Բնական պոլիմեր - բանաձև և կիրառություն

2024 Հեղինակ: Angel Austin | [email protected]. Վերջին փոփոխված: 2023-12-17 05:30

Այսօրվա շինանյութերի, դեղամիջոցների, գործվածքների, կենցաղային իրերի, փաթեթավորման և սպառվող նյութերի մեծ մասը պոլիմերներ են: Սա միացությունների մի ամբողջ խումբ է, որոնք ունեն բնորոշ տարբերակիչ հատկանիշներ։ Դրանք շատ են, բայց չնայած դրան, պոլիմերների թիվը շարունակում է աճել։ Ի վերջո, սինթետիկ քիմիկոսները տարեկան հայտնաբերում են ավելի ու ավելի նոր նյութեր: Միևնույն ժամանակ, դա բնական պոլիմերն էր, որն առանձնահատուկ նշանակություն ուներ բոլոր ժամանակներում: Որո՞նք են այս զարմանալի մոլեկուլները: Որո՞նք են դրանց հատկությունները և որո՞նք են առանձնահատկությունները: Այս հարցերին մենք կպատասխանենք հոդվածի ընթացքում։

Պոլիմերներ. ընդհանուր բնութագրեր

Քիմիայի տեսակետից պոլիմերը համարվում է հսկայական մոլեկուլային քաշ ունեցող մոլեկուլ՝ մի քանի հազարից մինչև միլիոնավոր միավորներ։ Այնուամենայնիվ, այս հատկանիշից բացի, կան ևս մի քանիսը, որոնց միջոցով նյութերը կարելի է դասակարգել որպես բնական և սինթետիկ պոլիմերներ: Սա է՝

• անընդհատ կրկնվող մոնոմերային միավորներ, որոնք միացված են տարբեր փոխազդեցությունների միջոցով;
• պոլիմերազի աստիճանը (այսինքն՝ մոնոմերների թիվը) պետք է լինի շատբարձր, հակառակ դեպքում միացությունը կհամարվի օլիգոմեր;
• մակրոմոլեկուլի որոշակի տարածական կողմնորոշում;
• մի շարք կարևոր ֆիզիկական և քիմիական հատկություններ, որոնք հատուկ են այս խմբին:

Ընդհանուր առմամբ, պոլիմերային բնույթի նյութը բավականին հեշտ է տարբերել մյուսներից: Դա հասկանալու համար միայն պետք է նայել նրա բանաձեւին։ Տիպիկ օրինակ է հայտնի պոլիէթիլենը, որը լայնորեն կիրառվում է առօրյա կյանքում և արդյունաբերության մեջ։ Այն պոլիմերացման ռեակցիայի արդյունք է, որի մեջ մտնում է չհագեցած ածխաջրածին էթենը կամ էթիլենը: Ընդհանուր ձևով ռեակցիան գրված է հետևյալ կերպ.

nCH₂=CH₂→(-CH-CH-) , որտեղ n-ը մոլեկուլների պոլիմերացման աստիճանն է՝ ցույց տալով, թե քանի մոնոմեր միավոր է ներառված դրա բաղադրության մեջ։

Նաև որպես օրինակ կարելի է բերել բոլորին քաջածանոթ բնական պոլիմերը՝ դա օսլա է։ Բացի այդ, միացությունների այս խմբին են պատկանում ամիլոպեկտինը, ցելյուլոզը, հավի սպիտակուցը և շատ այլ նյութեր։

Մակրոմոլեկուլներ ձևավորող ռեակցիաները երկու տեսակի են՝

• պոլիմերացում;
• պոլիկոնդենսացիա.

Տարբերությունն այն է, որ երկրորդ դեպքում փոխազդեցության արտադրանքները ցածր մոլեկուլային քաշ ունեն: Պոլիմերի կառուցվածքը կարող է տարբեր լինել, դա կախված է այն ատոմներից, որոնք կազմում են այն։ Հաճախ հանդիպում են գծային ձևեր, բայց կան նաև եռաչափ ցանցեր, որոնք շատ բարդ են։

Եթե խոսենք այն ուժերի և փոխազդեցությունների մասին, որոնք միասին պահում են մոնոմերային միավորները, ապա կարող ենք առանձնացնել մի քանի հիմնականներ.

