Tworzywa sztuczne (TS) pochodzenia naturalnego

Tworzywa sztuczne (TS)

pochodzenia naturalnego

Polisacharydy Polisacharydy (inaczej: wielocukry, cukry

złożone) – grupa węglowodanów i zarazem

biopolimerów, które są złożone z merów będących

cukrami prostymi. Wśród polisacharydów wyróżnia się

związki zawierające kilka jednostek cukrowych

(oligosacharydy, np. disacharydy, trisacharydy,

tetrasacharydy itd.) oraz wielocukry właściwe, do

których należą m.in.: (np. glikogen, chityna, kwas

alginowy, agar, insulina, guma arabska

|i hemiceluloza).

Celuloza i jej pochodne

– Celuloza jest naturalnym związkiem wielocząsteczkowym wchodzącym w skład większości organizmów roślinnych: stanowi główny składnik ścianek komórek roślinnych i oprócz ligniny jest podstawowym składnikiem drewna (40-70% celulozy, w zależności od rodzaju drewna). Największą wartość celulozy, dochodząca do 98%. mają włókna bawełny, ramii i lnu. Zwykle oprócz celulozy i ligniny znajdują się w drewnie takie substancje, jak: hemiceluloza, olejki eteryczne i żywice, woski i tłuszcze, substancje garbnikowe, a także barwniki, flawonoidy. glikozydy, substancje azotowe i sole mineralne.

– Z punktu widzenia budowy chemicznej celuloza jest liniowym polisacharydem stereoregularnym, którego pojedynczą strukturalną jednostką powtarzalną (merem) jest D-glukoza połączona z sąsiednimi merami wiązaniami B-glikozydowymi pomiędzy węglem 1 i 4.

Celuloza naturalna

Charakterystycznymi cechami budowy celulozy,

wpływającymi w decydujący sposób na jej

właściwości, jest:

• duża sztywność makrocząsteczek, • wysoki stopień uporządkowania struktury oraz występowanie 3 grup hydroksylowych (jedna pierwszorzędowa i dwie dnigorzędowe - zdolne do reakcji chemicznych),

• występowanie wiązań wodorowych pomiędzy poszczególnymi łańcuchami: jest ona polimerem częściowo krystalicznym (60-70S) o masie cząsteczkowej od 30 000 do paru milionów,

• celuloza jest całkowicie nierozpuszczalna w rozpuszczalnikach organicznych rozpuszcza się natomiast w odczynniku Schweitzera, będącym amoniakalnym roztworem wodorotlenku miedziowego,

• rozpuszcza się (przy jednoczesnej hydrolizie) w stężonych mocnych kwasach (HCk H2SO4, HF) oraz w stężonych roztworach niektórych soli (np. chkwiu cynowym, antymonowym i bizmutowym).

Celuloza regenerowana

Z celulozy otrzymuje się wiele ważnych wyrobów

użytkowych przez jej puszczenie, a następnie wytrącenie

z roztworu w kąpieli koagulacyjnej. Jednym

z najważniejszych produktów otrzymanych z celulozy

jest celuloza regenerowana, występująca w postaci

sztucznego jedwabiu wiskozowego. Celuloza

regenerowana ma inne właściwości niż celuloza

naturalna, ponieważ w czasie procesu rozpuszczania

zachodzi daleko posunięta degradacja, przy czym

produkt po regeneracji jest zwykle mniej krystaliczny.

Najczęściej stosowaną metodą regeneracji jest

tzw. proces ksantogenianowy; w procesie tym

wyróżnia się następujące etapy:

• działanie na celulozę 18-proc. NaOH. w celu usunięcia hemiceluloz

i otrzymania alkalicelulozy,

• dojrzewanie alkalicelulozy. połączone z jej powolną degradacją pod

wpływem tlenu powietrza.

• przeprowadzenie alkalicelulozy w sól sodową kwasu

clulozoksantogenowego, tzw. ksantogenian celulozy.

• rozpuszczenie ksantogenianu celulozy w rozcieńczonym ługu i otrzyma

nie tzw. wiskozy,

• dojrzewanie wiskozy, podczas którego następuje częściowa regeneracja

ksantogenianu celulozy do celulozy.

