2020-04-12
69Лекционные занятия
Раздел 2. Органическая химия.
Тема 2.11. Синтетические высокомолекулярные соединения.
Синтетические волокна. Практическое использование полимеров. Вторичная переработка биополимерных продуктов. Возникновение экологической проблемы вторичной переработки полимерных продуктов.
Задание:
1. Написать конспект в тетради по плану по теме лекции: «Синтетические волокна. Практическое использование полимеров. Вторичная переработка биополимерных продуктов. Возникновение экологической проблемы вторичной переработки полимерных продуктов» (используя учебники из списка литературы, а также материал, приведенный ниже)
2. Выполнить домашнее задание после лекционного материала.
3. Материалы в форме фотоотчета отправить по электронной почте не позднее даты, указанной в информационной карте.
4. Составить сообщение на указанные реферативные темы в плане.
План:
1.Химические волокна:
а) Основные этапы развития химических волокон.
2. Классификация химических волокон:
а) Искусственные волокна.
б) Синтетические волокна.
3. Краткая характеристика методов получения.
4. Свойства волокон:
а) Хлопок
б) Вискозное
в) Шерсть и шелк натуральный
г) Ацетатное
д) Капрон
5. Практическое использование полимеров.
6. Свойства некоторых пластмасс:
а) Полиэтилен
б) Поливинилхлорид
в) Полистирол
г) Фенол-формальдегидная смола
7. Вторичная переработка биополимерных продуктов.
8. Возникновение экологической проблемы вторичной переработки полимерных продуктов:
а) Решение задач с экологическим содержанием.
б) Рефераты обучающихся.
Темы рефератов: «Антропогенная токсикация планеты», «Самое удивительное вещество на Земле», «Химия и охрана окружающей среды: охрана воздуха, воды, почвы».
Лекция:
Химические волокна.
История
Впервые мысль о том, что человеком может быть создан процесс, подобный процессу получения натурального шелка, при котором в организме гусеницы шелкопряда вырабатывается вязкая жидкость, затвердевающая на воздухе с образованием тонкой прочной нити, была высказана французским ученым Р. Реомюром еще в 1734 году.
Производство первого в мире химического (искусственного) волокна было организовано во Франции в г. Бензансоне в 1890 году и основано на переработке раствора эфира целлюлозы (нитрата целлюлозы), применяемого в промышленности при получении бездымного пороха и некоторых видов пластмасс.
Основные этапы в развитии химических волокон.
* На первом этапе – с конца XIXвека до 1940-50-х годов – разрабатывались и совершенствовались процессы получения искусственных волокон на основе природных полимеров из них растворов мокрым методом формирования. Развилось производство вискозных волокон. Некоторое развитие получили процессы сухого формирования ацетатных волокон. Однако доминирующую роль в изготовлении текстильных изделий играли природные волокна, химически рассматриваются только как дополнение к природным волокнам. Изделия из химических волокон изготавливались в весьма небольших количествах.
* На втором этапе – 1940-70-е годы – развились процессы синтеза волокнообразующих мономеров, полимеров и технологии получения волокон из расплавов синтетических полимеров. Одновременно сохранилось и совершенствовалось производство волокон мокрым методом формирования. Производство химических волокон развивалось в промышленно развитых странах. В этот период созданы основные виды химических волокон, которые можно назвать «традиционными» или «классическими». Химические волокна рассматривались как дополняющие и только частично заменяющие природные волокна.
* На третьем этапе – этапе 1970-90-е годы – выпуск химических волокон существенно возрос. Широко развились методы их модификация для улучшения потребительных свойств. Химические волокна приобрели самостоятельное значение для самых различных видов изделий и областей применения. В этот же период в промышленно развитых странах созданы «волокна третьего поколения» с принципиально новыми специфическими свойствами: сверхпрочные и сверхвысокомодульные, термостойкие и трудногорючие, хемостойкие, эластомерные и др.
* На четвертом этапе – с 1990-х годов по настоящее время – идет современный этап развития производства химических волокон, появление новых способов модифицирования, создание новых видов многотоннажных волокон: «волокон будущего» или «волокон четвертого поколения». В их числе новые волокна на основе воспроизводимого растительного сырья (лиоцелл, полилатидные), новые мономеры и полимеры, получаемые путем биохимического синтеза и волокна на их основе. Проводятся исследования по применению новых принципов получения полимеров и волокон, основанных на методах генной инженерии.
