Мы говорим о «пластике» как о едином материале, но на самом деле существует множество разных пластмасс. Их объединяет то, что они пластиковые , а это значит, что они мягкие и легко превращаются в разные формы во время производства.
Пластмассы - это (в основном) синтетические (созданные человеком) материалы, сделанные из полимеров , которые представляют собой длинные молекулы, построенные вокруг цепочек атомов углерода , как правило, с водородом, кислородом, серой и азотом, заполняющими пространства. Вы можете думать о полимере как о большой молекуле, образованной повторением небольшого фрагмента, называемого мономером. снова и снова; «поли» означает «много», поэтому «полимер» - это просто сокращение от «много мономеров». Если вы подумаете о том, как длинный угольный поезд состоит из множества грузовиков, соединенных вместе, то на это похожи полимеры. Грузовики - это мономеры, а весь поезд, сделанный из множества идентичных грузовиков, - это полимер. Там, где в состав угольного поезда может входить пара десятков тележек, полимер может быть построен из сотен или даже тысяч мономеров. Другими словами, полимеры обычно имеют очень большие и тяжелые молекулы.
Виды пластиков
Есть много разных пластиков, поэтому нам нужны способы разобраться во всех них, сгруппировав похожие вместе. Вот несколько способов сделать это (и есть другие, которые я не перечислил):
· Мы можем разделить их на натуральные (легко получаемые из растений и животных) и синтетические (искусственно созданные сложными химическими процессами на фабрике или в лаборатории). Целлюлоза - это натуральный полимер, используемый, помимо прочего, для изготовления липкой ленты, а нейлон - это синтетический полимер, производимый на заводе.
· Мы можем сгруппировать их по структуре мономеров, из которых сделаны их полимеры. Вот почему мы говорим о полиэфирах, полиэтиленах, полиуретанах и т. Д. - потому что это разные полимеры, полученные путем повторения разных мономеров.
· Когда дело доходит до вторичной переработки , нам необходимо разделять пластмассы на разные виды, которые можно обрабатывать вместе, не вызывая загрязнения. Это зависит от их химических свойств, физических свойств и типов полимеров, из которых они сделаны, и дает нам семь основных типов. (Если вы внимательно присмотритесь, вы наверняка заметили на пластиковой упаковке семь различных символов утилизации, пронумерованных 1-6 и «ноль».)
· Мы можем сгруппировать по тому, из чего они сделаны (скажем, биопластики - искусственно изготовленные из натуральных ингредиентов) или как они ведут себя, когда их закапывают на свалки (биоразлагаемые, фоторазлагаемые и т. Д.).
· Мы можем разделить их на две широкие категории в соответствии с тем, как они ведут себя , когда они нагревают: термопласты (которые смягчают , когда они нагревают) и термореактивные (термореактивные пластмассы, которые никогда не смягчают после того как они первоначально формуют).
Термопласты и реактопласты
Последний в моем списке - настолько важный способ группировки пластмасс, что нам лучше рассмотреть его более подробно. В чем разница между термопластами и реактопластами и как мы можем это объяснить?
Термопласты
Вы можете сделать что-то вроде пластиковой бутылки, поместив горячий расплавленный пластик в форму и дав ему остыть. Ваша бутылка останется твердой, но если позже вы снова нагреете ее, она станет мягче и растает. Мы говорим, что он сделан из термопласта: что-то, что становится пластичным (мягким и гибким), когда оно встречает тепловую энергию ( тепло). В термопласте длинные молекулы полимера соединены друг с другом очень слабыми связями, которые легко распадаются, когда мы их нагреваем, и быстро снова восстанавливаются, когда мы забираем тепло. Вот почему термопласты легко расплавить и перерабатывать. Некоторые повседневные примеры, с которыми вы столкнетесь, - это полиэтилен / полиэтилен (пластиковые бутылки и листы), полистирол (рассыпчатый белый упаковочный материал), полипропилен (пластиковые веревки), поливинилхлорид / ПВХ (игрушки и кредитные карты), поликарбонат (твердые пластиковые окна и автомобиль. фары) и полиамид (нейлон - используется во всем, от чулок и плавательных шорт до зубных щеток и зонтиков).
Термореактивные пластмассы (реактопласты)
Термореактивные материалы обычно изготавливаются из полимерных цепей гораздо большего размера, чем термопласты. При первоначальном изготовлении они нагреваются или сжимаются, чтобы сформировать плотную, твердую структуру с сильными поперечными связями, связывающими каждую из этих длинных молекулярных цепей с ее соседями. Это сильно отличается от термопластов, где полимерные цепи связаны друг с другом только очень слабыми связями. И поэтому мы не можем просто нагреть термореактивные пластмассы, чтобы переделать или преобразовать их. После того, как они «затвердеют» во время производства, они остаются такими. Вы менее знакомы с термореактивными пластиками, чем с термопластами; даже в этом случае вы, возможно, встречали такие примеры, как полиуретан (изоляционный материал в зданиях), политетрафторэтилен / PTFE ( антипригарные покрытия на кастрюлях и сковородках), меламине (посуда из твердого пластика) и эпоксидной смоле (прочный пластик, используемый в прочных клеях и шпатлевках для дерева ).
