Помощь в изучении химии. ЗАНЯТИЯ 69-70. ОБЩИЕ ПОНЯТИЯ О СИНТЕТИЧЕСКИХ ВЫСОКОМОЛЕКУЛЯРНЫХ СОЕДИНЕНИЯХ. ПЛАСТМАССЫ. ВОЛОКНА.

Примерное время на чтение статьи: 23 минуты

ВЫСОКОМОЛЕКУЛЯРНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ.

Особую и очень важную группу органических веществ составляют высокомолекулярные соединения (ВМС), или полимеры. Масса их молекул может достигать нескольких десятков тысяч и даже миллионов а. е. м.

Молекула полимера называется макромолекулой. Мономеры – низкомолекулярные вещества, из которых образуются полимеры. Степень полимеризации – число, показывающее количество элементарных звеньев в молекуле полимера. Степень полимеризации обычно обозначается индексом «n» за скобками, включающими в себя структурное (мономерное) звено:  (–CH₂–CH₂–)_n.

Классификация полимеров.

Полимеры, макромолекулы которых построены строго определенным способом, называют регулярными. Полимер называется стереорегулярным, если заместители R в основной цепи макромолекул (–CH₂–CHR–)_n расположены упорядоченно. Стереорегулярные полимеры обладают гораздо лучшими свойствами – пластичностью, прочностью и теплостойкостью; они способны кристаллизоваться, в отличие от нерегулярных. В стереорегулярных высокомолекулярных соединениях все боковые функциональные группы располагаются вдоль основной цепи в строгом порядке. В случае расположения заместителей с одной стороны молекулярной цепи эти полимеры стереорегулярны и носят название «изотактические». В случае, когда боковые функциональные группы некоторых мономеров расположены с одной стороны основной цепи, а других мономеров по другую сторону цепи, то мы имеем дело с синдиотактическими полимерами. Иногда различные виды стереорегулярности сочетаются и повторяются в одной макромолекуле. В этом случае последовательность звеньев одинаковой конфигурации называется блоком. Такой полимер, имеющий блочное строение, является стереоблочным. В реальности любое высокомолекулярное соединение сочетает в себе в той или иной форме и количествах различные признаки и не является полностью изотактическим или синдиотактическим.

Существует довольно большое количество высокомолекулярных соединений одинаковой химической формулы, но различающихся по стерео конформациям. К стереорегулярным можно отнести изотактический полипропилен, синдиотактический ПВХ, стереорегулярный бутадиеновый каучук. Кроме того, к стереорегулярным относятся и биополимеры, встречающие в природе, такие как целлюлоза, натуральный каучук различного происхождения и т.д.

Классификация по структуре.

По структуре полимеры делятся на: линейные, разветвленные и пространственные.

Линейные	Разветвленные	Пространственные
Состоят из последовательности повторяющихся звеньев с большим отношением длины молекулы к ее поперечному размеру.Целлюлоза, полиэтилен низкого давления, капрон	Макромолекулы разветвленных имеют боковые ответвления от цепи, называемой главной или основнойКрахмал	Химические связи имеются и между цепями, образуя пространственную структуруРезина, фенолформальдегидные смолы

Линейные — макромолекулы состоят из последовательности повторяющихся звеньев с большим отношением длины молекулы к ее поперечному размеру (целлюлоза, полиэтилен низкого давления, капрон).

Разветвленные — макромолекулы которых имеют боковые ответвления от цепи, называемой главной или основной (крахмал).

Сетчатые (пространственные) — химические связи имеются и между цепями (резина, фенолформальдегидные смолы).

Классификация по происхождению.

По способу получения полимеры делятся на: природные, синтетические и искусственные.

Природные волокна	Синтетические волокна	Искусственные
Непосредственно существуют в природе хлопок шерсть натуральный шелк	Получают полностью химическим путем в реакциях полимеризации и поликонденсациикапрон найлон лавсан	Получают модификацией натуральных полимеровацетатное волокноцеллулоидвискоза

Природные полимеры непосредственно существуют в природе (крахмал, целлюлоза и др.).

Синтетические полимеры получают полностью химическим путем в реакциях полимеризации и поликонденсации (полиэтилен, полихлорвинил, фенол-формальдегидные смолы, метилметакрилат и т.д.). Не имеют аналогов в природе.

Искусственные – получают модификацией натуральных полимеров (вискоза –модифицированная целлюлоза, резина –модификация натурального каучука).

Классификация по химическому характеру.

По химическому характеру и составу полимеры и химические волокна бывают: полиэфирные, полиамидные, элементоорганические (например, кремнийорганические полимеры).

