Природные полимеры

Размещено на http://www.allbest.ru/

Природные полимеры

К природным полимерам, применяемым в полиграфии, относятся: полисахариды (целлюлоза, крахмал, камеди), белки (глютин, казеин), полидиены (каучук и резина).

Целлюлоза (клетчатка) - природный полимер полисахарид, принадлежащий к классу углеводов, - прочное волокнистое вещество белого цвета, из которого состоит опорная ткань всех растительных клеток. Гигантская молекула (макромолекула) целлюлозы (С6Н10О5)n построена из многократно повторяющихся структурных звеньев -- остатков в-глюкозы (остатком глюкозы называется то, что остается от ее молекулы после отсоединения одной молекулы воды).

Коэффициент полимеризации у целлюлозы различного происхождения различен: у древесной целлюлозы он равен 3000, у хлопковой -- 12 000, у льняной -- 36 000 (приблизительно). Длиной молекулярной цепи и объясняется большая прочность хлопкового и особенно льняного волокна по сравнению с волокнами древесной целлюлозы.

Каждое структурное звено молекулы целлюлозы -- остаток в-глюкозы -- имеет по три спиртовых гидроксила. Поэтому целлюлоза, несмотря на волокнистое строение и нерастворимость в воде, подобно спиртам способна образовывать простые и сложные эфиры, щелочную целлюлозу. Спиртовые гидроксилы в молекуле целлюлозы являются причиной возникновения химических водородных связей между молекулярными цепями, обеспечивающих образование технического целлюлозного волокна и формование на сетке бумагоделательной машины прочного листа бумаги при постепенной отдаче воды, доведении сухости бумаги до 92--96%.

Целлюлоза выдерживает нагрев до 150 °С без разрушения, при более высокой температуре наблюдается деполимеризация целлюлозы и связанная с этим потеря прочности, а при 270 °С и выше начинается термическое разложение с выделением продуктов распада: уксусной кислоты, метилового спирта, кетонов, в остатке -- деготь и уголь.

Каждое растительное волокно, например хлопковое, льняное, древесное, - одна клетка, оболочка которой состоит в основном из целлюлозы. Внутри волокна (клетки) имеется канал-капилляр, доступный для проникновения влаги и воздуха. Длина технического волокна целлюлозы в среднем 2,5--3 мм (ель, сосна, береза, тополь) и 20--25 мм (лен, хлопок, пенька) при диаметре около 25 мкм. Структура оболочки целлюлозной клетки очень сложна, имеет фибриллярное строение.

Фибриллы - это нитевидные элементарные волокна - пачки молекул целлюлозы, прочно соединенные между собой водородными связями длиной около 300 мкм и диаметром около 30 нм. В промежутках между фибриллами находятся гемицеллюлозы и лигнин, причем содержание их увеличивается от внутренних слоев клеточной стенки к наружным. Межмолекулярные пространства целлюлозы заполнены преимущественно лигнином. Так, абсолютно сухое хлопковое волокно - чистая 100%-ная целлюлоза; волокна льна и конопли содержат до 93 - 97% целлюлозы. В абсолютно сухой древесине различных пород деревьев содержание целлюлозы составляет примерно 50%, гемицеллюлоз - 20% и лигнина - 30%, а также некоторое количество минеральных солей, образующих золу при сжигании древесины, и до 3% (в сосне) смолистых веществ. Волокна чистой целлюлозы отличаются белизной, гибкостью, прочностью и упругоэластичностью.

Гемицеллюлозы (полисахариды) - нечто среднее между целлюлозой и крахмалом. Молекулы гемицеллюлоз построены из остатков моносахаридов: маннозы (гексозы) и ксилозы (пентозы). Гемицеллюлозы не имеют волокнистого строения. Они служат резервным питательным веществом для растений, деревьев и предохраняют их от инфекций. Гемицеллюлозы набухают в воде, сравнительно легко гидролизуются даже очень разбавленными кислотами, растворяются в 18,5%-ной щелочи. Гемицеллюлозы не являются вредными примесями целлюлозы, идущей для изготовления бумаги. Наоборот, древесная целлюлоза с большим содержанием гемицеллюлоз легко поддается размолу, а приготовленная из нее бумага имеет повышенную прочность (особенно поверхности), так как гемицеллюлозы - хорошая естественная проклейка.

Лигнин - вещество химически неустойчивое, реакционно способное: под влиянием света, влаги, кислорода воздуха, тепла лигнин разрушается, вследствие чего растительные волокна, содержащие лигнин, теряют прочность и темнеют. Лигнин в отличие от целлюлозы растворяется в разбавленных кислотах и щелочах. На этом свойстве лигнина основаны способы производства целлюлозы из древесины, соломы, тростника и других растительных тканей. Лигнин - природный полимер, структурным звеном которого является остаток очень реакционноспособного ароматического спирта - в-оксикониферилового. Одревеснение (омертвение) растительных клеток связано с появлением в них лигнина.

