Наиболее яркие периоды истории человечества названы по основным материалам, которые использовались людьми в те времена. Так, мы знаем о каменном, железном и бронзовом веках.
Пластик так прочно вошёл в нашу жизнь, что сегодня мы можем смело говорить о "пластиковом веке". Нас окружают тысячи пластиковых предметов, от бытовых до промышленных. Легкий, прочный, дешевый и универсальный, пластик стал незаменимым материалом в современном мире."
Точкой отсчёта индустрии пластмасс принято считать изобретение целлулоида (пластмассы на основе нитрата целлюлозы (коллоксилина), пластифицированного камфорой). Первый целлулоид в качестве сыпучего материала для формирования предметов изготовил Александр Паркс (1813-1890) в 1855 году в Англии, а спустя 7 лет он патентует своё открытие под названием «паркезин». К сожалению, не сумев вывести материал на рынок, его фирма вскоре банкротится.
В это время в Европе и Америке невероятно популярен бильярд, а шары для него производятся из безумно дорогой слоновой кости. Поэтому поиск альтернативного материала для изготовления шаров актуален как никогда, для чего одним крупным промышленником объявляется награда в 10 000$ (весьма приличная сумма для тех лет) за изобретение искусственного аналога животному материалу.
В 1860-х годах американец Джон Уэсли Хайат (1837-1920), увидев объявление о награде, приобретает патент Паркса и начинает экспериментировать с нитратом целлюлозы. Братья Хайат используют тепло и давление, чтобы упростить производство этих соединений. Безусловно, многие пытались найти решение задачи, но именно братьям в итоге улыбается удача. В 1870 г. они создают компанию, которая осваивает выпуск бильярдных шаров, вставных зубов и клавиш для фортепиано из целлулоида. С течением времени целлулоид становится общепринятым термином, используемым для обозначения этого типа пластика. В 1878 году Джон Хайат патентует первую в мире машину для литья пластмассы под давлением. Благодаря использованию гибкого целлулоида в качестве подложки фотоматериала вместо громоздкого и хрупкого стекла, происходит взрывной рост индустрии кинематографа.
На стыке XIX и XX веков США переходят от аграрной экономики к индустриальной. Люди всё чаще используют фабричные вещи, и целлулоид, по сути, делает возможным появление культуры потребления – теперь с его помощью бизнес может предложить среднему классу вещи, которые до этого момента были им недоступны.
Так как целлулоид внешне имитирует благородные материалы (слоновую кость, черепаший панцирь, мрамор) и даже полудрагоценные камни, то именно его использование запускает первую волну подделок драгоценностей. Даже эксперты порой не могут отличить фальшивку.
После Второй мировой войны в СССР начинают массово производиться игрушки из целлулоида: помимо различных животных осваивают знаменитую куклу «неваляшку» (рис.1). Так как целлулоид производится из отходов порохового производства (коллоксилина), то выпуск игрушек осваивают там же – на Тамбовском пороховом заводе. На закате СССР легковоспламеняемый целлулоид будет заменён на поливинилхлорид.
Но вернёмся обратно в начало XX века. Следующим крупным открытием становится получение полиоксибензилметиленгликольангидрида американским химиком Лео Хендриком Бакеландом (1863-1944) в 1909 году. Он создаёт первый полностью синтетический реактопласт, который скромно в свою честь называет бакелитом, и изначально материал на основе фенолоформальдегидной смолы создавался в качестве замены шеллаку (природной смоле), но практически нерастворимый полимер с превосходной диэлектрической проницаемостью, который не размягчается при высоких температурах, благодаря простоте серийного производства становится очень востребован в электротехнической промышленности: практически все корпуса самых различных электроприборов изготавливаются из бакелита и его производных, формируя визуальный облик целой эпохи. В 1914 году группа русских химиков во главе с «отцом» русской пластмассы, Григорием Петровым (1886-1957), синтезирует карболит, отечественный аналог бакелита. По целому ряду свойств бакелиты до сих пор остаются непревзойдённым материалом.
Появление бакелита меняет подход к созданию новых пластмасс. Теперь учёные уже не стремятся имитировать природу, и возникает новый тренд: перестроить природу новыми способами. Крупные игроки в нефтяной и химической промышленности объединяются в альянсы, чтобы вместе использовать различные побочные продукты от добычи и переработки сырой нефти и газа для производства новых видов пластика.