• Վան Դեր Վալսուժ;
• քիմիական կապեր (կովալենտ, իոնային);
• էլեկտրոստատիկ փոխազդեցություն.

Բոլոր պոլիմերները չեն կարող միավորվել մեկ կատեգորիայի մեջ, քանի որ դրանք ունեն բոլորովին այլ բնույթ, ձևավորման եղանակ և կատարում են տարբեր գործառույթներ։ Նրանց հատկությունները նույնպես տարբերվում են. Հետեւաբար, կա դասակարգում, որը թույլ է տալիս այս խմբի նյութերի բոլոր ներկայացուցիչներին բաժանել տարբեր կատեգորիաների: Այն կարող է հիմնված լինել մի քանի նշանների վրա։

Պոլիմերների դասակարգում

Եթե հիմք ընդունենք մոլեկուլների որակական բաղադրությունը, ապա քննարկվող բոլոր նյութերը կարելի է բաժանել երեք խմբի։

1. Օրգանական - դրանք ներառում են ածխածնի, ջրածնի, ծծմբի, թթվածնի, ֆոսֆորի, ազոտի ատոմները: Այսինքն՝ այն տարրերը, որոնք բիոգեն են։ Օրինակները շատ են՝ պոլիէթիլեն, պոլիվինիլքլորիդ, պոլիպրոպիլեն, վիսկոզա, նեյլոն, բնական պոլիմեր՝ սպիտակուց, նուկլեինաթթուներ և այլն։
2. Elementalorganic - նրանք, որոնք ներառում են որոշ կողմնակի անօրգանական և ոչ բիոգեն տարրեր: Ամենից հաճախ դա սիլիցիում, ալյումին կամ տիտան է: Նման մակրոմոլեկուլների օրինակներ՝ օրգանական ապակի, ապակու պոլիմերներ, կոմպոզիտային նյութեր։
3. Անօրգանական - շղթան հիմնված է ոչ թե ածխածնի, այլ սիլիցիումի ատոմների վրա: Ռադիկալները կարող են լինել նաև կողմնակի ճյուղերի մաս: Դրանք հայտնաբերվել են բոլորովին վերջերս՝ 20-րդ դարի կեսերին։ Օգտագործվում է բժշկության, շինարարության, ճարտարագիտության և այլ ոլորտներում։ Օրինակներ՝ սիլիկոն, դարչին։

Եթե դուք առանձնացնում եք պոլիմերներն ըստ ծագման, կարող եքընտրեք նրանց խմբերից երեքը։

1. Բնական պոլիմերներ, որոնց կիրառումը լայն տարածում է գտել հնուց։ Սրանք այնպիսի մակրոմոլեկուլներ են, որոնց ստեղծման համար մարդը ջանք չի գործադրել։ Դրանք բուն բնության ռեակցիաների արդյունք են: Օրինակներ՝ մետաքս, բուրդ, սպիտակուց, նուկլեինաթթուներ, օսլա, ցելյուլոզա, կաշի, բամբակ և այլն:
2. Արհեստական. Սրանք մակրոմոլեկուլներ են, որոնք ստեղծված են մարդու կողմից, բայց հիմնված են բնական անալոգների վրա։ Այսինքն՝ արդեն գոյություն ունեցող բնական պոլիմերի հատկությունները պարզապես բարելավվում և փոխվում են։ Օրինակներ՝ արհեստական կաուչուկ, ռետին։
3. Սինթետիկ - դրանք պոլիմերներ են, որոնց ստեղծմանը մասնակցում է միայն մարդը։ Նրանց համար բնական անալոգներ չկան։ Գիտնականները նոր նյութերի սինթեզի մեթոդներ են մշակում, որոնք կբարելավեն տեխնիկական բնութագրերը։ Այսպես են ծնվում տարբեր տեսակի սինթետիկ պոլիմերային միացությունները։ Օրինակներ՝ պոլիէթիլեն, պոլիպրոպիլեն, վիսկոզա, ացետատ մանրաթել և այլն:

Կա ևս մեկ հատկանիշ, որն ընկած է դիտարկվող նյութերի խմբերի բաժանման հիմքում: Սրանք ռեակտիվություն և ջերմային կայունություն են: Այս պարամետրի համար կա երկու կատեգորիա՝

• թերմոպլաստիկ;
• ջերմակայուն.

