте вона недостатньо впорядкована, щоб із неї можна було виробити нитки. З цією метою треба перебудувати структуру речовини. Це досягається хімічним шляхом: целюлозу, виділену з деревини, обробляють спеціальними речовинами, продукт розчиняють. У розчині полімерні молекули стають більш рухливими, тепер з них можна формувати волокно. Таким чином виготовляють штучні (ацетатне або віскозне) волокна, а з них – штучний (ацетатний або віскозний) шовк.

У промисловості штучне волокно виготовляють у вигляді:

– штапельних волокон довжиною 36-120 мм;

– джгутиків;

– комплексних ниток;

– монониток.

Штучне волокно формується з відфільтрованих і дегазованих розчинів. Штапельне волокно і джгути, перероблені в чистому вигляді, у суміші з іншими штучними волокнами призначені для виготовлення тканини, трикотажу, нетканих матеріалів. Джгутики використовують для прикрашання килимів.

Волокно зі специфічними особливостями використовується для виготовлення спецодягу, тепло – й електроізоляції, фільтрів. Промисловість штучних волокон, особливо синтетичних, розвивається швидкими темпами.

Ацетатні волокна (штучні волокна) виробляють з ацетату целюлози. Розрізняють триацетатне і звичайне ацетатне волокно. Ступінь полімеризації ацетатів становить 260-300.

З ацетатів виготовляють гладку оброблену комплексну нитку, а також джгут. Основний метод отримання ниток – сухе формування. Розпушувач вторинного ацетату – суміш ацетону з водою, триацетату – суміш метиленхлориду з етанолом і метанолом.

Ацетатні волокна за міцністю перевершують бавовну, шовк, натуральний шовк, шерсть, але поступаються поліакрилонітрильним і поліефірним. За стійкістю до дії мікроорганізмів ацетатне волокно перевершує природні й гідроцелюлозні волокна. Тканини з ацетатного волокна добре драпіруються; триацетатні тканини, які піддалися термообробці, є формостійкими. Основні недоліки ацетатного волокна: електризується, мала гігроскопічність. Ацетатні нитки використовують у виготовленні трикотажної білизни, тканини для підкладок і штор, косинок; триацетатні нитки – для суконь, купальників. Джгутове ацетатне волокно використовують у виготовленні сигаретних фільтрів, нікотину, фенолу.

Віскоза – найприродніше з усіх штучних волокон. Воно виготовляється з целюлози деревини й рослин, отримане методом пресування. Іноді віскозу називають “деревним шовком”. У чистому вигляді віскоза – дуже красива, ефектна пряжа. Віскозне полотно м’яке, еластичне й таке, що мало електризується.

Віскозне волокно в разі різної обробки може своїм блиском і щільністю нагадувати шовк, бавовну або навіть шерсть. На віскозному волокні виконуються також характерні для льону потовщення нитки. Крім того, виробники цінують віскозу за високу інтенсивність кольору, тобто можливість фарбувати полотно в яскраві тони. Вироби з віскози красиві, міцні й зручні у використанні.

Мідно-амоніакове волокно одержують розчиненням целюлози (зазвичай бавовняної або деревної) в мідно-амоніаковому розчині; віскозний розчин продавлюється крізь фільтри у ванну, де з осадженої целюлози формуються елементарні нитки.

Мідно-амоніаковий шовк називають павутиною з міцністю сталі. Однак він тонше павутини й натурального шовку, за міцністю мало поступається останньому, а за красою навіть перевершує його.

Синтетичні волокна – це хімічні волокна, що формуються із синтетичних полімерів.

Види синтетичних волокон:

– поліакрилонітрильне;

– поліамідне;

– полівінілспиртове;

– полівінілхлоридне;

– поліолефінове;

– поліуретанове;

– поліформальдегідне;

– поліефірне;

– вуглецеві нитки;

– фторволокно.

Стадії виробництва синтетичних волокон:

1) приготування прядильного розплаву (поліаміди, поліефіри, поліолефіни) або розчину (поліакриламід, полівінілхлорид, полівініловий спирт) з подальшим видаленням з них домішок і бульбашок повітря;

2) формування волокна з розчину (розплаву) з подальшим витягуванням у пластичному стані й термофіксацією;

3) обробка сформованих волокон (обробка різними реагентами, замаслення, сушка, крутіння, упаковка).

Поліакрилонітрильні волокна – синтетичні волокна, формовані з розчинів поліакрилонітрилу або сополімерів, що містять понад 86 % (за масою) акрилонітрилу. За своїми механічними властивостями поліакрилонітрильні волокна дуже близькі до шерсті, і в цьому відношенні вони перевершують решту хімічних волокон. Поліакрилонітрильні волокна стійкі до дії сильних кислот середньої концентрації навіть під час нагрівання, а також до лугів середньої концентрації. Розчинники, що використовуються для прання і чищення одягу (бензин, ацетон, чотирихлористий вуглець, дихлоретан та ін.), не впливають на міцність волокна; фенол, м-крезол і формалін руйнують волокно.

Поліамідне волокно – синтетичне волокно, сформоване з розплавів або розчинів поліамідів. Зазвичай для виробництва поліамідних волокон використовують лінійні аліфатичні поліаміди з молекулярною масою від 16000 до 30000 (найчастіше полікапроамід і полігексаметіленадіпінамід). З кінця 60-х рр. XX ст. налагоджено випуск поліамідних волокон з ароматичних поліамідів, що мають високу термостійкість.