В 1872 году немецкий химик Ойген Бауман (1846-1896) после обширных исследований и экспериментов синтезирует поливинилхлорид (ПВХ), однако открытие не находит отклика у промышленников. В начале XX века химики Иван Остромысленский и Фриц Клатте из немецкой химической компании снова пытаются использовать его в коммерческих целях, но ПВХ снова не находит своего применения из-за сложностей с обработкой жёсткого и хрупкого полимера. После того как американский химик Уалдо Лонсбери Семон (1898-1999) в 1926 г. изобретает способ улучшения эластичности полимера, ПВХ наконец-то выходит на рынок. В XXI веке материал прочно зарекомендует себя в строительстве (оконные рамы и фурнитура, трубы, плёнки, линолеумы, натяжные потолки, электротехника и т.д.) и уверенно займёт 3-ую строчку в рейтинге крупнотоннажных полимеров.
В 1898 г. немецкий химик Ганс фон Пехман (1850-1902) впервые синтезирует полимер этилена (газ, являющийся побочным продуктом в нефтяной отрасли), т.е. полиэтилен (ПЭ). Как это часто бывает в химии, получается это совершенно случайно. Поначалу получившийся полимер своего применения не находит, так как он опережает своё время. Но, как бы это смешно не звучало, в 1933 г. ПЭ снова случайно открывают, но на этот раз это делают английские химики. Как ни старались они повторить свой опыт, но у них ничего не получается, и проект закрывается. Спустя 2 года их коллега решает разобраться в причинах неудач, и ему удаётся разработать технологию для промышленного производства ПЭ.
В XXI веке ПЭ станет самым массовым полимером в мире. Его доля составит около 45% мирового объёма всех полимеров. Каждую минуту на нашей планете будет использоваться более 1 млн пакетов из ПЭ. А второе месте займёт его близкий «родственник», полипропилен (ПП), впервые синтезированный в 1951 году американскими химиками Джоном Хоганом (1919-2012) и Робертом Бэнксом (1921-1989).
Широкое применение ПП найдёт позже, благодаря работам двух химиков: немца Карла Циглера (1898-1973) и итальянца Джулио Натта (1903-1979). Их открытие ускорения реакции полимеризации заключается в применении специальных катализаторов, позднее названных в их честь. К сожалению, желание каждого по отдельности запатентовать открытие приведёт к ссоре некогда хороших друзей и последующим патентным войнам. Как бы там ни было, но в 1963 г. Нобелевская премия по химии за данное открытие будет присуждена обоим учёным. ПП будет широко применяться в производстве ПП волокна, труб, плёнок и посуды.
В 1928 году сразу несколько химиков в своих лабораториях независимо друг от друга открывают синтетический термопластичный полиметилметакрилат (ПММА), более известный как органическое стекло.
В 1933 году немецкий химик Отто Рём (1876-1939) патентует новинку под торговой маркой Plexiglas (и пой сей именно так называют оргстекло за рубежом) и осваивает его промышленное производство.
Оргстекло повсеместно заменяет силикатное стекло.
Накануне Второй мировой войны американская химическая компания DuPont выводит на рынок сразу две мировые сенсации: нейлон и тефлон.
Первая новинка – это нейлон (полигексаметиленадипинамид).Достоверных сведений о происхождении слова «нейлон» нет, но по легенде изобретатель нейлона, Уоллес Карозерс (1896-1937), составил английское слово «nylon» из названий двух городов: Нью-Йорк (NY) и Лондон (LON).
Непромокаемый нейлон становится первым из синтезированных человеком искусственных волокон. Чулки из нейлона ещё на старте продаж становятся мировым хитом. Вокруг магазинов в США, в которых продаётся чудо-новинка, выставляют полицейские наряды, чтобы сдерживать натиск покупательниц. Уже во время Второй мировой войны чулки станут большим дефицитом, в связи с чем женщины будут покрывать ноги краской светло-коричневых оттенков, имитирующей цвет чулка. Эту идею тут же подхватит компания Макс Фактор и выпутит специальную косметическую краску для подкрашивания ног.
Второй новинкой является тефлон (политетрафторэтилен (ПТФЭ) или фторопласт-4) – один из самых химически инертных веществ – он не растворяется в воде, ацетоне, простых эфирах, спиртах, кислотах, в том числе и в царской водке (в которой растворяется даже золото). Обладает сверхнизким коэффициентом трения, к его поверхности ничего не прилипает. Он не плавится под нагретым паяльником, не разрушается под прямым солнечным светом, не гниёт и не плесневеет. На тот момент это были уникальные физические свойства.
