Syntetické makromolekulární látky, křemík
– makromolekulární látky jsou sloučeniny složené z vysokého počtu opakujících se stavebních jednotek (monomerů), které se váží chemickými vazbami do dlouhých řetězců
– dělí se
- biopolymery (přírodní) – vyskytují se v přírodě a představují základní podmínku pro vznik a trvání života
– bílkoviny, terpeny, polysacharidy, nukleové kyseliny
- syntetické polymery – např. teflon (F2C=CF2 > tetrafluorethen > [F2C-CF2]n)
– na hranici mezi biopolymery a syntetickými polymery jsou přírodní látky upravené chemickými modifikacemi (viskóza-chemicky upravená celulóza)
Syntetické polymery
– látky vysoké molekulové hmotnosti
– obsahují stavební jednotku zvanou monomer nebo mer
– je-li skelet vytvořen z monomerů stejného typu, nazývá se příslušná makromolekulární látka homopolymer (polystyren -základní stavební jednotkou je styren)
– je-li skelet tvořen odlišnými monomery, jedná se o kopolymer
– délka řetězce je určena polymeračním stupněm: n (vyjadřuje počet opakujících se stavebních nebo strukturních jednotek); mívá hodnotu 10 až 106
> nízký polymerační stupeň (n < 10) = oligomery
> vyšší polymerační stupeň (n > 10) = polymery
– stavební jednotka je pravidelně se opakující část makromolekuly, která má stále stejné chemické složení
– počet stavebních jednotek a jejich uspořádání rozhoduje o celkové struktuře makromolekuly, a tím i o jejich vlastnostech
– strukturní jednotka – představuje nejjednodušší uspořádání stavebních jednotek ve struktuře makromolekuly
– může ji tvořit i několik různých stavebních jednotek (např. polyester)
– některé makromolekulární látky mají totožnou stavební i strukturní jednotku (polypropylen)
- dělení
- dle typu reakce, kterou vznikají
– polymerace – polyethylen
– polykondenzace– polyestery
– polyadicí – polyurethan
- dle tvaru molekul
– lineární – polyethylen
– rozvětvené – vznikají spojováním částí lineárních řetězců příčnými chemickými vazbami
– plošně zesíťované – vznikají příčným spojováním všech lineárních řetězců do jednoho celku
– prostorově zesíťované – vznikají, když se stavební jednotky chemicky vážou do trojrozměrné sítě, např. formaldehydové pryskyřice
- dle chování při zvýšené teplotě
– termoplasty – teplem měknou (stávají se plastickými a mohou se tvarovat) a ochlazením získávají své původní vlastnosti, nejčastěji lineární
– rozpustné v organických rozpouštědlech
– tento děj lze kdykoliv opakovat
– novodur
– termosety (reaktoplasty) – zahříváním se rozkládají, ale neměknou
– nerozpustné v organických sloučeninách
– nejčastěji zesíťované (fenoplasty)
– nazývají se duroplasty (bakelit)
- použití
– plasty, syntetická vlákna (textilní průmysl), kaučuky, pryskyřice, laky, lepidla
– aditiva – příměsy (až 50%)
– př.změkčovadla, plniva (kaolin > zvětší objem), pigmenty, antioxidanty (brání pozvolnému rozkladu O2)
- složení řetězce – C, O, H, N, Si, X
- z hlediska struktury jsou významné stereoizomery, které je možné odvodit od polymerů typu -[-CH2 – CHX-]-n různým prostorovým uspořádáním substituentů –X (CH3, C6H5, Cl) vzhledem k rovině proložené lineárním řetězcem
– izotaktické – ↑↑↑↑↑
– syndiotaktické – ↑↓↑↓↑↓↑↓
– ataktické – ↑↑↓↑↓↓↓↑↓ (bez systému)
- vlastnosti
– chemické složení – vliv na strukturu a ta ovlivňuje vlastnosti
– činitelé ovlivňující vlastnosti MML
- velikost MML – udává ji polymerační stupeň, který nemá pro určitý druh syntetického polymeru konstantní, ale jen
průměrnou hodnotu
– čím je menší, tím je nižší relativní molekulová hmotnost->rozpustné, lepkavé, kapalné
– větší jsou pevné, odolné vůči vyšší teplotě a rozpouštědlům