Полиэфирные полимеры	Полиамидные полимеры	Элементоорганические
Содержат группу -СОО-Лавсан (полиэтилентерефталат)	Содержат группу -СО-NH-Найлон, капрон	Содержат атомы других хим. элементов (кремний и др.).Кремнийорганические полимеры

Полиэфирные полимеры — содержат группу сложных эфиров -СОО-.

Полиамидные полимеры — содержат пептидную связь -СО-NH-.

Элементоорганические полимеры — содержат атомы других химических элементов (помимо С, Н, О, N).

Классификация по способу получения.

Полимеры получают либо реакциями полимеризации, либо поликонденсацией.

Полимеризация	Поликонденсация
Это присоединение одних молекул к другим за счет разрыва кратных связей. Побочные продукты, как правило, не образуются.Полиэтилен, полипропилен и др.	Образование полимера происходит за счет реакции замещения. При этом образуется низкомолекулярный побочный продукт.Фенолформальдегидная смола, капрон

Например, образование полиэтилена происходит по механизму полимеризации:

Например, образование капрона протекает по механизму поликонденсации:

Типы полимеров.

По характеру элементарных звеньев различают два типа полимеров: гомополимеры и сополимеры.

Гомополимеры получают из мономеров одной химической природы, поэтому они имеют в составе макромолекул однотипные элементарные звенья:

Сополимеры получают совместной полимеризацией двух или более мономеров, поэтому они содержат в своем составе элементарные звенья двух или нескольких типов. Сополимеры получают с целью достижения желаемого комплекса свойств – хорошей окрашиваемости, растворимости в тех или иных растворителях и т.д.

Свойства полимеров.

По свойствам полимеры можно разделить на: термореактивные, термопластичные и эластомеры.

Термореактивные	Термопластичные	Эластомеры
Неплавкие и неэластичные материалы.Фенолформальдегидные смолы, полиуретан	Меняют форму при нагревании и сохраняют её.Полиэтилен, полистирол, поливинилхлорид	Эластичные вещества при разных температурах.Натуральный каучук, полихлоропрен

Термореактивные полимеры — пластмассы, переработка которых в изделия сопровождается необратимой химической реакцией, приводящей к образованию неплавкого и нерастворимого материала. Например, фенолформальдегидные смолы, полиуретан.

Термопластичные полимеры — меняют форму в нагретом состоянии и сохраняют её после охлаждения. Например, полиэтилен, полистирол, полихлорвинил и т.д.

Эластомеры – обладают высокоэластичными свойствами в широком интервале температур. Например, натуральный каучук.

Основными отличительными особенностями полимеров от низкомолекулярных соединений являются:
– высокая молекулярная масса;
– отсутствие газообразного агрегатного состояния в силу значительной энергии межмолекулярного взаимодействия, которая существенно превышает энергию химической связи в главных цепях макромолекул полимера;
– полидисперсность, то есть разновеликость макромолекул в составе полимера одной химической природы. Поэтому молекулярная масса ВМС не является постоянной, а представляет собой среднюю величину;
– аномально высокое значение вязкости растворов полимеров; растворение ВМС с предварительным набуханием, то есть односторонней диффузией молекул растворителя в полимерную массу;
– двойственность свойств ВМС: в химических реакциях во взаимодействие могут вступать как макромолекулы в целом, так и их отдельные элементарные звенья;
– зависимость свойств полимеров от геометрической формы их макромолекул: линейные полимеры в большинстве своем способны растворяться и имеют достаточно четкий интервал температуры плавления; сетчатые полимеры не растворяются (в лучшем случае способны лишь набухать) и не плавятся;
– возможность существования полимера одной химической природы как в кристаллическом (высокоупорядоченном), так и в аморфном (неупорядоченном) фазовом состоянии.

ПЛАСТМАССЫ.

Пластмассы (пластические массы) — это полимерные материалы, которые обладают высокой прочностью, гибкостью и устойчивостью к химическим воздействиям. Они могут быть синтети-ческими или естественными. Материал производится из мономеров, которые соединяются в полимерные цепи в процессе полимеризации. Существует множество различных типов пласт-масс, включая полиэтилен, полипропилен, поливинилхлорид, полистирол, поликарбонат и другие. Они широко используются в промышленности и повседневной жизни для производства флаконов для косметики, пластиковых бутылок, игрушек, автомобильных деталей, электроники, медицинских изделий и многое другое.

В 1855 году Александр Паркес создал первую пластмассу – паркесин (celluloid), из целлюлозы, обработанной нитратом кислорода и камфорой. Паркесин использовался в качестве замены слоновой кости и бивней моржей в производстве различных предметов (гребни, перьевые ручки и прочее).

В 1907 году Лео Бакеланд изобрел первый термореактивный пластик — бакелит, который был получен из фенола и формальдегида. Бакелит был очень прочным и твердым материалом.

В 1930-х годах были разработаны первые полиэтилен и полистирол, а также начались исследования по созданию материала на основе полимеров нафталина и других нефтепродуктов.

