Полимеры интересные факты сообщение по химии

Обновлено: 05.07.2024

Оригинал статьи опубликован на сайте журнала "За науку" Московского Физико-Технического Института.

Полимерная революция началась в 40-х годах XX века, когда люди впервые отказались от естественных, натуральных материалов и синтезировали то, чего никогда в природе не было. Яркий пример — полиамиды (нейлон) и полиэтилен. Такой абсолютно искусственный материал, как полиэтилен, оказался уникальным по своим структурам и механическим свойствам: волокно полиэтилена, например, прочнее стали. Корреляции между структурами материалов и их свойствами стали выделяться в целое направление материаловедения, ученые начали специально заниматься изучением таких корреляций для создания новых функциональных материалов — так родилась наука о полимерах.

Битва за специализацию

В 60-е годы считалось, что будущее за специализированными полимерами. Тогда казалось, что совсем скоро будут открыты полимерные материалы, идеально подходящие каждый для своей задачи, и многотоннажное производство универсальных пластиков сократится.

Это предсказание не сбылось, индустрия специализированных полимеров с годами не выросла. Это связано с тем, что все промышленное производство сегодня, как и полвека назад, оптимизировано под отдельные универсальные полимеры, и перестраивать его очень дорого. Основное усилие разработчиков на протяжении полувека остается направленным на то, чтобы научиться контролировать макромолекулярную структуру и свойства полимера. Сегодняшние универсальные пластики — такие, как полипропилен — это совсем не те материалы, которые выпускались под теми же названиями десятилетия назад. Как правило, это целые семейства сополимеров с разными свойствами.

Полный контроль

Умные полимеры обладают способностью сильно реагировать на относительно слабое внешнее воздействие. Они могут резко изменить форму или состояние при перемене температуры, влажности, кислотности, освещения. Эти материалы реагируют даже на самое малое внешнее возмущение. Можно, например, излучением вызывать изменение в конформации полимерных цепочек, которое приведет к глобальной перестройке всей структуры полимера. Классические материалы — сплавы, керамика — состоят из достаточно простых кирпичиков: атомов, ионов или соединений из нескольких атомов. Поэтому для них подобные сильные отклики на малое внешнее возмущение практически недостижимы.

Сейчас развивается целое направление, связанное с микророботами на основе мягких сред (мягкие среды — еще одно называние этих материалов). Под действием излучения в них можно вызывать механические деформации микрообъектов — и двигать их в нужном направлении.

Другой пример — создание специальных многослойных микро- и даже нано-размерных пузырей для доставки лекарств. Направляя на пузырь излучение с определенной длиной волны, можно вызвать фазовый переход, — оболочка раскроется, и лекарство, которое находилась внутри пузыря, высвободится в том месте организма, в котором нужно. Так можно доставлять токсичные лекарственные препараты к раковым опухолям: чем точнее доставка, тем меньше нужна доза, и тем слабее побочные эффекты.

Лишняя соль

Этот проект реализуется в сотрудничестве с французскими химиками-синтетиками. Первые мембраны на их основе планируется создать уже в 2019 году.

Органическая электроника

Полимерные импланты

Дмитрий Иванов, директор исследований при французском Национальном центре по научным исследованиям, заведующий лабораторией инженерного материаловедения МГУ и лабораторией функциональных органических и гибридных материалов МФТИ:

— Мы работаем с людьми, которые помогают нам моделировать новые материалы. В частности, те материалы, которые будут имитировать свойства мягких тканей организма: кожи, жировой ткани. Наша международная команда разрабатывает материалы, которые будут точно воспроизводить индивидуальные свойства пациента. Было обнаружено, что индивидуальные различия между людьми в механических свойствах тканей — скажем, кровеносных сосудов - сильно различаются. Поэтому важно уметь делать материалы, соответствующие точно заданным свойствам, другими словами — воспроизводить свойства тканей пациента.

Материал импланта должен деформироваться так же, как и окружающая его живая ткань. Для примера возьмем имплантаты межпозвоночных дисков. Межпозвоночная грыжа — это заболевание межпозвоночного диска, который соединяет позвонки. сложно структурированного композитного материала из коллагена, который обеспечивает механику позвоночника. Если коллагеновый диск разорвался, вытекшая жидкость начинает оказывать давление на нерв, из-за чего уменьшается кровоток и нерв может отмереть. Это приводит к параличу ног, например, если речь идет о грыже поясничного отдела. В случае грыжи позвонков шейного отдела может наступить паралич рук, остановка сердца и дыхания. То есть в такой ситуации нужно в первую очередь спасти нерв. Но спасти таким образом, чтобы сохранилась физическая подвижность.