> to však platí jen do určité hodnoty polymeračního stupně
– jeho další zvyšování výrazně ovlivňuje fyzikálně-mechanické vlastnosti daného polymeru
- tvar molekul – značně ovlivňuje fyzikálně – mechanické vlastnosti polymerů
– určuje např. jejich rozpustnost v polárních a nepolárních rozpouštědlech a chování při zvýšené teplotě
– lineární (termoplasty)
– rozvětvené (termosety) > omezenou rozpustnost (prostorově zesíťované jsou nerozpustné)
- stereoizomerie – poloha substituentů
– ataktické – měkké a lepkavé, nedá se vytvořit vlákno
– izotaktické – pevné, výroba vláken, textilní průmysl (moira)
- energie chemické vazby – jakou energii musíme dodat, abychom rozdělili vazby a kolik se jí uvolní při vytvoření vazby
– má-li být polymer stabilní, musí mít co nejpevnější chemické vazby mezi atomy, které tvoří základní řetězec molekuly
– řetězce z atomu uhlíku jsou velmi pevné, ještě pevnější než silikony, kde se střídají křemíkové a kyslíkové atomy
- polarita vazby – vliv na elektroizolační vlastnosti
– nepolárnost vazeb dodává polymeru dobré elektroizolační vlastnosti
– polarita chemických vazeb snižuje elektroizolační vlastnosti, zvyšuje mezimolekulární síly a tím zhoršuje ohebnost řetězce
- ostatní síly mezi řetězci – sulfidické můstky, vodíkové můstky
- mezimolekulární síly – propojování, může vést k lepší pevnosti, tažnosti
- velikost atomů – vázaných na základní řetězec – náhrada atomu vodíku za objemnější atomy způsobuje vetší
vyplnění prostoru kolem atomu uhlíku a tím ztrátu ohebnosti řetězce
Polymerace
– polyreakce, při které dochází ke spojení velkého množství monomerních jednotek bez vzniku vedlejšího produktu
– prakticky od počátku se v reakční směsi vedle sebe vyskytují makromolekuly syntetizované látky a monomery, ne však dimery, trimery
– k nastartování polymerace se používají látky označované jako iniciátory
– podle typu zvoleného iniciátoru se polymerace dělí na radikálové a iontové
– vždy řetězová exotermická reakce
– Radikálová polymerace
- Iniciace – probíhá pomocí nestálých sloučenin (tzv. iniciátorů), které se štěpí na radikály vlivem světla nebo tepla
- Propagace – dochází k prodlužování řetězce postupným připojováním molekul monomeru k volnému radikálu
- Terminace – ukončení růstu řetězce, narůstající molekula se srazí s jiným radikálem
– Iontová polymerace
- Iniciace – reakce kationtu nebo aniontu s monomerem
- Propagace
R–+CH2=CH2→R-CH2-CH2–
- Terminace – vznik molekuly bez náboje přidáním vody nebo alkoholu
R-CH2-CH2…CH2–+H+→R-CH2-CH2…CH3
- zástupci vzniklí polymerací
- Polyethylen (PE)
– výchozí látka – ethen > vzniká krakováním ropy
– HDPE – vysokotlaký – mikroten
– LDPE – nízkotlaký – igelit
– pevný, odolný vůči vodě, chemikáliím, mrazu
– má nepatrnou navlhavost, výbornou chemickou odolnost
– používá se ve vysokofrekvenční technice na izolaci vodičů, kabelů
– používá se též na izolační pásky a na obaly
- Polypropylen (PP)
– často používán pro výrobu lan a provazů kvůli své nízké hustotě hmotnosti
– užívá se jako alternativa k polyvinylchloridu (PVC)
pro izolaci elektrických kabelů v málo větraných prostředích (v tunelech)
– při hoření neprodukuje tolik kouře a žádné toxické halogenuhlovodíky,
které by mohly za vysokých teplot přispět ke vzniku různých kyselin
– prodává se pod obchodním názvem Triplen, Tatren, Mosten atd
– odolný proti většině kyselinám a zásadám > výroba nádob
– zdravotnické potřeby > snese vysokou teplotu
- Polytetrafluorethylen (PTFE)
– odolný vůči chemikáliím, teplotám a mechanických vlivům
– výroba – ložiska, těsnění, ochranné obleky, kostní náhrady
– teflon
- Polystyren (PS)
– jedním z nejrozšířenějších termoplastů