Таким образом мир входит во Вторую мировую войну не только с новыми видами вооружений, но и с принципиально новыми материалами, и в итоге их производство кратно увеличивается. Нейлон объявляется стратегическим материалом. Из него шьют парашюты, тенты для военных машин, походные рюкзаки, военное обмундирование и многое другое. ПЭ массово применяется в качестве электрической изоляции проводов.
Оргстекло за счёт уникального сочетания таких свойств, как оптическая прозрачность, безосколочность и стойкость к авиатопливу, широко исполтзуется в авиации. Тефлон применяют в авиационных двигателях, при производстве взрывчатых веществ, в радарных системах бомбардировщиков и в качестве обшивки для резервуаров с жидким топливом. Более того, тефлон используется в первой атомной бомбе в США.
В СССР тефлон впервые попадает вместе с американскими танками, поступавшими по ленд-лизу: фторопластовая прокладка применялась там вместо смазки в механизме поворота башни. Вскоре в Союзе будет налажено собственное секретное производство фторопласта.
К 1949 г. тефлон начинают использовать в процессе промышленной обработки продуктов питания. Покрытые тефлоном противни для выпечки и жестяные банки для печенья становятся стандартным оборудованием во многих пекарнях и на кондитерских фабриках. Более того, это будет актуально и спустя столетие.
Тем временем, французскому инженеру Марку Грегуару удаётся раздобыть небольшое количество тефлона, и он решает применить его в рыболовных снастях, чтобы они меньше запутывались. В один прекрасный день его жена просит покрыть этим скользким материалом кухонную сковородку. После ряда экспериментов получившийся результат оказывается настолько удачным, что Грегуар патентует антипригарную посуду в 1954 г. и спустя два года создаёт завод по её производству. Свою посуду Грегуары называют «Tefal» (от первых слогов слов «TEFlon» и «ALuminium»).
После войны происходит взрывной рост отрасли. Производство полимеров растёт по экспоненте.
В 1953 г. немецкий химик Герман Шнелл (1916-1999) получает соединение поликарбоната, который по своим физико-механическим свойствам на тот момент не имеет аналогов среди известных термопластов. Спустя 2 десятилетия в Израиле находят применение этой новинке –поликарбонат заменяет собой хрупкое стекло в теплицах, в которых из-за условий жаркой пустыни не могло быть использовано оргстекло. С тех пор поликарбонат будет повсеместно использоваться в остеклении различных конструкций (в т.ч. смотровых стёкол).
В 1955 г. в США журнал Life выпускает статью про беззаботную жизнь с предметами из пластика. На обложке изображена семья, подбрасывающая в воздух одноразовые тарелки, чашки и столовые приборы (рис. 3). На то, чтобы перемыть всю эту посуду ушло бы до 40 часов, но отныне уборка считается пустой тратой времени. Начало перехода на одноразовую посуду знаменует собой новую главу в истории пластмасс.
В 1958 г. DuPont осваивает промышленное производство полиуретановых волокон (эластомерных нитей) под маркой Lycra. Лёгкое и почти невидимое волокно становится важной составляющей нашей одежды. Благодаря лайкре одежда получается облегающей и прочной, обеспечивая при этом непревзойдённый комфорт. Стирка за стиркой материал сохраняет посадку и форму.
В 1964 г. сотрудница всё той же компании DuPont Стефани Кволек (1923-2014) изобретает пара-арамидное волокно (полипарафенилентерефталамид), более известное как Кевлар, а годом позже разрабатывается технология его производства. Материал находит своё применение в бронежилетах и различных защитных средствах. Также он используется как армирующий элемент в автомобильных шинах, в оптоволоконных кабелях и различных тканях.
В 1969 г. изобретена мембранная ткань Gore-Tex. Мембрана представляет собой очень тонкую фторопластовую плёнку с огромным количеством микроскопических пор (около 1,4 млрд. на 1 см2). Основным свойством материала является водо- и ветронепроницаемость, при этом материал хорошо пропускает пар, что позволяет коже «дышать». В 1981 г. астронавты NASA отправляются в космос в скафандрах, изготовленных с применением волокон Gore-Tex, а один из участников международной экспедиции в Антарктику в 1990 г. сообщит, что ткань спасла ему жизнь. В XXI веке практически вся профессиональная экипировка будет производиться из мембранной ткани Gore-Tex.