Раньше поврежденный диск удаляли и на его место вставляли полипропиленовый вкладыш вкладыш. Полипропилен — классический полимер, который применяется во многих областях медицины. Но по механическим свойствам он сильно отличается от коллагена, в первую очередь потому, что полипропилен тверже. После вставки полипропиленового вкладыша механические нагрузки переносятся на следующую пару позвонков, и через несколько лет развивается грыжа следующего диска.

Эластомеры — это класс высокоэластичных полимеров, сила сопротивления деформации у которых изменяется по определенным законам. Эластомеры ведут себя совсем не так, как живые ткани. Кожа, например, ведет себя совершенно иначе — она очень мягкая в исходном недеформированном состоянии. Но при этом потребуется достаточно большое усилие, чтобы сделать ее, например, в два раза длинее. Механика биологических тканей объясняется присутствем в их основе волокон, состоящих из практически полностью вытянутых цепей. Когда вы начинаете деформировать живую ткань, эти волокна, изначально изотропно ориентированные в материале, ориентируются в направлении деформации, и вы практически сразу достигаете точки максимального растяжения. Дальше прилагаемая сила очень быстро возрастает с деформацией.

Такой способ создания материалов стоит дорого, а полимеры, которые получаются на выходе, имеют узкую специализацию. Очевидно, что такие материалы будут доступны только для достаточно обеспеченных пациентов — по крайней мере на начальном этапе внедрения. Но за этим направлением будущее: медицина постепенно двигается в сторону персонализации и материалов, и методов. Когда-нибудь многие части организма, пострадавшую от болезни или травмы, можно будет заменить полимерами с аналогичными механическими свойствами.

Вещества, которые имеют цепочки с множеством звеньев, называют полимерами. Полимеры бывают органические и неорганические, а также кристаллические и аморфные.

История

Основоположником развития исследования полимеров считается Герман Штаудингер, который начал изучать их 1920-х годах.

В 20 веке начали изучать крахмал и целлюлозу, которые и считали природными полимерами, так как из них можно было создать коллоидные растворы, и они имеют длинную цепочку.

Характеристики полимеров

- Полимеры обладают эластичностью, так как они способны к обратной деформации. Представителем эластичных полимеров можно считать каучук.

- Стеклообразные и пластические полимеры обладают высокой устойчивостью к разрушению, другими словами они менее хрупкие.

- Если в растворе мало полимера, он все равно становиться вязким.

- При растворении полимеры обычно проходят стадию набухания, за счет этого растворы и становятся вязкими.

- Полимеры подвержены химическим изменениям, если в раствор добавлять реагент, который способен менять структуру раствора.

Интересные факты о полимерах

- При растягивании полимеры становятся намного тверже, а волокна, которые образуются в процессе растяжения, становятся намного твёрже некоторых металлов.

- В полиэтилене связь молекул ничем не уступает прочностью алмаза.

- Полиэтилен используют не только для упаковки пищевых продуктов, но и для уплотнения в бронежилетах. Используют также для изготовления пластиковых труб.

- В некоторых странах мира продажа полиэтиленовых пакетов запрещена, а в некоторых даже карается законом.

- Полиэтиленовые пакеты очень удобны в использовании, но они приносят необратимый вред природной среде.

Применение полимеров

Полимеры в наше время очень широко используются. Их используют в промышленных масштабах, ни одна отрасль производства не обходиться без полимеров.

Очень востребованы полимеры в машиностроении, для изготовления определенных деталей, в ракетостроении и авиации.

Результатами промышленности по изготовлению полимеров мы пользуемся ежедневно, так как каждый из нас использует полиэтиленовые пакеты.

Также полимеры используют в медицине для изготовления препаратов и некоторого инвентаря.

Современный мир тяжело представить без использования полимеров.

9, 11 класс. Химия

Популярные сегодня темы

О чудесных свойствах чая знает каждый. Но откуда на Руси появился этот вкусный и полезный напиток, пожалуй, догадываются не все. Задолго до появления чая, люди заваривали травы, одной из ценн

В этом докладе описаны основные факты о созвездии Водолей, включая размеры, положение на небе и историю.

