Syntetické makromolekulární látky

Úvod
Syntetické makromolekulární látky jsou uměle vyráběné polymerní látky s vysokou relativní molekulovou hmotností (v řádu 104 a víc). Polymerní znamená, že jsou tvořeny opakujícími se úseky, těmto pravidelně se opakujícím strukturním jednotkám říkáme mery. Jeden mer může být tvořen jednou i více stavebními jednotkami (na obrázku je butadienstyrenový kaučuk).
Polymerační stupeň n udává počet merů v řetězci makromolekuly.
Řetězce polymerů mohou být lineární, rozvětvené nebo zesíťované (k zesíťování dochází příčným spojováním všech lineárních řetězců do jednoho celku, např. prostřednictvím atomů síry při vulkanizaci kaučuku).
Vhodnými úpravami (např. příměsemi) vznikají plasty. Plasty jsou pevné a dobře tvarovatelné, lehké a snadno obrábitelné. Mají izolační účinky (tepelné, elektrické, zvukové). Je pro ně typická vysoká trvanlivost, téměř nepodléhají korozi ani jiným procesům, jejich nevýhodou je ekologické hledisko, odpady z plastu se v přírodě rozkládají velice pomalu. Mezi další nevýhody patří nízká propustnost plynů a vody, častá toxicita a hořlavost.
Plasty dělíme podle jejich vlastností na: termoplasty (lineární struktura, vlivem tepla měknou a stávají se plastickými, např. polyethylen), termoreaktivní pryskyřice (dříve termosety, teplem se vytvrzují, jsou přechodně plastické, ochlazením ztuhnou a dalším zahříváním se již nemění, např. aminoplasty), reaktoplasty (zesíťované molekuly, zahříváním se rozkládají) a elastomery (jsou schopné se několikanásobně natahovat a když přestane síla, která je natahovala, působit, vrátí se do původního stavu, např. kaučuky).
Další typ dělení je podle toho, jakou polyreakcí vznikly, rozlišujeme totiž polymeraci, polykondenzaci a polyadici. Polyreakce se také dělí na řetězové (dochází k postupnému spojování molekul obsahujících alespoň jednu dvojnou vazbu) a stupňovité (výchozí sloučeniny).
Plasty vzniklé polymerací
Polymerace je polyreakce, při které reaguje monomer na polymer bez vzniku vedlejšího produktu. Podstatou polymerace je štěpení vazby π. Polymeruje-li pouze jeden druh monomeru, nazývá se reakce (homo)polymerace; když reaguje více druhů monomerů,
hovoříme o kopolymeraci.
Podle způsobu štěpení vazeb π jsou polymerace radikálové (homolytické rozštěpení vazeb π)
nebo iontové (heterolytické rozštěpení vazeb π). Průběh radikálové i iontové polymerace lze
rozdělit do tří na sebe navazujících fází: iniciaci, propagaci, terminaci. Charakterem dějů v
jednotlivých fázích se od sebe radikálová a iontová polymerace odlišují.
RADIKÁLOVÁ POLYMERACE – K provedení radikálové polymerace jsou nezbytné iniciátory –
zpravidla se používají různé peroxidy, jejichž molekuly se snadno štěpí na radikály. Během
iniciace se molekuly iniciátoru homolyticky štěpí. Propagace se vyznačuje dvěma chemickými
reakcemi. První je napadení vazby π v molekule monomeru radikálem a její homolytické
rozštěpení. Výsledkem je vznik radikálu monomeru. K takto vzniklému radikálu se druhou
reakcí, která se mnohonásobně
opakuje, připojují další molekuly
monomeru. Terminace znamená
ukončení propagace odstraněním
radikálů (např. spojením dvou
řetězců).
IONTOVÁ POLYMERACE – K provedení iontové polymerace jsou nezbytné katalyzátory.
Často se jako katalyzátory používají organohliníkové sloučeniny – trialkylhliníky (Zieglerovy
katalyzátory) – R3Al. Namísto radikálů v reakci vystupují anionty (na začátku je karbanion)
nebo kationty (na začátku je kation kovu z katalyzátoru – např. Al).