– poměrně tvrdý, ale křehký plast, který dobře odolává kyselinám a zásadám
– při stárnutí křehne a vytvářejí se v něm trhlin
– neodolává organickým rozpouštědlům, zejména benzínu, aldehydům a ketonům
– citlivý vůči UV záření a málo odolný vůči teplotě (jen asi do 70 stupňů Celsia)
– uvolňuje se z něj nezreagovaný monomer styren, který je toxický a karcinogení
– snadno se barví
– v elektrotechnice se používá na různé tvary koster a cívek, kryty, nosníky, tlačítka
– pěnový – desky (zateplení) > ke styrenu se přidá pentan a voda > vzniká emulze a pak pěnová bublina (v perličkách PS je pentan, vodní pára to nafukuje)
- Polyvinylchlorid (PVC)
– málo odolný vůči teplotám 45°C i mrazu, ale je odolný vůči kyselinám a zásadám
– rozpouští se v acetonu, používá se na výrobu lepidel, laků
– novodur, neměkčený PVC – trubky, tyče a desky k výrobě instalačního materiálu i spotřebního zboží
– novoplast, měkčený PVC – fólie, filmy, hračky, podlahové krytiny, umělé kožešiny a koženky
– obchodní název PVC je neralit, vinyldur, igelit
- Polyvinylacetát (PVAC)
– získává se esterifikací
CH2=CH+HO-C-CH3–→CH2=CH + H2O→POLYVINYACETÁT
OH O O-C-CH3
O
– použití – lepidlo, na dřevo, výroba latexu, papíru, disperze do nátěrových hmot, cementu
- Polymethylmethakrylát (PMMA)
– běžně známý jako plexisklo nebo akrylátové sklo
– průhledný syntetický polymer s vlastnostmi termoplastu
– připravuje se polymerací v bloku, ale i suspenzí, event. v emulzi nebo v roztoku
– slouží pro výrobu tzv. organického skla a různých výrobků pro domácí a technickou potřebu,
zubní protézy, kontaktní čočky
- Polyakrylonitril (PAN)
– textilní průmysl (vlákna), kopolymerace s vinylchloridem
Polykondenzace
– polyreakce dvou různých monomerů z nichž každý má nejméně dvě reaktivní charakteristické skupiny
– vzniká ještě vedlejší produkt (voda, čpavek, methanol)
– adičně – eliminační charakter
– stupňovitý průběh – z reakční směsi lze kdykoliv izolovat makromolekuly s různou délkou polymeračního řetězce
– vznikající vedlejší produkty je třeba neustále odstraňovat, aby neustavily rovnovážný stav
– endotermický děj
- Vznik polyesteru (PES)
– výroba textilních látek, pryskyřic, nátěrových hmot, ochranné přilby
- Vznik polyamidu (PAD)
– obsahují peptidovou vazbu
– vysoká pevnost v tahu a lomu
– textilní průmysl, helmy, obroučky brýlí
- Silon = polyamid 6
– vyrábí se z kyseliny kapronové (6-aminohexanová)
- Vznik fenolformaldehydových pryskyřic
– výchozí látky: fenol, formaldehyd
= bakelity
– termoplastický, rozpustný v organických rozpouštědlech
– výroba laků a lepidel
– v zásaditém prostředí > rezol
– zahříváním rezolu vzniká rezit > pro výrobu plastů
– výroba nábytku
- Vznik močovinoformaldehydových pryskyřic
– aminoplasty
– výchozí látky: močovina, formaldehyd
– zahříváním v kyselém prostředí se z toho stane síťová struktura
– lineární – lepidlo, nátěrové látky, výlisky, kelímky
- Vznik epoxidových pryskyřic
– laky, lepidla, tmely
– velká přilnavost
– odolné různým chemickým látkám
– výroba: vícesytný fenol (více –OH) + ethylén – oxidová skupina
– jsou bezbarvé až nažloutlé a skladovatelné neomezenou dobu
Polyadice
– stupňovitý charakter, ale nevzniká vedlejší produkt
– jde o přesun vodíkového atomu v řetězci
– reagují 2 monomery s dvěma fčními skupinami
- Polyuretan – výroba umělé kůže
– syntetická vlákna
– napěněný oxidem uhličitým – molitan
– R-N=C=O+H2O→R-NH2+CO2
SAP – superabsorpční polymery
– vznik nejčastěji kopolymerací
– schopnost absorpce kapaliny > bobtnají
– vznik zrnitých krystalů – není to vlhké
– pleny, vložky
– kapalina se naváže vodíkovými můstky na ty polymery
