Наше століття часто називають століттям синтетичної хімії. Дуже багато нових речовин одержала хімія за допомогою синтезу.
Навчилася вона одержувати і синтетичні волокна, тобто такі, основу яких складають не природні високомолекулярні речовини, а синтетичні полімери. Одними з перших синтетичних волокон стали відомі нейлон, анид і капрон.
Речовини, що утворять ці волокна, по своїй будівлі до деякої міри подібні з білковими речовинами шовку. Молекули усіх волоком мають лінійна будівля і складаються з повторюваних ланок. Такими ланками в молекулах целюлози будуть залишки молекул глюкози. У молекулах білка натурального шовку, вовни ланками є залишки амінокислот: H O
O
H2N–CH–C ; –N–CH– C–
OH
R R
Будівля молекули білкової речовини шовки може бути виражено схемою: H O H O H O … –N–CH–C–N–CH– C–N–CH– C–… R R R Групи атомів –CO–NH–, що з'єднують залишки амінокислот у таких молекулах, називаються амидными групами, а зв'язку між атомами вуглецю й азоту в них – амидными зв'язками.
У молекулах, що утворять нейлон і капрон, також маються амидные зв'язку між повторюваними групами атомів, але ці повторювані групи атомів – ланки – відрізняються від тих, котрі утворять молекулу природного білка.
Нейлон готують з досить простих органічних речовин – адиптиновой кислоти HOOC – (CH2)4 – COOH і гексаметилендиамина H2N – (CH2)6 – NH2, що у свою чергу, одержують з фенолу. При нагріванні спільно адиптиновой кислоти і гексаметилендиамина утвориться грузла смола. Молекули вихідних речовин, взаємодіючи один з одним, утворять нитковидні молекули нової речовини. Ця реакція відбувається через те, що від кінця однієї молекули відривається гідроксильна група. А від кінця іншої молекули – з аминогруппы – атом водню. Група OH і атом водню утворять молекулу води H2O, а залишки молекул органічних речовин за рахунок валентностей, що звільнилися, з'єднуються один з одним у довгі ланцюги. Спрощено цей процес можна зобразити наступною схемою: HO OH H H
C–(CH2)4–C + N–(CH2)6–N +
O O H H HO OH
C–(CH2)4–C + …
O O HO
C–(CH2)4–C–N–(CH2)6–N–C–(CH2)4–C– … + nH2O ;
O
O H H O O Так з'єднується в ланцюг приблизно по сотні залишків молекул гексаметилендиамина й адиптиновой кислоти.
Нагріту грузлу смолу продавлюють через тонкі отвори фильеры. Охолоджувана повітрям струмінь затвердевает, утворити волокно. Швидкість утворення волокон тут дуже велика – 1000 м /хв. Далі волокна нейлону піддаються розтягуванню на барабанах, що обертаються з різною швидкістю; при цьому вони подовжуються в кілька разів. Молекули, що утворять їх, раніше як би зморщені, випрямляються і розташовуються по осі волокна. Від цього міцність волокна сильно зростає.
Довгі ланцюжки молекул іншого синтетичного волокна – капрону, що є винаходом радянських учених, - побудовані з повторюваних ланок – залишків амінокапронової кислоти NH2–(CH2)5–COOH.
За рахунок аминогрупп і карбоксильных груп різних молекул тут також встановлюється амидная зв'язок між ланками, що видно з наступної схеми будівлі молекули капрону: O H O H O H2N–(CH2)5–C – N–(CH2)5–C – N–(CH2)5–C–… Технічний спосіб одержання волокон капрону подібний зі способом одержання нейлону. З капрону можна одержувати настільки тонкі волокна, що нитка довжиною 9 км буде важити усього лише 6 р.
Волокна нейлону (анида) і капрону мають міцність, значно переважаюча міцність природних і штучних волокон. Виробу з них мають багато й інших чудових властивостей. Вони не гниють, не поїдаються міллю. Після прання вони швидко сохнуть і легко приймають колишній вид. Ці вироби не гигроскопичны і не знижують своєї міцності від вологи, як це спостерігається в інших штучних волокон, навіть у натурального шовку. Дослідження вчених привели до створення ряду нових волокон. У нашій країні, крім анида і капрону, виробляються такі синтетичні волокна, як хлорин, нітрон, лавсан, энант.
