§ 42. Синтетические волокна

Определения и обозначения

Синтетическое волокно — волокно, полученное из полимера, который синтезировали из низкомолекулярных веществ. Этим оно отличается от искусственного волокна: для искусственного исходным сырьём служит природный полимер, например целлюлоза. Такое различие показывает, откуда взялся материал, а не только как он выглядит.

Капрон — синтетическое полиамидное волокно, основой которого служит полимер капролактама. В его макромолекулах повторяются фрагменты с амидными группами. Поэтому, называя капрон полиамидом, мы указываем на характерные связи в его полимере и можем объяснять свойства материала через строение.

Лавсан — синтетическое полиэфирное волокно из терефталевой кислоты и этиленгликоля. При образовании полимера между фрагментами молекул возникают сложноэфирные связи. Это позволяет отличить лавсан от полиамидных волокон и связать его состав с особенностями применения.

Нитрон — синтетическое полиакрилонитрильное волокно. Его получают полимеризацией акрилонитрила: множество молекул исходного вещества соединяются в длинные цепи. Название напоминает о мономере и помогает определить, к какому типу полимеров относится волокно.

Как это устроено

Чтобы получить синтетическое волокно, сначала из небольших молекул создают длинные полимерные цепи. При полимеризации молекулы мономера присоединяются друг к другу без выделения низкомолекулярного побочного продукта; так получают полиакрилонитрил для нитрона. При поликонденсации молекулы соединяются с выделением небольших молекул, например воды. Этим способом взаимодействие терефталевой кислоты и этиленгликоля приводит к полиэфиру лавсана.

Капрон получают из капролактама, молекулы которого соединяются с раскрытием кольца, образуя полиамидные цепи. Затем полимер превращают в расплав или раствор, который можно продавить через узкие отверстия фильеры. Так получают множество тонких непрерывных нитей. Их охлаждают или удаляют растворитель, чтобы нити сохраняли форму и их можно было обрабатывать дальше.

Сформованные нити вытягивают, потому что в них макромолекулы сначала расположены не вполне упорядоченно. При вытягивании цепи ориентируются преимущественно вдоль оси волокна и теснее взаимодействуют друг с другом. Из-за такой ориентации нить лучше сопротивляется растяжению. Степень вытягивания влияет на свойства готового материала, поэтому это не просто способ сделать нить тоньше.

Прочность волокна зависит от длины и расположения цепей, а также от притяжения между ними. Гибкие участки макромолекул позволяют цепям менять положение и придают материалу эластичность, тогда как сильное взаимодействие между цепями мешает их сдвигу. Нагревание может ослаблять такие взаимодействия или менять строение полимера, а кислоты, щёлочи и растворители способны взаимодействовать с его определёнными группами. Поэтому химический состав влияет и на механические свойства, и на устойчивость к внешним воздействиям.

У капрона, лавсана и нитрона разные повторяющиеся звенья и связи, поэтому свойства этих материалов не совпадают. Капрон используют там, где важны прочность и износостойкость; лавсан ценят за прочность и устойчивость к свету и атмосферным воздействиям. Нитрон применяют, в частности, для тканей и изделий, которым нужны свойства, близкие к шерстяным. При выборе смотрят не на одно название волокна, а на требования к готовому изделию.

Синтетические волокна позволяют получать прочные материалы с заранее выбранными характеристиками, а сами изделия часто удобны в уходе. Но универсального волокна нет: высокая прочность сама по себе не гарантирует устойчивости к нагреванию или химическим веществам. Для одежды учитывают комфорт, способность материала пропускать воздух и условия стирки, а для технических изделий — нагрузку и среду эксплуатации. Поэтому подходящий материал выбирают по сочетанию нужных свойств, а не по общему слову «синтетический».

Получение, свойства и применение синтетических волокон

Сначала сопоставьте исходные вещества и способ образования полимера: это помогает различить полиамид, полиэфир и полиакрилонитрил. Затем сравните свойства с задачей, для которой нужен материал. Примеры применения служат ориентиром, но не заменяют проверку условий использования конкретного изделия.

Разбор задач

Задача 1. Определите, к какому классу полимеров относится капрон, и назовите исходное вещество для его получения. Нужно не угадывать класс по слову «волокно», а связать название материала с его составом. В ответе укажите и класс, и исходное вещество.

1. Вспоминаем, что капрон получают из капролактама.
2. При превращении капролактама образуются цепи с амидными группами.
3. Полимеры с такими группами относят к полиамидам, поэтому капрон называют полиамидным волокном.

