Лекция ЭГ 5 Натуральные полимеры

старой доброй целлюлозы тем, что все гидроксильные группы глюкозы (показаны

красным) были заменены группами гидроксиэтилового эфира (показаны синим).

он не может кристаллизоваться, то гидроксиэтилцеллюлоза растворяется в воде. Помимо

того, что это вещество является отличным слабительным, оно также используется и для того, чтобы сделать шампуни более густыми. Оно также делает мыло, входящее в состав шампуня, менее пенистым и помогает шампуню более эффективно отмывать волосы, образуя коллоидные частицы вокруг частиц грязи.

(показанные синим) могут образовать оболочку вокруг частицы грязи (показанной красным).

Эту массу можно представить себе как пирожное с кремом, в котором полимерные цепочки играют роль самого пирожного, а частица грязи - содержащегося в нем крема. Такое пирожное растворимо в воде, поскольку, оборачиваясь таким образом вокруг частиц грязи, гидроксиэтилцеллюлоза заставляет воду принимать грязь. Таким образом, грязь смывается, а не осаждается снова на ваших волосах.

сделаны из одного и того же мономера – глюкозы. Между

ними существует только одно различие. В крахмале все повторяющиеся звенья глюкозы ориентированы одним и тем же образом. А в целлюлозе каждое последующее звено глюкозы повернуто на 180 градусов относительно предыдущего звена вокруг оси основной цепи молекулы полимера.

Звенья глюкозы в крахмале соединены между собой альфа α- связями, а звенья глюкозы в молекуле целлюлозы соединены бета β- связями.

из которого можно было бы сделать какой-нибудь предмет. Но целлюлоза

достаточно прочна для того, чтобы делать из нее волокно, а следовательно, и веревки, одежду и так далее. Целлюлоза не растворяется в воде, как это делает крахмал, и не разлагается столь легко. Если бы она разлагалась или растворялась в воде, то это было бы, пожалуй, несколько неудобно для ее использования при изготовлении одежды. Не говоря уже о том, что хороший ливень смыл бы с лица Земли все деревянные дома, парковые скамейки, а также качели и лесенки на детских площадках, если бы целлюлоза растворялась в воде.

и очень существенные! Одно из самых важных различий в поведении

этих двух полимеров заключается в следующем: вы можете питаться крахмалом, но вы не способны переваривать целлюлозу. Ваше тело содержит энзимы, которые разлагают крахмал на молекулы глюкозы, которые служат источником энергии для вашего организма. Но человеческий организм не содержит энзимов, которые разлагали бы целлюлозу. У некоторых животных в организме есть такие энзимы, например, у термитов, которые питаются древесиной или у жвачных животных, которые питаются травой и разлагают целлюлозу в своих желудках, состоящих из четырех разделов.

стары как сама жизнь, поскольку вся жизнь на Земле базируется

на трех типах полимеров, а именно, ДНК, РНК и протеинах. Но сейчас мы поговорим о самых первых из синтетических полимеров, то есть полимерах, созданных руками человека, а конкретно производным целлюлозы.
Самым первым синтетическим полимером, конечно же, была кожа, модифицированный природный полимер, получаемый при искусственном образовании сетчатой структуры ("сшиванием") протеинов, содержащихся в шкурах животных. Дубление кожи было открыто тысячи лет тому назад, но поговорим о некоторых синтетических полимерах, появившихся позднее. Это производные целлюлозы. Их основой также служит природный полимер, целлюлоза. Они занимают особую роль в истории полимеров, поскольку их изобретение было началом всплеска в изобретении синтетических полимеров, который продолжается и в наши дни.
Производные целлюозы являются формами целлюлозы, полимера, встречающегося в дереве, хлопке и бумаге, которые были химически изменены. Ученые впервые стали делать их во второй половине девятнадцатого века, задолго до того, как они на самом деле узнали, что такое полимеры.

в форме хлопка азотной кислотой. В результате была получена нитроцеллюлоза.

