Пластмасса. Из чего делают пластик, из чего делают пластмассу. Виды пластика.

История пластиков.

Первый синтетический полимер был изобретен в 1869 году Джоном Уэсли Хаяттом, вдохновленным предложением нью-йоркской фирмы в размере 10 000 долларов каждому, кто сможет заменить слоновую кость. Растущая популярность бильярда привела к сокращению запасов натуральной слоновой кости, получаемой путем забоя диких слонов. Обрабатывая целлюлозу, полученную из хлопкового волокна камфорой, Хайатт открыл пластик, которому можно было придать различные формы и имитировать природные материалы, такие как панцирь черепахи, рог, и слоновая кость.

В 1907 году химик Лео Хендрик Бакеланд, стремясь произвести синтетический лак, наткнулся на формулу нового синтетического полимера, полученного из каменноугольной смолы. Впоследствии он назвал новое вещество «бакелит». После образования бакелит не плавился, и благодаря своим электроизоляционным свойствам его можно было использовать для изготовления камер, телефонов, непроводящих частей радиоприемников и других электрических устройств. Бакелит также использовался в качестве заменителя нефрита, мрамора и янтаря. К 1909 году Бэкеланд ввел термин «пластик» для описания этой новой категории материалов. Успехи Hyatt и Baekeland побудили крупные химические компании инвестировать в исследования и разработку новых полимеров, и вскоре новые пластмассы присоединились к целлулоиду и бакелиту.

Первый патент на поливинилхлорид (ПВХ), вещество, широко используемое в настоящее время в виниловом сайдинге и водопроводных трубах, был зарегистрирован в 1914 году. В этот же период был открыт целлофан.

Вторая мировая война потребовала значительного расширения производства пластмасс. Нейлон, изобретенный Уоллесом Карозерсом в 1935 году во время войны использовался для изготовления парашютов, веревок, бронежилетов, подшлемников и многого другого. Оргстекло стало альтернативой стеклу для иллюминаторов самолетов.

Пластмассы стали использоваться в качестве заменителей различных материалов, таких как дерево в мебели, бумага и стекло в упаковке и сталь в автомобилях. К 1960-м годам пластмассы стали широко доступны из-за их недорогой стоимости.

Из чего делают пластик?

Производство пластмасс и пластиков основывается на продуктах переработки нефти, попутного и природного газа. Мономеры, непосредственно используемые при синтезе полимеров, как правило, являются продуктами основного органического синтеза, полученные из соединений продуктов переработки нефти и газа. К таким соединениям в первую очередь относятся этилен, пропилен, бутилен. Они получаются крекингом и каталитическим дегидрированием нефти и попутного газа при температуре 400-500⁰С. Примерно половина производимого этилена используется для получения полиэтилена, из остального количества производлится этиленоксид, стирол, винилхлорид, винилацетат. Из пропилена получают полипропилен, пропиленоксид, акрилонитрил, изопропилбензол, спирты, в том числе фенол, эпихлоргидрин, метакрилаты.

Виды пластика. Важнейшие представители полимеров.

Существует множество способов классификации различных типов пластика в зависимости от того, как они группируются для конкретной цели. Пластмассы обычно классифицируют по их химической структуре и физическим свойствам. Классификация пластмасс таким образом включает акриловые, полиуретановые, силиконовые, полиэфирные и галогенсодержащие пластмассы. Пластмассы также могут быть сгруппированы по химическому процессу, использованному при их синтезе, по физическим свойствам (плотность, термостойкость, твердость и т. д.), а также по их стойкости или реакции на другие вещества.

Когда дело доходит до переработки, пластмассы группируются по семи идентификационным кодам смол : PETE/PET, HDPE, PVC, LDPE, PP, PS и O (другие).

Пластмассы подразделяются на термопласты и реактопласты. Структура термопластов не изменяется при нагревании, с повышением температуры пластмассы размягчаются и приобретают текучесть. Основным полезным свойством термопластов является то, что их можно нагревать до точки плавления, охлаждать и снова нагревать без существенной деградации. К термопластам относят: полиэтилен, поливинилхлорид, полистирол и другие. Реактопласты -это такие пластмассы, которые получаются из низкомолекулярных мономеров, и отверждаются под действием тепла, катализаторов или отвердителей с образованием полимеров трехмерной структуры. У реактопластов имеется пространственная структура (сшивка ) и при воздействии тепла сдвиг молекулярных цепей друг относительно друга невозможен. Напротив, термореактивные пластмассы можно нагревать только один раз (обычно в процессе литья под давлением). Первый нагрев вызывает схватывание термореактивных материалов (аналогично двухкомпонентной эпоксидной смоле), что приводит к химическому изменению, которое невозможно обратить. Если вы попытаетесь нагреть термореактивный пластик до высокой температуры во второй раз, он просто сгорит. Эта характеристика делает термореактивные материалы плохими кандидатами на переработку.