Как мы делаем пластмассу?
Мы уже видели, что пластмассы сделаны из полимеров, но как делают полимеры? Они основаны на углеводородах (молекулах, построенных из атомов водорода и углерода), которые мы получаем в основном из таких вещей, как нефть, природный газ или уголь. Это происходит на нефтеперерабатывающем заводе посредством процесса, называемого фракционной перегонкой . Это более сложная версия дистилляции, которую вы, возможно, использовали для очистки воды.. Если мы нагреем воду, она в конечном итоге превратится в пар, который мы сможем собрать, охладить и снова конденсировать в воду; это дистилляция, и она дает высокоочищенную или «дистиллированную» воду. Мы можем нагревать и перегонять сырую нефть таким же образом, но все те углеводороды, которые она содержит, имеют молекулы разного размера и веса, поэтому они кипят и конденсируются при разных температурах. Сбор и дистилляция различных частей сырой нефти при разных температурах дает нам набор более простых смесей углеводородов, называемых фракциями, которые мы затем можем использовать для изготовления различных типов пластмасс.
Полученные таким образом углеводороды являются сырьем для полимеризации - так мы называем химические реакции, в результате которых образуются полимеры. Некоторые полимеры получают просто путем скрепления углеводородных мономеров вместе, например, цепочек в виде гирлянд, что представляет собой процесс, называемый аддитивной полимеризацией. Другие образуются путем соединения двух небольших углеводородных цепей и удаления молекулы воды (двух атомов водорода и одного кислорода), образуя большую углеводородную цепь в процессе, известном как конденсационная полимеризация. Чем чаще вы повторяете это, тем длиннее становится полимер.
Как правило, нам нужно использовать другие химические вещества, называемые катализаторами, для ускорения полимеризации. Катализаторы - это просто вещества, которые мы можем добавить, которые повышают вероятность протекания химической реакции, и, хотя они могут временно изменяться во время реакции, они снова появляются в конце в своей первоначальной форме; другими словами, они не меняются навсегда по мере того, как происходит реакция. Катализаторы Циглера-Натта, одни из самых важных для получения полимеров, были разработаны благодаря работе немецкого химика Карла Циглера и итальянца Джулио Натта, которые в 1963 году принесли им Нобелевскую премию по химии .
Поскольку нам нужны пластмассы для самых разных целей, нам часто приходится добавлять к основным углеводородам другие ингредиенты, чтобы получить полимер с точно правильными химическими и физическими свойствами. Эти дополнительные ингредиенты включают красители (которые, как следует из названия, превращают пластик во всевозможные яркие и счастливые цвета), пластификаторы (которые делают пластик более гибким, вязким и более легким в придании формы), стабилизаторы (чтобы предотвратить разрушение пластика. солнечный свет и тепло) и наполнители (как правило, недорогие минералы, что означает, что нам нужно меньше дорогих углеводородов на основе нефти для производства конечного пластикового продукта, поэтому мы можем производить и продавать его дешевле).
На этом процесс изготовления пластика не заканчивается. На данный момент у нас есть пластиковый полимер, известный как смола, который можно использовать для изготовления всех видов пластиковых изделий. Смолы поставляются в виде порошков или зерен, которые загружаются в машину, нагреваются, а затем формируются с помощью одного или нескольких процессов для изготовления готового пластикового продукта. Процессы формования включают литье под давлением и выдувное формование (когда мы впрыскиваем горячий пластик через сопло в форму для изготовления таких вещей, как пластиковые бутылки), каландрирование (сжатие между тяжелыми валками, например, для изготовления пластиковых листов или пленок), экструзия (сжатие пластика. через сопло, возможно, для изготовления трубок или соломинок), и продавливание пластика через своего рода микроскопически маленькое сито, называемое фильерой, для получения тонких волокон (именно так волокна производятся для таких вещей, как зубные щетки или нейлоновые чулки). Есть также много других процессов изготовления пластика.
На что похож пластик?
Многие виды пластмасс имеют разные свойства (если бы они не были такими, нам бы вообще не понадобилось их так много). При этом у них есть общие черты. Как правило, пластмассы гибкие, и им легко придать форму различными способами (помните, что мы называем их пластмассами); легко изготавливать самых разных форм, размеров и цветов; легкий; электроизоляционные; водонепроницаемый; и относительно недорого. Некоторые из них должны быть очень прочными и долговечными , а другие предназначены для относительно быстрого разрушения в окружающей среде (например, биоразлагаемые пластиковые пакеты). Свойства пластика также могут быть созданы специально. Предположим, мы хотим, чтобы пластмассы были устойчивы к статическому электричеству, чтобы они не собирали столько пыли; тогда мы можем использовать антистатические добавки в процессе производства, чтобы сделать их слегка электропроводящими.