Весьма часто, как только изобретено нечто новое, первым делом мы пытаемся сообразить, каким же образом можно применить это новое изобретение, чтобы убивать людей. Так было и в случае с нитроцеллюлозой. Нитрат целлюлозы, который также называли пушечным хлопком, оказался мощным взрывчатым веществом. Вскоре нитроцеллюлоза заменила обычный порох в качестве взрывчатого заряда в боеприпасах для пушек и ружей. И нитроцеллюлоза работала так хорошо, что она была способна убить десять миллионов людей за четыре коротких года.

она была использована также и в мирных целях. Тогда, когда

люди были обеспокоены тем, что стада слонов в Африке исчезали слишком быстро, и необходимо было найти замену слоновой кости для изготовления бильярдных шаров. Нитроцеллюлоза является также термопластиком, поэтому она была вскоре использована для изготовления шаров для бильярдных залов во всем мире. Единственной проблемой было то, что изредка некоторые шары взрывались во время игры.
Нитроцеллюлоза была также использована для изготовления первого композиционного материала, содержащего полимер, а именно, армированного стекла. Это был бутерброд, сделанный из листа нитроцеллюлозы между двумя слоями стекла. Этот лист из нитроцеллюлозы не давал стеклу распадаться, когда оно было разбито. Это было важным открытием для изготовления ветровых стекол автомобилей. Конечно же стекло разбивалось, осколки оставались держаться на листе из нитроцеллюлозы, вместо того, чтобы лететь в лицо пассажирам автомобиля при аварии.

понять, что происходит, если вы подействуете на целлюлозу уксусной кислотой

- получаем ацетат целлюлозы. Он используется в качестве волокна. Это волокно используется для изготовления мантий для выпускного вечера. А в качестве термопластика он также используется для изготовления фотопленки. Когда-то и нитроцеллюлоза также использовалась для изготовления кинопленки, но сочетание легко воспламеняющейся нитроцеллюлозы и горячих ламп в проекторе было причиной слишком большого количества пожаров в кинотеатрах. Слышали ли вы когда-нибудь, как пропадают старые фильмы, поскольку они сняты на "горючую нитратную пленку"? Эти фильмы сняты на кинопленку, сделанную из нитроцеллюлозы. Ацетат целлюлозы был просто спасением, поскольку он сберег кинотеатры от пожаров и позволил старым фильмам дольше появляться на экранах. Конечно, нам хотелось, чтобы некоторые фильмы пропадали побыстрее. Но, увы, новые кинопленки из полиэфира приходят на замену старому доброму целлюлоиду.
И конечно, если это еще не было достаточно сильным ударом для нитроцеллюлозы, ацетат целлюлозы заменил ее и при изготовлении армированного стекла.

но когда мы сегодня ведем разговор о вискозе, то обычно

речь идет о ксантогенате целлюлозы. Он используется в качестве волокна, для изготовления одежды из искусственного шелка. Изначально в качестве искуственного шелка использовалась наша старая знакомая - нитроцеллюлоза, но она была слишком легко воспламеняемой, поэтому вскоре ее заменили на ацетат целлюлозы и ксантогенат целлюлозы.
Зачем делать волокна из модифицированной целлюлозы, если она и без того образует замечательные волокна? Видите ли, волокна целлюлозы имеют ворсистую текстуру. В принципе, в этом нет ничего плохого. Но с другой стороны, волокна шелка гладкие, что дает шелковым тканям такой характерный блестящий вид. Поэтому, когда было обнаружено, что волокна нитроцеллюлозы тоже гладкие и они могут быть использованы для изготовления ткани с блеском, как у шелка, то производные целлюлозы было решено использовать в качестве дешевой замены дорогому шелку

волокон. Найлон постоянно встречается в одежде, но также и в

других местах, в виде термопластика.
Своего первого настоящего коммерческого успеха найлон достиг в связи с его применением в женских чулках ~1940 г. Они были настоящей сенса-цией, но вскоре их уже стало сложно достать, поскольку на следующий год США вступили во вторую мировую войну, и найлон потребовался для изготовления военного снаряжения, как например парашюты и веревки. Но еще до появления женских чулок и парашютов первыми изделиями из найлона были зубные щетки с найлоновой щетиной.