В 1950-х годах началось широкое применение в производстве изделий из пластмасс, что привело к резкому увеличению потребления их в мире.

Сегодня материал используется во многих отраслях благодаря своей удобной обработке, легкости, прочности, низкой стоимости.

Пластмассы (пластические массы, или пластики) — сложные композиции на основе полимеров, содержащие различные наполнители и добавки (стабилизаторы, пластификаторы, красители), придающие полимерам необходимые физико-химические свойства.

Полимер связывает все компоненты пластмассы в единое, более или менее однородное целое, поэтому его называют связующим. Первые пластмассы получали на основе природных полимеров — производных целлюлозы, каучука и т. д. Затем в качестве связующих стали применять и синтетические полимеры — фенолформальдегидные смолы, полиэфиры и т. д. В качестве наполнителей пластмассы содержат мел, графит.

Композиты — волокна, ткани или плёнки, которые вводят в пластмассы для увеличения их жёсткости (армирование). В композитах каждый из компонентов сохраняет свои индивидуальные свойства. Примерами композитных материалов являются, например, стеклопластики, которые представляют собой стеклянные нити, распределенные в полимере. Стеклопластики не про-водят электрический ток, не намагничиваются, имеют высокую прочность и  устойчивость к  коррозии. Другой пример композитных материалов — углепластики. Это углеродные волокна, пропитанные смолой. Углепластики термостойки, обладают высокой механической стойкостью.

Пластификаторы — сложные эфиры карбоновых кислот или фосфорной кислоты, которые вводят в пластики для повышения эластичности.

Стабилизаторы — вещества, которые добавляют в пластмассу для продления срока службы изделия. Некоторые стабилизаторы, например фенолы и амины, токсичны.

Антипирены — вещества, которые добавляют в пластмассы для уменьшения их горючести.

Классификация пластмасс.

Пластмассы, или пластические массы – это большая категория синтетических материалов, используемых практически во всех отраслях производства. Из пластиков, которые также называ-ются синтетическими полимерами, делают очень многое – от элементов несущих конструкций до тончайших нитей, которые используются в текстильной промышленности.

Классификация пластмасс по типу застывания.

Также эту классификацию называют «по связующему веществу», потому что от того, какой материал подойдет в массу в качеств добавки, зависит процесс затвердевания пластика.

Различают:

• Термопласты, или термопластичные пластмассы.
• Реактопласты, или термореактивные пластмассы.

Термопласты: меняют свое агрегатное состояние при нагреве: плавятся при температуре более 200 градусов, а затем снова застывают, при этом после отвердевания сохраняют практически все свои исходные свойства; их можно использовать повторно благодаря добавкам и пластификаторам. К ним относятся: парафин, пчелиный воск, церезин, стеарин. Термопласты многоком-понентные, поэтому в них также могут входить шеллак, канифоль, мел, тальк, окись цинка и другие присадки. Они имеют маленький процент усадки при затвердевании, не более 3%, хоро-шую упругость, низкую хрупкость. Это очень удобный материал для многих бытовых и производственных задач. Но у термопластичных пластмасс есть и недостаток – достаточно низкая температура плавления. Для работы в условиях с повышенной температурой они не подойдут. Пример термопласта: ПВХ.

Реактопласты: в пластическую массу добавляют реактив, который запускает процесс затвердевания. Связующими веществами выступают термореактивные полимеры, которые затвердева-ют только при нагреве массы. Происходит химическая реакция, которая меняет структуру пластика. Волокна сильнее переплетаются, молекулярная структура прочнеет, в результате при охлаждении получается прочный, конструкционный пластик. У них более высокий порог плавления, они тугоплавкие, выдерживают до 350 градусов при эксплуатации. Но если их все же сильно нагреть, то при плавлении они совершенно теряют изначальные свойства. В качестве сырья выступают фенолформальдегидные, кремнийорганические, эпоксидные смолы. Реактопласты более хрупкие, не поддаются повторному использованию. Но при этом более твердые и надежные. Примером реактопласта можно считать эпоксидную смолу, полиуретан, полиамид.

Виды пластмасс по эластичности

Различают пластики:

• жесткие – с упругостью от 700 МПа, сюда входят все фенопласты и аминопласты;
• полужесткие – от 70 до 700 МПа – полиамидные пластмассы, полипропиленовые трубы;
• мягкие и эластичные – до 70 МПа, это резины, которые тоже по научной классификации относятся к пластмассам.

Типы пластмасс по составу

Самая простая классификация по составу подразумевает, что пластики могут быть:

• однокомпонентными – в составе только полимер;
• многокомпонентными – это большинство синтетических полимеров, в которые добавлены разные присадки: затвердители, усилители реакции, наполнители и проч.

