Geneza nazw tworzyw
Tworzywa sztuczne to ogólnie i powszechnie przyjęta nazwa materiałów, których podstawowym (a nieraz wyłącznym) składnikiem są substancje wielkocząsteczkowe. Ich dawną nazwą jest masa plastyczna, ale i obecnie stosowany plastik jest nieprawidłowy, nie budzi natomiast zastrzeżeń zestawienie konkretnej grupy tworzyw sztucznych z końcówką -plast np. fenoplasty, aminoplasty, fluoroplasty czy duroplasty. Obserwuje się tendencję do zmiany określenia tworzywa sztuczne tworzywa na chemiczne, tak jak w przypadku włókien chemicznych.
Definicja tworzywa sztucznego
Materiały, których podstawowym składnikiem są naturalne lub syntetyczne polimery; tworzywa sztuczne mogą być otrzymywane z czystego polimeru (Np. polimetakrylan metylu, polistyren, polietylen), z kopolimerów lub z mieszanek polimerów. Często otrzymuje się je z polimerów modyfikowanych metodami chemicznymi (np. przez hydrolizę), fizykochemicznymi (np. przez degradację) lub przez dodatek takich substancji, jak: plastyfikatory, wypełniacze , stabilizatory oraz barwniki i pigmenty. Tworzywa sztuczne są potocznie zwane plastikami (plastykami) lub masami plastycznymi.
Podział tworzyw sztucznych
W pełni uzasadniony i zgodny z praktyką przemysłową jest podział tworzyw sztucznych oparty na zespole właściwości tych materiałów, kwalifikujących je do jednej z czterech grup, a mianowicie tworzyw sztucznych konstrukcyjnych, włóknotwórczych (włókna chemiczne), błonotwórczych (materiały i wyroby malarskie) i kauczukowych (elastomery, kauczuki syntetyczne i gumy). Podział ten jest elastyczny, większość, bowiem tworzyw sztucznych należy do dwóch, trzech, a nawet i czterech grup. Decyduje główne zastosowanie, np. poliamidy są przede wszystkim materiałami włóknotwórczymi, choć ich znaczenie jako tworzyw sztucznych konstrukcyjnych jest duże. Równie pomocny jest podział wg typu reakcji prowadzącej do otrzymywania substancji wielkocząsteczkowej ? na tworzywa sztuczne polimeryzacyjne, polikondensacyjne i poliaddycyjne. Z przetwórczego punktu widzenia rozróżnia się tworzyw sztuczne termoplastyczne, termoutwardzalne i chemoutwardzalne. Nieraz określa się tworzywa sztuczne jako syntetyczne i półsyntetyczne. Niektóre materiały małocząsteczkowe służące do otrzymywania substancji wielkocząsteczkowych określa się niekiedy jako tworzywa sztuczne, co nie jest prawidłowe i tylko częściowo uzasadnione tym, że z materiałów tych w wyniku jednostkowej operacji uzyskuje się wyrób gotowy – tworzywa sztuczne; np. z tłoczywa fenolowo – formaldehydowego, które nie jest jeszcze substancją wielkocząsteczkową, przez prasowanie na gorąco otrzymuje się tworzywa sztuczne – bakelit.
Za podstawę klasyfikacji tworzyw sztucznych przyjmuje się zachowanie tworzywa pod wpływem ogrzewania; rozróżnia się tworzywa termoplast. oraz tworzywa termo- i chemoutwardzalne, tzw. duroplasty.
Cechy tworzyw sztucznych
Tworzywa sztuczne są na ogół bardzo lekkie (gęstość najczęściej ok. 1 g/cm3), mają małą przewodność cieplną, większość z nich jest dielektrykami, jednak po dodaniu znacznej ilości (ok. 50%) materiałów przewodzących, np. sadzy lub pyłu metalicznego, przewodzą prąd elektryczny, mogą być przezroczyste lub całkowicie nieprzezroczyste; tworzywa niemodyfikowane, w porównaniu z metalami mają małą wytrzymałość na rozciąganie oraz mały moduł elastyczności; bardzo dobrą wytrzymałość na rozciąganie, duży moduł elastyczności mają tworzywa zbrojone np. włóknem szklanym (kompozyt, laminaty); tworzywa sztuczne są najczęściej odporne na czynniki chemiczne, wilgoć, lecz nieodporne na działanie czynników silnie utleniających.