• przędzenie wiskozy za pomocą jej wytłaczania przez dysze (filiery)

• koagulacja wytłoczonego włókna wiskozowego w roztworze kąpieli

koagulacyjnej (zwykle siarczanem sodowym).

• obróbka wykańczająca uformowanego jedwabiu wiskozowego

(wybielanie itp.).

Azotan celulozy Azotan celulozy przypomina wyglądem bawełnę. Jest

to materiał łatwopalny i ze względu na niebezpieczeństwo samozapalenia nie można przechowywać go w stanie suchym; najczęściej magazynuje się azotan celulozy zawierający ok. 30% alkoholu.

Gatunki azotanu celulozy o zawartości 10-12% azotu są produkowane pod nazwami koloksylina lub bawełna kolodionowa i znalazły zastosowanie do otrzymywania tworzyw polimerowych i lakierów (tzw. lakiery nitro) oraz klejów.

[1]

Właściwości azotanu celulozy:

• Silne właściwości wybuchowe

• Łatwopalny

• Może ulec samozapłonowi jeżeli zawiera resztki kwasów

• Temperatura wybuchu ok. 200°C

• Dobrze rozpuszcza się w rozpuszczalnikach organicznych (np. alkohol

etylowy, aceton, benzen)

• Nierozpuszczalny w wodzie

• Prędkość detonacji 7300 m/s przy maksymalnej gęstości 1,2 g/cm3

• Powoli rozkłada się pod wpływem ciepła

• Mała wrażliwość na wstrząsy

• Zapala się pod wpływem iskry, ciepła, płomienia

• Wygląd zewnętrzny zależy od wyglądu celulozy przed estryfikacją - nie

ulega zmianie

Octan celulozy

Octan celulozy (CA) jest podstawowym estrem organicznym, który w porównaniu z azotanem celulozy jest polimerem bardziej stabilnym i trudno palnym.

Otrzymuje się go w wyniku reakcji acetylowania celulozy bezwodnikiem octowym w środowisku lodowatego kwasu octowego lub chlorku metylenu w obecności kwasu siarkowego jako katalizatora; w wyniku acetylowania celulozy otrzymuje się produkt o maksymalnie możliwym stopniu zacetyIowania, tj. trójoctan celulozy (o zawartości 62.5% grup acetylowych).

[2] [3]

– Octan celulozy stosie się przede wszystkim do wyrobu włókna syntetycznego zwanego pospolicie jedwabiem octanowym. W tym celu octan celulozy rozpuszcza się w takiej ilości acetonu, aby uzyskać ok. 20-proc. roztwór. Roztwór len po przesączeniu przetłacza się przez drobne otworki filiery. Przetłaczanie odbywa się w strumieniu ciepłego powietrza, co powoduje odparowanie rozpuszczalnika i powstanie włókien.

– Jedwab octanowy charakteryzuje się dobrymi właściwościami clcktroizola- cyjnymi i odpornością na działanie pleśni, nie wykazuje natomiast zbyt dużej wodoodporności.

– Octan celulozy jest stosowany również do wyrobu trudno palnych taśm i folii dla przemysłu fotograficznego oraz tworzyw przeznaczonych do przetwórstwa wtryskowego.

[4]

Etery celulozy Etery, oprócz estrów, są ważną grupą użytkowych

pochodnych celulozy. Otrzymuje się je na ogół w wyniku reakcji alkalicelulozy z chlorkami alkilowymi, najczęściej: metylowym, etylowym, a także z 2-chloroetanolem, chloropropanolem oraz chloromrówczanem metylu:

Cel-OH + NaOH + RCI —Cel- OR + NaCI + H20

[5]

Etyloceluloza

Spośród eterów celulozy największe zastosowanie znajduje

etyloceluloza (EC); otrzymuje się ją w wyniku reakcji chlorku etylu

z alkalicelulozą.

Stopień zetylowania celulozy reguluje się doborem odpowiedniej

temperatury procesu, czasem jego trwania, stężeniem chlorku

etylu i wzajemnym stosunkiem reagentów; w praktyce stopień

podstawienia wynosi najczęściej 2.3-2.6.

Przemysłowy proces otrzymywania etylocelulozy składa się

z następujących etapów:

• przygotowania surowców,

• mcrccryzacji celulozy,

• eteryfikacji alkalicelulozy,

• wydzielenia celulozy, jej przemywania, zakwaszenia, ponownego

wydzielania, suszenia i obróbki wykańczającej.

