Struktura

Syntetické polymery

Syntetické polymery

Syntetické polymery jsou velmi početnou skupinou makromolekulárních látek, které se vyrábí umělou cestou a nelze je získat žádnou přírodní cestou. Inspirací pro výrobu syntetických polymerů byla snaha o napodobení dobrých vlastností přírodních polymerů. S rozvojem vědy vznikaly lepší a dokonalejší syntetické polymery, které nahradily polymery přírodní téměř ve všech oborech.

Jak lze tedy umělé polymery vyrobit? Odpověď je z chemického hlediska velmi jednoduchá: polyreakcemi. Konkrétně: polymerací, polyadicí a polykondenzací.

Tedy podle typu chemických reakcí, kterými daný polymer vzniká, dělíme polymery na:

  • polymery připravené polymerací

  • polymery připravené polyadicí

  • polymery připravené polykondenzací.

 

Nyní se blíže zaměříme na jednotlivé reakce vzniku syntetických polymerů:

Ŕetězová Polymerace je chemická reakce, kdy z malých molekul (tzv. monomerů) vznikají vysokomolekulární látky (tzv. polymery).
Při polymeraci se molekuly nenasycených uhlovodíků (a jejich derivátů) spojují dohromady a vytvářejí velice dlouhé řetězce (vlákna), které mohou být složeny až z několika milionů atomů. Podmínkou je přítomnost alespoň jedné dvojné vazby v reagujících monomerech. Tyto polymery našly rozsáhlé využití jako plastické hmoty.

Polymerací lze připravit: polyethylen (PE), polypropylen (PP), polystyren (PS), polyvinylchlorid (PVC), polytetrafluorethylen (PTFE), butadienový kaučuk (BR), butadien-styrenový kaučuk (SBR)

Schéma:polymerace ethylenu (monomer – stavební jednotka) za vzniku polyethylenu (polymer)

CH2=CH2  →  [-CH2-CH2-] n

  ethylen             polyethylen

Malé písmeno „n“ v rovnici představuje počet molekul, které se reakce účastní (u reaktantu), resp. kolik molekul je v produktu „zřetězeno“. Výše uvedená rovnice zobrazuje polymeraci ethylenu (monomer) za vzniku dlouhého polymerního řetězce polyethylenu (PE). Stejným způsobem se mohou polymerovat (tedy spojovat) další nenasycené uhlovodíky a jejich deriváty. Při polymeraci dochází ke snížení řádu vazby (v molekule polyethylenu jsou mezi atomy uhlíku samé jednoduché vazby) a dva elektrony, které tvořily dvojnou vazbu výchozího ethylenu, byly „využity“ právě ke spojení těchto molekul mezi sebou.

Polymery připravené polymerací a jejich využití:

Polyethylen (PE) – obalový materiál, mikrotenové sáčky, igelitové tašky, nádobí, hračky, hadice, umělé cévy (zdravotnictví).

 [-CH2-CH2-] n

Polypropylen (PP) – obalový materiál (pevnější než PE), potrubí, izolace elektrických kabelů, provazy a lana.

  

Obr. 1: Polypropylen

Polyvinylchlorid (PVC) – vodovodní potrubí, záchodová prkýnka, podlahové materiály, fólie, hračky, umělé kožešiny, umělé kůže.

polymerace PVC:

  

Obr. 2: Polyvinylchlorid

Polystyren (PS) – zvukový a tepelný izolant ve stavebnictví, výroba obalů, těsnění, nádobí na jedno použití.

  

styren                             polystyren

Obr. 3: Polymerace styrenu

Polymethylmethakrylát (PMMA) – plexisklo, výroba umělých skel.

  

Obr. 4: Polymethylmethakrylát

Polytetrafluorethylen PTFE (teflon) – kuchyňské nádobí, dříve jako kostní náhrady v chirurgii.

  

Obr. 5: Polytetrafluorethylen

BR (Buna) – výroba pneumatik (dobré mechanické vlastnosti – pevnost a pružnost).

SBR (Kralex, Buna S) – výroba pneumatik, nátěrových a spojovacích hmot (latexů).

Při stupňovitých polyreakcích spolu reagují dva různé dvojfunkční monomery, obsahující odlišnou reaktivní funkční skupinu. Polymerace probíhá stupňovitě – monomery se nejprve slučují v menší či větší celky, které se poté spojují v makromolekuly.