Полиэтилен(-CH₂-CH₂-)n . Существует три вида этого полимера- полиэтилены высокого, среднего и низкого давления. Полиэтилен высокого давления обычно получают радикальной полимеризацией этилена при температуре 150-180⁰С и давлении свыше 100Мпа. Полиэтилен среднего давления получают на оксиднометаллических катализаторах при температурах 120-150⁰С и давлении свыше 100МПа. Полиэтилен низкого давления получают на катализаторах Циглера-Натта при температурах 60-80⁰С и давлении до 1,0 МПа. Способ получения существенно влияет на свойства полиэтилена. Макромолекулы полиэтилена высокого давления разветвлены вследствие протекания меж- и внутримолекулярной реакции передачи цепи на полимер. Макромолекулы полиэтилена низкого давления разветвлены значительно меньше, а макромолекулы полиэтилена низкого давления практически линейны. Поэтому плотность полиэтилена высокого давления заметно ниже плотности полиэтиленов низкого и среднего давления. Полиэтилен высокого давления является мягким полимером, полиэтилен среднего и низкого давления-жесткие пластики. Широкое распространение полиэтилена связано с его хорошими механическими свойствами, легкостью переработки , высокой химической и термической стойкостью. Полиэтилен плавится при температуре 105-130⁰С ( в зависимости от марки), перерабатывается методами литься под давлением, вакуумформования и др. Из полиэтилена производят пленки, трубы, изолирующие оболочки электрических проводов, различную тару. Изделия из полиэтилена легко свариваются.

Полистирол(-CH₂-CHC₆H₅-)n. Полистирол получается радикальной полимеризацией блочным, эмульсионным и суспензионным методами. Полистирол размягчается при температуре около 85⁰С, устойчив к агрессивным жидкостям, хорошо растворим во многих неполярных растворителях- ароматических углеводородах, сложных эфирах. Полистирол имеет прекрасные диэлектрические свойства, поэтому он нашел широкое применение в радиотехнике. Благодаря хорошей текучести расплава полистирол является идеальным материалом для переработки методами литья. Одним из недостатков полистирола является хрупкость. Однако этот недостаток может быть устранен добавлением к полистиролу небольшого количества каучука. Большое распространение получил вспененный полистирол, так называемый пенопласт в строительстве, тепло- и звукоизоляции.

Поливинилхлорид(-CH₂-CHCl-)n . Поливинилхлорид получается суспензионной и эмульсионной радикальной полимеризацией. Он применяется в виде трех типов материалов- жесткого, мягкого, пластифицированного и виде так называемых пластизолей- суспензий порошка полимера в пластификаторе. Из поливинилхлорида изготавливают пленки. Стекла. Листы, изоляцию электрических проводов, искусственную кожу, пенопласты. Пластизоли применяются при нанесении покрытий, в частности на днище автомобилей, а также при изготовлении игрушек, пленок, перчаток, галош. Отверждение пластизольных композиций происходит при нагревании в результате быстрого набухания полимера в пластификаторе. Недостатком поливинилхлорида является низкая термостойкость.

Политетрафторэтилен, фторопласт, тефлон (-CF₂-CF₂-)n. Политетрафторэтилен производится методом эмульсионной полимеризации. Фторопласт имеет высокую механическую прочность в широком интервале температур от -190 до +300⁰С, необычайно высокую термическую и химическую стойкость, низкий коэффициент трения. Политетрафторэтилен используется в подшипниках, для изготавления емкостей для агрессивных сред. Оборудования для химических производств, в качестве конструкционного материала в машиностроении. В быту тефлон нашел применение в качестве антипригарного покрытия для посуды.

Акрилаты. К этой группе относятся полимеры и сополимеры эфиров, амидов и нитрилов метакриловой и акриловой кислот. Они получаются радикальной полимеризацией- блочной, суспензионной и эмульсионной. Наиболее известным полимером из этой группы является полиметилметакрилат из которого изготавливают органическое стекло и различные светотехнические изделия. Полимеры высших эфиров метакриловой и акриловой кислот обычно используются в виде латексов для пропитки тканей, бумаги, обработки искусственной и натуральной кожи.