в своих основных цепочках

являются полиамидами. Эти амидные группы очень полярны и могут образовывать

друг с другом водородные связи. Благодаря этому, а также потому, что основные цепи молекул найлона так регулярны и симметричны, найлоны часто обладают кристаллической структурой, поэтому они образуют очень качественные волокна.

Найлон называется найлон 6,6, поскольку каждое его повторяющееся звено цепи полимера содержат два участка из атомов углерода, каждый из которых содержит по шесть углеродных атомов. Другие найлоны обладают различным количеством атомов углерода в этих участках.

и пластична, то есть ей можно легко придать нужную форму.

Поскольку пластмассы становится легко отливать и формовать, когда они нагреты, а когда они нагреты достаточно сильно, то они просто плавятся, мы называем их термопластичными материалами. Это название поможет вам отличить их от сшитых материалов, которые не плавятся при нагревании и которые называются термореактивными.

и по разнообразию их строения и свойств намного превосходят все

другие виды. А что могут делать протеины? Они могут быть катализаторами. Некоторые белки, называемые энзимами, заставляют определенные химические реакции в вашем организме идти в миллион раз быстрее, чем это было бы возможно без энзимов. Один белок под названием гемоглобин входит в состав вашей крови и переносит кислород из ваших легких ко всем клеткам вашего тела. Другой белок, называемый коллаген является прочным и стойким материалом, из которого сделана ваша кожа и ваши кости.

в повседневной жизни. Полиэтилен является наиболее популярным пластиком в мире.

Именно из этого полимера сделаны пакеты для пищевых продуктов, флаконы для шампуня, детские игрушки и даже пуленепробиваемые жилеты. Для столь разностороннего материала он обладает очень простой структурой, наиболее простой среди всех полимеров, производимых в промышленных масштабах. Молекула полиэтилена представляет из себя ни что иное, как длинную цепь из атомов углерода, к каждому из которых присоединено по два атома водорода (надо помнить, что на самом деле цепочка атомов углерода насчитывает много тысяч звеньев):

атомам углерода вместо атомов водорода присоединены длинные цепочки полиэтилена. Такая

молекула называется разветвленным полиэтиленом или полиэтиленом низкой плотности. Когда разветвление отсутствует, то такая молекула называется полиэтиленом высокой плотности. Линейный полиэтилен намного прочнее разветвленного, но разветвленный гораздо дешевле и его куда проще получать.

200,000 до 500,000, но и это еще не предел. Полиэтилен

с молекулярной массой от трех до шести миллионов обычно называют полиэтиленом со сверхвысокой молекулярной массой или ПЭСММ. ПЭСММ может быть использован для изготовления волокон, которые настолько прочны, что заменили Кевлар для использования в качестве материала для пуленепробиваемых жилетов. Большие листы этого материала могут быть использованы вместо льда на катках.

применение. Он несет двойную службу, в качестве пластмассы, и в

качестве волокна. В качестве пластмассы он используется для изготовления таких предметов, как емкости для продуктов, которые можно мыть в посудомоечной машине. Это возможно, поскольку полипропилен не плавится при температурах ниже 160ºC

В виде волокна полипропилен используется для изготовления ковровых покрытий для использования как в помещениях, так и на открытом воздухе, вроде тех, что вы видите вокруг плавательных бассейнов и на миниатюрных площадках для гольфа. Полипропилен хорошо подходит для использования на открытом воздухе, поскольку его легко окрашивать, ведь он не впитывает воду, как это делает найлон.

каучук. Древние народы Майя и Ацтеки добывали его из дерева

гевея и использовали его для изготовления непромокаемых ботинок и мячей, которыми они играли в игру, похожую на баскетбол. Полиизопрен является тем, что мы называем эластомером, то есть он восстанавливает свою форму после растяжения или другой деформации. Обычно натуральный каучук для придания ему трехмерной структуры обрабатывают методом, так называемого сшивания, что делает его еще лучшим эластомером.