 

Polyadice je polyreakcí, kdy spolu např. reaguje monomer nesoucí např. isokyanátové skupiny s monomerem obsahujícím hydroxy skupinu –OH. Slabě kyselý vodík se během polyadice přesune na druhý monomer, což umožní vznik polymeru.

Polyadicí se připravují polyuretany (PUR) – lehké a pevné materiály, ze kterých se vyrábějí syntetická vlákna, molitan, náhražky kůží
a lepidel.

Obr. 6: Schéma: polyadice buta-1,4-diolu a hexamethylendsiokyanátu za vzniku polyuretanu (PUR)

 

Polykondenzace je polyreakcí dvou různých monomerů, z nichž každý obsahuje nejméně dvě reaktivní skupiny (např. – OH).Na rozdíl od adice zde ale vzniká vedlejší nízkomolekulární produkt (např. H2O při polyesterifikaci). Polykondenzací vznikají polyestery (PES), polyamidy (PA), fenolformaldehydové pryskyřice a epoxidové pryskyřice.

Polyestery - materiály vyrobené z polyesterů jsou pevné, pružné, nemačkavé, rychle schnoucí a odolné vůči molům a plísním. Nevýhodou je jejich hořlavost, schopnost se nabít statickou elektřinou a malá schopnost pohlcovat pot. Používají se k výrobě textilních materiálů (tesil), lan, fotografických filmů, plastových lahví PET, polyesterových sklolaminátů – automobilové karosérie, střešních krytin či k výrobě potrubí v chemických provozech.

Polyamidy (PA) - materiály vyrobené z polyamidů jsou pevné, tvrdé a málo se opotřebovávají. Používají se k výrobě ozubených kol, ložisek ale také k výrobě textilních vláken a fólií. Mezi významné polykondenzáty patří také nylon a silon.

Fenoplasty (fenolformaldehydové pryskyřice) - jsou nejdéle známé plasty. Již v roce 1907 byla připravena první nerozpustná
a netavitelná pryskyřice známá pod názvem bakelit. Používá se především v elektrotechnice.

Polyethery (epoxidové pryskyřice) - jde o velmi složité chemické makromolekuly, které se používají k výrobě laků či lepidel.

 

Nyní uvedeme další z možných dělení syntetických polymerů, a to podle fyzikálních vlastností. Toto dělení má i praktický význam, neboť určuje možné technické využití syntetických polymerů v praxi. Polymery lze rozdělit na elastomery a plastomery (plasty). Plastomery lze dále dělit na plasty, které lze tvarovat – termoplasty a na materiály, u nichž je tvarová změna nevratná – termosety.

Termoplasty zahříváním měknou a stávají se plastickými, přičemž změna z plastického do tuhého stavu je opakovatelně vratná (lze je tvarovat). Např. PE, PP.

Termosety (reaktoplasty) zahříváním tvrdnou, dochází k chemické změně a termosety ztrácí plastičnost. Změna je nevratná. Termosety jsou tvrdé, netavitelné a nerozpustné ve většině rozpouštědel, např. bakelit.

Elastomery jsou pružné polymery, které zahříváním měknou. Působením vnější síly se deformují a poté opět zaujímají původní tvar. Např. syntetický kaučuk.

Syntetické polymery v polygrafii

První skupinou syntetických makromolekul hojně využívaných v polygrafii jsou polyolefiny – konkrétně PE a PP, které díky svým výborným mechanických a chemickým vlastnostem našly využití jako fólie, smršťovací fólie či fólie na laminování. Další významnou skupinou jsou vinylové polymery a kopolymery, ze kterých lze vyrobit PVC (fólie), PVAC (výroba laků, světlocitlivých vrstev a lepidel) či PS (výroba lepidel a fólií). Dále se používají polyuretany k výrobě tiskových válců.

Obr. 7:  Tabulka: závěrečné shrnutí významu makromolekulárních látek v běžném životě a polygrafii:

Zdroje

  • HUSÁREK, Josef. Makromolekulární látky. Syntetické polymery. In Vybraná témata pro výuku chemie. Olomouc, 2012.
    Název projektu: Inovace profesní přípravy budoucích učitelů chemie. Číslo projektu: CZ.1.07/2.2.00/15.0324 [cit. 2014-07-01] Dostupné online: http://ucitelchemie.upol.cz/materialy/vtvch1/vybrana_temata_pro_vyuku_chemie_1.pdf

  • KAPLANOVÁ, Marie. Moderní polygrafie. Praha: Svaz polygrafických podnikatelů, 2010, 391 s. ISBN 978-80-254-4230-2.