Поликарбонат. Поликарбонат представляет собой прозрачный аморфный термопласт . Поликарбонаты доступны в продаже различных цветов обеспечивают внутреннюю передачу света почти с той же способностью, что и стекло. Поликарбонат обладает очень хорошей термостойкостью и может комбинироваться с огнезащитными материалами без существенной деградации материала. Еще одной особенностью поликарбоната является то, что он очень податлив. Как правило, его можно формовать при комнатной температуре без растрескивания или разрушения, подобно алюминиевому листовому металлу. Эта характеристика делает поликарбонатный листовой материал особенно полезным при создании прототипов, где листовой металл нежелателен (например, когда требуется прозрачность или когда требуется непроводящий материал с хорошими электроизоляционными свойствами). Поликарбонат — невероятно полезный пластик для приложений, требующих прозрачности и высокой ударопрочности. Поликарбонатные полимеры используются для производства различных материалов и особенно полезны, когда требуется ударопрочность и/или прозрачность (например, в пуленепробиваемом стекле). Поликарбонаты обычно используется для пластиковых линз в очках, медицинских устройствах, автомобильных компонентах, защитном снаряжении, теплицах, цифровых дисках (CD, DVD) , светильниках для наружного освещения., детских бутылочках для кормления и т. д.

Фенопласты. Фенольные смолы (также называемые фенопластами) представляют собой продукт конденсации фенола и формальдегида являлись одним из первых полимеров, производство которого было начато в 1909г. Растворимая низкомолекулярная фенолформальдегидная смола называется новолаком; при нагревании с избытком альдегида она превращается в нерастворимую форму, называемую резитом. Формованные детали из этих смол прекрасно поддаются механической обработке, имеют малый вес и обладают отличной коррозионной стойкостью и термостойкостью до 300–350⁰C. Они известны своей выдающейся размерной стабильностью, высокой устойчивостью к ползучести при повышенных температурах, низким поглощением влаги, высокой диэлектрической прочностью и отличным соотношением цены и качества. Фенольные смолы используются в различных продуктах, включая покрытия, композиты, клеи и формованные детали. Из-за их низкой воспламеняемости, чрезвычайно низкого образования токсичных газов и медленного выделения тепла они часто используются в конструктивных решениях для аэрокосмической и транспортной промышленности. Например, марки, армированные стекловолокном или углеродным волокном, подходят для внутренних конструкций самолетов. К другим важным конструкционным применениям относятся компоненты, которые подвергаются воздействию высоких температур и давлений, например, в промышленности и нефтегазовой отрасли. Фенольные смолы часто являются отличным выбором для производства защитных покрытий и для улучшения характеристик других клеев и покрытий на эпоксидной, акриловой, полиэфирной и алкидной основе. Важные области применения покрытий включают резервуары, барабаны, банки, футеровку труб, а также морские и промышленные покрытия. Фенольные смолы также широко используются в строительной и мебельной промышленности в качестве связующих для древесно-стружечных плит.

Полиамиды. Наиболее известен из этого класса полимеров найлон- продукт поликонденсации адипиновой кислоты с гексаметилендиамином, а также капрон, получаемый ионной полимеризацией капролактама. Полиамиды-трудно растворимые, ввысокоплавкие полимеры с высокой степенью кристалличности. Из них получаются волокна, обладающие очень большой прочностью и хорошей эластичностью. Эти свойства полиамидов обусловлены наличием межмолекулярных водородных связей. Полиамиды применяются для производства волокон, тканей, канатов, труб, емкостей, шестеренок, изделий ширпотреба.

Полиэфиры. Полиэфирные полимеры(смолы) получают путем конденсации многоосновных кислот или ангидридов с многоатомными спиртами. Из волокнообразующих полимеров наиболее известен полиэтилентерефталат или лавсан- продукт конденсации этиленгликоля и терефталевой кислоты. Лавсановое волокно получило большое распространение и применение в текстильной промышленности. Оно обладает повышенной прочностью и износоустойчивостью, хорошо сочетается с шерстяными волокнами.

Полиуретаны.Полиуретаны представляют собой пластичные полимеры, полученные реакцией диизоцианатов (органических соединений, содержащих функциональные группы структуры ―NCO) с другими бифункциональными соединениями, такими как полиолы.