Но чаще, когда говорят о классификации пластмасс по составу, имеют в виду, что они бывают:

• ненаполненные – в них не содержатся наполнители, то есть это максимально чистый полимер плюс совсем немного химикатов для контроля реакции. В качестве примера – полиэтиленовая пленка, полистирольные изделия, полиэтилен, полиамид, капролон, поликарбонат и чистые фторопласты.
• наполненные – помимо основного полимера и реактивов, в них могут быть наполнители, красители и прочие присадки. Примеры: графитопласты,текстолит, поливинилхлорид, бумажно-слоистые пластики.

Существуют и другие классификации пластиков по составу:

По основному компоненту.

В основе любой пластмассы – синтетический полимер. Он может быть разным, самые распространенные:

1. Фенопласты. Основа – фенолоформальдегидная смола, бакелит. Чаще всего применяют в качестве композитных материалов.

2. Эпоксипласты. Основа – эпоксидная смола. Пластики с такой основой, как правило, относятся к реактопластам.

3. Аминопласты. Основа – мочевино-формальдегидные смолы. Второе название – карбамидные пластики, также относятся к реактопластам и отличаются своей прочностью.

По виду наполнителя.

Наполненные пластмассы различаются в зависимости от того, какой наполнитель положили в состав пластической массы. Пластик называют:

• порошковый – не самая высокая прочность на изгиб, так как нет армирующих волокон, добавляют золу, графит, тальк;
• волокнистый – с синтетическими и природными волокнами, в том числе, с добавлением асбеста;
  слоистый – это композитные материалы с добавлением листовых материалов – бумаги, ткани, стекла;
• газонаполненный – в качестве наполнителя выступает газ, в том числе обычный воздух, так получаются вспененные материалы.

Классификация пластиков по способу производства

Пластик – это синтетический полимер. Чтобы его получить, мономеры должны выстроиться в прочные полимерные длинные цепочки. Этого можно достичь двумя реакциями:

1. Поликонденсация – мономеры вступают во взаимодействие. В результате реакции получаются полимеры и побочный продукт, чаще всего жидкости, вода. Таким способом получают полиуретаны, полиамиды, поликарбонаты, полиэфиры, фенолформальдегидные или эпоксидные смолы.

2. Полимеризация – реакция, при которой также мономеры начинают взаимодействовать, создавая длинные полимерные цепи. Но при этом не появляется никакого вторичного продукта. Пример: из этилена получают полиэтилен, из стирола – полистирол, из винилхлорида – поливинилхлорид.

Виды пластиков по применению.

В зависимости от того, какими свойствами обладает пластик, он может иметь разные преимущества. Поэтому пластмасса по характеристикам бывает:

• Конструкционная – прочная, подходящая для изготовления изделий.
• Фрикционная – это пластмасса, которая может выдерживать высокие показатели силы трения, но при этом долго не изнашиваться.
• Антифрикционная – подходит для подшипников скольжения и подвижных узлов, обеспечивает снижение трения.
• Электроизоляционная – не пропускает электричество.
• Оптически прозрачная, например, оргстекло – пропускает свет и не искажает изображение.
• Химически стойкая – невосприимчива к кислотам и щелочам.
• Теплоизоляционная, например, газонаполненная пластмасса – имеет низкий показатель теплопроводности.
• Декоративная, в том числе цветная.
• Уплотнительная – имеет высокую упругость к деформациям, подстраивается под рядом стоящие детали.

В продаже большое количество пластмасс, которые отличаются физическими и химическими характеристиками. Они имеют разные формы при продаже, в зависимости от назначения, это могут быть гранулы, стержни, листы или уже фасованные детали.

Применение пластиков охватывает все отрасли производства: пластмассы часто стали заменять такие материалы как стекло, металл. Постепенно сферы использования увеличиваются, спрос рождает предложение, и производители пластиков вводят в производство и продажу все большее количество изделий. Вместе с номенклатурой растет и классификация: прозрачные и цветные пластики, глянцевые и матовые – можно найти много показателей для их разделения. Однако основными критериями при выборе пластмасс остаются технические характеристики.

Типов пластмасс, которые отличаются своими химическими и физическими свойствами, структурой и способом получения.

1. Термопласты — могут многократно перерабатываться и принимать новую форму при повторном нагревании. Пример: полиэтилен, полипропилен, полистирол.
2. Термореактивные пластмассы — не могут многократно перерабатываться, так как они полимеризуются при нагревании и не могут вернуться к своей первоначальной форме. Пример: эпоксидные, полиэстерные и фенолоформальдегидные смолы.
3. Эластомеры — имеют высокую гибкость и прочность при растяжении. Используются в производстве уплотнительных материалов, резиновых изделий, резиновой обуви и т.д.
4. Пеноматериалы — пластмассы, которые содержат в своей структуре пустоты, что делает их легкими и удобными для использования в упаковке, изоляции и т.д.
5. Композитные материалы — содержат в своей структуре усилители, такие как стекловолокно, углеродное или арамидное волокно, что повышает их прочность и жесткость. Они используются в производстве автомобилей, лодок, самолетов и др.

