Polimeri și fibre

Polimerii sunt macromolecule din unități repetitive. Polietilena, polipropena, polistirenul și PVC se obțin prin polimerizare; poliesterii și poliamidele prin policondensare. Fibrele naturale sunt bumbacul (celuloză) și lâna (cheratină); viscoza este fibră artificială din celuloză regenerată, iar nylonul și PET, poli(tereftalat de etilen), sunt fibre sintetice. Cauciucul natural este poliizopren, din monomerul izopren $\mathrm{C}{\mathrm{H}}_2=\mathrm{C}(\mathrm{C}{\mathrm{H}}_3)\mathrm{CH}=\mathrm{C}{\mathrm{H}}_2$. Cauciucurile sintetice includ polibutadiena și copolimerul butadienă–stiren. Vulcanizarea cu sulf creează punți de sulf între lanțuri și crește rezistența elastică.

Materiale plastice. Polietilena se obține din etenă și se folosește pentru folii și sticle; polipropena, din propenă, pentru ambalaje și fibre; polistirenul, din stiren ${\mathrm{C}}_6{\mathrm{H}}_5\mathrm{CH}=\mathrm{C}{\mathrm{H}}_2$, pentru obiecte rigide și spume termoizolante. PVC se obține din clorură de vinil și se folosește la țevi și tâmplărie; teflonul, din tetrafluoroetenă $\mathrm{C}{\mathrm{F}}_2=\mathrm{C}{\mathrm{F}}_2$, la acoperiri antiaderente; poliacrilonitrilul (melana), din acrilonitril $\mathrm{C}{\mathrm{H}}_2=\mathrm{CHCN}$, la fibre; plexiglasul (PMMA), din metacrilat de metil, este transparent. Termoplastele se înmoaie la încălzire și se pot recicla, iar materialele termorigide (bachelita) se întăresc ireversibil.

Fibre. Fibrele naturale sunt de origine vegetală (bumbac, in, cânepă, din celuloză) și animală (lână, mătase, din proteine). Fibrele artificiale se obțin prin prelucrarea chimică a unui polimer natural, de exemplu viscoza, din celuloză regenerată. Fibrele sintetice se obțin prin sinteză din monomeri: poliesteri (PET), poliamide (nylon, perlon) și poliacrilonitril. Nylon 6,6 se obține prin policondensarea acidului adipic cu hexametilendiamina, cu eliminare de apă, iar nylon 6 prin polimerizarea caprolactamei.

Cauciuc. Cauciucul natural este poliizopren, cu structură cis. Sub formă brută este lipicios și se deformează la căldură; vulcanizarea cu sulf formează punți de sulf între lanțuri și îl face elastic și rezistent. Cauciucurile sintetice sunt polibutadiena, copolimerul butadienă–stiren și policloroprenul.

Proprietăți și mediu. Polimerii sunt substanțe cu masă molară mare, de ordinul a mii până la sute de mii de g/mol, formate din lanțuri de lungimi diferite, deci masa lor molară este o valoare medie. Materialele plastice sunt izolatori electrici, rezistente chimic și ușoare. Tocmai rezistența lor face ca deșeurile din plastic să se degradeze foarte lent; de aceea ele se colectează selectiv și se reciclează, iar arderea PVC trebuie evitată, pentru că degajă $\mathrm{HCl}$.

Exemplu rezolvat 1. Polimerizarea a $560$ g de etenă.

1. $M({\mathrm{C}}_2{\mathrm{H}}_4)=28$ g/mol, deci $n=560/28=20$ mol.
2. Polimerizarea $\mathrm{nC}{\mathrm{H}}_2=\mathrm{C}{\mathrm{H}}_2\to [-\mathrm{C}{\mathrm{H}}_2-\mathrm{C}{\mathrm{H}}_2-{]}_{\mathrm{n}}$ nu elimină produși mici, deci masa teoretică de polietilenă este $560$ g.
3. La randament de $75\%$ se izolează $420$ g.

Exemplu rezolvat 2. Fracția masică de clor din PVC. Unitatea de repetare este $[-\mathrm{C}{\mathrm{H}}_2-\mathrm{CHCl}-]$, adică ${\mathrm{C}}_2{\mathrm{H}}_3\mathrm{Cl}$, cu $M=2\cdot 12+3\cdot 1+35,5=62,5$ g/mol.

