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

Elektronová konfigurace: [Ne] 3s2

↑↓

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

1. příprava vsázky (tj. sklářského kmene a přísad) a její dávkování – upravené, pomleté a vysušené suroviny se mísí a

homogenizují v požadovaném poměru

2. 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

3. 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

4. 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