Полиуретаны были изобретены еще в 1930-х годах профессором доктором Отто Байером (1902-1982). Широкое использование полиуретанов впервые было начато во время Второй мировой войны, когда они использовались в качестве замены каучука, который в то время был дорогим и труднодоступным. Во время войны были разработаны другие области применения, в основном связанные с покрытиями различных типов, от отделки самолетов до прочной одежды. Многие современные покрытия для транспортных средств и кабелей, полов и стен, мостов и дорог содержат полиуретаны, которые безопасно и эффективно защищают открытые поверхности от непогоды и различных форм загрязнений. Область применения полиуретанов варьируется от бетонных конструкций, таких как мосты и конструкции автомагистралей, до стальных железнодорожных вагонов, деревянной мебели, клеев и покрытий.

Поливинилацетат( ПВА) Поливинилацетат ( PVAc , PVA ) представляет собой сильно разветвленный и некристаллический термопласт, полученный радикальной полимеризацией. Он обладает хорошей стойкостью к УФ-излучению и окислению, но является очень хрупким при низких температурах и очень липким выше 35⁰С. Эмульсии ПВА производятся в очень больших масштабах. Они недороги и обладают хорошей адгезией ко многим пористым основаниям, но неэффективны на непористых поверхностях.

Одним из наиболее важных применений клеев ПВА является упаковочная промышленность. Он используется в качестве недорогого, малотоксичного клея без запаха для склеивания и герметизации поверхностей с высокой энергией, таких как бумага, гофрированный картон, хлопок и дерево, и это лишь некоторые из них. Его часто предпочитают другим типам клеев из-за его низкой стоимости, хорошей светостойкости и устойчивости к пожелтению. Полимер находит дополнительное применение в качестве пластификатора и загустителя для красок, текстильной отделки, пластмасс, цемента и жевательной резинки. ПВА заметно дешевле акриловых смол (примерно вдвое ), поэтому его часто добавляют в акриловые латексные краски для снижения стоимости. Тем не менее, лучшие краски на водной основе для наружных работ — это 100-процентный акрил из-за эластичности и других факторов. Из-за своей чувствительности к воде (немодифицированный) поливинилацетат обычно считается непригодным для наружного применения.

Пластиковые проблемы: отходы и здоровье

Начиная с 1970-х годов в научном мире и среди потребителей постепенно возрастает беспокойство по поводу все растущих пластиковых отходов. Многие изделия из пластика одноразовые или имеют короткий срок службы, но в окружающей среде пластик сохраняется достаточно продолжительное время. В качестве решения в настоящее время предлагается собирать и перерабатывать пластиковые материалы, пригодные для вторичной переработки, создавать систему управления отходами. Однако переработка пластикового мусора пока далека от совершенства, и большая часть пластика по-прежнему попадает на свалки или в окружающую среду. Главным символом проблемы пластиковых отходов является большое тихоокеанское мусорное пятно.

Репутация пластмасс еще больше пострадала из-за растущей озабоченности по поводу потенциальной угрозы, которую они представляют для здоровья человека. Эти опасения сосредоточены на добавках (таких как широко обсуждаемый бисфенол А и класс химических веществ, называемых фталатами), которые добавляются в пластмассы в процессе производства, делая их более гибкими, прочными и прозрачными. Некоторые ученые и представители общественности обеспокоены доказательствами того, что эти химические вещества выщелачиваются из пластика и попадают в нашу пищу, воду и организм. В очень больших дозах эти химические вещества могут нарушить работу эндокринной (или гормональной) системы. Исследователи особенно беспокоятся о воздействии этих химических веществ на детей и о том, что означает их дальнейшее накопление для будущих поколений.

Несмотря на растущее недоверие, пластик имеет решающее значение для современной жизни. Пластмассы сделали возможной разработку компьютеров, сотовых телефонов и большинства жизненно важных достижений современной медицины. Легкие и хорошо изолирующие пластмассы помогают экономить ископаемое топливо, используемое в отоплении и на транспорте. Возможно, важнее всего то, что недорогие пластмассы повысили уровень жизни и сделали изобилие материалов более доступным. Без пластика многие вещи, которые мы считаем само собой разумеющимися, могли бы оказаться недоступными для всех, замена натуральных материалов пластиком сделала многие наши вещи дешевле, легче, безопаснее и прочнее.

Поскольку очевидно, что пластик занимает ценное место в нашей жизни, многие ученые пытаются сделать пластик более безопасным и экологичным. Многие ученые разрабатывают биопластики, которые изготавливаются из растительных культур вместо ископаемого топлива, чтобы создавать вещества, которые более экологичны, чем обычные пластмассы и работают над созданием биоразлагаемого пластика. Пластик не идеален, но является важной и необходимой частью нашего будущего.

материал www.chemanalytica.ru