В 1973 году американский инженер Натаниель Виет (1911-1990) разрабатывает бутылку из полиэтилентерефталата (ПЭТФ или ПЭТ). В том же году компания DuPont получает патент на изобретение. Несмотря на то, что ПЭТ был открыт ещё в 1940х, именно ПЭТ-бутылка приводит к кратному росту производства этого полимера. Стандартная стеклянная пол-литровая бутылка согласно ГОСТ 10117 весит 400-480 г. В то же время обычная пол-литровая ПЭТ-бутылка весит всего 28-30 г. Перевозка продукции в стеклянной таре по сравнению с пластиковой влечёт за собой дополнительные непродуктивные затраты. За одну поездку при прочих равных условиях перевозится меньше продукта (неэкономично), а при этом расходуется больше топлива (неэкологично). Это становится движущей силой повсеместного перехода на пластиковую упаковку.
Компании-производители различных напитков активно переходят на новинку, и спустя несколько десятилетий одна только компания Coca-Cola будет производить около 130 млрд. пластиковых бутылок в год.
Безусловно, пластики во многих сферах упрощают нам жизнь, ими можно заменить металл, стекло, дерево и камень. Они просто незаменимы в медицине. Пластик более технологичен, изделия из него гораздо проще в производстве, а сами изделия более функциональны, но под видом простоты и лёгкости к нам подобралась его тёмная сторона в виде сложности его утилизации/переработки. К 2017 году на планете насчитывается около 8,3 млрд тонн пластика. Примерно 6,3 млрд тонн из этого количества – отходы. При этом 5,7 млрд тонн пластика так и не побывали в переработке – эта цифра ошеломляет ученых, проводивших расчеты в 2017 году. Ежегодно в мировой океан попадает около 13 млн. тонн пластика. По прогнозам специалистов, через 10-15 лет пластика в океане будет больше, чем рыбы.
Несомненно, переработка пластиковых отходов является самым логичным решением данной проблемы, но в среднем по миру только 15% пластика попадает в переработку. При этом 40% из этого количества из-за загрязнений и других проблем приходится выбрасывать. Таким образом, перерабатывается только 9%, что является крайне низким показателем по сравнению с металлическими отходами, которые почти полностью перерабатываются. Но даже скромные 9% сложно назвать полным рециклингом, так как, по сути, происходит превращение отходов в продукцию более низкого качества, вроде садового инвентаря. Но после использования эти предметы снова станут мусором. Важно отметить, что пластик утрачивает все свои механические свойства после 5-7 циклов переработки.
Переработать оставшуюся долю отходов сложно по следующим причинам:
1. Собирать пластик очень трудно;
2. Пластик нужно сортировать на категории. Для большинства обывателей он представляет собой единый материал, а отличие заключается только в форме и цвете, и мало кто понимает, например, разницу между полиэтиленом, полипропиленом и поликарбонатом. Все эти внешне похожие друг на друга материалы должны быть отсортированы и переработаны по-разному. Их температуры плавления сильно отличаются: около 110 °С – для первого полимера, около 170 °С – для второго и около 320 °С – для третьего.
Если их не разделить и переработать вместе, например, при 350 °С, то ПЭ и ПП просто сгорят при этой температуре. Ещё пример: обычная бутылка газированной воды состоит из самой ПЭТ-бутылки, крышки из ПП или ПЭ и этикетки из ПП, то есть 3 разных полимера всего лишь на одной бутылке.
И хотя на многих изделиях имеется соответствующая маркировка кода переработки (рис. 4), которая позволяет определить материал, она всё-таки встречается не на всех деталях, а на некоторых мелких изделиях нет достаточных по площади нерабочих поверхностей, на которых можно было бы нанести такую маркировку.
Цифры внутри треугольника характеризуют материал. В ЕС для пластмасс отведены числовые значения от 1 до 19 Например, цифра 3 – это ПВХ, а цифра 5 – полипропилен.
3. Процесс переработки некоторых видов пластика наносит значительный вред окружающей среде;
4. Пищевой пластик, загрязнённый другими отходами, не подходит для использования в качестве пищевого материала;
5. Пластиковая тара перед сдачей на переработку должна быть очищена от загрязнений;
6. Сильно загрязнённый пластик (например, из-под растительного масла) не перерабатывается по причине их дорогостоящей мойки, именно поэтому необходимо мыть бутылки перед сдачей на переработку.
7. Зачастую по ряду причин процесс переработки того или иного вида пластика слишком дорог. В результате стоимость переработанного пластика становится выше нового сырья, в то же время технологически проще работать со свежим материалом. Таким образом, экономика почти всегда побеждает экологию.
