Loading AI tools
З Вікіпедії, вільної енциклопедії
Пластмаси[1] (пластичні маси), пластики — штучно створені матеріали, основою яких є полімер, що перебуває під час формування виробу у в'язкорідкому чи високоеластичному стані, а під час експлуатації — в склоподібному чи кристалічному стані[2]
Пластмаси | |
З матеріалу | горючі корисні копалини і полімер |
---|---|
Підтримується Вікіпроєктом | WikiProject Polymersd, WikiProject Materialsd, Вікіпедія:Проєкт:Хімія і WikiProject Environmentd |
Пластмаси у Вікісховищі |
Пластмаси формують при підвищеній температурі, у той час коли вони мають високу пластичність. Сировиною для отримання полімерів є нафта, природний газ, кам'яне вугілля, сланці.
Першу пластмасу було отримано британським металургом і винахідником Александером Парксом[en] у 1855 році[3]. Паркс назвав її «паркезин» (потім стали називати целулоїд). Паркезин вперше було представлено на Всесвітній виставці в Лондоні у 1862 році. Розвиток пластмас почався з використання природних пластичних матеріалів (жувальної гумки, шелаку), далі продовжився використанням хімічно модифікованих природних матеріалів (гума, ебоніт, нітроцелюлоза, колаген, галаліт) і перейшов до повністю синтетичних молекул (бакеліт, епоксидна смола, полівінілхлорид, поліетилен та ін.).
Поширенню пластмас сприяють їхня мала густина (0,85—1,8 г/см³), що значно зменшує масу деталей, висока корозійна стійкість та широкий діапазон інших властивостей. Гарні антифрикційні характеристики багатьох пластмас дають можливість з успіхом застосовувати їх для виготовлення підшипників ковзання. Високий коефіцієнт тертя деяких пластмас дозволяє використовувати їх для гальмових пристроїв. Окремі пластмаси мають специфічні властивості: високі електроізоляційні та теплоізоляційні характеристики, велику прозорість, тощо.
Важливою перевагою пластмас є можливість їхньої переробки у вироби найпродуктивнішими способами з коефіцієнтом використання матеріалу 0,9-0,95 — литтям, видавлюванням тощо.
Водночас пластмасам притаманні деякі недоліки: невисокі міцність, твердість і механічна жорсткість, велике значення коефіцієнта лінійного термічного розширення (~15×10−5 К−1), значна повзучість, особливо у термопластів, низька теплостійкість (більшість пластмас має робочу температуру не вищу, ніж 200 °C, і лише деякі можуть працювати при 300…400 °С), низька теплопровідність (в 500–600 разів менша, ніж у металів), схильність до старіння (втрата властивостей під впливом тепла, світла, води та інших факторів).
При старінні зменшується еластичність і міцність пластмас, збільшується їхня механічна жорсткість і крихкість. Під еластичністю розуміють здатність матеріалу до великих зворотних деформацій. Цей термін за фізичним сенсом аналогічний пружності, але перший вживається для аморфних, а останній — для кристалічних тіл.
Твердість пластмас за методом Брінелля становить 30…200 МПа.
Більшість полімерів перебуває в аморфному (склоподібному) стані. Такі полімери називають смолами. В пластмасах може бути присутньою певна кількість кристалічної фази, яка підвищує міцність, жорсткість і теплостійкість полімера. У виробництві пластмас використовують переважно синтетичні смоли.
Крім полімерів пластмаси можуть містити наповнювачі, пластифікатори та спеціальні добавки, що надають пластмасі певних властивостей.
Наповнювачами (зміцнювальними компонентами) можуть бути органічні або неорганічні речовини у вигляді порошків (графіт, деревне або кварцове борошно), волокон (паперових, бавовняних, азбестових, скляних) або полотен чи аркушів (тканина, папір, деревний шпон). Наповнювачі підвищують міцність, зносостійкість, теплостійкість та інші властивості пластмас. Їхня частка у пластмасі може досягати 40…80%.
Пластифікатори вводять для підвищення пластичності та еластичності пластмас (гліцерин, касторове або парафінове масло та ін.).