– zvětšení hmotnosti až 2000 x
– polymery kyseliny akrylové
– zesíťovávají se s propenamidem sodným
– pohlcování pachů
– odstraňování vlhkosti z benzínu
– biologicky neodbouratelné > vymýšlejí se nové z polysacharidů
Nosiče léčiv
– kopolmery
– lék začne působit na místě, kde má
– náhrady (ušní bubínky)
Kaučuky
– výroba hadic, pneumatik, podrážek
- Přírodní kaučuk (polymer izoprenu; 2-methylbuta-1,3-dien)
- Butadienstyrenový kaučuk (viz kopolymerace) = syntetický
- Butadienový – syntetický
- Butadienakrylonitrilový – odolný vůči olejům a ropě > cysterny
- Chloroprenový – výroba lepidel
- Vulkanizace – zlepšují se jejich vlastnosti pomocí síry
Silikony
– použití pro chemickou stálost, odolnost vůči vodě, teplotám a prižnost
– povaha olejů – mazadla; netuhnou
– impregnace bot, tkanin
– forma past – delší řetězce
– leštidla, krémy na boty
– silikonové kaučuky – izolace koupelen, těsnění
– odolné
– získávají se ze silandiolů a silantriolů
– uměle vyrobené
– adhezivita
– mají vynikající adhezivní vlastnosti, které jsou výsledkem chemické vazby mezi organickou polymerní matricí silikonu a substrátu
– silikonovými tmely lze lepit i materiály, které jsou jinak obtížně lepitelné (beton, sklo, kov)
– vzniklá chemická vazba je velmi pevná a spolehlivější než spoje vytvořené mechanickou nebo fyzikální cestou
– silikonové tmely jsou využívané především ve stavebnictví, automobilovém, leteckém a námořním průmyslu, kde pevnost spoje je klíčová a namáhání spojů značné
– stabilita
– tepelná stabilita silikonů vychází z vysoké tepelné stability vazeb Si–O a Si–CH3
– bez problémů odolávají teplotám 180–200 °C, krátkodobě až 300 °C
– mohou být snadno rozloženy koncentrovanými kyselinami a zásadami už při pokojové teplotě
– elektroizolační vlastnosti
– v ochraně a izolaci elektrických zařízení – methylové skupiny pravidelně rozmístěné podél silikonové makromolekuly jsou nepolární a neumožňují elektrickému náboji jeho prostup
– jsou tedy nevodivé a mají vynikající elektroizolační vlastnosti
– lubrikační vlastnosti
– ve formě pasty, tmelu nebo kapaliny, výrazně snižují tření mezi dvěma tělesy z různých materiálů – plastu, pryže, kovu nebo skla
– např. motor startuje i při velmi nízkých zimních teplotách, závity nepropouštějí
– odpěňovací schopnosti
– fyziologická inertnost (bez chuti a zápachu, nepodporují množení bakterií, nebarví ani nezpůsobují korozi)
– trvalá hydrofobicita
– impregnační činidla a emulze se používají k průmyslové impregnaci střešních tašek, keramických dlaždic, cihel, sádrokartonových desek, omítek, betonu, také jako přísady do fasádních barev
– příjemné na dotek (v krémech dodávají pokožce hladký a měkký pocit a pomáhají udržovat její vlhkost)
Křemík 14Si
|
|
3p2 |
|
- Oxidační čísla: -IV, IV
- Vlastnosti
– velmi tvrdý, modrošedý a kovově lesklý polokov
– netvoří alotropické modifikace, krystalizuje pouze ve struktuře typu diamantu
– kyslík, voda a pára na něj nepůsobí díky velmi tenké, ochranné vrstvě SiO2
– odolává vodným roztokům kyselin, avšak směsí koncentrované HNO3 a HF se oxiduje a fluoruje
– snadno se rozpouští v horkých vodných roztocích alkalických hydroxidů
Si + 2 NaOH → Na2SiO3 + 2 H2
– s fluorem reaguje za normální teploty bouřlivě, s ostatními halogeny reaguje až za zvýšené teploty
– za zvýšené teploty reaguje s alkylhalogenidy, vznikají tak organokřemičité halogenidy > výroba silikonů
- Výskyt
– druhým nejrozšířenějším prvkem v zemské kůře, ale vyskytuje se pouze ve formě sloučenin
– nejvýznamnější je minerál křemen (SiO2) či jeho odrůdy, které se barevně liší podle přítomnosti malých množství cizorodých prvků, které způsobují charakteristické zbarvení krystalického oxidu křemičitého