Маркировка пластика.

Маркировка пластика – это специальная система обозначений, которая используется для идентификации типа пластика и упрощения его переработки. Каждый тип пластика имеет свой уникальный код, который представляет собой цифру в треугольнике со стрелками.

(1) PET (полиэтилентерефталат) — легкий, прочный и удобный в использовании термопластичный полимер. Он широко используется для производства бутылок для напитков и упаковки продуктов. PET — экологически безопасный тип пластика, который не содержит вредных веществ и легко перерабатывается механически или химически. Он характеризуется высокой прочностью, устойчивостью к ударам, химическим воздействиям, влаге и гниению.

(2) HDPE (полиэтилен высокой плотности) — это термопластичный полимер, отличающийся высокой прочностью, устойчивостью к химическим воздействиям, низкой плотностью и ударопрочностью. Он широко используется в упаковке, строительстве, автомобильной промышленности и медицине. Является экологически безопасным материалом, который может быть легко переработан.

(3) PVC (поливинилхлорид) — жесткий полимер, устойчивый к атмосферным воздействиям и износу. Подходит для производства труб, оконных профилей, электротехнических изделий и других элементов. Однако переработка может быть сложной из-за возможных вредных добавок.

(4) LDPE (полиэтилен низкой плотности) — прозрачный полимер с высокой молекулярной массой и хорошей устойчивостью к воде, кислотам, щелочам и ультрафиолетовым лучам. Может использоваться для производства различных изделий, включая упаковку и конструкционные материалы. Также поддается переработке.

(5) PP (полипропилен) — термопластичный полимер с высокой прочностью, устойчив к химическим воздействиям и обладает жаростойкостью до 120°C. Он используется в упаковке, автомобильной и электротехнической промышленности, медицине и т.д. PP можно перерабатывать механически, химически и термически.

(6) PS (полистирол) — это полимер, который используется в качестве упаковочного материала. Обладает хорошей устойчивостью к свету и воздействию УФ-лучей, химической стойкостью к кислотам и щелочам, а также прочностью. Однако переработка PS может быть сложной из-за его хрупкости и низкой стойкости к ударам, что приводит к разрушению во время переработки.

(7) Other полимеры — все остальные виды пластмасс, не входящие в категории 1-6. Они имеют разные свойства и характеристики, используются в разных отраслях и могут быть переработаны, но методы переработки могут различаться в зависимости от конкретного материала. Примеры: поликарбонаты, ацетаты целлюлозы, нейлон и полимиды.

Применение пластмасс.

ВОЛОКНА.

Волокно — это нить животного, растительного или минерального происхождения.

Классификация волокон.

В биологии волокнами называют пищевые компоненты, не перевариваемые организмом при помощи пищеварительных ферментов. В медицине используют понятие нервных и мышечных волокон. Нервными являются отростки нейронов, покрытые глиальной оболочкой. Мышечными — основные компоненты ткани скелетной мышцы.

Свойства химических волокон.

Химические волокна — это тонкие не пряденые нити, производимые из синтетических и природных органических полимеров, применяемые для изготовления текстильных материалов: трикотажных полотен, ниток, ткани, пряжи, искусственного меха, нетканых материалов.

Согласно современной классификации, химические волокна делятся на:

• искусственные — белковые, ацетилцеллюлозные, гидратцеллюлозные;
• синтетические — карбоцепные, гетероцепные.

Искусственные волокна изготавливают из природных полимеров. Сырье для синтетических получают методом синтеза — известного в химии способа, предполагающего создание сложных молекул из простых.

К синтетическим волокнам относят полиамидные, полиэфирные, полиакрилонитрильные, поливинилспиртовые, поливинилхлоридные, полипропиленовые, а также многие другие. К первым относят такие вещества, как капрон, анид, энант. Основные характеристики этих волокон – устойчивость к растяжению, стойкость к истиранию. Однако недостатки также имеют место быть: низкая гигроскопичность, небольшая термостойкость и высокая электризуемость. Это волокно используют при производстве трикотажных изделий, ниток, кружев, канатов и рыболовных сетей. По сравнению с натуральными химические нити обладают:

• более высокой прочностью;
• улучшенной растяжимостью;
• несминаемостью.

Кроме того, они более устойчивы к длительным нагрузкам, успешнее противостоят разрыву, воздействию влаги, ультрафиолета, бактерий, грибка, не теряют заданную форму.

Сферы применения.