Классификация химических волокон
В России принята следующая классификация химических волокон в зависимости от вида исходного сырья:
* искусственное волокно (из природных полимеров): гидратцеллюлозные, ацетилцеллюлозные, беловые
* синтетическое волокно (изсинтетических полимеров): кабоцепные, гетероцепные
Иногда к химическим волокнам относятся минеральные волокна, получаемые из неорганических соединеий (стеклянные, металлические, базальтовые, кварцевы).
Искусственные волокна
* Гидратцеллюлозные
1. Вискозные, лиоцелл
2. Медно-аммиачные
* Ацетилцеллюлозные
1. Ацетатные
2. Триацетатные
* Белковые
1. Казеиновые
2. Зеиновые
Синтетические волокна
(в скобках приведены торговы названия)
* Карбоцепные (содержат в цепи макромолекулы только атомы углерода):
1. Полиакрилонитрильные (нитрон, саран, виньон, ровиль, тевирон)
2. Поливинилхлоридные (Хлоин, саран, виньон, ровиль, тевирон)
3. Поливинилспиртовые (винол, мтилан, винилон, куралон, виналон)
4. Полиэтиленовые (спектра, дайнема, текмилон)
5. Полипропиленовые (геркулон, ульстрен, найден, мераклон)
* Гетероцепные (содержат в цепи макромолекулы кроме атомов углерода атомы других элементов):
1. Полиэфирные (лавсан, терилен, дакрон, тетерон, эедана, тергаль, тесил)
2. Полиамидные (капрон, найлон -6, перлон, дедерон, амилан, анид, найлон-6,6, родиа-найлон, ниплон, номекс)
3. Полиуретановые (спандекс, лайкра, вайрин, эспа, неолан, санцель, ворин)
Краткая характеристика методов получения
В промышленности химические волокна вырабатывают в виде:
* штапельных волокон (резаных длиной 35 – 120 мм);
* жгутов и жгутиков (линейная плотность соответственно 30 – 80 и 2 – 10 г/м)
* комплексных нитей (состоят из многих тонких элементарных нитей);
* мононитей (диаметром 0,03 – 1,5 мм).
Первая стадия процесса производства любого химического волокна заключается в приготовлении прядильной массы (формовочного раствора или расплава), которую в зависимости от физико-химических свойств исходного полимера получают растворением его в подходящем растворителе или переводом его в расплавленное состояние.
Полученный вязкий формовочный раствор тщательно очищают многократным фильтрированием и удаляют твердые частицы и пузырьки воздуха. В случае необходимости раствор (или расплав) дополнительно обрабатывают – добавляют красители, подвергают «созреванию» (выстаиванию) и др. Если кислород воздуха может окислить высокомолекулярное вещество, то «созревание» проводят в атмосфере инертного газа.
Вторая стадия заключается в формировании волокна. Для формования раствор или расплав полимера с помощь. Специального дозирующего устройства подается в так называемую фильеру. Фильера представляет собой небольшой сосуд из прочного теплостойкого и химически стойкого материала с плоским дном, имеющим большое число (до 25 тыс.) маленьких отверстий, диаметр которых может колебаться от 0,04 до 1,0 мм.
При формировании волокна из расплава полимера тонкие струйки расплава из отверстий фильеры попадают в специальную шахту, где они охлаждаются потоком воздуха и затвердевают. Если формирование волокна производится из раствора полимера, то могут быть применены два метода: сухое формирование, когда тонкие струйки поступают в обогреваемую шахту, где под действием циркулирующего теплого воздуха растворитель улетучивается, и струйки затвердевают в волокна; мокрое формирование, когда струйки раствора полимера из фильеры попадают в так называемую осадительную ванну, в которой под действием различных содержащихся в ней химических веществ струйки полимера затвердевают в волокна.
Во всех случаях формирование волокна ведется под напряжением. Это делается для того, чтобы ориентировать (расположить) линейные молекулы высокомолекулярного вещества вдоль оси волокна. Если этого не сделать, то волокно будет значительно менее прочным. Для повышения прочности волокна его обычно дополнительно вытягивают после того, как оно частично или полностью отвердеет.
После формирования волокна собираются в пучки или жгуты, состоящие из многих тонких волокон. Полученные нити при необходимости промывают, подвергают специальной обработке – замасливанию, нанесению специальных препаратов (для облегчения текстильной переработки), высушивают. Готовые нити наматывают на катушки или шпули. При производстве штапельного волокна нити режут на отрезки (штапельки). Штапельное волокно собирают в кипы.
