Для следующих опытов нам понадобится кусочек по возможности неокрашенного полистирола. Вероятно, где-нибудь дома или во дворе удастся найти расколотую пластмассовую мисочку, кружку, салатник или кассету от магнитофонной пленки. Правда, мы не знаем точно, сделана ли эта вещь именно из полистирола, но это можно быстро проверить с помощью пробы на сгорание. Для полистирола характерно коптящее пламя с цветочным сладковатым запахом (Этот запах корицы обычно можно обнаружить, уколов исследуемый предмет раскаленной иглой — Прим. перев.). Если к тому же предмет падает на пол с металлическим звоном, то скорее всего он нам подойдет.
Как мы уже знаем, все полимеры образуются из мономеров. Термопласты получаются в результате реакции полимеризации.
Полимеризацией называют процесс соединения многих молекул, содержащих кратные связи, в одну большую молекулу (макромолекулу). В отличие от поликонденсации при этом не образуется побочных низкомолекулярных продуктов. Некоторые полимеры, например полистирол и полиметилметакрилат (органическое стекло), можно превратить обратно в мономеры. Такое превращение называется деполимеризацией. Этой реакцией мы теперь и займемся.
Деполимеризация полистирола
Возьмем круглодонную колбу на 0,5 л и холодильник и соберем простой получилось длиной 4 см, а другое — 40 см. Вставим эту трубку в пробирку коротким коленом, используя либо корковую пробку, либо резиновую, обмотанную алюминиевой фольгой. Для конденсации паров мономера достаточно будет воздушного охлаждения. Полученные капли мономера соберем в другую пробирку.
В колбу поместим 50 г полистирола в виде кусочков и осторожно, передвигая горелку, равномерно нагреем колбу. Когда полимер начнет плавиться, можно нагревать сильнее. Полистирол закипает с образованием белых паров, и из холодильника в приемник стекает по каплям вначале желтоватая, а затем бесцветная, прозрачная, как вода, жидкость. Это стирол мономер, который, однако, содержит также примеси димера и тримера стирола, то есть продуктов присоединения друг к другу двух или трех его молекул. Последние кипят при 310 °C и выше.
Через 1,5–2 часа мы получим около 35 г жидкости, то есть выход составляет 70 % по отношению к исходному количеству полистирола. Прекратим опыт, дадим остыть и ополоснем все части прибора бензолом. (Бензол огнеопасен и ядовит!)
Тем, кто хорошо обеспечен химической посудой, следует иметь в виду, что деполимеризацию, которая происходит при 300–400 °C, можно также проводить в приборе на шлифах под вакуумом приблизительно 2 мм рт. ст. Однако правильное обращение с установкой, которая находится под вакуумом, требует
Деполимеризация полистирола прибор для перегонки. Пробки обмотаем алюминиевой фольгой. Если потребуется присоединять друг к другу стеклянные трубки, соединим их вплотную. Можно провести опыт и проще. Для этого вместо колбы возьмем по возможности большую пробирку и закрепим ее в штативе наклонно.
Затем согнем длинную стеклянную трубку под углом 120°, так чтобы одно ее колено большого опыта работы в лаборатории. Прибор должен быть собран безупречно, иначе может случиться взрыв.
Образующийся мономер очищают, перегоняя его еще раз с добавлением нескольких крупинок серы в качестве стабилизатора.
Получение полистирола
Полученную прозрачную жидкость — стирол — снова превратим в полистирол. Для полимеризации понадобятся нагревание и катализатор. В промышленности в качестве катализатора применяют перекись бензоила в количестве 0,1–0,5 % от массы мономера и проводят полимеризацию при 80-100 °C. (Осторожно! Сухая перекись бензоила — взрывчатое вещество. Поэтому ее обычно используют в увлажненном состоянии.) Если удастся достать перекись бензоила, то проведем опыт следующим образом. В шесть пробирок нальем равные количества стирола — по 5-10 г в каждую пробирку — и затем добавим катализатор в возрастающих количествах-0; 0,05; 0,10; 0,15; 0,20 и 1 % (масс.). Содержимое пробирок нужно перемешать и выдержать их в сушильном шкафу при 80 °C в течение 24–62 часов.
Если же перекиси бензоила нет, то можно провести опыт иначе. В колбу на 100 мл вставим обратный холодильник (можно использовать посуду на шлифах или вставить холодильник в пробку, обмотанную алюминиевой фольгой) и нагреем в ней 30 г стирола и 10 мл 30 %-ного раствора пероксида (перекиси) водорода. При необходимости можно позднее добавить через холодильник еще немного пероксида водорода. Колбу нужно греть горелкой через асбестированную сетку или на песочной бане в течение нескольких часов. Масса постепенно будет становиться все более вязкой и, наконец, при охлаждении затвердеет. Чтобы извлечь ее из колбы, придется либо снова ее расплавить и вылить в чашку, либо экстрагировать ее бензолом, либо разбить колбу.
Определим температуру размягчения и плотность полученного полистирола, исследуем его растворимость и поведение по отношению к различным химическим реактивам. Полистирол растворяется в ацетоне, эфире, тетрахлорметане (четыреххлористом углероде), бензоле и метилбензоле (толуоле). Он неустойчив по отношению к концентрированной серной кислоте, с другими же кислотами, а также со щелочами не реагирует. Куски полистирола легко можно прочно склеить. Для этого смочим склеиваемые поверхности бензолом или другими растворителями, плотно сожмем и выдержим под небольшим давлением.
Итак, мы познакомились с основными свойствами полистирола. Остается еще разобраться в том, как собственно происходит полимеризация стирола. Процесс состоит из трех стадий. Вначале в некоторых из многих молекул, содержащихся в реакционном сосуде, благодаря повышенной температуре и присутствию катализатора расщепляются двойные связи. Иными словами, эти молекулы активируются (первая стадия полимеризации):
Затем активные частицы активируют следующие молекулы стирола II соединяются с ними, образуя цепь (следующая стадия):
Рост цепи прекращается, если соединяются две растущие цепи или если к растущей цепи присоединяется другой остаток, например фрагмент катализатора. Эта стадия называется обрывом цепи:
Упрощенная формула полистирола имеет вид:
Разумеется, мы не сможем изобразить все полученные цепные молекулы. Но в этом и нет необходимости. Достаточно лишь указать основное звено цепи и степень полимеризации п. Изменяя условия полимеризации, мы можем регулировать величину п. При высоких температурах полимеризация происходит очень быстро с образованием коротких цепей, и полимер получается хрупким. В промышленности требуется высокая степень полимеризации.
В ГДР полистирол производится на комбинате синтетического каучука, к которому относятся заводы в Шкопау, Аммендорфе и Рюбеланде. Только на главном предприятии в Шкопау работает 20 000 человек. Этот комбинат является крупнейшим в ГДР поставщиком химической продукции для экспорта.
Технология там основана пока, главным образом, на использовании карбида, однако в ближайшие годы благодаря сырью из других социалистических стран все большая доля исходного мономера будет получаться из нефти.
ПОЛИВИНИЛХЛОРИД — ВАЖНЕЙШАЯ ПЛАСТМАССА