Применение химических нитей актуально в разных сферах производства, промышленности. Их используют для:

• выпуска бельевых, трикотажных, подкладочных тканей;
• изготовления обуви, ковров;
• обустройства фильтрационных схем;
• пошива спецодежды для взрослых;
• производства канатов, сетей, оплетки кабеля.

Из них делают лежанки для животных, укрывной материал для растений, подгузники для детей. Их используют для производства автомобильных шин, в строении летательных аппаратов — для изготовления внутренней обшивки. В некоторых случаях для расширения свойств и функций конечного изделия к химическим волокнам добавляют природные или же используют их в качестве соединительных элементов.

НОВЫЕ ТЕХНОЛОГИИ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ПОЛИМЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ.

Всех волнует вопрос — что будет, когда закончатся ресурсы нефти. На данный момент производство полимерных материалов использует лишь около 5% от всей потребляемой в мире нефти. И это — все материалы, идущие на изготовление всех изделий, включая все миллионы квадратных метров упаковки, включая все миллионы километров труб и все миллионы тонн пластиковых изделий во всем мире. И при этом, существенная часть изделий из пластмасс перерабатывается вторично, превращаясь либо в сырье для новых изделий, либо в топливо для производства энергии. В последние годы чрезмерное использование сырой нефти привело к истощению ресурсов и загрязнению окружающей среды, что сильно повлияло на наше общест-во. На сегодняшний день синтетические текстильные волокна, такие как полиэстер, нейлон, спандекс и акриловое волокно, в основном получают из нефтепродуктов. Синтез этих волокон часто сопровождается выбросами парниковых газов, таких как CO₂, и ростом цен на нефть. Поскольку хранение нефти в основном сосредоточено в странах Ближнего Востока, торговля нефтью и её транспортировка между разными странами часто сопровождаются такими рисками, как утечка нефти и стихийные бедствия. Кроме того, нефть является невозобновляемым ресурсом, и её запасы истощают-ся. Потребность в энергии также растёт в связи с недавним научно-техническим прогрессом и общим развитием образа жизни. Поэтому использование новых материалов на биологической основе привлекает всё больше внимания, поскольку снижает зависимость от ископаемого топлива, такого как нефть, и может рассматриваться как источник положительного воздействия на окружающую среду. Уже давно синтезированы полимеры из биоресурсов. Это полимеры из растений, дерева, целлюлозы, лактозы, крахмала и т. д. И объем производства этих пластмасс растет ежегодно на 80% последние 5 лет. Но, пока еще стоимость производства биополимеров высока, поэтому основные пластмассы, потребляемые в мире, делаются по-прежнему из нефти и нефтепродуктов, что имеет негативное влияние на окружающую среду и ограничивает их функциональность. Как создать полимеры, которые будут более устойчивыми к разложению, биосовместимыми, термостойкими и эластичными, используя более экологичные источники сырья?

В поисках более экологичных решений ученые разработали добавки для полимеров, способных разлагаться в естественной среде. Под воздействием влаги, солнечного света и температуры пластик превращается в биологически доступный материал, который затем потребляется бактериями. Это открытие может стать ключевым в борьбе с пластиковым загрязнением, предлагая более устойчивые альтернативы традиционным материалам.

В настоящее время на рынок постоянно поступают новые материалы, обладающие свойствами, которые было невозможно себе вообразить еще несколько лет назад. В целом они становятся более легкими, прочными, пригодными для вторичной переработки и адаптивными. Существует множество новых применений для самовосстанавливающихся или самоочищающихся умных материалов, металлов с памятью возврата к исходной форме, керамики и кристаллов, которые превращают давление в энергию и так далее. Как и в случае большей части инноваций, последствия возникновения, развития и использования новых материалов предугадать невозможно. В качестве примера можно привести такой наноматериал, как графен, прочность которого в двести раз превышает прочность стали, а толщина в миллион раз меньше человеческого волоса, и который является эффективным проводником тепла и энергии. Когда графен
станет конкурентоспособным по цене (в расчете на грамм он является одним из самых дорогостоящих материалов: объект размером в микрометр стоит более тысячи долларов США), он сможет обеспечить значительный прорыв в сфере производства и инфраструктуры. Особенностью данного полимера является его структура. В ней содержатся микрогранулы, заполненные особой жидкостью. При повреждении этих микрогранул, жидкость вытекает и заделывает образовавшееся повреждение. Аналогичный эффект можно увидеть при порезе. И хотя некоторые
материалы способны «залечивать» свои микротрещины, новый полимер смог справиться с весьма большой дыркой размером 4 миллиметра. Инженеры не планируют останавливаться на достигнутом. В перспективе видится создание бетона, асфальта, а также металла, обладающих свойствами самовосстановления.