Všechny polymerace jsou exotermické reakce. Proto k udržení jejího průběhu je nutné
vznikající teplo z reakční směsi odvádět.
Zástupci
POLYETHYLEN – Je pevný, odolný vůči chemikáliím a mrazu. Propouští
kyslík a oxid uhličitý, ale nepropouští vodu, proto je vhodný pro balení
potravin, které musí dýchat, ale nesmí vyschnout. Používá se na výrobu
lahví, sáčků, fólií a užitkových předmětů.
POLYPROPYLEN – Má podobné vlastnosti a použití jako polyethylen, je
pevnější a slouží také k výrobě vláken (provazů).
POLYSTYREN – Je tvrdý, průhledný a má izolační vlastnosti. Neměkčený se
používá k výrobě různých spotřebních předmětů (misky apod.), měkčený
pěnový polystyren slouží jako obalový a izolační materiál.
POLYVINYLCHLORID – Je málo odolný vůči mrazu a
teplotám nad 45°C (nad 110°C se z něj uvolňuje jedovatý chlorovodík.
Měkčený (novoplast) slouží k výrobě podlahových krytin, hraček a folií.
n
CH2 CH2
CH CH2
CH3
n
CH2 CH
n
CH CH2
Cl
n
Neměkčený (novodur) se používá na trubky a nábytek.
POLYTETRAFLUORETHYLEN – Patří mezi nejodolnější plasty (chemicky
i tepelně), je znám pod obchodním názvem Teflon. Vyrábějí se z něj zařízení
pro chemický průmysl, skluznice lyží a ochranné povlaky na nádobí.
POLYMETHYL-METHAKRYLÁT – Říká se mu také organické sklo neboli
plexisklo. Podobá se anorganickému sklu, je ale pružnější a méně
křehké. Vyrábí se z něj skla do aut, letadel apod., optické čočky
a používá se i v zubařství a kostní chirurgii (na protézy). Polyakryláty
jiného druhu se používají na kontaktní čočky.
BUTADIEN-STYRENOVÝ KAUČUK – Vzniká kopolymerací but-1,3-dienu a styrenu (vzorec
v úvodu). Jedná se o nejrozšířenější syntetický kaučuk, má podobné vlastnosti jako přírodní
kaučuk, je elastický (po vulkanizaci). Vyrábí se z něj pneumatiky, podrážky, těsnění,
podlahoviny …
Plasty vzniklé polykondenzací
Polykondenzace je polyreakce, při které reaguje jeden nebo více různých reaktantů
(monomerů), z nichž každý ve svých molekulách obsahuje alespoň dvě reaktivní skupiny.
Polykondenzací vždy vzniká jednoduchý vedlejší produkt – nejčastěji voda, amoniak,
methanol.
dimethyl-tereftalát
Zástupci
POLYESTERY – Vyrábějí se polykondenzací dikarboxylových kyselin a dvojsytných alkoholů.
Nejčastěji používanými monomery jsou kyselina tereftalová (benzen-1,4-dikarboxylová)
a ethylenglykol (ethan-1,2-diol). Méně často se používá kyselina ftalová nebo její anhydrid,
kyselina adipová a glycerol (propan-1,2,3-triol). Polyestery se vyrábějí v podobě vláken nebo
fólií nebo (po vyztužení skelnými vlákny) sklolaminátu. Polyesterová vlákna se používají
v textilním průmyslu (např. Tesil, Slotera, Dacron, Trevira, Crimplen, Terylen) a k výrobě lan.
Z polyesterových fólií se vyrábějí magnetofonové pásky a filmy (fólie jsou velmi odolné vůči
tahu). Sklolamináty se používají k výrobě karoserií (auta, letadla), sportovních lodí,
ochranných přileb a některých druhů nábytku (křesla, sedačky).