– téměř čistý oxid křemičitý je mineralogicky označován jako křišťál
– fialový (ametyst), žlutý (citrín), růžový (růženín), hnědý (záhněda)
– zvláštní případ minerálu na bázi oxidu křemičitého je amorfní forma této sloučeniny – opál, který je vlastně hydratovaná forma SiO2
– patří mezi biogenní prvky, i když jeho obsah v tkáních živých organismů není příliš vysoký (v těle dospělého člověka je přítomen přibližně 1 g křemíku a to především v kostech, chrupavkách a zubní sklovině)
– zvýšený obsah křemíku v rostlinných buňkách můžeme nalézt např. v přesličkách nebo žahavých chloupcích kopřiv
– mimořádně důležitý je křemík pro rozsivky, neboť jeho sloučeniny tvoří hlavní složku schránky těchto jednobuněčných řas (rozsivky jsou významnými primárními producenty biomasy, jejich biomasa tvoří 25% z celkového množství produkovaného rostlinami)
- Příprava
– redukcí SiO2 za vysokých teplot hořčíkem nebo hliníkem
SiO2 + 2 Mg → Si + 2 MgO
3 SiO2 + 4 Al → 3 Si + 2 Al2O3
– velmi čistý křemík získáme reakcí
SiCl4 +2 Zn →Si + 2 ZnCl2
- Výroba
– v průmyslovém měřítku spočívá v redukci taveniny vysoce čistého oxidu křemičitého v obloukové elektrické peci na grafitové elektrodě, jejíž materiál je přitom spalován na plynný oxid uhličitý
SiO2 + C → Si + CO2
> za vzniku křemíku o čistotě 97 – 99 %
– pro účely elektronického průmyslu je ovšem tato čistota naprosto nedostatečná, neboť výroba elektronických součástek vyžaduje většinou křemík o čistotě minimálně 99,9999 %, protože i nepatrné znečištění výrazně ovlivňuje kvalitu vyrobených tranzistorů a dalších elektronických součástek
– pro výrobu velmi čistého křemíku se využívá
> Zonální tavení – proces rafinace (zvl. polovodičů), při němž se využívá rozdílná rozpustnost nečistot v
kapalné a pevné fázi
– lze dosáhnout čistoty řádově l atom příměsi (nečistoty) na 1012 atomů látky
> Siemensův postup – z křemíku je nejprve vyrobena nějaká těkavá sloučenina, obvykle trichlorsilan HSiCl3
nebo chlorid křemičitý SiCl4
– tyto plynné sloučeniny se potom vedou přes vrstvu vysoce čistého křemíku o teplotě přes 1 100 °C
– přitom dochází k jejich rozkladu a vzniklý vysoce čistý křemík se ukládá v krystalické podobě na původní křemíkovou podložku
– reakci trichlorsilanu vystihuje rovnice
2 HSiCl3 → Si + 2 HCl + SiCl4
– tak vzniká tzv. polykrystalický křemík, který typicky obsahuje nečistoty v řádu jednotek ppb (1 : 1 000 000 000) a plně vyhovuje požadavkům pro výrobu elektronických polovodičových součástek
- Použití
– metalurgický význam křemíku spočívá pouze ve výrobě některých speciálních slitin, v nichž jeho podíl představuje pouze jednotky procent
– nejznámější je ferrosilicium, slitina křemíku a železa, která se vyznačuje vysokou tvrdostí a chemickou odolností
– pro zvýšení tvrdosti se křemík v malém množství přidává i do speciálních ocelí a hliníkových slitin
– používá se do polovodičů
- Sloučeniny
a) bezkyslíkaté sloučeniny
- Silany
– mají obecný vzorec SinH2n+2 (až do n=8)
– jsou bezbarvé plyny nebo těkavé kapaliny
– jsou extrémně reaktivní, na vzduchu se samovolně zapalují nebo explodují
– jsou méně stabilní než jejich uhlovodíkové analogy, protože vazba Si-Si je poněkud slabší než vazba C-C
– v prostředí kyslíku se silany snadno rozloží, protože vazba Si-O je velmi stabilní
– za normální teploty je stálý jen SiH4
– jejich tepelná stálost klesá s délkou řetězce
– čisté silany nereagují s vodou ani se zředěnými kyselinami
– v přítomnosti Cl2 nebo Br2 silany explodují
– příprava silanů a jejich derivátů – vyrábí se z metalurgicky čistého křemíku dvoustupňovým procesem