Ամենահին, կարևոր և հատկապես արժեքավորը դեռևս բնական պոլիմերն է։ Նրա հատկությունները եզակի են. Հետևաբար, մենք կքննարկենք մակրոմոլեկուլների այս առանձնահատուկ կատեգորիան:

Ո՞ր նյութն է բնական պոլիմեր:

Այս հարցին պատասխանելու համար նախ նայենք մեր շուրջը։ Ի՞նչ է մեզ շրջապատում:Մեզ շրջապատող կենդանի օրգանիզմներ, որոնք կերակրում են, շնչում, բազմանում, ծաղկում և պտուղներ և սերմեր են տալիս: Իսկ ի՞նչ են դրանք ներկայացնում մոլեկուլային տեսանկյունից։ Սրանք այնպիսի կապեր են, ինչպիսիք են՝

• սպիտակուցներ;
• նուկլեինաթթուներ;
• պոլիսախարիդներ.

Այսպիսով, այս միացություններից յուրաքանչյուրը բնական պոլիմեր է: Այսպիսով, պարզվում է, որ կյանքը մեր շուրջը գոյություն ունի միայն այս մոլեկուլների առկայության շնորհիվ։ Հին ժամանակներից մարդիկ օգտագործել են կավ, շինարարական խառնուրդներ և շաղախներ՝ ամրացնելու և տուն ստեղծելու համար, բրդից մանվածք հյուսում, հագուստ ստեղծելու համար օգտագործում են բամբակ, մետաքս, բուրդ և կենդանիների կաշի: Բնական օրգանական պոլիմերները ուղեկցում էին մարդուն իր ձևավորման և զարգացման բոլոր փուլերում և շատ առումներով օգնեցին նրան հասնել այն արդյունքներին, որոնք մենք ունենք այսօր։

Բնությունն ինքն է տվել ամեն ինչ՝ մարդկանց կյանքը հնարավորինս հարմարավետ դարձնելու համար։ Ժամանակի ընթացքում կաուչուկը հայտնաբերվեց, պարզվեցին նրա ուշագրավ հատկությունները։ Մարդը սովորել է օսլա օգտագործել սննդի, իսկ ցելյուլոզը՝ տեխնիկական նպատակներով։ Կամֆորը նույնպես բնական պոլիմեր է, որը նույնպես հայտնի է եղել հին ժամանակներից։ Խեժերը, սպիտակուցները, նուկլեինաթթուները բոլորը քննարկվող միացությունների օրինակներ են:

Բնական պոլիմերների կառուցվածքը

Նյութերի այս դասի ոչ բոլոր ներկայացուցիչներն ունեն նույն կառուցվածքը։ Այսպիսով, բնական և սինթետիկ պոլիմերները կարող են զգալիորեն տարբերվել: Նրանց մոլեկուլներն այնպես են կողմնորոշված, որ առավել շահավետ և հարմար է գոյություն ունենալ էներգետիկ տեսանկյունից։ Միևնույն ժամանակ, շատ բնական տեսակներ կարողանում են ուռչել, և դրանց կառուցվածքը փոխվում է գործընթացում։Կան շղթայի կառուցվածքի մի քանի ամենատարածված տարբերակները՝

• գծային;
• ճյուղավորված;
• աստղաձև;
• բնակարան;
• mesh;
• ժապավեն;
• սանրաձև.