Добавками можуть бути:
Залежно від властивостей смоли пластмаси поділяють на термопластичні, термореактивні та високоеластичні.
Залежно від природи твердого наповнювача серед пластмас розрізняють: асбопластики, боропластики, графітопласти, металополімери, органопластики, склопластики, вуглепластики.
Залежно від складових їх макромолекул пластмаси поділяються на такі види: пластомери (лінійні ланцюги), дуромери (структури з високою щільністю решітки), еластомери (структури з низькою щільністю решітки) і синтетичне волокно (сильно орієнтовані ланцюгові молекули).
Термопластичні пластмаси (термопласти) — це пластмаси на основі термопластичних полімерів, що під час нагріву розм'якшуються, переходять у в'язкотекучий стан, а при охолодженні тверднуть, і цей процес повторюється при повторному нагріванні. Тобто такі пластмаси допускають повторну переробку. Вони характеризуються невеликою усадкою (1…3%), зручні в переробці, не складні у виробництві тощо. Зазвичай їхня робоча температура не перевищує 90 °C. Типовими представниками термопластів є наступні (список не вичерпний).
Поліетилен (ПЕ, PE — polyethylene) — полімер етилену, твердий, легкий і водостійкий матеріал, гарний діелектрик з високою морозостійкістю (до — 60 °C), стійкий проти агресивних середовищ. Застосовується для виготовлення кабелів, плівок, труб, ємностей технічного і побутового призначення тощо. Недоліки: низька гранична температура експлуатації, висока газопроникність і низька маслостійкість. За способом отримання поділяється на:
Поліпропілен (ПП, PP — polypropylene)[6] — полімер пропілену, твердий матеріал загальнотехнічного призначення, що має високі електроізоляційні властивості, водо- і хімічну стійкість. Існують марки, що отримали допуск до контакту з харчовими продуктами. Недоліки: низька морозостійкість (— 15 °С), горючість, незадовільна склеюваність, здатність накопичувати статичну електрику. Використовується в медицині, харчовій промисловості (пакувальні плівки) та електротехніці.
Полістирол (ПС, PS — polystyrene)[7] — продукт полімеризації стиролу, термопласт загальнотехнічного призначення. Завдяки гарним механічним властивостям, прозорості і зовнішньому вигляду, він використовується у світлотехніці та виробах культурно-побутового призначення. Він гарно обробляється різанням та склеюється. Чудовий діелектриком у широкому діапазоні частот, завдяки чому використовується в електротехніці. Нетоксичний, водо- і радіаційно стійкий, через що використовується у харчовій галузі і медичній техніці. Недоліки: крихкість при нормальних умовах, низька ударна в'язкість, здатність до статичної електризації, низька теплостійкість та хімічна стійкість, горючість. Поширення набув спінений ПС (пінопласт)[8]. Для покращення властивостей використовують співполімери полістиролу з акрилонітрилом, метилметакрилатом, α-метилстиролом. Найбільшого поширення отримали удароміцні співполімери стиролу з бутадієновим чи бутадієнстирольним каучуком, що отримали назву — «удароміцний полістирол»[9] (УПС, ASR — Advanced Styrene Resine).
Поліметилметакрилат (ПММА, органічне скло, PMMA — Polymethyl methacrylate)[10] — полімер метилметакрилату, твердий прозорий без кольору аморфний матеріал загальнотехнічного призначення густиною 1,19 г/см3. Не розчиняється у воді, спиртах, стійкий до дії розбавлених лугів, кислот, фізіологічно не шкідливий і стійкий до біологічних середовищ. Морозостійкий (—60 °С). Характеризується високою прозорістю. Виготовляється у вигляді аркушів товщиною від 0,8 мм до 24 мм, які характеризуються високою атмосферостійкістю, гарними фізико-механічними та електроізоляційними властивостями. Застосовується в авіабудуванні (авіаційне скло), автомобілебудуванні (ковпаки ліхтарів), світлотехніці. Недоліки: низька міцність при ударі, горючість, низькі діелектричні характеристики при високих частотах, здатність до поверхневого розтріскування у присутності кисню.