Для чего мы используем пластик?
В начале 20 века пластмассы были в новинку; пластиков было очень мало, а применений было очень мало. Если переместиться на 100 лет вперед, трудно найти вещи, для которых мы не использовали бы пластик. Материаловедение означает понимание свойств различных материалов, чтобы мы могли наилучшим образом использовать их в окружающем мире. Учитывая то, что мы только что узнали о свойствах пластмасс, неудивительно, что они помогают нам в строительстве, производстве одежды, упаковке, транспортировке и во многих других сферах повседневной жизни.
В зданиях вы найдете пластик в таких вещах, как вторичное остекление, крыши, теплоизоляция и звукоизоляция , и даже в красках, которые вы наносите на стены. Электрические кабели изолируются пластиком, по которому вода и сточные воды переносятся в ваш дом и из него. Оглянитесь вокруг, и вы увидите пластик повсюду, от рам для картин и абажуров до одежды на спине и обуви на ногах. Как все это попадает в вашу жизнь? До трети всего пластика, который мы используем, попадает в упаковку, которую мы используем для защиты продуктов (иногда даже пластиковых) на пути с завода до дома.
Поскольку пластик означает гибкость по определению, мы склонны думать, что пластик относительно слабый материал. И все же некоторые из них невероятно сильны и долговечны. Например, если у вас гнилая деревянная дверь или окно, вы можете вырезать гниль и заменить ее наполнителем из эпоксидной смолы, очень прочным термореактивным пластиком, который станет твердым в течение нескольких минут и останется таким на долгие годы. Крылья автомобилей в настоящее время в основном изготавливаются из пластика, а легкие кузова автомобилей и лодок часто изготавливаются из композитных материалов.такие как стекловолокно (стеклопластик), которые представляют собой пластмассы, смешанные с другими материалами для дополнительной прочности. Некоторые пластмассы бывают мягкими или твердыми в зависимости от настроения. Удивительный пластик под названием D3O® обладает удивительной способностью поглощать удары: обычно он мягкий и мягкий, но если ударить его очень внезапно, он мгновенно затвердеет и смягчит удар.
Пластмассы и окружающая среда
Большинство пластмасс являются синтетическими, поэтому они тщательно разработаны химиками и созданы в очень искусственных условиях. Они никогда не появлялись спонтанно в мире природы, и они все еще являются относительно новой технологией, поэтому у животных и других организмов на самом деле не было шанса развиться, чтобы они могли питаться ими или разрушать их. Поскольку многие пластиковые предметы, которые мы используем, должны быть недорогими и одноразовыми, мы создаем очень много пластикового мусора. Соедините эти две вещи вместе, и вы получите такие проблемы, как Большой Тихоокеанский мусорный полигон., гигантское «озеро» плавающего пластика посреди северной части Тихого океана, сделанное из таких вещей, как пластиковые бутылки. Как мы можем решить подобные ужасные проблемы? Одно из решений - лучшее государственное образование. Если люди осознают проблему, они могут дважды подумать о том, чтобы засорять окружающую среду, или, может быть, они предпочтут покупать вещи, в которых используется меньше пластиковой упаковки. Другим решением является переработка большего количества пластика, но это также связано с улучшением просвещения населения и также создает практические проблемы (необходимость сортировать пластик, чтобы его можно было эффективно переработать без загрязнения). Третье решение - разработка биопластиков и биоразлагаемых пластиков, которые могут быстрее разрушаться в окружающей среде.
Легко отвергнуть пластик как дешевый и неприятный материал, разрушающий планету, но если вы посмотрите вокруг, реальность будет иной. Если вам нужны автомобили, игрушки, запасные части тела, медицинские клеи, краски, компьютеры, водопроводные трубы, оптоволоконные кабели и миллион других вещей, вам также понадобится пластик. Может быть, вы думаете, что нам трудно жить с пластиком? Попробуйте на мгновение представить, как бы мы жили без них. Пластик - это просто фантастика - нам просто нужно быть умнее и разумнее в том, как мы его производим, используем и перерабатываем, когда закончим.
Краткая история пластмасс
· Древние люди начали использовать пластик (натуральные материалы, такие как каучук , рог животных и панцирь черепахи, сделаны из полимеров).
· 1838: Разработано литье под давлением для литья под давлением металлических изделий (технология, которая позже произведет революцию в производстве пластмасс).
