Tworzywa sztuczne

Tworzywa sztuczne



Charakterystyczną cechą współczesnej cywilizacji jest szerokie wykorzy-stywanie pewnej grupy substancji, zwanej umownie tworzywami sztuczny-mi. W ciągu ostatnich kilkudziesięciu lat związki te dzięki swoim właściwo-ściom stały się niemal wszechobecne. Rezygnacja z nich spowodowałaby zniknięcie sporej części ubrań, prawie całego sprzętu gospodarstwa domo-wego, a takie unieruchomienie samochodów i samolotów.

Większość tworzyw sztucznych to związ-ki chemiczne zwane polimerami. Zbu-dowane są one z wielu identycznych molekuł połączonych w długie łańcuchy. Więk-szość polimerów (np. polietylen lub nylon) jest dziełem człowieka, lecz istnieją też polimery natu-ralne. Takim jest na przykład celuloza, związek powszechnie występujący w tkankach roślin, główny składnik drewna. Większość polimerów to związki organiczne, czyli bazujące na węglu i wodorze. jednakże znane są polimery nieorganiczne. np. azbest.

Aby zrozumieć specyfikę tworzyw sztucz-nych, należy przede wszystkim poznać charakte-rystyczne cechy budowy ich cząsteczek. Substan-cje organiczne zbudowane są z cząsteczek: o bardzo różnorodnym składzie chemicznym. Z jednej strony istnieją związki, których cząsteczki skła-dają się zaledwie z kilku atomów, z drugiej zaś ta-kie, których drobiny zbudowane są z dziesiątek, a nawet setek tysięcy atomów. Cechą wspólną związków wielocząsteczkowych jest to, że w skład ich cząsteczek wchodzą powtarzające się, chociaż niekoniecznie identyczne, elementy po-łączone ze sobą w długie łańcuchy.

Najmniejszy powtarzający się element w łańcuchu polimeru nazywa się merem. Przykładem związku o charakterze polimeru składającego się z jednakowych merów jest celuloza (zbudowana wyłącznie z reszt glukozy), a przykładem sub-stancji zbudowanych z różnych merów (amino-kwasów) - białka. Polimer powstaje na skutek procesów polimeryzacji i polikondensacji-. Polimeryzacja polega na takim łączeniu się merów. przy którym nic ma żadnych produktów ubocznych. Powstawaniu wiązania miedzy merami towarzyszy zwykle rozerwanie wiązania podwójnego. Typowy przykład takiej re-akcji stanowi polimeryzacja etenu. Po-znanych zostało kilka mechanizmów polimeryzacji, w której mogą uczest-niczyć nie tylko rodniki, ale też ka-tiony i aniony. Polikondensacja to drugi typ reakcji, doprowadzający do powstania związków wielko-cząsteczkowych. Zasadniczą cechą określającą polikondensację jest powsta-wanie w niej prostego produktu ubocznego, naj-częściej wody. Tak się dzieje w wypadku tworze-nia się polisacharydów z cukrów prostych lub polipeptydów z aminokwasów.

Licznych substancji wielkocząsteczkowych dostarcza człowiekowi przyroda. Można je na-zwać tworzywami naturalnymi. Przykładami ta-kich tworzyw są włókna bawełny wykorzystywane w przemyśle włókienniczym lub kauczuk o znakomitych właściwościach elastoplastycz-nych. Substancje wielkocząsteczkowe nie wy-stępujące w przyrodzie zostały otrzymane oraz dużej odporności plastycznej. Ebonit ma za-stosowanie do wyrobu sprzętu elektrotechniczne-go, wykładzin i aparatury chemicznej.

Innym oprócz kauczuku polimerem natural-nym, stanowiącym bazę znanych tworzyw sztucznych, jest celuloza. Historia "udoskonalo-nej" celulozy rozpoczęła się w 1845 roku, kiedy Christian Friedrich Schónbein wynalazł nitroce-lulozę [azotan(V) celulozy]. Związek ten nie miał dużego zastosowania ze względu na swą łatwą zapalność. Zastosowanie praktyczne zna-lazły jednak roztwory nitrocelulozy. Po rozpu-szczeniu jej w mieszaninie alkoholu etylowego z eterem etylowym otrzymuje się kolodium, które po odparowaniu rozpuszczalników pozo-stawia cienką elastyczną błonę, wykorzystywa-ną przy opatrywaniu drobnych skaleczeń. Nato-miast roztwór nitrocelulozy w nitrobenzenie z dodatkiem olejów roślinnych doprowadził do powstania tworzywa, zwanego od nazwiska od-krywcy A. Parkesa parkesiną, która nadawała się do wyrobu drobnych przedmiotów codziennego użytku, była jednak zbyt kosztowna.