Поліетилентерефталат (ПЕТФ, PET — polyethylene terephthalate) — термопласт, найпоширеніший представник класу складних поліефірів терефтальової кислоти і етиленгліколю[2], відомий під різними фірмовими назвами (терилен — Велика Британія, дакрон — США, тергал — Франція, тревіра — ФРН, теторон — Японія). Тверда, безбарвна, прозора речовина в аморфному стані і біла, непрозора в кристалічному стані. Переходить у прозорий стан при нагріванні до температури склування і залишається в ньому при різкому охолодженні. Вирізняється хорошими механічними властивостями, зносостійкістю, гарний діелектрик. Використовується у вигляді хімічних волокон для побутових потреб; є основним матеріалом для армування автомобільних шин, транспортних стрічок, шлангів високого тиску; матеріал ємностей для рідких продуктів харчування (ПЕТ-пляшки для напоїв) та ін. Недоліки: абсолютно нестійкий до дії каустичної соди: як до концентрованих розчинів, так і до розведеним (руйнування має в характер піттингової корозії, а дія концентрованих розчинів соляної кислоти призводить до рівномірного зменшення товщини стінок тари.
Фторопласти — група полімерів на основі фторомістких поліолефінів і (або) їхніх співполімерів[2], до яких належать політетрафторетилен, політрифторхлоретилен, полівініліденфторид та ін.
Полівінілхлорид (ПВХ, поліхлорвініл, PVC — Polyvinyl chloride) — аморфний полімер вінілхлориду з високою міжмолекулярною взаємодією. ПВХ — атмосферостійкий, самозгасаючий при горінні полімер, однак при горінні виділяються екологічно шкідливі діоксини. При нагріванні до температур 150…170 °С починає розкладатись з виділенням хлороводню. Тому до нього вводять термостабілізатори (солі кальцію, цинку, барію). На практиці мають справу з вініпластами, пластикатами і пластизолями ПВХ, а також полівінілхлоридним волокном.
Поліамід (ПА, Nylon)[13] — гетероланцюговий полімер, складові ланки якого з'єднано амідним зв'язком[2], продукт поліконденсації амінокислот або дикрбонових кислот і діамінів. Найбільшого поширення набули аліфатичні ПА (найлони). Поліаміди — інженерні пластики, що мають високу міцність і ударну в'язкість у широкому діапазоні температур, морозостійкість −60 °С, антифрикційні властивості, добре зварюються і склеюються. Недолік: велике водопоглинання, яке приводить до зміни розмірів залежно від вологості навколишнього середовища. ПА застосовують для виготовлення корпусних деталей, що працюють у вузлах тертя, під навантаженням.
Термореактивні пластмаси (реактопласти) — полімерні матеріали, які при нагріванні розм'якшуються, але при певній температурі і під дією затвердівачів[14], каталізаторів чи ініціаторів хімічних реакцій зазнають полімеризації, внаслідок якої переходять у твердий стан і повторна переробка таких пластмас неможлива. Теплостійкість їхня вища і досягає 200…370 °С.
Термореактивні полімери порівняно рідко використовуються у чистому вигляді. Зазвичай, у них вводять наповнювачі (дисперсні, волокнисті суцільні), розчинники, згущувачі, стабілізатори, барвники, змазки, завдяки чому отримують складні багатокомпонентні системи — реактопласти. Полімерну основу реактопласта (термореактивний полімер) називають «смола» або «сполучник»[14].
На початковій стадії отримання матеріалів та виробів термореактивний сполучник має малу в'язкість, що полегшує процес формування виробів. Різниця у хімічній структурі сполучників, широкий спектр затвердівачів, ініціаторів затверднення, модифікаторів, наповнювачів дозволяють отримувати конструкційні матеріали з великим діапазоном механічних, електротехнічних, триботехнічних та інших експлуатаційних характеристик.