· 1839: Чарльз Гудиер разрабатывает вулканизированный (термообработанный и обработанный серой) каучук - пример жесткого, прочного сшитого полимера.
· 1855: Жорж Одемар, швейцарский химик, создает первые синтетические пластиковые шелковые волокна с использованием коры тутового дерева и резиновой резинки.
· 1856: Александр Паркс разрабатывает первый искусственный пластик, Parkesine, производя нитроцеллюлозу из целлюлозы и азотной кислоты.
· 1875: Альфред Нобель изобретает гелигнит, пластическое взрывчатое вещество, также на основе нитроцеллюлозы.
· 1885: Джордж Истман (известный камерой Kodak) совершает революцию в фотографии, создавая пластиковую фотопленку из целлюлозы.
· 1894: Чарльз Кросс, Эдвард Беван и Клейтон Бидл производят вискозу, первый коммерчески успешный искусственный шелк (разновидность вискозы).
· 1907: Бельгийский химик Лео Бэкеланд создает первый полностью синтетический термореактивный пластик, бакелит, из фенола и формальдегида. Примерно в то же время он экспериментирует с литьем под давлением.
· 1920: Американец Джон Уэсли Хаятт разрабатывает первую машину для литья пластмасс под давлением.
· 1930: Американский химик Уоллес Карозерс и его команда из DuPont случайно обнаруживают новый странный материал. Вскоре он становится нейлоном , чрезвычайно успешным пластиком, который произвел революцию в текстильном производстве.
· 1930: Ричард Г. Дрю из компании 3M изобрел прозрачную липкую ленту «Скотч» .
· 1930-е годы: немецкий химик Эдуард Симон случайно создает полистирол, первоначально названный оксидом стирола, а затем метастиролом.
· 1938: Рой Планкетт из DuPont случайно обнаруживает PTFE (тефлон).
· 1942: Гарри Кувер из Eastman Kodak изобретает суперклей для пластика (метилцианоакрилат).
· 1949: DuPont изобретает лайкра (разновидность полиуретана).
· 1949: Американец Билл Тритт создает Glasspar G2, первый серийный спортивный автомобиль с кузовом, полностью сделанным из стекловолокна (композитного пластика).
· 1953: Карл Циглер разрабатывает алюминиевые катализаторы для ускорения полимеризации.
· 1954: Джулио Натта разрабатывает полипропилен, впервые произведенный итальянской химической компанией Montecatini.
· 1955: Основываясь на более ранних работах Карла Циглера, Натта совершенствует катализаторы Циглера-Натта.
· 1954: Dow Corning изобретает пенополистирол.
· 1958: Джордж де Местраль подает патент на VELCRO®, пластиковую застежку-липучку многоразового использования.
· 1966: Стефани Кволек и Пол Морган из DuPont получают патент на Кевлар® , сверхпрочный пластик, похожий на нейлон. Он коммерчески представлен в 1971 году. Также в 1966 году другой химик DuPont, Уилфред Суини, получил патент на химически похожий нейлоновый родственник под названием Номекс® , революционный огнестойкий материал.
· 1982–1983: Различные страны (и регионы со своими собственными валютами), включая Коста-Рику, Гаити, Эквадор, Сальвадор и британский остров Мэн, экспериментируют с банкнотами, сделанными из гибкого, похожего на бумагу пластика под названием Tyvek®.
· 1982: Джарвик 7 , полностью искусственное сердце, сделанное из пластикового полиуретана, впервые имплантируется человеку.
· 1988: Австралия становится первой страной, которая должным образом выпускает пластиковые банкноты с высокой степенью защиты (не в рамках временного судебного разбирательства). К 1996 году он переводит все свои ноты на полимерные версии.
· 1990-е: Разработаны первые современные 3D-принтеры . Они могут создавать реалистичные модели объектов, разбрызгивая слои горячего АБС-пластика (акрилонитрил-бутадиен-стирол).
· 1997: Капитан Чарльз Мур обнаруживает Большой Тихоокеанский мусорный полигон.
· 1998: Производство умных автомобилей из композитных материалов.
· 2001: Скотт Уайт, Нэнси Соттос и сотрудники Иллинойского университета в Урбане-Шампейне разрабатывают замечательные самовосстанавливающиеся материалы из пластмасс.
· 2002: Британский изобретатель Ричард Палмер подает патент на революционный энергопоглощающий пластик , который он называет D3O, который может поглощать силу от ударов.
· 2016: Японские ученые сообщают об открытии бактерий, которые могут есть пластиковые бутылки.
· 2017: Китай отказывается перерабатывать пластиковый мусор из остального мира.
· 2019: Микропластики (крошечные фрагменты), которые давно известны как вызывающие загрязнение воды, также обнаруживаются в загрязнении воздуха на большие расстояния.
Подписывайтесь на канал ! Будет много интересного!