Մակրոմոլեկուլների արհեստական և սինթետիկ ներկայացուցիչներն ունեն շատ մեծ զանգված, հսկայական քանակությամբ ատոմներ։ Դրանք ստեղծվում են հատուկ նշված հատկություններով։ Հետեւաբար, դրանց կառուցվածքը ի սկզբանե ծրագրված էր մարդու կողմից: Բնական պոլիմերներն առավել հաճախ ունեն կամ գծային կամ ցանցային կառուցվածք:

Բնական մակրոմոլեկուլների օրինակներ

Բնական և արհեստական պոլիմերները շատ մոտ են միմյանց։ Չէ՞ որ առաջինը հիմք է դառնում երկրորդի ստեղծման համար։ Նման փոխակերպումների բազմաթիվ օրինակներ կան։ Ահա դրանցից մի քանիսը։

1. Սովորական կաթնասպիտակ պլաստիկը արտադրանք է, որը ստացվում է ցելյուլոզը ազոտաթթվով մշակելով՝ բնական կամֆորայի ավելացումով: Պոլիմերացման ռեակցիան հանգեցնում է նրան, որ ստացված պոլիմերը պնդանում է և դառնում ցանկալի արդյունք: Իսկ պլաստիկացնողը` կամֆորան, թույլ է տալիս տաքանալիս փափկել և փոխել իր ձևը:
2. Ացետատ մետաքս, պղինձ-ամոնիակ մանրաթել, վիսկոզա բոլորը այն թելերի, մանրաթելերի օրինակներն են, որոնք ստացվում են ցելյուլոզից: Բնական բամբակից և սպիտակեղենից պատրաստված գործվածքներն այնքան էլ դիմացկուն չեն, ոչ փայլուն, հեշտությամբ կնճռոտվում են։ Սակայն դրանց արհեստական անալոգները զուրկ են այդ թերություններից, ինչը շատ գրավիչ է դարձնում դրանց օգտագործումը։
3. Արհեստական քարեր, շինանյութեր, խառնուրդներ, կաշվի փոխարինիչներ. Տես նաև բնական հումքից ստացված պոլիմերների օրինակներ։

Նյութը, որը բնական պոլիմեր է, կարող է օգտագործվել նաև իր իսկական տեսքով։ Նման օրինակներ նույնպես շատ են՝

• ռոզին;
• սաթի;
• օսլա;
• ամիլոպեկտին;
• ցելյուլոզա;
• մորթի;
• բուրդ;
• բամբակ;
• մետաքս;
• ցեմենտ;
• կավ;
• կրաքար;
• սպիտակուցներ;
• նուկլեինաթթուներ և այլն:

Ակնհայտ է, որ միացությունների դասը, որը մենք դիտարկում ենք, շատ մեծ է, գործնականում կարևոր և նշանակալի մարդկանց համար: Այժմ եկեք ավելի մանրամասն նայենք բնական պոլիմերների մի քանի ներկայացուցիչների, որոնք ներկայումս մեծ պահանջարկ ունեն:

Մետաքս և բուրդ

Բնական մետաքսի պոլիմերի բանաձևը բարդ է, քանի որ դրա քիմիական բաղադրությունը արտահայտվում է հետևյալ բաղադրիչներով.

• ֆիբրոյին;
• սերիկին;
• մոմեր;
• ճարպեր.

Ինքին հիմնական սպիտակուցը՝ ֆիբրոյինը, պարունակում է մի քանի տեսակի ամինաթթուներ։ Եթե պատկերացնեք նրա պոլիպեպտիդային շղթան, ապա այն կունենա մոտավորապես այսպիսի տեսք. (-NH-CH₂-CO-NH-CH(CH₃)- CO-NH-CH₂-CO-)_n. Եվ սա դրա միայն մի մասն է: Եթե պատկերացնենք, որ նույնքան բարդ սերիցինի սպիտակուցի մոլեկուլը վան դեր Վալսյան ուժերի օգնությամբ կցվում է այս կառուցվածքին, և դրանք միասին խառնվում են մոմով և ճարպերով, ապա պարզ է, թե ինչու է դժվար բանաձևը պատկերել: բնական մետաքսից։