Metyloceluloza

– Metylocelulozę otrzymuje się na ogół w wyniku reakcji alkalicelulozy z chlorkiem metylu

• Cel-OH + NaOH + CH3CI —> Cel-OCH3 + NaCI + H20

– Niekiedy stosuje się jako czynnik metylujący celulozę siarczan metylu; otrzymana metyloceluloza zawiera najczęściej 1.2-2.4 grup metyloksylowych na jedno ugrupowanie glukozydowe,

– Metyloceluloza (w przeciwieństwie do etylocelulozy) rozpuszcza się w zimnej wodzie, przy jednoczesnej nierozpuszczalności w gorącej wodzie, w której ulega żelowaniu. Stosuje się ją jako czynnik zagęszczający, jako koloid ochronny w procesie polimeryzacji suspensyjnej, jako apreturę włókienniczą, a także dodatek do niektórych klejów.

[6]

Benzyloceluloza – Benzynocelulozę otrzymuje się w wyniku reakcji chlorku benzylu

z alkalicelulozą:

• Cel-OH + NaOH + C6H5CI —> Cel-OC6H5 + NaCI + H2O

– Charakteryzuje się ona dobrą odpornością chemiczną, odpornością

na działanie wody, a także adhezją do powierzchni różnych

materiałów; ma zastosowanie do produkcji powłok ochronnych.

Karboksymetyloceluloza

Karboksymetyloclulozę otrzymuje się w wyniku reakcji chlorooctanu

sodu z alkalieelulozą:

Cel-OH+NaOH + CICH2COONa —> Cel-OCH2COONa + NaCI

Proces prowadzi się w temperaturze pokojowej lub podwyższonej

(50+ 85*C) w ciągu 1-4 h; produkt reakcji wytrąca się alkoholem

i suszy gorącym powietrzem.

Największe znaczenie praktyczne ma sól sodowa

karboksymetylocelulozy o zawartości 0.4-1.2 grup hydroksylowych

i stopniu polimeryzacji 200-1500.

Hydroksymetyloceluloza

– Hydroksymetyloceluloza powstaje w wyniku reakcji tlenku etylenu

z alkalicelulozą; największe znaczenie praktyczne ma produkt

o stopniu podstawienia I 5-2.5. Jest to białożółty proszek

rozpuszczalny w wodzie. Stosuje się go jako zagęszczacz,

emulgator w procesie polimeryzacji octanu winylu oraz jako środek

pomocniczy w przemyśle włókienniczym.

– Spośród pozostałych eterów celulozy znaczenie praktyczne ma

hydroksypropyloceluloza w produkcji pojemników ulegających

samodegradacji.

Inne polisacharydy i ich pochodne

– W organizmach roślin i zwierząt występuje wiele innych polisacharydów, niektóre z nich mają strukturę zbliżoną do celulozy lub skrobi, a inne zupełnie się różnią.

– Przykładem polisacharydu o strukturze podobnej do struktury celulozy jest chityna z tą różnicą, że przy atomie węgla 2 ma zacetylowaną grapę aminową Jest ona bardzo rozpowszechnionym w przyrodzie polimerem naturalnym, występującym w pancerzach skorupiaków i owadów, w pewnych gatunkach grzybów i w ściankach komórek drobnoustrojów. Jest wykorzystywana w ograniczonym zakresie z powodu złej rozpuszczalności, głównie jako substancja błono- i włóknotwórcza; znacznie większe zastosowanie techniczne ma produkt jej modyfikacji w postaci łatwo rozpuszczalnego chitozanu.

Sztuczne włókno białkowe • Materiały włókiennicze pochodzenia zwierzęcego, takie jak wełna,

jedwab, należą do substancji białkowych i są zbudowane z długich łańcuchów polipeptydowych.

• Z białek rozpuszczalnych otrzymywano sztuczne włókna wyciskając roztwór białka np. kazeiny przez dysze przędzalnicze ( filiery ). Wytworzone w ten sposób włókienka roztworu koagulowano za pomocą formaliny na włókienka nierozpuszczalne w wodzie, skręcano w nici i otrzymaną przędzę przerabiano na tkaniny. W ten sposób produkowano tkaniny lanitalowe- wytworzone z białka naturalnego w połączeniu z formaliną.