Ответ: капрон относится к полиамидам; исходное вещество — капролактам. Проверка проста: в объяснении должны быть оба элемента — класс полимера и мономерное сырьё. Если назван только капролактам, задача решена не полностью.

Задача 2. Для получения полимера используют терефталевую кислоту и этиленгликоль. Назовите волокно, которое из него формуют, и определите тип реакции образования полимера. Важно распознать не только исходные вещества, но и признак реакции. При соединении их молекул образуются сложноэфирные связи.

1. Сопоставляем пару веществ: терефталевая кислота и этиленгликоль дают полиэфир лавсан.
2. Проверяем, что происходит при соединении молекул: вместе с полимером выделяются низкомолекулярные продукты.
3. Если образование полимера сопровождается выделением таких продуктов, реакция называется поликонденсацией.

Ответ: формуют лавсан, а полимер получают поликонденсацией. Выделение низкомолекулярного вещества — ключевое отличие этого процесса от полимеризации. Если в объяснении указан только полиэфир, но не назван признак реакции, обоснование остаётся неполным.

Задача 3. Для изделия требуются волокна, устойчивые к свету и атмосферным воздействиям. Выберите материал из капрона, лавсана и нитрона и обоснуйте выбор, сопоставив строение, свойства и применение. Здесь недостаточно вспомнить название одного волокна: нужно проверить, отвечает ли оно условию. Свойства полимера связывают с возможным применением материала.

1. Выделяем главное требование: нужна устойчивость к свету и погодным воздействиям.
2. Сравниваем кандидатов: такую устойчивость проявляют лавсан и нитрон, тогда как капрон выбирают прежде всего за прочность и износостойкость.
3. Уточняем назначение изделия и выбираем между подходящими волокнами: лавсан применяют в тканях и технических материалах, нитрон — в том числе в одежных тканях и трикотаже.

Ответ: если изделие — ткань или технический материал, подходящим выбором может быть лавсан; для одежды и трикотажа можно рассмотреть нитрон. Оба варианта соотносятся с требованием устойчивости к свету и погоде, поэтому окончательное решение зависит от назначения изделия. Обоснование должно называть и требуемое свойство, и связь выбора с применением, а не просто перечислять волокна.

Типичные ошибки

Ошибка — считать синтетические волокна искусственными. Их часто объединяют потому, что оба вида производят химической обработкой и не получают непосредственно в готовом виде из природного сырья. Но синтетические полимеры синтезируют из низкомолекулярных веществ, а искусственные получают переработкой природных полимеров. Проверь себя вопросом: каким было исходное сырьё для полимера?

Ошибка — путать полимеризацию с поликонденсацией. В обоих случаях образуются полимеры, поэтому различие легко упустить, если смотреть только на результат. При поликонденсации выделяются низкомолекулярные вещества, а при полимеризации — нет. Чтобы проверить себя, ищи в описании реакции указание на побочный продукт, а не ориентируйся только на название волокна.

Ошибка — считать, что все синтетические волокна одинаковы по свойствам. Их могут объединять общим словом «синтетические», но макромолекулы капрона, лавсана и нитрона имеют разный состав и строение. Поэтому у этих материалов различаются устойчивость к воздействиям и области применения. Самопроверка: сопоставь каждое волокно с его классом полимера и нужными свойствами.

Ошибка — переносить свойство волокна на любое изделие без учёта условий использования. Например, прочность не отвечает сама по себе на вопросы о нагревании, влаге и контакте с химическими веществами. Выбор зависит от совокупности условий, а не от одного достоинства материала. Перед ответом проверь, для чего предназначено изделие и каким воздействиям оно будет подвергаться.

Связь с другими темами

Для понимания темы нужны понятия мономера и полимера, а также умение различать полимеризацию и поликонденсацию. Эти знания помогают проследить путь от исходных низкомолекулярных веществ до макромолекулы и готового волокна. Тема продолжает изучение строения и свойств полимеров и показывает, как органический синтез используется в промышленности. Сведения о свойствах материалов пригодятся при изучении текстильных изделий и выборе вещей для разных условий эксплуатации.

Что запомнить

• Синтетические волокна получают из полимеров, синтезированных из низкомолекулярных веществ.
• Полимер формуют в тонкие нити, которые затем вытягивают.
• Капрон относится к полиамидным волокнам.
• Лавсан относится к полиэфирным волокнам.
• Нитрон получают из полиакрилонитрила.
• Свойства волокна зависят от химического строения его полимера.
• Выбор волокна определяется свойствами, необходимыми для конкретного изделия.