– v prvním stupni reaguje práškový křemík s chlorovodíkem při cca 300 °C za vzniku trichlorsilanu HSiCl3 a plynného vodíku
Si + 3 HCl → HSiCl3 + H2
– dalším krokem je disproporcionace trichlorsilanu (za účasti katalyzátoru – např. AlCl3) na silan a tetrachlorid křemíku (chlorid křemičitý)
4 HSiCl3 → SiH4 + 3 SiCl4
- Silicidy
– sloučeniny křemíku s elektropozitivnějšími prvky
– připravují se přímo tavením prvků, silicidy alkalických kovů a kovů alkalických zemin jsou mnohem reaktivnější než ostatní
– silicid hořečnatý se působením HCl rozkládá na monosilan
Mg2Si + 4 HCl → 2 MgCl2 + SiH4
- Halogenidy
– SiF4 – plyn, vzniká působením HF na SiO2, např. při leptání skla
4 HF + SiO2 → SiF4 + 2 H2O
– SiCl4 a SiBr4 – připravují se přímou syntézou prvků
Si + 2 Cl2 → SiCl4
– SiCl4 je bezbarvá kapalina, na vzduchu dýmá, ve vodě hydrolyzuje
SiCl4 + 4 H2O → H4SiO4 + 4 HCl
b) kyslíkaté sloučeniny
- SiO2 (oxid křemičitý)
– vyskytuje se v přírodě zejména jako křemen
– je to pevná látka s polymerní strukturou tvořenou ze čtyřstěnů jako navzájem propojených atomů křemíku a kyslíku
– má vysokou teplotu tání (1705 °C) a rychlým ochlazením roztaveného SiO2 se získá amorfní látka – křemenné sklo
– je odolný vůči vodě a kyselinám, s výjimkou HF
– je to jedna z nejstálejších látek vůbec
– čistý oxid křemičitý se uplatňuje zejména v elektrotechnice
– jeho hlavní použití je ve stavebnictví, při výrobě skla a keramiky
– vyskytuje se v několika alotropických modifikacích – šesterečný křemen přechází při teplotě 867 °C na kosočtverečný tridymit, který přechází při teplotě 1470 °C na čtverečný cristobalit
- H4SiO4 (kyselina křemičitá)
– tvoří rosolovitou hmotu, vzniká vytěsněním minerálními kyselinami z rozpustných křemičitanů alkalických kovů
Na2SiO3 + H2SO4 + H2O → H4SiO4 + Na2SO4
– silikagel – vzniká sušením rosolovitého gelu, který se vylučuje z vodných roztoků
– hygroskopická látka, používaná zejména jako sušidlo
– běžný silikagel pojme množství vody odpovídající zhruba 20% své hmotnosti
– je chemicky inertní, není jedovatý
- Křemičitany
– Na2SiO3 a K2SiO3 jsou součástí vodního skla, které vzniká tavením SiO2 s Na2CO3 nebo K2CO3
SiO2 + Na2CO3 → Na2SiO3 + CO2
– hydrolýzou vzniká H4SiO4, která slouží k nakládání vajec
Viskózová vlákna
– nevýhodou je ekologicky neúnosný způsob výroby
– jako surovina pro výrobu viskózových vláken se používá smrkové nebo bukové dřevo (stačí 88% α-celulózy)
– dřevo se mletím převádí na celulózovou drť (štěpky)
– zráním dřeva a působením NaOH vzniká alkalicelulóza
– xantogenace je působení sirouhlíku CS2 a z alkalicelulózy vzniká xantogenát celulózy
– xantogenát celulózy se rozpouští ve zředěném NaOH a tím vzniká roztok, zvaný viskóza
– viskóza se dále filtruje, odvzdušňuje a je tak připravena ke zvlákňování
– zvlákňování se děje způsobem z roztoku do srážecí (koagulační) lázně, kde je přítomna H2SO4, ZnSO4 a Na2SO4
Sklo
– uplatnění v průmyslu, stavebnictví, architektuře i umění
– architektonický prvek, kdy hraje výraznou úlohu při vytváření interiérů a exteriérů
– anorganický amorfní (nekrystalický) materiál, vyrobený tavením vhodných surovin a následným řízeným ochlazením vzniklé skloviny bez krystalizace
– skelný stav vzniká plynulým přechodem ze stavu kapalného do stavu pevného, při ochlazování skla dochází k plynulému růstu viskozity až na tak vysokou hodnotu, že se materiál navenek jeví jako pevná látka
– na rozdíl od krystalických látek postrádá struktura skla pravidelné, symetrické a periodické uspořádání základních stavebních jednotek na delší vzdálenosti
– nejběžnější jsou skla oxidická a z nich, podle převažující složky, skla křemičitá a boritokřemičitá