Чрезвычайный интерес вызывают аэрогели – суперлегкие материалы.Визуально они выглядят как туман или плотный дым. Удивительная способность этого материала заключается в том, что он с легкостью может выдержать, например, жар паяльной лампы. Само название «аэрогель» отражает суть этого материала: это гель, где жидкость была полностью заменена на воздух. Матрица аэрогеля может состоять практически из любой субстанции, включая кремнезем, различные окиси металла и графен. Однако важнее всего отметить, что большую часть его структуры составляет воздух. К сожалению, у аэрогеля есть один критический недостаток: хрупкость, особенно если основой аэрогеля является кремнезем. Ученые из NASA, экспериментируя с гибкими аэрогелями на основе полимеров, рассматривали возможность их применения в качестве непроводящих материалов для космический аппаратов. Добавление других компонентов даже в аэрогели на основе кремнезема способно сделать их более пластичными

Современное состояние техники требует не просто новых полимерных материалов, а полимерных материалов нового поколения. Среди различных направлений в науке о полимерах, пожалуй, ни одно не развивалось так быстро и стремительно, как связанное с дизайном, синтезом и изучением жидкокристаллических полимерных систем. Это направление интенсивно развивается на каф. ВМС МГУ им. М.В. Ломоносова под рук. В.П. Шибаева, а также в других коллективах. Особенно интересным и наглядным представляется материал, представленный
А.Б. Бобровским. Жидкокристаллические (ЖК) полимеры – это высокомолекулярные соединения, способные при определенных условиях (температуре, давлении, концентрации в растворе) переходить в ЖК-состояние, которое представляет собой равновесное фазовое состояние, занимающее промежуточное положение между аморфным и кристаллическим,

Самая впечатляющая новая область – молекулярная биология, которая в принципе сможет контролировать саму жизнь. Люди, работающие в этой области, шаг за шагом анализируют структуру и роль молекул первичных структур жизни – белков, ферментов, гормонов, нуклеиновых кислот, антител – и пытаются разгадать, как природа собрала эти молекулы и как они работают вместе. Как только человек научится уверенно синтезировать гигантские молекулы, подобные ферментам, медицина будет способна расправиться со многими болезнями. Именно нарушение структуры белка часто приводит к болезням, к молекулярным болезням, таким как болезнь Альцгеймера и многие другие. Поняв структуру белка, мы можем понять, какое
лекарство может лечить ту или иную болезнь. Медицина все чаще использует полимеры для улучшения обмена веществ пациента. Целлофановые мембраны служат в аппаратах «искусствен-ная почка» для фильтрации из крови продуктов распада, их осаждения и последующего удаления. Инженеры-медики надеются, что им удастся сделать искусственную почку, достаточно компактную, чтобы ввести ее в тело больного. Предвидят полную замену больного сердца на долгоживущее синтетическое, не вызывающее сворачивания крови и позволяющее периоди-чески удалять жировые отложения или соединения кальция из крови с помощью полимерных сорбентов, а сродство определенных полимеров, проявляемое ими по отношению к другим молекулам, может быть использовано для создания селективных агентов, способных нести специфические лекарства в определенные места организма без потери их в других органах. Это означало бы, что с побочным отравляющим действием медикаментов удалось бы покончить – такие исследования уже ведутся. Исследователи экспериментируют с различными типами полимеров, нацеливаясь на применение их не только в промышленности, но и в медицине, биотехнологии, электронике и других областях. Искусственная кожа, сделанная из силикона (который, к слову, тоже полимер), может стать будущим в отрасли борьбы со старением. Кремы на основе полимеров должны помочь в подтягивании кожи, а значит, прощайте, морщины и мешки под глазами. Кроме того, искусственная кожа должна помочь людям с заболеваниями кожи, например с экземой, а также может быть использована для защиты от солнца. Исходным материалом для любой синтетической кожи, как и для любого другого белка, должна быть, несомненно, какая-то полиаминокислота; конечный же продукт синтеза произведет революцию в пластической хирургии. Заживление ран и ожогов чрезвычайно ускорится, болезненное приживление и снятие лоскутов собственной кожи будет упразднено. Проблема состоит в том, чтобы сделать синтетическую кожу нетоксичной и неспособной вызвать реакцию отторжения. В этой области медицины большой опыт уже накоплен при конструировании пластиковых протезов различных частей тела.

