101 
О чем речь? Синтетические полимеры окружают нас повсюду: от упаковки продуктов и одежды до деталей автомобилей и медицинских устройств. Эти материалы, созданные человеком, а не природой, радикально изменили технологический ландшафт за последние сто лет.
В чем преимущества? Их уникальные свойства – легкость, прочность, гибкость, химическая стойкость – позволили реализовать инженерные решения, которые были невозможны с использованием традиционных материалов.
Что такое синтетические полимеры
Полимеры бывают природными и синтетическими. Первые использовались людьми с давних времен. Например, целлюлоза, белки и крахмал нужны для производства бумаги, клея и других материалов.
В 20 веке случилось небывалое развитие химии, после чего были открыты уникальные вещества, которые состояли из длинных цепочек мономеров – повторяющихся структурных единиц. Молекулярная масса полимеров достигает от нескольких тысяч до миллиона единиц.
Открытие синтетических материалов позволило свершиться технической революции. Появились изделия, которые дали возможность развиваться машинной, строительной, медицинской, текстильной и пищевой промышленностям. К самым известным химическим полимерам относят полиэтилен, полипропилен, полистирол.
Современный мир немыслим без природных и синтетических полимеров. Технологии постоянно совершенствуются, появляются новые виды, которые позволяют развиваться науке и бизнесу.
Отличия природных полимеров от синтетических
Под полимерами понимают молекулы крупного размера, которые состоят из мономеров. Синтетические высокомолекулярные соединения полимеров отличаются от природных.
Синтетические вещества состоят из модифицированных природных полимеров, подвергнутых химической обработке. К ним относят волокна вискозы или ацетатного шелка, которые изготавливают из целлюлозы. Происхождение у них природное, но с помощью технологий улучшены функции, что расширяет сферы использования в производстве.
Природные же полимеры мы можем встретить в естественной среде. К примеру, коллаген, шелк состоят из белков, выделяют также нуклеиновые кислоты (РНК и ДНК), полисахариды (крахмал и целлюлоза).
К натуральным полимерам относят хлопок и каучук. Данные материалы являются экологичными, надежными, биосовместимыми, но отличаются по своим характеристикам прочности и технологичности.
Что касается синтетических полимеров, то их полностью синтезируют из мономеров, которые получают из природного газа, нефти или угля. Такие материалы весьма прочные, обладают химической стойкостью и рядом полезных свойств, поэтому их так активно используют в повседневной жизни и в промышленных производствах.
Если проводить сравнение, то природные полимеры более экологичны, так как разлагаются естественным путем, однако с точки зрения прочности, эксплуатации и механических свойств они уступают синтетическим. Хотя последние требуют разработки технологий по утилизации для сохранения природы.
Поэтому естественные и синтетические полимеры используются в комплексе, что помогает развивать современные технологии и производство материалов.
Виды синтетических полимеров
Описывают типы вещества, исходя их свойств: поведение при нагревании, уровень кристаллизации, специфические реакции в зависимости от области применения синтетических полимеров.
По молекулярным звеньям:
- Линейные. Обычно представляют собой длинную непрерывную цепочку из связанных между собой мономерных частиц. Плавятся при высокой температуре, обладают большой плотностью. Одним из известных примеров синтетических полимеров этого типа считают поливинилхлорид (ПВХ). Его активно используют при изготовлении труб, электрокабелей и профильных конструкций.
- Разветвленные. У них имеются небольшие отведения в виде боковых цепей, присоединенных к основной части. Данные полимеры неплотные, плавятся при небольшой температуре. Один из представителей синтетических полимеров – полиэтилен высокого давления (ПЭВД). Его задействуют при изготовлении пакетов для мусора, игрушек, технической пленки.
- Сшитые. Это самый сложный с точки зрения структуры вид. Представляет собой «полотно», где смолы «сшивают» между собой молекуламы. Вещество твердое, ломкое, не растягивается, недолговечное. К ним относят фенолформальдегиды, эбониты.
По механическому поведению, молекулы притягиваются друг к другу по-разному. От силы притяжения зависят и их свойства. Есть четыре группы соединений:
- Термопласты. Не имеют поперечных связей. Поэтому они довольно легко плавятся, им нетрудно придать форму, сохранив ее при охлаждении. К термопластам относят полипропилен, полиэтилен, ПВХ и полистирол.
- Реактопласты. Очень меняются при нагревании, так как между цепочками образуются новые связи. Вещество становится твердым и приобретает характер термической необратимости.
- Эластомеры. Подобные резине структуры легко растягиваются, так как между молекулами имеются слабые связи. После деформации их можно вернуть в первичное состояние. К ним относят каучуковые пластиковые массы.
- Волокна. Длина существенно превышает диаметр. Вещество обладает низкой эластичностью и трудно растягивается. Выделяют волокна текстильного сырья на основе полиамидов, полиуретанов и полиэфиров.
По технологии синтеза: чтобы превратить низкомолекулярные мономеры в цепочки из высокомолекулярных макромолекул, нужно произвести химическую реакцию в виде полимеризации.
Есть разные способы, но в основе лежит один и тот же метод: нужно, чтобы молекулы вступили в реакцию. Один из вариантов – это полиприсоединение, а второй – поликонденсация. Выбор зависит от того, что нужно получить в итоге. Можно по-разному комбинировать соединения, чтобы получать вещества, необходимые в промышленности. Регулярно появляются новые варианты сырьевых единиц.