Այսօրվա համարԱյսօր այս ապրանքի մեծ մասը մատակարարում է Չինաստանը, քանի որ նրա բաց տարածություններում կա բնական միջավայր հիմնական արտադրողի՝ մետաքսի որդերի համար։ Նախկինում, սկսած ամենահին ժամանակներից, բնական մետաքսը բարձր էր գնահատվում։ Դրանից հագուստ կարող էին գնել միայն ազնվական, հարուստ մարդիկ։ Այսօր այս գործվածքի շատ առանձնահատկություններ թողնում են շատ ցանկալի: Օրինակ՝ այն խիստ մագնիսացված է և կնճռոտված, բացի այդ՝ կորցնում է իր փայլը և խամրում արևի ազդեցության տակ։ Հետևաբար, դրա վրա հիմնված արհեստական ածանցյալներն ավելի շատ են օգտագործվում։

Բուրդը նաև բնական պոլիմեր է, քանի որ այն կենդանիների մաշկի և ճարպագեղձերի թափոն է: Այս սպիտակուցային արտադրանքի հիման վրա պատրաստվում են տրիկոտաժեղեն, որը մետաքսի նման արժեքավոր նյութ է։

Օսլա

Բնական պոլիմերային օսլան բույսերի թափոններից է: Նրանք այն արտադրում են ֆոտոսինթեզի գործընթացի արդյունքում և կուտակվում մարմնի տարբեր մասերում։ Քիմիական բաղադրությունը՝

• ամիլոպեկտին;
• ամիլոզա;
• ալֆա-գլյուկոզա.

Օսլայի տարածական կառուցվածքը շատ ճյուղավորված է, անկարգ. Կազմում ներառված ամիլոպեկտինի շնորհիվ այն կարողանում է ուռչել ջրի մեջ՝ վերածվելով այսպես կոչված մածուկի։ Այս կոլոիդային լուծումը օգտագործվում է ճարտարագիտության և արդյունաբերության մեջ: Բժշկությունը, սննդի արդյունաբերությունը, պաստառի սոսինձների արտադրությունը նույնպես այս նյութի օգտագործման ոլորտներն են։

Օսլայի առավելագույն քանակ պարունակող բույսերից կարելի է առանձնացնել՝

• եգիպտացորեն;
• կարտոֆիլ;
• բրինձ;
• ցորեն;
• կասավա;
• վարսակ;
• հնդկաձավար;
• բանան;
• սորգո.

Այս կենսապոլիմերի հիման վրա թխում են հաց, պատրաստում մակարոնեղեն, եփում են համբույրներ, ձավարեղեն և այլ սննդամթերք։

Pulp

Քիմիայի տեսակետից այս նյութը պոլիմեր է, որի բաղադրությունն արտահայտվում է բանաձևով (C₆H_{5 O} 5_{) . Շղթայի մոնոմերային օղակը բետա-գլյուկոզա է: Ցելյուլոզայի պարունակության հիմնական վայրերը բույսերի բջջային պատերն են: Ահա թե ինչու փայտն այս միացության արժեքավոր աղբյուրն է։}

Ցելյուլոզը բնական պոլիմեր է, որն ունի գծային տարածական կառուցվածք: Այն օգտագործվում է հետևյալ տեսակի ապրանքների արտադրության համար՝

• թուղթ և թղթե արտադրանք;
• կեղծ մորթի;
• արհեստական մանրաթելերի տարբեր տեսակներ;
• բամբակ;
• պլաստիկ;
• առանց ծխի փոշի;
• ֆիլմերի ժապավեններ և այլն:

Ակնհայտ է, որ դրա արդյունաբերական նշանակությունը մեծ է։ Որպեսզի տվյալ միացությունն օգտագործվի արտադրության մեջ, այն նախ պետք է արդյունահանվի բույսերից։ Դա արվում է հատուկ սարքերում փայտի երկարատև եփման միջոցով։ Հետագա մշակումը, ինչպես նաև մարսողության համար օգտագործվող ռեակտիվները տարբերվում են։ Կան մի քանի եղանակներ.