Центральное место в древнегреческом пантеоне богов отведено Зевсу, отцу богов и людей. Зевс попал на Олимп в результате долгой и жестокой борьбы за власть с собственным отцом Кроносом.

Полимерные материалы уже стали неотъемлемой частью нашей жизни, современный мир просто не может существовать без них. Любой полимер – это высокомолекулярное соединение. В состав его частиц входит огромное количество звеньев, между которыми есть химические связи. Полимеры могут быть синтетическими и природными. К синтетическим относятся полистирол, полипропилен и полиэтилен.

Природные – это нуклеиновые кислоты и белки. Отличаются полимерные материалы и по форме. В зависимости от этого они делятся на разветвленные, сетчатые и линейные. По своей природе они бывают неорганическими, органическими и элементоорганическими.Но это лишь материал из школьного учебника, о котором вы наверняка уже слышали, но сегодня мы хотели бы рассказать об действительно интересных фактах о полимерах.

Известно, что полиуретан в природе не разлагается. И это может обернуться экологической катастрофой для всей планеты. Возможно, решить проблему помогут грибы, недавно обнаруженные ученными в Эквадоре. Уникальность этих грибов в том, что они питаются полиуретаном.

В Тихом океане есть так называемый мусорный континент (пятно), который полностью состоит из пластиковых отходов, принесенных в одно место течениями. По подсчетам, в этой части океана скопилось более 100 млн. тонн мусора. Распавшийся под воздействием солнца пластик сохраняет свою структуру и привлекает медуз и рыб, которые принимают его за зоопланктон.

Привычные для нас бумажные деньги есть не во всех странах. Некоторые заменили их на более долговечные пластиковые. Впервые валюта из пластика появилась в Австралии более двадцати лет назад. Сейчас такими деньгами пользуются еще в ряде государств: Брунее, Румынии, Новой Зеландии и Вьетнаме. Некоторые другие страны выпускают на пластике памятные купюры или некоторые номиналы.

Главное свойства полимерного сырья в том, что оно эластично и крепко, кристаллические соединения полимеров начали широко применять для изготовления плстиковых материалов. Кроме того, что было сказано выше делят полимеры по реакции на температуру – некоторые плавятся, когда нагреваются, а потом возвращаются в прежнее состояние, когда его охлаждают. А некоторые разрушаются - не плавятся и соответственно не восстанавливаются.

В 1975 г в Чехословакии перестали клеймить овец, коз и крупный рогатый скот. Вместо этого в уши животных начали вставлять пластиковые таблички, на которых указывают основную информацию. Такие изменения в регистрации скота были введены по той причине, что использование клейма было признано негигиеничным.

Ученые Финляндии решили извлечь пользу из целлюлозно-бумажной промышленности. Выделяемые в процессе очистки сточных вод отработанные сульфитные щелоки помещают в ферментаторы. Там, при температуре 38° С и с добавлением аммиака, выращиваются особые микробы, используемые для изготовления кормов для домашней птицы и свиней. Получаемый корм очень питательный - он содержит в себе 50% - 55% белка, а это в свою очередь полимер :).

Полимерные материалы незаменимы в ракетостроении. Для изготовления оболочки двигателя используется углепластик. Сначала на трубу наматывают углеволоконную ленту, пропитанную эпоксидными смолами. После того, как смолы затвердеют, сердечник вынимают. В результате получается заготовка, почти полностью состоящая из углеволокна. Ей не страшны вибрации и пульсация, она устойчива к растяжению и изгибу. К полученной трубе прикрепляют отсек для фотокамер и приборов, наполняют ракетным топливом.

Что может быть обыкновеннее полиэтилена? Он постоянно на виду - из него, например, сделаны пакеты и пакетики, которые бесплатно раздают вместе с покупками в магазинах и на рынках.На упаковку действительно идет львиная доля самого крупнотоннажного полимера, производимого в мире. А ведь перед Второй мировой войной он появился в Англии как редкий изоляционный материал для первых радиолокационных установок и был дороже золота. Современные полиэтиленовые пакеты по внешнему виду и свойствам намного лучше тех первых, которые изготовили в середине прошлого века. Даже у специалистов по пластмассам вызывает восхищение тончайшая полупрозрачная пленка, в пакет из которой можно положить до 20 кг разнообразных вещей и продуктов. Правда, иногда пакеты все-таки рвутся, но с каждым годом становятся все прочнее. Почему? Ведь материал все тот же - полиэтилен!