Одним из наиболее перспективных направлений в полимерной технологии является создание так называемых функциональных полимеров . В отличие от конструктивных полимеров функциональные полимеры выполняют специфические функции по влиянию на физико-химические эффекты в различных устройствах, технических и биологических системах. Функциональные полимеры, содержат в своей структуре химически активные функциональные группы. Эти полимеры перспективны в ряде приоритетных областей развития науки и техники, таких как медицина, мембранная технология, микроэлектроника, биотехнология, экология, оборонная техника. К ФП относятся полимерные красители и полимерные фармацев-тические препараты. С одной стороны, полимерные молекулы в этих системах выступают всего лишь в качестве носителей и связующих, с другой стороны, именно они определяют важ-нейшие характеристики: растворимость, диспергируемость, срок годности и т.д. Для лекарственных препаратов необходимо еще учитывать чисто биохимические эффекты, связанные с использованием полимерной основы (пролонгирование срока действия и т.п.). К ФП относятся и ионообменные полимеры – иониты. Иониты обладают комплексообразующими и окислительно-восстановительными свойствами. Они широко используются для очистки воды, в частности, от ионов металлов. Синтез и исследование свойств так называемых функцио-нальных полимеров – одна из важнейших областей развития современной науки.

Инновации коснулись и материалов, способных самостоятельно восстанавливать повреждения. Одним из самых ярких направлений современной науки о полимерах является также создание так называемых «умных полимеров». Умные полимеры – это часть умных материалов, которые обладают способностью сильно реагировать на какое-то внешнее воздействие. Они могут резко изменить форму или состояние при перемене температуры, влажности, кислотности, осве-щения. Эти материалы могут иметь очень сильный отклик даже на самое малое внешнее возмущение. Например, можно излучением вызывать изменение в конформации полимерных цепочек, которое приведет к глобальной перестройке всей структуры полимера. Своеобразным видом «умных полимеров» являются самовосстанавливающиеся полимеры.
Самовосстанавливающиеся материалы – это материалы, способные частично или полностью восстанавливать причиненные им повреждения, например, образовавшиеся трещины. Одним из их самых выдающихся свойств биологических материалов является способность к самовосстановлению и регенерации своих функции после получения внешних механических
повреждений. В природе самовосстановление может происходить как на уровне единичных молекул (например, восстановление ДНК), так и на макроуровне: срастание сломанных костей, заживление поврежденных кровеносных сосудов и т.д. Эти процессы знакомы всем, однако, материалы, изготовленные человеком, в большинстве случаев не обладают подобной способ-ностью к самовосстановлению (хотя бы потому, что «живыми» они не являются). Самовосстанавливающиеся материалы открыли бы огромные возможности, в особенности в тех случаях, когда в труднодоступных зонах необходимо обеспечить надежность материалов на как можно более длительный срок. Кроме того, «самозаживление» было бы идеально для материалов, склонным к повреждениям, например, в случаях с поверхностными покрытиями.

Особый интерес представляет новый класс полимеров – гибридные полимеры, содержащие звенья органической и неорганической природы и сополимеры на основе синтетических полимеров и биополимеров. Данные полимеры могут сочетать свойства полимеров и наночастиц, синтетических полимеров и биополимеров, проводников и изоляторов и др. Биосинте-тические гибридные полимеры, содержащие звенья природных соединений, благодаря доступной возобновляемой сырьевой базе для их синтеза (белки, углеводы), а также нетоксичности, высокой функциональности, сорбционной активности, пониженной горючести и естественной деградации в природных условиях, являются перспективными для использования во многих областях.

Полимолекулярные комплексы хитозана (ПМК). Хитозан является перспективным биоматериалом будущего; интерес к нему связан с уникальными свойствами, такими как биосовместимость,
биодеструкция, физиологическая активность при отсутствии токсичности, доступность сырья (хитин беспозвоночных) для его получения. Поскольку хитозан обладают большей способностью к межмолекулярным взаимодействиям, то одним из наиболее эффективных способов улучшения его характеристик является образование полимолекулярных комплексов (ПМК) с другими биополимерами и синтетическими полимерами. Получены и исследованы ПМК на основе хитозана с синтетическими и биополимерами – поливиниловым спиртом, метилцеллюлозой, белками молочной сыворотки и желатином. ПМК обладают повышенной сорбционной способностью к ионам металлов и органическим соединениям, огнестойкостью и повышенными теплозащитными свойствами. Разработаны сорбенты на основе ПМК для очистки воды от ионов металлов, нефтепродуктов, токсичных органических веществ и извлечения белков из
молочной сыворотки. Полученные пленки из полимолекулярных комплексов способны долгое время удерживать воду (до 85 %), что позволяет использовать их в качестве эффективных огнезащитных покрытий. Получены кормовые добавки из ПМК для рыбы и птицы, увеличивающие выживаемость и привес, разработаны ПМК на основе хитозана и белков для получения кремов и средств защиты кожи.

ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА: «Распознавание пластмасс и волокон».

Выполните самостоятельно эту работу, выбрав по 2 образца изделий из пластмассы и волокон. для определения вида пластмассы и волокон используйте только два параметра: внешние признаки и отношение к нагреванию (сжигание).

При выполнении работы соблюдайте правила пожарной безопасности.