• սուլֆիտ;
• նիտրատ;
• նատրիում;
• սուլֆատ.

Այս բուժումից հետո ապրանքը դեռ պարունակում էկեղտերը. Այն հիմնված է լիգնինի և հեմիցելյուլոզայի վրա: Դրանցից ազատվելու համար զանգվածը մշակում են քլորով կամ ալկալիով։

Մարդու մարմնում չկան այնպիսի կենսաբանական կատալիզատորներ, որոնք կկարողանան քայքայել այս բարդ կենսապոլիմերը: Այնուամենայնիվ, որոշ կենդանիներ (խոտակերներ) հարմարվել են դրան: Նրանք ստամոքսում ունեն որոշակի բակտերիաներ, որոնք դա անում են իրենց փոխարեն: Դրա դիմաց միկրոօրգանիզմները էներգիա են ստանում կյանքի և բնակության համար: Սիմբիոզի այս ձևը չափազանց շահավետ է երկու կողմերի համար:

Rubber

Սա արժեքավոր տնտեսական նշանակություն ունեցող բնական պոլիմեր է: Այն առաջին անգամ նկարագրել է Ռոբերտ Կուկը, ով այն հայտնաբերել է իր ճանապարհորդություններից մեկում։ Դա տեղի ունեցավ այսպես. Վայրէջք կատարելով իրեն անծանոթ բնիկներով բնակեցված կղզում, նա հյուրընկալ ընդունվեց նրանց կողմից։ Նրա ուշադրությունը գրավել են տեղացի երեխաները, ովքեր խաղում էին անսովոր առարկայի հետ։ Այս գնդաձև մարմինը ցատկեց հատակից և ցատկեց բարձր, հետո վերադարձավ։

Հարց տալով տեղի բնակչությանը, թե ինչից է պատրաստված այս խաղալիքը, Կուկը իմացավ, որ ծառերից մեկի՝ հևեայի հյութը այդպես պնդանում է: Շատ ավելի ուշ պարզվեց, որ դա ռետինե բիոպոլիմերն է։

Այս միացության քիմիական բնույթը հայտնի է՝ իզոպրենն է, որը ենթարկվել է բնական պոլիմերացման։ Ռետինե բանաձևն է (С₅Н₈) : Նրա հատկությունները, որոնք դարձնում են այն այդքան բարձր գնահատված, հետևյալն են.

• առաձգականություն;
• մաշվածության դիմացկուն;
• էլեկտրամեկուսացում;
• ջրակայուն.

Սակայն կան նաև թերություններ. Ցրտին այն դառնում է փխրուն ու փխրուն, իսկ շոգին՝ կպչուն ու մածուցիկ։ Այդ իսկ պատճառով անհրաժեշտություն առաջացավ սինթեզել արհեստական կամ սինթետիկ բազայի անալոգներ։ Այսօր ռետինները լայնորեն կիրառվում են տեխնիկական և արդյունաբերական նպատակներով։ Դրանց վրա հիմնված ամենակարևոր ապրանքները՝

• ռետիններ;
• էբոնիտներ.

Ամբեր

Բնական պոլիմեր է, քանի որ իր կառուցվածքով խեժ է, նրա բրածո ձևը։ Տարածական կառուցվածքը շրջանակային ամորֆ պոլիմեր է։ Այն շատ դյուրավառ է և կարող է բռնկվել լուցկու բոցով։ Այն ունի լյումինեսցենտային հատկություններ: Սա շատ կարևոր և արժեքավոր որակ է, որն օգտագործվում է ոսկերչության մեջ։ Սաթի հիման վրա պատրաստված զարդերը շատ գեղեցիկ և պահանջված են։

Բացի այդ, այս բիոպոլիմերն օգտագործվում է նաև բժշկական նպատակներով։ Օգտագործվում է նաև հղկաթուղթ պատրաստելու համար, տարբեր մակերեսների լաքի ծածկույթներ։