Все дело в новых технологиях. Чтобы изготовить тонкие пленки, толстую заготовку нагревают, потом растягивают и резко охлаждают. Такой термовытяжкой сегодня получают почти все полимерные пленки, в том числе с рекордно малой толщиной менее одного микрометра. Огромные промышленные ориентационные установки (рис.1) растягивают пленки не только из полиэтилена, но и из многих других полимеров. Растягивают и в длину (одноосно), и в ширину (двухосно). Уже первые опыты показали, что при термовытяжке прочность и жесткость полимеров можно повысить в десятки раз, сделав полиэтиленовые ленточки и волокна прочнее стальных. При этом они почти в восемь раз легче.

Почему ориентированные полимеры прочнее обыкновенных? Для начала нужно ответить на вопрос: а почему обыкновенный полиэтилен такой непрочный? Этот вопрос не так наивен, как кажется. Алмаз, состоящий из тех же атомов углерода, связанных между собой теми же ковалентными связями, что и атомы углерода в молекулярной цепочке полиэтилена, - один из самых твердых и прочных материалов в природе. Разницу между ними можно объяснить, вспомнив древнюю легенду о мудром старце. Перед смертью он попросил своих сыновей сломать прутики хвороста, сложенные в пучок, что они так и не смогли сделать, несмотря на свою молодость и крепость мышц. Физико-химический смысл этой сказки очевиден. Чтобы разделить рыхлую кучу хвороста на части (рис.2), больших усилий не нужно. Стоит чуть-чуть потянуть, и хворостинки разделятся на две кучки, не ломаясь. Если и придется сломать одну-две, то это будет довольно просто. А вот сломать пучок плотно уложенных хворостинок намного труднее, ведь ломать придется все одновременно. И чем больше в пучке палочек, тем труднее будет это сделать .

Если все полимерные молекулы в пленке уложить параллельно, в одном направлении, то придется потратить значительно больше энергии на разрушение. Попробуйте порвать декоративную ленточку, которой продавцы перевязывают букеты цветов. Разорвать ее поперек руками невозможно, хотя она сделана из обычного (но ориентированного) полиэтилена. Однако ленточку легко разделить на полоски, если ее рвать в продольном направлении. В первом случае необходимо рвать ковалентные углерод-углеродные связи полимерных молекул, а во втором - надо просто развести молекулы, разрушив слабые межмолекулярные связи и почти не затрагивая сами молекулы.

К этому надо добавить, что неоднородная ориентация молекул может быть вредной. В готовых изделиях из-за нее появляются напряженные области (специалисты называют это остаточными напряжениями). Именно на границах этих областей со временем появляются микротрещины, приводящие к разрушению полимерных материалов. Иногда полимерное изделие приходится долго прогревать (отжигать), чтобы обеспечить стабильность его свойств и размеров.

Возьмем другую ситуацию: полимер растянут при невысокой температуре, охлажден и зафиксирован в новой форме и размерах. Тогда он станет термоусадочным. Такой материал можно снова разогреть - растянутые молекулы вновь начнут извиваться и сворачиваться в клубки, а полимер сократится, вспомнив свою исходную форму. Как можно использовать такие материалы? Посмотрите на коробку с конфетами или на дорогую книгу. Они защищены пленкой. Эту пленку невозможно, да и не нужно натягивать на коробку. Коробку с конфетами просто поместили в пакет из термоусадочной пленки и нагрели. Размер пакета может уменьшиться как минимум в два раза, поэтому пленка с усилием обтягивает положенный в нее предмет. Так можно упаковывать фрукты, банки, бутылки и т.п. (рис. 4). Кстати, если нагреть ПЭТ-бутылку, она тоже усядет. Дело в том, что ее изготовили, раздув сжатым воздухом разогретую до 90°С маленькую заготовку (преформ). Так же ведут себя одноразовые полистирольные стаканчики.