[7]

Białka – Białka stanowią dużą grupę wielkocząsteczkowych polimerów

naturalnych, będących podstawowym składnikiem żywej materii (skóry, tkanek nerwowych. ścięgien, mięśni, włosów, krwi, a ponadto występują we wszystkich żywych komórkach).

– Pod względem kształtu makrocząsteczek białka dzielą się na dwie grupy: białka fibrylarne, skladąjące się z wydłużonych makrocząsteczek o charakterze włókien (są nierozpuszczalne w wodzie) i białka globularne, których makrocząsteczki mają kształt kulisty; są one bardziej zwarte i utrzymują swój kształt kłębków dzięki wewnątrzcząsteczkowym wiązaniom wodorowym - rozpuszczają się w wodzie i rozcieńczonych roztworach soli.

– Zakres mas cząsteczkowych zbadanych dotychczas rodzajów białek jest bardzo szeroki i zawiera się w granicach od kilku tysięcy do kilku milionów.

– Schematycznie budowę makrocząsteczki białka można wyrazić wzorem:

HOOC— CH—NH—CO—NH—CO — CH—NH—CO—CH—NH2

—

R

—

—

R R

– Charakterystycznym procesem, któremu ulegają białka, jest ich denaturacja polegająca na zmianie konfiguracji makrocząsteczki białka oraz zmianie lepkości i właściwości optycznych; denaturacja powoduje wyprostowywanie się skłębionych, kulistych makrocząsteczek (pękają wiązania wodorowe przyczyniające się do skłębiania).

– Najważniejszym z technicznego punktu widzenia białkiem, które od dawna znalazło zastosowanie w przemyśle tworzyw sztucznych, jest zawarta w mleku kazeina. Otrzymuje się ją z odtłuszczonego mleka, zadając je w temp. 40*C podpuszczką- enzymem pochodzącym z błony śluzowej żołądka cielęcego, wskutek czego kłaczkowate białko zbija się w serowaty osad, który po wysuszeniu miele się na proszek. Tak otrzymany produkt stanowi kazeinę techniczną, którą wykorzystuje się do wyrobu tworzywa pod nazwą Galalit (CF).

[8]

Kauczuk naturalny i jego pochodne

– Kauczuk naturalny jot pod względem chemicznym cis-poliizoprenem o wzorze:

– Otrzymuje się go z drzew kauczukowych w postaci lepkiej cieczy, tzw. lateksu. Jest to wodna emulsja koloidalnych cząstek kauczuku, która kooguluje pod wpływem kwasu mrówkowego lub octowego; wytrącony polimer przemywa się wodą i przepuszcza przez walce, otrzymując jasną krepę kauczukową.

• Kauczuk naturalny w mieszaninie z napełniaczami (najczęściej sadzą), stabilizatorami i aktywatorami poddaje się wulkanizacji w celu otrzymania wyrobów gumowych

• Z lateksu otrzymuje się także wyroby maczane i nici gumowe; lateksem impregnuje się także wyroby włókiennicze.

• Kauczuk naturalny jest dodawany do większości mieszanek gumowych wraz z kauczukami syntetycznymi.

[9]

Źródła: 1. https://pl.wikipedia.org/wiki/Nitroceluloza#/media/File:Synthesis_Nitrocellul

ose.svg

2. https://pl.wikipedia.org/wiki/Octan_celulozy#/media/File:Cellulose_acetate.

svg

3. https://pl.wikipedia.org/wiki/Octan_celulozy#/media/File:Pr%C3%A4zision

sw%C3%BCrfel.jpg

4. http://modaija.pl/wp-

content/uploads/2010/09/jedwab1273486_red_dress.jpg

5. http://www.ua.all.biz/img/ua/catalog/6127513.png

6. https://pl.wikipedia.org/wiki/Metyloceluloza#/media/File:Methylcellulose.sv

g

7. http://1.bp.blogspot.com/-

uOUgWHmt30U/UYAqIe3rtoI/AAAAAAAACoY/bGq-

wmMsFxg/s1600/1_9d8030ae739c.jpg

8. http://www.muscleinfo.pl/upload/articles/000070_770.jpg

9. https://pl.wikipedia.org/wiki/Kauczuk_naturalny#/media/File:Kauczuk_natu

ralny007.svg