Полівінілхлоридні волокна – синтетичні волокна, формовані з розчинів полівінілхлориду, перхлорвінілової смоли або сополімерів вінілхлориду. Полівінілхлоридні волокна мають високу хімічну стійкість, дуже низьку тепло – й електропровідність, негорючі, стійкі до дії мікроорганізмів. Полівінілхлоридні волокна застосовують для виробництва фільтрувальних і негорючих драпірувальних тканин, спецодягу, нетканих матеріалів, теплоізоляційних матеріалів, використовуваних за низьких температур. Здатність полівінілхлоридних волокон накопичувати високий електростатичний заряд використовується для виготовлення з них лікувальної білизни. У сумішах з іншими волокнами полівінілхлоридні волокна часто застосовують для здобуття ефекту усадки (у виробництві тканин підвищеної щільності, рельєфних тканин, килимів, штучної шкіри, пухнастих трикотажних виробів та ін.).

Поліуретанові волокна, спандекс – синтетичні волокна, формовані з розчинів або розплавів поліуретанів. За механічними показниками поліуретанові волокна різко виділяються серед інших видів хімічних і натуральних волокон і багато в чому схожі з гумовими нитками. Для них характерні значне подовження, низький модуль пружності, здатність до пружного відновлення до вихідного стану за дуже короткий час. За температури 120 °С, особливо в розтягнутому стані, відбувається значна втрата міцності поліуретанових волокон, тому чищення й фарбування виробів з поліуретанових волокон проводять за температур не вище 90 °С. Під дією світла поліуретанові волокна жовтіють (цього значною мірою можна уникнути використанням світлостабілізаторів), а їх механічні властивості трохи змінюються. Поліуретанові волокна досить стійкі до дії гідролітичних агентів під час обробки, прання, фарбування; стійкі в оліях, хлоровмісних органічних розчинниках, кислотах, лугах. Для виготовлення тканин використовується пряжа, що складається з 6-20 % поліуретанового волокна і 80-96 % нерозтяжних волокон. З тканин виготовляють сорочки, блузи, спортивні костюми, плащі, корсетні вироби та ін.

Поліефірні волокна – синтетичні волокна, формовані з розплаву поліетилентерефталату. Вони перевершують за термостійкістю більшість натуральних і хімічних волокон: за 180 °С вони зберігають міцність на 60 %. Спалахують поліефірні волокна насилу й гаснуть після видалення джерела вогню; у разі контакту з іскрою й електродугою не обвуглюються. Поліефірні волокна порівняно атмосферостійкі. Вони розчиняються у фенолах, частково (з руйнуванням) – у концентрованій сульфатній і нітратній кислотах; повністю руйнуються під час кип’ятіння в концентрованих лугах. Обробка парою за 100 °С через частковий гідроліз полімеру викликає зменшення міцності волокна. Поліефірні волокна стійкі до дії ацетону, чотирихлористого вуглецю, дихлоретану та інших розчинників, мікроорганізмів, молі, цвілі, килимового жучка. Стійкість до стирання й опір багатократним вигинам у поліефірних волокон нижчі, ніж у поліамідних, а ударна міцність вища. Міцність під час розтягування поліефірних волокон вища, ніж в інших типів хімічних волокон. Недоліки поліефірних волокон: складність фарбування звичайними методами, сильна електризованість, схильність до пілінгу, жорсткість виробів. Технічну нитку з полі – ефірних волокон використовують у виготовленні транспортерних стрічок, приводних ременів, вірьовок, канатів, вітрил, риболовних сітей і тралів, бензо – й нафтостійких шлангів, електроізоляційних і фільтрувальних матеріалів, як шинний корд. Поліефірні волокна успішно застосовують у медицині (синтетичні кровоносні судини, хірургічні нитки). З моноволокна роблять сітки для папероробних машин, щітки для бавовнозбиральних комбайнів, струни для ракеток і т. д. Текстильна нитка йде на виготовлення трикотажу, тканин типу тафти, крепів та ін. Методом “помилкового сукання” отримують високооб’ємну пряжу – кримплен і мелан. Штапельне поліефірне волокно застосовують у суміші із шерстю, бавовною або льоном. З таких сумішей виробляють костюмні, пальтові, сорочкові, платтяні тканини, гардиново-тюлеві вироби та ін. У чистому або змішаному вигляді поліефірні волокна використовують для виробництва штучного хутра, килимів. Повсть із поліефірних волокон за найважливішими характеристиками перевершує повсть із натуральної шерсті.

Фторволокна – волокна, які одержують із фторовмісних полімерів, малотоннажні хімічні волокна технічного призначення. Вони мають комплекс специфічних цінних властивостей: високу стійкість до дії агресивних середовищ у широкому діапазоні температур, високу теплостійкість, відмінні діелектричні властивості, низький коефіцієнт тертя та інші. Фторволокна – сировина для сальникових набивок і фільтрувальних тканин, захисного одягу й космічних скафандрів, електроізоляційних матеріалів і антифрикційних прокладок у самозмащувальних підшипниках, протезів кровоносних судин і клапанів серця та ін.