– zchemického hlediska jsou běžná skla tuhým roztokem různých křemičitanů sodných, draselných, vápenatých, případně olovnatých nebo barnatých, které jsou doprovázeny dalšími sloučeninami, zejména oxidy kovů
– sklo se vyznačuje zejména relativně vysokou propustností světla v části viditelného spektra, tuhostí a tvrdostí při běžných teplotách, křehkostí, homogenitou, odolností vůči povětrnostním a chemickým vlivům, vysokou pevností v tlaku, relativně nízkou měrnou tepelnou a elektrickou vodivostí a vysokou nepropustností a odolností vůči vodě, vzduchu a jiným látkám
- suroviny používané pro výrobu skla
– základní surovinou pro výrobu skla jsou sklářské (tavné) písky
– jsou to zrnité, většinou světle zbarvené až bílé horniny (křemenné písky nebo málo zpevněné pískovce) s primárním obsahem SiO2 zpravidla v rozmezí 60 až 80 %.
– sklářské písky obsahují, vedle naprosto dominantního křemene, také zrna (klasty) jiných minerálů – nejčastěji živců, slíd (biotitu, muskovitu) a tzv. těžkých minerálů (např. granátů, zirkonu, turmalínu, rutilu, ilmenitu, magnetitu)
– sklářské písky se těží povrchovým způsobem v lomech
– písky v požadované kvalitě se většinou v přírodě nevyskytují, proto je nutno je upravovat drcením, praním (odstranění odplavitelných, jílovitých částic) a tříděním (docílení požadované zrnitosti)
– při výrobě skla vyšších jakostí je navíc nutné náročnějšími způsoby úpravy (elektromagnetická separace, flotace aj.) snížit obsahy barvicích oxidů (Fe2O3, TiO2); požadován je také limitní obsah SiO
– kromě obsahu barvících oxidů je dalším důležitým parametrem sklářských písků jejich granulometrie (zrnitostní skladba), kdy by se maximální podíl zrn měl pohybovat v rozpětí 0,1 – 0,6 mm
– skla obsahují celou řadu dalších oxidů
> CaO a alkálie (Na2O a K2O)
– CaO je do surovinové směsi přidáván nejčastěji ve formě jemně mletého vápence (CaCO3)
– obsah alkálií ve sklářském kmeni ovlivňuje zejména teplotu tavení vsázky
– kromě uvedených hlavních (sklotvorných) surovin se při výrobě skla může používat celá řada pomocných látek se specifickými účinky, např. fosforečnany a fluoridy pro dosažení zákalu, čeřící a barvící látky, oxidační a redukční činidla
– čeřiva jsou látky, které se do sklářského kmene přidávají v malém množství, aby odstranily z roztavené skloviny bublinky a nečistoty a zároveň ji homogenizovaly, jako čeřiva se používají sírany (sodný, vápenatý, barnatý) nebo dusičnany – ledky (draselný, vápenatý, barnatý)
– barviva jsou látky, které udělují sklu požadované zbarvení, po chemické stránce se jedná nejčastěji o elementární kovy nebo oxidy a soli kovů (mangan (dodává ametystové zbarvení), kobalt (modré zbarvení), měď (tyrkysové, ale i tmavě červené zbarvení), zlato (rubínově červená barva), stříbro (žlutá až oranžově červená barva))
– určitý podíl vsázky tvoří také drcené odpadní sklo (skleněné střepy), čímž dochází k materiálovému využití odpadů, úspoře primárních surovin a zároveň ke zrychlení tavícího procesu a zlepšení počáteční homogenity skloviny
– větší obsah střepů ve vsázce než 30 – 40 % by naopak způsoboval prodloužení doby čeření skloviny
– složením sklářského kmene, tj. volbou jednotlivých složek a jejich poměrného zastoupení je možno ovlivňovat vlastnosti skla, a to v poměrně širokých mezích
- základní druhy skla
– dle původu
- skla přírodní – skla, která vznikla přírodními procesy, a to nejčastěji vulkanickou činností nebo jiným tepelným procesem v přírodě
– typickými představiteli přírodních skel jsou horniny ze skupiny vulkanických skel (obsidián, pemza, perlit a smolek), které vznikají rychlým ochlazením kyselé lávy na zemském povrchu