Залежно від типу сполучника реактопласти поділяються на:
Високоеластичні пластмаси (еластомери) — матеріал, який може розширюватися і стискатися, суттєво змінюючи свою форму в результаті прикладання зусиль і здатний під дією внутрішніх пружних сил повертатись до попередньої форми. Еластомери майже повністю замінили гумові еластомери із сировини природного походження, а також знайшли низку нових застосувань, недоступних для звичайної гуми.
Еластомери застосовуються у промисловості переробки пластмас найчастіше як високомолекулярні пластифікатори для зниження крихкості склоподібних або кристалічних полімерів. Обмеженням застосування еластомерів у складі композитів на основі пластмас є низький опір їхньому тепловому старінню і термоокислювальній деструкції, а також, неможливість їхнього виробництва у гранульованому вигляді. Основні види еластомерів:
Пластмаси поділяють на пластмаси без наповнювачів, з наповнювачами (порошковими, волокнистими, шаруватими) і газонаповнені.
Основні принципи формування виробів зводяться до подавання розплаву у форму, де він твердне в результаті охолодження (термопласти) або хімічного зшивання (реактопласти). Подавання розплаву у форму може бути періодичним (литво, пресування та ін.) або неперервним (еструзія, кландрування та ін.). У першому випадку матеріал формується перебуваючи у формі, у другому — при проходженні крізь форму. Цим переліком багатоманітність методів не вичерпується. Полімери можуть перероблятись нанесенням на поверхні з наступним твердненням (при охолодженні, хімічному структуруванні чи висиханні), попереднім формуванням заготовок і наступним термоформуванням тощо. Виходячи з цього, запропоновано наступну класифікацію методів[15]:
У наведеній класифікації не робиться різниці між формуванням термо- і реактопластів, оскільки і пресування, і литво можуть застосовуватись до обидвох видів пластмас.
Для створення умов для утилізації пластикових предметів одноразового використання в 1988 році Співтовариством Пластикової індустрії (The Society of the Plastics Industry, Inc.) була запроваджена система з ідентифікаційними кодами для маркування всіх видів пластмас. Маркування має три стрілки у формі трикутника, всередині якого поміщена цифра, що означає тип пластика:
Забруднення навколишнього середовища пластиком є складною та поширеною проблемою, яка охоплює багато аспектів.[17] Це пов’язано з широким використанням пластикових матеріалів, їх довговічністю в навколишньому середовищі та проблемами, пов’язаними з їх утилізацією та переробкою. Вплив забруднення пластиком поширюється на наземне, водне та атмосферне середовище, впливаючи на біорізноманіття[18][19] та здоров’я людини[20][21].
Див. також — Забруднення пластиком, Забруднення моря пластиком, Забруднення пластиковими гранулами.
Виробництво пластику починається з видобутку та переробки викопного палива. Процес вивільняє значну кількість парникових газів, що сприяє зміні клімату. Крім того, він часто включає шкідливі забруднювачі, які можуть впливати на якість повітря, води та ґрунту.[22]
Після його використання управління пластиковими відходами стає серйозною проблемою. Незважаючи на те, що зусилля з переробки стають дедалі ефективнішими та поширенішими, значний відсоток пластикових відходів все ще потрапляє на звалища або утилізується неналежним чином, що призводить до сміття в наземних і водних екосистемах. У 2021 році було вироблено 390 мільйонів тонн пластику. Більше 1/2 пластикових відходів потрапляє на звалище, а приблизно 1/5 частина відходів спалюється. Лише приблизно 1/10 пластикових відходів переробляється, а решта, приблизно 1/5 пластикових відходів, потрапляє в наземне та водне середовище (поза звалищами), зокрема у формі мікрочастинок пластику.[23]
Неправильно утилізований пластик може накопичуватися в наземних середовищах існування, змінюючи їхні фізичні та хімічні характеристики. Легкі та міцні пластикові матеріали можуть переноситися на великі відстані вітром і водою, що призводить до забруднення віддалених територій, включаючи захищену дику природу та безлюдні регіони.