мономеров, содержащих две двойные углерод-углеродные связи. Как и большинство диеновых

полимеров, он содержит двойную углерод-углеродную связь в основной цепи макромолекулы. Полиизопрен можно получить из сока дерева гевеи, но его можно также изготовить и методом полимеризации с использованием катализаторов Циглера-Натта. Это редкий пример природного полимера, который мы можем сделать почти так же хорошо, как это делает сама природа.

Графит - это одна из форм чистого углерода. В графите

атомы углерода выстроены в виде больших листов, состоящих из ароматических колец. Эти листы выглядят, как сетка, из которой делают клетки для кур.

длинные и узкие. Вы можете себе их представить как ленты

графита. Пучки этих графитовых лент любят складываться, образуя волокна, отсюда и название: углеродное волокно.
Эти волокна не используются сами по себе. Вместо этого они используются для усиления таких материалов, как эпоксидные смолы и другие термореактивные материалы. Мы называем такие усиленные материалы композиционными, поскольку они состоят из двух или нескольких компонент.
Композиционные материалы, усиленные углеродным волокном необычайно прочны для своего веса. Они часто прочнее стали, но гораздо легче. Поэтому они могут быть использованы вместо металлов во многих изделиях, от частей самолетов и космических кораблей до тенисных ракеток и клюшек для гольфа.

изготовления вспененных материалов. Но полиуретаны - это не только вспененные

материалы.
Гораздо больше, чем просто пенопласт!
Полиуретаны - это одно из самых разносторонних семейств полимеров, которые существуют на свете. Полиуретаны могут быть как эластомерами, так и красками. Они могут быть как волокном, так и клеящими веществами. Они встречаются просто повсеместно. Совершенно удивительным материалом является спандекс.
Конечно же, полиуретаны называются полиуретанами потому, что в их основных цепях присутствуют уретановые связи.

ДюПонт (DuPont) продает под торговой маркой Лайкра (Lycra). В основной

цепи этого полимера содержатся как уретановые, так и мочевиновые связи. Что сообщает спандексу его особые свойства, так это то, что в его структуре чередуются жесткие и мягкие блоки. Короткие полимерные цепочки полигликоля, обычно состоящие из сорока элементарных звеньев или около того, являются мягкими и эластичными. Остальная часть повторяющегося звена спандекса, как вы понимаете, состоящая из уретановых связей, мочевиновых связей и ароматических групп, исключительно жесткая. Этот участок обладает такой жесткостью, что жесткие участки различных макромолекул соединяются между собой и образуют волокно. Конечно же, это необыкновенное волокно, поскольку волокнистые участки образованные жесткими блоками макромолекул соединены между собой мягкими участками. В результате мы получаем волокно, которое ведет себя как эластомер! Это позволяет делать упругую ткань, которую можно использовать для изготовления спортивной одежды и тому подобных вещей.

для изготовления небьющегося стекла, легких линз для очков и тому

подобных вещей. Этот материал производит фирма Дженерал Электрик (General Electric) и продает его под названием Лексан (Lexan).
                                                                                               

в качестве небьющегося заменителя обыкновенного стекла. Барьер вокруг хоккейной площадки,

который защищает лица болельщиков от летящих в них шайб, сделан из ПММА. Химическая компания Rohm and Haas делает из него стекла и называет его при этом плексигласом. Другая компания, Imperial Chemical Industries также выпускает этот материал и называет его Люсайт (Lucite). Люсайт используется для изготовления поверхности ванн, раковин, а также, среди прочего, всегда популярных душевых кабинок совмещенных с ваннами

спросили, то полимерное волокно - это полимер, макромолекулы которого вытянуты

в прямую линию (или почти прямую) и выстроены параллельно друг другу, все вдоль одной оси, примерно так, как вы видите на рисунке.

Из полимеров выстроенных таким образом можно прясть нити и использовать их для изготовления тканей. Одежда, которую вы носите, сделана из полимерных волокон. А также и ковер. А еще веревка. Вот небольшой список тех полимеров, из которых можно сделать волокна:

Полиэтилен
Полипропилен
Найлон
Полиэфир
Кевлар и Номекс
Полиакрилонитрил
Целлюлоза
Полиуретаны