  • LEDERLEITNER, Milan, Jozef HAMAR a Vladimír THOMKA. Polygrafické materiály pro 1.-3. ročník SOU. 1. vyd. Překlad Zdeněk Niepel. Praha: SPN, 1990, 93 s. Učebnice pro stř. školy. ISBN 80-042-4132-8.

  • PAVLÁTOVÁ, Věra. Polymery. Metodický portál : Digitální učební materiály [online]. 31. 05. 2012, [cit. 2014-11-18]. Dostupný z WWW: <http://dum.rvp.cz/materialy/polymery.html>. ISSN 1802-4785.

  • VANĚK, Vlastimil. Makromolekulární látky uměle vyrobené. Metodický portál : Digitální učební materiály [online]. 29. 09. 2010, [cit. 2014-11-18]. Dostupný z WWW: <http://dum.rvp.cz/materialy/makromolekularni-latky-umele-vyrobene.html>. ISSN 1802-4785.

  • Wikipedie. Otevřená encyklopedie. [online]. [cit. 2014-07-01]. Dostupné z: https://cs.wikipedia.org/wiki

Obrázky:

  • Obr. 7: Archiv autora.

Historie

Content 220px prof. ing. rtdr. otto wichterle

Obr. 8: Prof. Ing. RTDr. Otto Wichterle, DrSc.

Prof. Ing. RTDr. Otto Wichterle, DrSc. byl světově proslulý český vědec a vynálezce pracující zejména v oblasti makromolekulární organické chemie. Proslulý je především svými objevy
a vynálezy, které vedly k zásadnímu zdokonalení
a celosvětovému rozšíření měkkých kontaktních čoček. Wichterle se proslavil též objevem umělého polyamidového vlákna - silonu.

 

Využití

Content s 15 2 4

Obr. 9: Polyethylenové sáčky

Polyethylen (PE) – obalový materiál, mikrotenové sáčky, pytle

 

Využití

Content 800px frigolit 2008

Obr. 10: Polystyren

Z polystyrenu se vyrábí např. obaly nebo jednorázové nádobí (talíře, kelímky, misky, příbory aj.). Polystyren se také osvědčil například
v tepelných izolacích domů.

Víte, že ...

Výměna letních pneumatik za zimní
a naopak

Obecně lze říci, že pokud dlouhodobě poklesne teplota pod +7 °C, měly by se nasadit zimní pneumatiky vyrobené z měkčí pryže. Naopak, pokud je průměrná teplota vyšší jak +7 °C, zimní pneumatiky se kvůli svému složení rychleji sjíždějí a opotřebovávají, proto je vhodné opět nasadit letní pneumatiky. Kromě zimních a letních pneumatik existují také pneumatiky pro celoroční použití, které není třeba přezouvat, ale nevýhodou je to, že nemohou dosahovat takových jízdních vlastností jako pneumatiky specializované.

  

Obr. 11: Pneumatiky

Víte, že ...

....ve své době byl Trabant 601 velmi progresivním automobilem, který byl jako první v masové míře vyráběn z plastů - duroplast. Poháněl ho dvoutaktní, vzduchem chlazený dvouválec o výkonu 26 koní. Vybaven byl čtyřstupňovou převodovkou s volnoběžkou. 

  

Obr. 12: Trabant

Výroba

Content rol k

Obr. 13: Rolák z polyamidu 6

Výchozí materiál pro výrobu polyamidů je ropa, ze které vznikají chemickým procesem základní suroviny. V roce 2009 se ve světě vyrobilo 3,5 milionů tun polyamidových vláken, z toho asi 600 tisíc tun v Evropě.

 

Kontrolní otázka

Jaký je rozdíl mezi termoplasty a termosety?

Využití

Content laminovaci folie vzorek

Obr. 14: Laminovačka

Polyolefiny - velká skupina syntetických polymerů, které se využívají v polygrafii jako fólie, smršťovací fólie či fólie na laminování.

 

Využití

Content ofset2

Obr. 15: Tiskové válce

Polyuretany - používají se k výrobě tiskových válců.

Logolink