Мікропластик, невеликі фрагменти пластику діаметром менше 5 мм, може виникати в результаті фрагментації більших шматків або безпосередньо вироблятися для використання в таких продуктах, як косметика або промислові процеси. Їх все частіше можна знайти в ґрунтах, і їхній вплив на наземні екосистеми є все більшою сферою досліджень. Дослідження показують, що мікропластик впливає на здоров’я та поведінку організмів, що мешкають у ґрунті, і може змінювати властивості ґрунту.[23][24][17]
Забруднення пластиком морського та прісноводного середовища є дуже помітною та загальновизнаною проблемою.[25][26][27] Велике пластикове сміття, наприклад пляшки та пакети, може заплутатися та бути проковтнутим тваринами в дикій природі, спричиняючи травми та смерть. Плаваючі пластики також є переносчиками патологічних мікроорганізмів.
Мікропластик викликає особливе занепокоєння у водних системах. Їх можуть поглинати організми будь-якого розміру, від мікроскопічного планктону до великих морських ссавців, і вони можуть накопичуватися в харчовому ланцюгу. Потрапляючи в організм, вони можуть завдати фізичної шкоди, а також бути переносниками токсичних хімікатів.[27]
Забруднення моря пластиком також є проблемою для діяльності людини. Це може вплинути на туризм і естетичну цінність прибережних районів, може завдати економічної шкоди таким галузям промисловості, як рибальство та судноплавство, через заплутування та потрапляння всередину, а також має потенційні наслідки для безпеки харчових продуктів і здоров’я людини.[28][20][29][21]
Пластик також сприяє забрудненню атмосфери. При спалюванні пластикових відходів виділяються токсичні речовини, зокрема діоксини та фурани, а також парникові гази.[30][17]
Більше того, нещодавні дослідження показують, що мікропластик може потрапляти в повітря та є раніше невизнаним компонентом забруднення атмосфери з невідомими наслідками для здоров’я людини та екосистем.[31][32]
Негативний вплив на здоров'я людини впливом забруднення пластиком включає порушення різних біохімічних та гормональних механізмів, зокрема через вплив таких речовин як фталати[33][34][35][36][37], Бісфенол А (BPA)[37][38][39][40][41] та Бісфенол S (BPS)[42].
Боротьба із забрудненням пластиком вимагає багатогранного підходу. Важливими стратегіями є підвищення ефективності та доступності переробки пластику, покращення інфраструктури поводження з відходами та впровадження політики, яка заохочує скорочення використання пластику.[43][44]
Крім того, дослідження біологічно розкладаного пластику та розвиток економіки замкненого циклу (циркулярна економіка), в якій матеріали зберігаються у використанні якомога довше, є перспективними шляхами зменшення впливу пластику на навколишнє середовище.[45]
Однак ці зусилля повинні супроводжуватися освітою[46] та підвищенням обізнаності про наслідки забруднення пластиком, щоб стимулювати зміни в поведінці споживачів[47] і попит на більш екологічні продукти.
Хоча пластик є забруднювачем для більшості живих істот, деякі бактерії та гриби набули здатності перетворювати його на джерело енергії. Оптимізація цих мікроорганізмами методами синтетичної біології та генної інженерії може стати рішенням для переробки пластику в середовищі.[48][49][50][51]
В двох дослідженнях 2023 року, опублікованих в Science, описується економічно-ефективна методика переробки пластикових відходів (поліетилен та поліпропілен) в жирні кислоти, які згодом перетворюють промислові сурфактанти[52]; та поліетиленових відходів в широкий спектр цінних хімічних речовин[53].
Незважаючи на значний прогрес, попереду ще багато роботи, щоб повністю зрозуміти та пом’якшити вплив забруднення пластиком на навколишнє середовище. Потрібні постійні дослідження, щоб продовжувати вдосконалювати наші стратегії подолання цієї глобальної проблеми.
Seamless Wikipedia browsing. On steroids.
Every time you click a link to Wikipedia, Wiktionary or Wikiquote in your browser's search results, it will show the modern Wikiwand interface.
Wikiwand extension is a five stars, simple, with minimum permission required to keep your browsing private, safe and transparent.