W 1870 roku J. Hyatt wynalazł bardziej użyt-kowe tworzywo, powstające na bazie celulozy. Nową substancję nazwał celuloidem. Była to ni-troceluloza plastyfikowana kamforą. Celuloid znalazł duże zastosowanie w produkcji zabawek, piłeczek pingpongowych, drobnej galanterii i przyborów kreślarskich. Dawniej powszechnie stosowano celuloid do produkcji błon fotograficz-nych i filmowych. Obecnie celuloid prawie wy-szedł z użycia ze względu na małą odporność na działanie wysokiej temperatury i czynników che-micznych, a także na łatwopalność. Najpóźniej wynalezionym tworzywem celulozowym byk ce-lofan (produkt polski ma nazwę "tomofan"). Po raz pierwszy otrzymali go dwaj chemicy Ch. Cros i E. Bevan w 1892 roku, a jego produkcję na dużą skalę rozpoczęto w ro-ku 1911. Celofan to przezroczy-ste tworzywo o właściwościach błony półprzepuszczalnej.

Najstarszym tworzywem kazeinowym był galalit. Opa-tentowali go w 1899 roku W. Krische i A. Spit-teler, a pięć lat później rozpoczęła się jego pro-dukcja przemysłowa. Galalit otrzymuje się w wyniku utwardzenia 5-procentowym wod-nym roztworem aldehydu mrówkowego (for-maliną) kazeiny. Produktem reakcji jest twarda, przejrzysta masa, dająca się łatwo barwić, wy-glądem przypominająca masę rogową. Dlatego też nazwano go sztucznym rogiem i stosowano do wyrobu ozdobnej galanterii.

Prawdziwą rewolucję w technologii tworzyw sztucznych spowodowały dopiero jednak substan-cje, w których wielkocząsteczkowe polimery otrzy-mywano z drobnocząsteczkowych pochodnych, bez uciekania się do naturalnego szkieletu cząste-czek olbrzymów występujących w przyrodzie.

Pierwszym całkowicie syntetycznym tworzy-wem był bakelit, należący do grupy tzw. fenoplastó w, czyli substancji powstających z fenolu lub krezolu i aldehydu mrówkowego. Jego nazwa pochodzi od nazwiska chemika Leo Hendrika Baekelanda, który wynalazł go w 1909 roku. Bezbarwny bakelit (i inne fenoplasty) daje się łatwo barwić na żywe kolory, jest wytrzymały na uderzenia i ma dobro właściwości die-lektryczne. Tworzywami podobnymi do fenoplastów są aminoplasty oparte na kondensacji mocznika z formaliną. Przemysł produkuje duże ilości fenopla-stów i aminoplastów albo w postaci proszków do pra-sowania pod ciśnieniem (tzw. tłoczyw), albo w posta-ci materiałów uwarstwionych, czyli laminatów.

Kolejny krok w technologii tworzyw sztucz-nych stanowiła polimeryzacja węglowodo-rów i ich pochodnych. W ten sposób otrzy-mano polieten (polietylen), polipropen (poli-propylen), polistyren i polichlorek winylu. Tworzywa te mają nie tylko dobre właściwości dielektryczne i mechaniczne oraz dają się ła-two barwić, lecz - co najważniejsze - są od-porne na działanie chemikaliów. Światową ka-rierę zrobiły żywice akrylowe, czyli pochodne kwasów akrylowego i metakrylowego, m.in. pleksiglas, zwany także szkłem organicznym. Pleksiglas wyglądem przypomina szkło, nie będąc jednocześnie kruchym i niewygodnym w użyciu materiałem.

W 1939 roku R.J. Plunkett otrzymał tef-lon. Jego produkcję przemysłową rozpoczęto w Stanach Zjednoczonych po zakończeniu II wojny światowej. To bardzo drogie tworzy-wo sztuczne jest odporne na działanie wyso-kich temperatur (przez dłuższy czas może być ogrzewane do 250C), niewrażliwe na chemi-kalia, charakteryzuje się także bardzo małym współczynnikiem tarcia. Teflonu używa się do wyrobu łożysk bezsmarowych, uszczelek oraz do pokrywania metalowych części żelazek i na-czyń kuchennych.

Jedną z najmłodszych grup tworzyw sztucz-nych są poliwęglany, czyli polimery syntetycz-ne - poliestry kwasu węglowego, otrzymywane jako produkty polikondensacji fosgenu z feno-lami dihydroksylowymi, najczęściej bisfenolem, czyli dianem.

Korzystanie z tworzyw sztucznych wiąże się z powstawaniem olbrzymiej ilości odpa-dów. Ostatnie badania wykazały, że są one mniej szkodliwe, niż początkowo sądzono, jednak sprawa ich utylizacji nie znalazła dotąd jedno-znacznego rozwiązania. Ponad 85 procent od-padów tworzyw sztucznych zakopuje się lub spala. Alternatywą może być recykling, czyli powtórne ich użycie po odpowiednim prze-tworzeniu.