Свойства волокон
Хлопок – быстро сгорает; ощущается запах жженой бумаги; после сгорания остается серый пепел.
Шерсть и шелк натуральный – горит; ощущается запах паленого пера; образуется хрупкий черный шарик.
Ацетатное – горит в пламени, вне пламени гаснет; спекается в темный нехрупкий шарик.
Капрон – при нагревании размягчается, плавится, образуя твердый нехрупкий блестящий шарик; из расплава вытягиваются нити; в пламени горит с неприятным запахом.
Практическое использование полимеров
В настоящее время нашу жизнь невозможно представить без полимеров. Они всё в большей степени вытесняют из нашего быта природные материалы, поскольку обладают уникальными и самыми разноплановыми свойствами, сравнительно дёшевы, легко обрабатываются, многие подлежат вторичной переработке.
Полимерами (высокомолекулярными соединениями) называют вещества с очень высокой относительной молекулярной массой, молекулы которых состоят из множества повторяющихся структурных фрагментов.
* Повторяющийся фрагмент полимерной цепи называют элементарным (или структурны) звеном полимера, а число элементарных звеньев в цепи – степенью полимеризации.
Элементарное звено
n CH2 = CH CH3 CH
CH3 CH3
Мономер Полимер Степень полимеризации
Свойства некоторых пластмасс
Полиэтилен – жирный на ощупь; в виде пленки прозрачный, эластичный.
Поливинилхлорид – эластичный, в толстых слоях жесткий; прозрачный, но может быть и не прозрачным.
Полистирол – хрупкий, неэластичный; прозрачный, но может быть и непрозрачным.
Фенол-формальдегидная – непрозрачная, неэластичная.
Вторичная переработка биополимерных продуктов
Любое химическое производство создается на основе научных принципов. При наименьших затратах получить наибольший выход продукта важнейшими составляющими любого производства являются общие принципы всех производств.
Один из принципов – это защита окружающей среды и человека: автоматизация вредных производств, герметизация аппаратуры, утилизация отходов производства, нейтрализация выбросов в атмосферу.
Способы решения проблем охраны окружающей среды:
1. Сверхтонкое обеспылевание газа и воздуха: использования высокоэффективных волокнистых фильтрующих материалов; стекловолокно, металловолокно, полимеры.
2. Беспламенное каталитическое сжигание топлива с применением катализаторов. Топливо сгорает полностью до CO2 и H2O, снижается на 40% количество оксида азота, на 20% - угарного газа, а оксида серы снижается в 500 раз.
Решение задач с экологическим содержанием:
№1
Как обнаружить наличие фенола в сточных водах? Привести уравнение реакции.
C6H5OH + FeCl3 [ C6H5O]3Fe + 3HCl
фиолетовое окрашивание
№2
Поясните, почему борьба с коррозией металлов – это одновременно и борьба за сохранение окружающей среды
Информационное обеспечение, необходимое для освоения темы
1. Габриелян О. С. Химия для профессий и специальностей технического профиля. - 6-е изд., стер. – М.: Академия, 2013, стр.163-166.
2. Габриелян О. С. Химия: учеб. для студ. сред. проф. учеб. заведений/ О.С. Габриелян, И.Г. Остроумов.- 6-е изд., стер. – М.: Академия, 2013, стр.213-218 (§11.4).
Критерии оценивания
| оценка | Конспект лекций | Практическое занятие |
| отлично | конспект составлен по плану, соблюдается логичность, последовательность изложения материала, качественное внешнее оформление, объем - 4 тетрадные страницы | выполнены оба задания правильно, качественное внешнее оформление |
| хорошо | конспект выполнен по плану, но некоторые вопросы раскрыты не полностью, есть небольшие недочеты в работе, объем – 4 тетрадные страницы | выполнены оба задания правильно, есть небольшие недочеты в работе |
| удовлетворительно | при выполнении конспекта наблюдается отклонение от плана, нарушена логичность, отсутствует внутренняя логика изложения, удовлетворительное внешнее оформление, объем менее 4 страниц | одно из заданий выполнено неправильно |
| неудовлетворительно | тема не раскрыта, неудовлетворительное внешнее оформление, объем менее 2 страниц | оба задания выполнены неправильно |