– tektity jsou skla, která vznikla v souvislosti s dopadem meteoritu na zemský povrch a roztavením původních sedimentárních hornin v místě dopadu (vltavíny, australity, indočínity (javanity, filipínity), irgizity)
- skla umělá – skla vznikající buď tavením sklářského kmene a přísad a následným řízeným ochlazením bez krystalizace (označovaná také jako průmyslová skla), nebo jako vedlejší produkt spalování uhlí (vysokoteplotní popílky, uhelné tavné strusky)
– dle chemismu průmyslových skel
- SiO2 – křemenné sklo
– vzniká tavením čistého křišťálu nebo žilného křemene ve vakuu při teplotě kolem 2000 oC
– pro výrobu osvětlovacích výbojek a různých aparatur
- Na2O – SiO2 – rozpustné (vodní) sklo
– obchodní název tavenin alkalických křemičitanů
– vyrábí se tavením křemičitých písků se sodou (sodná vodní skla) nebo potaší (draselná vodní skla), případně se síranem sodným a dřevěným uhlím
– prodává se nejčastěji ve formě vodných roztoků, vzniklých rozpouštěním skloviny vodou nebo párou
– používá se k impregnaci papírových tkanin, ke konzervaci vajec, jako plnivo do mýdel, k ochraně a sanaci přírodního kamene, ale zejména jako pojivo kyselinovzdorných tmelů, žáruvzdorných materiálů (např. v kombinaci se šamotovou moučkou), nástřiků pro protipožární ochranu konstrukcí
- Na2O – CaO – SiO2 – křemičité sodnovápenaté sklo
– nejběžnější chemická soustava skla
– sklovina tohoto složení slouží pro výrobu plochého, obalového a užitkového skla
- K2O – CaO – SiO2 a K2O – PbO – SiO2 – křišťálová skla
– jako křišťálové sklo se označuje velmi kvalitní druh čirého bezbarvého skla s vysokým leskem a vysokou světelnou propustností
– používá se pro výrobky umělecké, dekorační, ale také užitkové (např. stolní sklo)
– podle současné mezinárodní konvence se pojmem křišťálové sklo omezuje pouze na olovnaté sklo s více než 24 % PbO a s indexem lomu vyšším než 1,545
- Na2O – B2O3 – SiO2 – tepelně odolná skla
– jako tepelně odolná skla se označují skla s lineárním koeficientem teplotní roztažnosti menším než 5.10-6 K-1
– první tepelně odolné (laboratorní) sklo bylo u nás vyrobeno již v roce 1837 v Sázavě
– po roce 1945 byly představiteli této skupiny skel např. tzv. jenské sklo (75 % SiO2 a 8 % B2O3) nebo u nás sklo Simax (80 % SiO2 a 12,8 % B2O3)
– z těchto typů skel se vyrábí laboratorní nádobí nebo varné nádobí pro domácnosti
- CaO – MgO – Al2O3 – SiO2 – nízkoalkalická skla
– obsahují méně než 1 % K2O + Na2O
– využití v chemickém a farmaceutickém průmyslu, když je přítomnost alkálií nežádoucí
- technologie výroby skla
- příprava vsázky (tj. sklářského kmene a přísad) a její dávkování – upravené, pomleté a vysušené suroviny se mísí a
homogenizují v požadovaném poměru
- tavení skla – provádí se ve sklářských tavících pecích, nejčastěji pánvových nebo vanových
– tavící proces se rozděluje na tři hlavní fáze: vlastní tavení, čeření a homogenizace a chlazení (sejití skloviny) pro tvarování
- tvarování skla – při tvarování se využívá viskózní deformace a silné závislosti viskozity skloviny na teplotě, nesmí dojít
ke krystalizaci skloviny
– tvarování se provádí od ručních až po plně automatizované procesy, a to foukáním, tažením, válcováním, litím nebo lisováním
- chlazení skla – provádí se ve speciálních chladících pecích, zpravidla v teplotním intervalu 700 – 400 oC
– jedná se o řízené chlazení, kterým se z výrobku odstraní nebo se zabrání vzniku vnitřního pnutí
– chlazením se může i podstatně zvýšit pevnost skla
– po ochlazení se může sklo povrchově upravovat – brousit, leštit, pískovat, leptat