Свойства синтетических полимеров
Производители нередко долго думают перед тем, как проводить синтез, ведь функции у продукта могут быть разными. Особое внимание уделяется улучшению базовых характеристик, если нужно разработать нестандартное вещество.
Существует безграничный набор мономеров и компонентов, которые влияют на количественные соотношения. К полезным характеристикам относят механическое сопротивление, повышенную жесткость, твердость, легкий вес, большую плотность, степень прозрачности и новые цвета.
Можно разрабатывать вещества под определенные задачи производства. Хотя в большинстве случаев ценятся именно их физические и химические свойства.
Физические свойства синтетических полимеров:
- Прочность и твердость. Когда материал может хорошо поддаваться кристаллизации, он становится менее эластичным, зато прочным. К такому виду полимеров относят нейлон или полиамид.
- Возможность выдерживать удар. Когда молекулярная цепь длинная, она лучше сцепляется. Материал становится упругим и прочным. Механические свойства будут более проявлены, когда развиты межмолекулярные связи в кристаллическом соединении.
- Реакция на температуру. Если нагреть пластик, то он становится вязким, ему можно придать нужную форму. При этом вернуть обратное состояние при термоактивности смолы нельзя.
Химические свойства синтетических полимеров: пластик – довольно долговечный материал. Потому что большинство соединений не вступают в химические реакции в агрессивной среде.
Не происходят окисление, разрушение, растворение в мыльной, спиртовой или бензиновой жидкостях. Хотя из-за разных молекулярных связей пластик может быть деструктивным, но данный недостаток нередко можно исправить.
Основные синтетические полимеры
| Полимер | Тип структуры | Метод получения | Ключевые свойства | Основные области применения |
| Полиэтилен (ПЭ) | Линейный | Полимеризация | Легкий, химически устойчивый | Тара, упаковка, трубы, пленки |
| Полистирол (ПС) | Линейный | Полимеризация | Жесткий, прозрачный | Упаковка, электроника |
| Полипропилен (ПП) | Линейный | Полимеризация | Прочный, термостойкий | Автодетали, текстиль, упаковка |
| Полиэфиры | Линейный | Поликонденсация | Устойчив к влаге, прочный | Волокна, пленки, упаковка |
| ПВХ | Линейный | Полимеризация | Химстойкий, огнеупорный | Строительство, кабели, трубы |
| Полиамиды | Линейный | Поликонденсация | Прочный, износостойкий | Волокна, технические детали |
| ПАН | Линейный | Поликонденсация | Высокая прочность, термостойкий | Синтетические волокна, фильтры |
Безопасность применения синтетических полимеров
При работе над созданием разных видов полимерного синтетического материала важно думать о безопасности. Так, проверяются составы на предмет наличия вредных веществ. На производстве обязательно используют вытяжки-стабилизаторы из поливинилхлорида. Они находят свинец и другие опасные соединения. Вытяжка желтеет мгновенно, если обнаруживаются свинец. Тогда вещество нельзя использовать дальше.
Применяют и другой метод проверки – определение с помощью D-димера. Он дает возможность не только изучить структуру полимера, но и проверить количество входящих в него компонентов.
Любой пластик проверяют на чистоту молекулярного состава. Для этого проводятся различные тесты. К примеру, с помощью ядерно-магнитного спектрографа. Пластик кладут в раствор с сильным магнитным полем, молекулы принимают импульсы в каждом для себя диапазоне.
Затем можно увидеть результат на экране монитора. Вещества, прошедшие проверку, могут быть допущены до следующего этапа проверки – лабораторного исследования.
В обществе много говорят, что пластик отживает свое. На смену идут новые материалы, обладающие большей твердостью и пластичностью, которые являются безопаснее и экономичнее.
Однако говорить, что они полностью заменят синтетические полимерные материалы, нельзя, ведь это направление тоже активно развивается, видов пластика, обладающих различными свойствами, становится только больше.
Часто задаваемые вопросы о синтетических полимерах
Как получают синтетические полимеры?
Выделяют три главных метода. Полимеризация – это производство полиэтилена с помощью соединения мономеров в длинные цепочки. Поликонденсация дает нам полиэфиры и полиамиды за счет соединения мономеров с выделенными малыми молекулами.
А полиприсоединение дает возможность получать синтетические полимеры за счет присоединения мономеров без выделения побочных продуктов.
Как утилизируют синтетические полимеры?
В данный процесс могут входить вторичное потребление, сжигание для получения энергии, хранение на специальных полигонах или вторичная переработка. Предпочтительны повторное использование или же переработка.
Какие химические реакции нужны, чтобы получить синтетические полимеры?
Два простых вещества становятся одним сложным в ходе процесса синтеза. Одна из распространенных реакций – полисоединение, менее известная – поликонденсация, когда вместе с основным веществом возникает побочное.
Какие синтетические волокна самые популярные?
Синтетические полимеры имеют разные названия:
- Полиамидные: капрон, нейлон, дают прочность, эластичность.
- Полиэфирные: полиэстер и лавсан, которые стойки к влаге и ультрафиолету.
- Полиакрилонитрильные: нитрон, обладает химической стойкостью.
- Полиолефиновые: полипропилен, прочный, но легкий.
Без синтетических полимеров невозможно представить современные производства. Мы выбираем пластик и в обычной жизни, ведь он прочный, удобный и недорогой. Несмотря на опасность для природы, разрабатываются новые способы по вторичной переработке или утилизации.
Источник изображения в шапке: frimufilms / freepik.com