Сжигание пластиковых отходов (в т.ч. резины) представляет особую опасность для окружающей среды и здоровья людей, находящихся в зоне рассеивания продуктов сгорания, поэтому мусоросжигательные заводы тоже не являются экологичным решением.
За последнее время во многих магазинах стали появляться биоразлагаемые пакеты, но и они не являются панацеей. Во-первых, биоразлагаемые пластики стоят дороже, а, во-вторых, данные независимых исследований показывают, что они не так разлагаемы, как об этом говорит реклама.
При истирании более крупных элементов пластика (стирка одежды, содержащей синтетические добавки; истирание автомобильных шин и т.д.) образуется микропластик (микрочастицы пластика менее 1 микрона). Целый ряд продуктов содержит микропластик, который изначально был создан такого маленького размера (гели для душа, моющие средства, скрабы, косметика, блёстки и т.д.). Люди постоянно поглощают микропластик с водой и пищей, вдыхают его с воздухом, также он попадает через кожу (при пользовании моющими средствами или косметикой). В ходе недавних исследований микропластик был обнаружен даже в крови человека. Ежегодно мы потребляем столько микропластика, что из него можно было бы сделать целую банковскую карту.
Все полимеры сами по себе инертны, нетоксичны и не «мигрируют» в пищу, но промежуточные вещества, технологические добавки, растворители, а также продукты химического распада при определенных условиях (во время хранения продуктов или при их нагревании) способны проникать в пищу и оказывать токсическое воздействие на здоровье человека.
Полимерные материалы подвержены старению, в результате чего из них тоже выделяются продукты разрушения.
Разложение пластика в окружающей среде в среднем происходит в течение 100 лет. Около 50% потребительских изделий из пластика – одноразовые. Использовать одноразовую посуду многократно не рекомендуется, но ради непродолжительного пользования пластиковой посудой и столовыми приборами мы загрязняем планету на сотню лет!
Как бы там ни было, но с каждым годом по всему миру появляются новые инициативы по уменьшению потребления пластика. Во многих странах запрещаются полиэтиленовые пакеты. Сетевые заведения фастфуда по всему миру уже внедряют такие инновации, как продажа напитков и готовых блюд в собственную тару. То есть, вместо одноразового стаканчика любой желающий может налить кофе в собственный многоразовый термостакан, из которого, к тому же, можно будет насладиться напитком без трубочки. Мотивируют продажи за счёт предоставления весьма приличных скидок. Курьеры ряда сервисов доставляют заказанные товары в многоразовой таре, которую тут же забирают с собой. Международные отельные сети пластиковые бутылки с водой в номерах на кулеры на этажах. Вместо пластиковых коктейльных трубочек и шариковых ручек широко применяются их бумажные аналоги (рис.5), а вместо пластиковых чайных ложечек используются деревянные (рис.5). В ряде стран ЕС продажа напитков на ярмарках и рынках осуществляется исключительно в стеклянную тару. При покупке, например, пива или глинтвейна покупатель вносит залог за кружку (в среднем около 2 €), который можно полностью получить при возврате тары.
Во времена СССР массовой проблемы с пластиковыми отходами не существовало, так как в нашей стране отсутствовали предприятия быстрого питания, работа которых построена на массовом использовании одноразового пластика. Стеклянная тара, бумага и металлы шли на переработку, поэтому я уверен, что рано или поздно мы сможем отказаться от одноразового пластика. Я прекрасно помню времена, когда выносил мусор в ведре - сейчас же мусор повсеместно выбрасывается в полиэтиленовых пакетах.
В 19 веке пластмассу придумали, чтобы не наносить урон экологии (спасти слонов и черепах), но тем самым человечество «выпустило джинна из бутылки». В 21 веке от пластика ежегодно умирает до 100 тыс. морских животных (при этом, примерно 800 видов находятся под угрозой вымирания из-за поедания пластика и отравления им), поэтому, только действуя сообща, мы можем «загнать джинна обратно… в стеклянную бутылку».
Материал статьи подготовлен с использованием материалов следующих источников:
- http://ru.wikipedia.org – свободная энциклопедия Википедия,
- http://plastinfo.ru – отраслевой портал переработчиков пластмасс,
- http://youtube.com – видеохостинг;
- http://ipen.org – сайт Международной сети по ликвидации загрязнителей;
- http://kp.ru – интернет-издание «Комсомольская правда».