Теперь представьте, что вам нужно ликвидировать разрыв кабеля. Для этого потребуются термоусадочные трубки. Полиэтиленовую трубку растягивают, увеличив ее диаметр в 6 - 8 раз, и она становится термоусадочной. Вы надеваете такую термоусадочную трубку на оторванный конец кабеля, соединяете медные жилы и надвигаете трубку на место разрыва. Остается только нагреть трубку - она сожмется и надежно изолирует провод. Эффект термоусадки можно усилить и сделать еще более стабильным, если радиационным или химическим воздействием сшить растянутые полимерные молекулы между собой. Такие пространственно сшитые термоусадочные материалы сохраняют свою форму после усадки даже при нагреве до очень высоких температур.

Полимерные расплавы - это не обычные жидкости, они не подчиняются основным законам гидродинамики. Так, если в трубе с обычной жидкостью (бензином, водой, глицерином, ртутью, жидким азотом) увеличить в два раза давление, то из трубы ее вытечет вдвое больше. Это первым заметил Исаак Ньютон, поэтому обычные жидкости называют ньютоновскими. А вот если в трубе находится расплав полиэтилена, то расход может увеличиться не в два, а в три, пять или более раз! То есть вязкость полимерного расплава уменьшается с увеличением скорости течения. Это происходит потому, что вытягиваются молекулярные клубки, а значит, изменяются структура жидкости и ее вязкость. Подобные жидкости называют неньютоновскими.

Ударим по жидкому расплаву полимера со скоростью несколько десятков метров в секунду. Думаете, он прогнется? Нет - разлетится на осколки (рис. 5). Почему? При ударном воздействии молекулярные клубки не успевают отреагировать, и расплав может повести себя как хрупкое стекло. Есть и другие интересные примеры особого поведения полимерных расплавов. Например, если окунуть кончик палочки в расплав или концентрированный раствор полимера и потянуть вверх, то образуется волокно (рис. 6). Чем дольше вы будете его тянуть, тем длиннее и тоньше оно будет становиться, пока не превратится в довольно прочную паутинку. Эта аналогия не случайна - такой же механизм прядения используют пауки. Почему волокно не рвется? Когда мы вытягиваем расплав, молекулы тоже вытягиваются вдоль и делают его прочным. Чем быстрее тянуть волокно, тем прочнее оно станет. Это происходит до тех пор, пока полимер не остынет. На этом свойстве основано производство большинства синтетических волокон.

На первый взгляд совершенно непонятен эффект Вайсенберга, имеющий массу модификаций. Все знают, что происходит, если мешать ложечкой чай в стакане. Вращающаяся жидкость за счет центробежной силы отбрасывается к стенкам и образует воронку. Совсем не так ведет себя полимерный расплав. Если его поместить в зазор между двумя цилиндрами и начать вращать внутренний, то расплав будет постепенно собираться у вращающегося цилиндра, поднимаясь вверх (рис. 8 слева). Одновременно он и этот цилиндр стремится вытолкнуть вверх. Причина опять же в изменении структуры расплава. Часть его вращается вместе с внутренним цилиндром, и полимерные молекулы вытягиваются, как бы наматываясь на него. Но они стремятся свернуться обратно в клубок, поэтому появляется усилие, направленное вверх. Может показаться, что этот интересный эффект не имеет никакого практического значения. Однако он определил конструкцию машин для переработки полимеров, которые называют дисковыми экструдерами. Если поместить полимерный расплав в зазор между двумя дисками, один из которых быстро вращается, то полимер по указанным выше причинам соберется в центральной части зазора (рис. 8 справа). При этом возникнет давление, стремящееся раздвинуть диски. Чем больше скорость вращения, тем больше давление, поэтому если в центре неподвижного диска проделать отверстие, то через него будет выдавливаться расплав. Получится особый экструдер, с помощью которого из полимеров формуют трубы, листы и другие непрерывные изделия.

Наши примеры не описывают все особенности полимеров, однако дают понять, насколько это сложные вещества. Полимеры часто ведут себя как капризные живые объекты. С точки зрения технолога, от всех этих аномалий поведения больше вреда, чем пользы. Обычные и, казалось бы, простые инженерные задачи по расчету течения расплавов в каналах, заполнения форм, получения изделий нужных размеров и форм превращаются в трудные, хотя и интересные исследования, зачастую с плохо предсказуемым практическим результатом.

До сих пор существует много непонятного в поведении полимеров, не все их тайны раскрыты. Есть что исследовать, и есть что открывать.

Читайте также: