§ 46. Синтетические волокна

Определения и обозначения

Синтетическое волокно — волокно, полученное из синтетического полимера, который синтезируют из низкомолекулярных веществ. Иными словами, сначала из небольших молекул создают длинные полимерные цепи, а затем из полимера формируют волокно. Это определение помогает отличать синтетические материалы от искусственных, которые получают из природных полимеров.

Капрон — полиамидное волокно, формируемое из полимера капролактама; в его цепях есть амидные группы. Амидная группа — участок цепи с атомами углерода, кислорода, азота и водорода, характерный для полиамидов. По этой особенности можно определить класс полимера, из которого сделан капрон.

Лавсан — полиэфирное волокно из полиэтилентерефталата, получаемого взаимодействием терефталевой кислоты и этиленгликоля. В цепях полиэфира повторяются сложноэфирные группы, связывающие фрагменты исходных веществ. Название помогает связать материал с его химической основой и способом получения.

Нитрон — волокно из полиакрилонитрила, который получают полимеризацией акрилонитрила. При полимеризации молекулы исходного вещества соединяются в длинные цепи. Различение названий важно: акрилонитрил — исходный мономер, полиакрилонитрил — полимер, а нитрон — волокно из него.

Как это устроено

Синтетические волокна получают из полимеров, созданных из доступного сырья. Сначала химически соединяют небольшие молекулы, а затем полимер перерабатывают в тонкие непрерывные нити. Состав мономеров задаёт участки цепи, а их расположение влияет на взаимодействие цепей друг с другом. Поэтому ещё на стадии выбора исходных веществ можно получить материал с нужным сочетанием прочности и других свойств.

Капрон образуется из капролактама: его кольцевую молекулу раскрывают, и молекулы соединяются в длинные полиамидные цепи. Амидные группы создают притяжение между соседними участками цепей, что помогает материалу сохранять прочность. При вытягивании волокна цепи преимущественно ориентируются вдоль нити. Их упорядоченное расположение затрудняет смещение цепей, поэтому волокно становится прочнее.

Лавсан получают поликонденсацией терефталевой кислоты с этиленгликолем. Поликонденсация — соединение молекул с образованием полимера и выделением небольших молекул; здесь такой побочный продукт — вода. Группы кислоты и спирта реагируют, формируя сложноэфирные связи в цепи полиэтилентерефталата. Схема процесса показывает, что лавсан возникает не простым соединением одинаковых молекул, а взаимодействием двух разных веществ с отщеплением воды.

Нитрон получают полимеризацией акрилонитрила. Двойная связь в молекуле мономера раскрывается, благодаря чему молекулы могут соединяться одна за другой в цепь полиакрилонитрила. В отличие от поликонденсации, при таком процессе побочный продукт обычно не выделяется. Полученный полимер превращают в волокно, пригодное для изготовления изделий.

Состав и строение полимеров определяют свойства волокон, потому что задают взаимодействия между цепями и их устойчивость к внешним воздействиям. Например, цепи могут быть сильнее или слабее связаны между собой, а отдельные химические группы — по-разному реагировать на воду, нагревание или красители. Поэтому при сравнении материалов учитывают прочность, устойчивость к влаге и химическим воздействиям, теплостойкость и способность окрашиваться. Одно название «синтетическое» не означает одинаковых свойств.

Синтетические волокна: получение, свойства и применение

Сначала сопоставьте исходное вещество и способ реакции: это позволяет понять, из какого полимера состоит каждое волокно. Затем сравните свойства и применение, помня, что конкретные характеристики зависят также от обработки и состава изделия. Таблица помогает увидеть общие различия, но не означает, что все материалы одного типа полностью одинаковы.

Разбор задач

Задача 1. Назовите тип волокна, получаемого из капролактама, и укажите группу полимеров, к которой относится его основа. Здесь нужно проследить связь между исходным веществом и названием полимера. Ключевой признак — строение цепи с амидными группами.

1. Капролактам служит исходным веществом для получения капрона.
2. В ходе раскрытия цикла формируются длинные полимерные цепи.
3. Амидные группы в цепях указывают на полиамидную природу полимера.

Ответ: получают капрон; его основа относится к полиамидам.

Задача 2. Запишите схему получения полиэтилентерефталата из терефталевой кислоты и этиленгликоля и укажите побочный продукт. Два исходных вещества содержат группы, которые соединяются при образовании сложноэфирной связи. Поскольку при реакции отщепляется небольшая молекула, процесс относят к поликонденсации.

1. Записываем формулы реагентов: HOOC–C₆H₄–COOH и HO–CH₂–CH₂–OH.
2. При их взаимодействии образуются сложноэфирные связи и цепь полиэтилентерефталата.
3. Обобщённую схему повторяющегося звена записываем так: n HOOC–C₆H₄–COOH + n HO–CH₂–CH₂–OH → [–O–CH₂–CH₂–O–CO–C₆H₄–CO–]ₙ + 2n H₂O.

Ответ: образуется полиэтилентерефталат, побочный продукт — вода. Волокно из этого полимера называют лавсаном.

Задача 3. При полимеризации 10,6 г акрилонитрила получен полиакрилонитрил. Найдите массу полимера, если потери отсутствуют, и назовите волокно, которое из него производят. Перед вычислением нужно выяснить, выделяется ли в процессе побочный продукт. При полимеризации акрилонитрила молекулы соединяются в цепь без отщепления небольших молекул.

1. Поскольку побочный продукт не образуется, вся масса исходного вещества переходит в полимер.
2. Записываем сохранение массы: m(полимера) = m(акрилонитрила).
3. Подставляем данные: m(полимера) = 10,6 г.
4. Из полиакрилонитрила формируют волокно нитрон.

Ответ: масса полиакрилонитрила равна 10,6 г; производимое из него волокно — нитрон.

Типичные ошибки

Ошибка — считать синтетическими все химические волокна. Так думают, потому что и искусственные, и синтетические материалы получают с помощью химической обработки. Проверьте себя вопросом об исходной основе: природный полимер указывает на искусственное волокно, а полимер, синтезированный из низкомолекулярных веществ, — на синтетическое.

Ошибка — путать мономер с готовым волокном и называть капролактам, этиленгликоль или акрилонитрил волокнами. Это исходные вещества для получения полимеров, а не материалы для изготовления готовых изделий. Чтобы проверить себя, выстройте цепочку «исходное вещество → полимер → волокно»: например, акрилонитрил → полиакрилонитрил → нитрон.

Ошибка — называть получение лавсана полимеризацией. Путаница возникает потому, что в обоих случаях небольшие молекулы объединяются в полимер. Проверьте, выделяется ли побочный продукт: при образовании лавсана из кислоты и спирта выделяется вода, значит, это поликонденсация.

Ошибка — приписывать всем синтетическим волокнам одинаковые свойства. Общее происхождение не делает одинаковыми химический состав и строение полимерных цепей, поэтому материалы по-разному ведут себя при намокании, нагревании и окрашивании. Самопроверка простая: сравните конкретные полимеры и не делайте вывод только по слову «синтетический».

Связь с другими темами

Чтобы объяснить получение волокон, нужно знать, что такое мономер, полимер и полимерная цепь. Также важно различать полимеризацию и поликонденсацию: во втором случае выделяется побочный продукт. Тема связана с органическими веществами — спиртами, карбоновыми кислотами и нитрилами, участвующими в получении полимеров. Эти знания пригодятся при изучении пластмасс и других полимерных материалов, а также при выборе и переработке текстильных изделий.

Что запомнить

• Синтетические волокна получают из синтетических полимеров.
• Капрон относится к полиамидным волокнам и связан с капролактамом.
• Лавсан — полиэфирное волокно на основе полиэтилентерефталата.
• При получении лавсана поликонденсацией выделяется вода.
• Нитрон получают из полиакрилонитрила, образующегося из акрилонитрила.
• Свойства волокна зависят от состава и строения полимера.