Крахмал в виде микроскопических зерен образуется в зеленых частях растений из углекислого газа воздуха и влаги под влиянием света и уносится вместе с соками растения в клубни и зерна, где и отлагается как запасное питательное вещество.

Физические свойства крахмала. Крахмальные зерна разных растений имеют различную форму и размер. Крахмал не растворяется в холодной воде, спирте и эфире. В горячей воде зерна крахмала набухают, увеличиваются в объеме в сотни раз, теряют форму и образуют вязкий и клейкий раствор. Температура растворения крахмала в воде называется температурой его клейстеризации. Для картофельного крахмала она будет равна 60°, для маисового (кукурузного) - 70°, пшеничного и рисового - 80 °С.

Химические свойства крахмала. Крахмал, так же как и целлюлоза, является природным полимером - полисахаридом, принадлежащим к классу углеводов и отвечающим молекулярной формуле (С6Н10О5)n. Но структурным звеном молекулярной цепи крахмала будет остаток б-глюкозы, а целлюлозы - в-глюкозы. Поэтому в крахмале каждые два остатка б-глюкозы образуют остаток дисахарида мальтозы, а в целлюлозе - каждые два остатка в-глюкозы образуют остаток дисахарида целлобиоза. Мальтоза - геометрический изомер целлобиозы.

Крахмал содержит две фракции полисахаридов: амилозу и амилопектин. Амилозой богат картофельный крахмал, а амилопектином - кукурузный (маисовый). Амилоза растворяется в воде хорошо, амилопектин - плохо. Этим и объясняется плохое растворение и более высокая температура клейстеризации маисового крахмала.

Картофельный крахмал используется в полиграфии в качестве переплетного клея (клейстера), в бумажной промышленности - для проклейки бумаги, в производстве переплетных тканей - в качестве аппрета.

Натуральный каучук - полимер изопрена - (--СН2-- --СН = С(СН3)--СН2--)п добывается из латекса - сока некоторых тропических деревьев, главным образом гевеи бразильской, произрастающей в Южной Америке, Индии, Африке и Цейлоне (Шри-Ланке).

Латекс - это коллоидная система, золь из глобул молекул каучука в водной среде. Золь - дисперсная система в коллоидно-устойчивом состоянии; гель - та же система, которая потеряла устойчивость и скаогулировала, т.е. свернулась. Глобулы - это пачки молекул, закрученные в клубок; диаметр глобул около 1 нм. При добавлении к латексу кислот или нагревании устойчивость золя нарушается, и каучук выпадает в виде осадка, который высушивается, вальцуется, нарезается листами. В таком виде каучук поступает на резиновые заводы.

Очень крупные молекулы каучука длиной около 8 мкм не вытянуты в нитку, а закручены в клубок, поэтому каучук имеет высокую эластичность. Молекулы каучука распрямляются под действием соответствующего усилия, а затем, после прекращения действия этого усилия, опять собираются в клубок.

Каучук эластичен и прочен, но он затвердевает на морозе, расплавляется при нагревании, а также впитывает воду, растворяется в бензине и некоторых других органических растворителях. Поэтому каучук в Европе долгое время не находил практического применения. И только в 40-х гг. XIX в. из каучука стали делать резину. В результате нагревания с серой каучук твердеет, превращаясь в прочный упругоэластичный материал - резину, потерявший способность растворяться в органических растворителях, тепло- и морозостойкий. Процесс взаимодействия каучука с серой при 120 - 150 °С называется процессом вулканизации. При вулканизации атомы серы присоединяются к молекулам каучука по месту двойных связей, «сшивая» молекулярные цепи в непрерывную трехмерную систему.

Резиной называется каучук, смешанный с серой, ускорителями процесса вулканизации, усилителями, наполнителями, мягчителями, противостарителями, красочными пигментами и подвергнутый процессу вулканизации.

Ускорители вулканизации, например каптакс, тиурам и др., значительно сокращают время вулканизации и одновременно улучшают механические свойства резины.

Усилители, например сажа, и наполнители, например мел, увеличивают механическую прочность резины в несколько раз и одновременно позволяют сэкономить некоторое количество каучука, снизить стоимость резины.

Мягчители, например минеральные масла, облегчают переработку резиновой смеси и уменьшают твердость готовых резиновых изделий.

Противостарители - некоторые первичные амины и их замещенные, например эджэрайт, неозон Д, препятствуют преждевременному отвердеванию резины, потере ею эластичности и упругости.

Красящие вещества придают резине тот или иной цвет. Функции красящих веществ выполняют сажа, красный оксид железа (редоксайд), диоксид титана, оксид цинка и др.

Все составные части резиновой массы смешивают на вальцах или в резиносмесителе. После этого резиновой массе придают форму листов каландрированием или получают «сырые» заготовки соответствующей формы. Заготовки подвергают вулканизации при 120 - 150 °С во время прессования под давлением 1,5 - 2,0 МПа или при нормальном давлении после формования из них деталей.

полисахарид химический крахмал

Размещено на Allbest.ru