POLYAMIDY – Nejčastěji se vyrábějí reakcí 1,6-hexamethylendiaminu (hexan-1,6-diamin)
s kyselinou hexandiovou:
n H2N-(CH2)6-NH2 + n HOOC-(CH2)4-COOH H-[-NH-(CH2)6-NH-CO(CH2)4-CO -]n-OH + (2n-1) H2O.
Jsou odolné, pevné a dobře tvarovatelné. Vyrábí se z nich textilní vlákna – nylon.
CH2 C
CH3
C O
O CH3
n
O C C O
O O
CH2 CH2
n
O O + 2nH3COH
O O
H3C CH3+
CH2 CH2
HO OH
n n
FENOPLASTY
(FENOLFORMALDEHYDOVÉ
PRYSKYŘICE) – Vyrábějí se
polykondenzací fenolu a formaldehydu
buď v kyselém, nebo zásaditém
prostředí. Polykondenzací v kyselém
prostředí vzniká novolak s lineárními makromolekulami, v zásaditém prostředí vznikají resoly
se zesíťovanými makromolekulami. Novolak je termoplast, rozpustný v organických
rozpouštědlech. Používá se k výrobě lepidel a nátěrových hmot. Resoly se zahříváním mění z
plošného zesíťování v prostorové zesíťování a vznikají resity, které jsou nerozpustné v
organických rozpouštědlech a jsou netavitelné (jsou to termosety). Pod obchodními názvy
Chemolit a Bakelit se používají k výrobě různých užitkových předmětů pro domácnosti, kde
nevadí jejich tmavá barva (nelze je barvit).
AMINOPLASTY (MOČOVINOFORMALDEHYDOVÉ PRYSKYŘICE) – Vyrábějí se polykondenzací
formaldehydu a močoviny. Polyreakcí
nejprve vznikají lineární makromolekuly,
které za zvýšené teploty v kyselém
prostředí plošně zesíťují. Aminoplasty se
používají zejména k výrobě tzv.
vrstvených tvrzených hmot, z nichž
nejznámější je umakart.
EPOXIDOVÉ PRYSKYŘICE – Vyrábějí se polykondenzací dianu a epichlorhydrinu (obecně
polykondenzací vícesytných fenolů a sloučenin, které obsahují v molekulách ethylenoxidovou
čili epoxidovou skupinu). Epoxidové pryskyřice vzniklé polyreakcí mají lineární
makromolekuly. Po přidání určité látky, nejčastěji některého aminu, např. diethylentriaminu,
nebo karboxylové kyseliny, např. kyseliny ftalové (tzv. tužidla) dojde k prostorovému
zesíťování jejich makromolekul. Reakce epoxidové pryskyřice s tužidlem se nazývá
vytvrzování. Výsledkem je vznik velmi tvrdé a nerozpustné pryskyřice (odolávají většině
chemických látek). Epoxidové pryskyřice se spolu s tužidly používají zejména jako
dvousložková lepidla a tmely, např. Eprosin, ChS Epoxy.
Plasty vzniklé polyadicí
Polyadice je polyreakce, při které zaniká vazba π (podoba polymeraci) spojená s přesmykem
vodíkového atomu. Reagují dva druhy reaktantů s dvěma a více funkčními skupinami,
vedlejší produkt nevzniká.
Zástupci
POLYURETHANY – Vyrábějí se reakcí butan-1,4-diolu s hexamethylendiisokyanátem.
Polyurethany se používají jako umělá kůže při výrobě bot (Barex) nebo k výrobě elastických
pěnových látek (Molitan) a lepidel.
Modifikované přírodní polymery
Modifikované přírodní polymery jsou chemicky (=uměle) upravené biopolymery, např.
celulóza nebo bílkoviny. Nejdůležitějším biopolymerem, ze kterého se jeho chemickou
úpravou vyrábějí významné produkty, je celulóza. Produkty její modifikace jsou viskózové a
acetátové hedvábí, celuloid, nitrocelulosové laky, bezdýmný střelný prach a papír.
Chemickou úpravou bílkovin se vyrábí klih a želatina.