1. În fiecare unitate se află un atom de clor, de $35,5$ g/mol.
2. Fracția de clor este $35,5/62,5\cdot 100=56,8\%$.
3. Procentul este același pentru orice grad de polimerizare, dacă se neglijează grupele terminale.

Exemplu rezolvat 3. Masa de polistiren obținută din stiren. Se polimerizează $5,2$ kg de stiren, ${\mathrm{C}}_8{\mathrm{H}}_8$ ($M=104$ g/mol), cu randament de $90\%$.

1. $n=5200/104=50$ mol de monomer, deci teoretic se obțin $5,2$ kg de polistiren.
2. Masa izolată este $5,2\cdot 0,90=4,68$ kg.
3. Dacă lanțul are gradul de polimerizare $n=1000$, masa molară medie este $1000\cdot 104=104000$ g/mol.

Gradul de polimerizare. Gradul de polimerizare $n$ este numărul de unități de repetare dintr-o macromoleculă, iar masa molară a polimerului este $M\approx n\cdot M_{\text{unitate}}$, dacă se neglijează grupele terminale. Pentru poliacrilonitril, unitatea $[-\mathrm{C}{\mathrm{H}}_2-\mathrm{CH}(\mathrm{CN})-]$ are formula ${\mathrm{C}}_3{\mathrm{H}}_3\mathrm{N}$ și $M=53$ g/mol; la $n=200$ rezultă aproximativ $10600$ g/mol. Pentru polistirenul cu $M=5200$ g/mol, unitatea ${\mathrm{C}}_8{\mathrm{H}}_8$ are $104$ g/mol, deci $n=50$.

Polimerizare și policondensare. La polimerizarea acetatului de vinil $\mathrm{C}{\mathrm{H}}_2=\mathrm{CH}-\mathrm{OCOC}{\mathrm{H}}_3$ nu se elimină molecule mici, deci masa polimerului este egală cu masa monomerului consumat. La obținerea PET din acid tereftalic ($M=166$ g/mol) și etandiol ($M=62$ g/mol) se elimină câte două molecule de apă pentru o unitate de repetare, $M=166+62-2\cdot 18=192$ g/mol; $100$ de unități au masa de aproximativ $19200$ g/mol. Nylon 6,6 are unitatea de repetare cu $M=146+116-36=226$ g/mol.

Clasificare. Se deosebesc fibra naturală de celuloză (bumbacul), fibra artificială din celuloză regenerată (viscoza) și fibra sintetică (PET, nylonul, poliacrilonitrilul). Cauciucul natural conține unități de izopren în configurație cis, iar vulcanizarea mărește rezistența prin legarea lanțurilor cu atomi de sulf.

Complement grupat. Despre polimeri sunt date patru afirmații:

1. polietilena se obține prin polimerizare;
2. cauciucul natural este poliizopren;
3. PET se obține prin policondensare, cu eliminare de apă;
4. viscoza este o fibră sintetică.

• A. Numai 1, 2 și 3 sunt corecte
• B. Numai 1 și 3 sunt corecte
• C. Numai 2 și 4 sunt corecte
• D. Numai 4 este corectă
• E. Toate sunt corecte sau toate sunt false

Afirmațiile 1, 2 și 3 sunt adevărate. Afirmația 4 este falsă, deoarece viscoza este o fibră artificială, obținută din celuloză regenerată. Răspuns corect: A.

Greșeli frecvente

• Greșit: Viscoza este o fibră naturală identică bumbacului.
  Corect: Viscoza este celuloză regenerată, deci fibră artificială.
• Greșit: La polimerizarea clorurii de vinil se elimină HCl.
  Corect: Polimerizarea păstrează atomul de clor în fiecare unitate; nu elimină molecule mici.
• Greșit: Polietilena se obține prin policondensare.
  Corect: Se obține prin polimerizare, adică prin adiții succesive ale etenei.
• Greșit: Vulcanizarea cauciucului înseamnă încălzirea lui cu apă.
  Corect: Vulcanizarea este tratarea cu sulf, care creează punți între lanțuri.
• Greșit: Toate fibrele sintetice sunt poliamide.
  Corect: Există poliamide (nylon), poliesteri (PET) și poliacrilonitril.

Înainte și după