До хлорину вчені підійшли в пошуках волокна високої хімічної стійкості (розглянуті вище поліамідні волокна хитливі стосовно кислот). Серед хімічно стійких полімерів був відомий полівінілхлорид (поліхлорвініл): –CH2–CH– Cl n Однак одержати волокно з нього виявилося справою складним. Адже щоб досягти розташування молекул у визначеному напрямку, а без цього немає волокна, необхідно полімер розплавити, тобто дати можливість молекулам його вільно переміщатися, щоб потім у процесі формування перешикувати їхнє розташування і закріпити в потрібному порядку. Тим часом полівінілхлорид не можна розплавляти, тому що при нагріванні він розкладається; важко знайти і придатний розчинник. Подібно тому як при одержанні штучних волокон розчинність целюлози досягається за рахунок її хімічної обробки. Удалося зробити розчинним і полівінілхлорид у результаті його додаткового хлорування. Цю реакцію, дуже напоминающую нам хлорування граничних вуглеводнів, можна виразити такою схемою: –CH2–CH–CH2–CH–CH2–CH–…+ nCl2 –CH2–CH–CH–CH–CH2–CH–…+nHCl Cl Cl Cl Cl Cl Cl Cl Високомолекулярний продукт хлорування утвориться у виді смоли, називаної також хлорином.
Хлорин розчиняють в ацетоні, розчин пропускають через фильеру у ванну з водою. Ацетон при цьому розчиняється, і хлорин виділяється у виді тонких волокон.
Хлоринове волокно негорюче, на нього не діють ни кислоти, ні лугу, якийсь час не діє навіть “царська горілка” – суміш азотної і соляної кислот, що робить звичайно особливо сильну окисну дію.
З хлоринового волокна готують фільтрувальні тканини і прокладочный матеріал для хімічних апаратів, спецодяг для робітників хімічної промисловості, килими, лікувальна білизна і т.д.
У списках хімічно стійких волокон учені звернулися і до полімеру тефлону (–CF2–CF2–)n вищому еталону хімічної інертності речовини, що перевершує в цьому відношенні такі шляхетні метали, як чи золото платина. Тут труднощі здавалися довгий час нездоланними: тефлон не вдавався розчинити в жодному з відомих розчинників, не можна його і чи розплавити навіть перевести в розм'якшений стан без розкладання. Однак використання деяких прийомів формування дозволило останнім часом з тефлону одержати волокна.
Нітрон і лавсан не можуть суперничати по хімічній стійкості з чи хлорином тефлоном, але в них є інші коштовні властивості, що відкривають перед цими волокнами перспективу широкого застосування.
Вихідною речовиною для одержання волокна служить нітрил акрилової кислоти – акрилонитрил CH2–CH. CN
Завдяки наявності подвійного зв'язку між атомами вуглецю ця речовина легка полимеризуется, утворити високомолекулярну смолу полиакрилонитрил
(–CH2–CH–)n. CN
Полімер розчиняють у відповідному розчиннику і формують волокно по мокрому способі, подібно віскозному волокну.
Волокно нітрон по зовнішньому вигляді схоже на вовну, воно дуже добре розчиняє теплоту, досить міцно і перевершує інші волокна по світлостійкості. З цього волокна готують тканини для костюмів і пальто, штучне хутро, трикотажні вироби.
Волокно лавсан по хімічній природі є поліефіром. Вихідні речовини для його одержання – двухосновная терефталевая кислота HOOC– –COOH і двохатомний спирт этиленгликоль HO–CH2–CH2–OH. При відомих умовах ці речовини вступають між собою в реакцію етерифікації так, що в кожного з них взаємодіють при цьому обидві функціональні групи. У результаті утвориться високомолекулярна смола лавсан. Трохи спрощуючи, процес цей можна зобразити так: O O O O C– –C + CH2–CH2 + C– –C + … OH OH HO OH HO OH O O O O C– –C C– –C + nH2O OH O–CH2–CH2–O … Подібні реакції утворення полімерів, що йдуть з виділення низькомолекулярного продукту, носять загальна назва реакцій поліконденсації, на відміну від реакцій полімеризації, що йдуть без виділення побічного продукту і сполуки, що є по істоті реакціями, (див. утворення нітрону).
Одержувані зі смоли лавсан волокна характеризуються великою міцністю, значною стійкістю до високих температур, світлу й іншим реагентам. Тканини з лавсану не мнуться і не втрачають згодом додану їм форму.
У нашій країні до Жовтневої революції існувала лише одна фабрика штучного шовку, що працювала по віскозному способі, та й та припинила свою роботу під час першої світової війни. При Радянській владі промисловість штучних, а потім і синтетичних волокон одержала широкий розвиток. Книга для читання по органічній хімії. Посібник для учнів. М., “Освіта”, 1975.
|