Wadą większości tworzywa sztuczne jest ich wrażliwość na podwyższoną temp. (powyżej 100C). W czasie II wojny świat. uzyskano silikony, odporne najczęściej na temp. do 250C, a następnie inne tworzywa, polisulfony, odporne na temp. do 200C, w 1969 polisiarczek fenylu, odporny na temp. do 170C. W wyniku dalszych prac otrzymano polimery aromatyczne i metaloorganiczne, odporne na temp. powyżej 400C. Zmniejszenie palności tworzyw sztucznych uzyskuje się w wyniku wprowadzenia do tworzyw tzw. antypirenów.
Większość tworzyw sztucznych jest łatwa do formowania i barwienia. Najczęściej stosowanymi metodami formowania tworzyw sztucznych są: wtrysk ( formowanie wtryskowe), wytłaczanie, prasowanie tworzyw sztucznych, odlewanie tworzyw sztucznych oraz kalandrowanie. Ponadto w przetwórstwie tworzyw sztucznych stosuje się np. spiekanie, obróbkę plastyczną, laminowanie, zgrzewanie.
Wytwarzanie tworzyw sztucznych
Technika wytwarzania wyrobów z tworzyw sztucznych; odlewanie tworzyw sztucznych prowadzi się w formach nieruchomych lub obracających się; odlewanie odśrodkowe (obrotowe) — tworzywo sztuczne (ciekłe lub proszek) wprowadza się do podgrzanej formy obracającej się szybko wokół 1 osi lub wokół 2 przecinających się osi obrotu; stosuje się też odlewanie ciśnieniowe (tworzywo wtłacza się pod ciśn. 0,5–2 MPa) i odlewanie podciśnieniowe (tworzywo jest zasysane do formy); odlewanie kształtek z monomeru lub substancji częściowo spolimeryzowanej (z dodatkiem katalizatorów, przyśpieszaczy), której polimeryzacja następuje w formie odlewniczej nosi nazwę odlewania polimeryzacyjnego ; odlewanie tworzyw sztucznych w formach zamkniętych jest stosowane do wytwarzania wyrobów pustych, np. piłek, lalek, głównie z plastycznych poli(chlorku winylu); w celu otrzymania folii stosuje się odlewanie roztworów tworzyw sztucznych (np. pochodnych celulozy), najczęściej wylewając roztwór przez wąską szczelinę ogrzewanego zasobnika na przenośnik taśmowy lub obracający się bęben, gdzie następuje odparowanie rozpuszczalnika; do metod odlewniczych zalicza się też maczanie w upłynnionym tworzywie izolacyjnym, stosowane m.in. do zalewania elementów i zespołów elektronowych i elektrotechnicznych.
Historia tworzyw sztucznych
Pierwsze w skali przemysłowej próby chemiczne modyfikowania związków wielkocząsteczkowych rozpoczęto 1850–75. W 1872 w USA otrzymano celuloid, w Niemczech — 1897 uruchomiono produkcję galalitu, a 1904 acetylocelulozy. Pierwszymi syntetycznymi tworzywami sztucznymi były żywice fenolowo-formaldehydowe otrzymane 1872 (A. Baeyer), jednak produkcję ich podjęto dopiero 1909 na podstawie patentu belg. chemika H. Baekelanda. W 1928–31 rozpoczęto produkcję większości tworzyw poliwinylowych. Pierwsze tworzywa poliamidowe wyprodukowano 1937 w USA, polietylen wysokociśnieniowy w 1939 w Wielkiej Brytanii, w USA rozpoczęto produkcję tworzyw poliestrowych w 1942 r, polichlorku winylidenu w 1942 r, silikonów w 1943 r. Dalszy rozwój tworzyw sztucznych był związany z wyprodukowaniem żywic epoksydowych w Szwajcarii, poliformaldehydu w 1946 w USA, w RFN polietylenu niskociśnieniowego w 1956 i poliwęglanów w 1957, polipropylenu w 1957 we Włoszech.
W Polsce początek przetwórstwa tworzyw sztucznych nastąpił w latach 20. XX w. W 1931 rozpoczęto produkcję folii na opakowania — tomofanu z regenerowanej celulozy, 1934 tworzyw fenolowo-formaldehydowych, galalitu; podjęto próby syntezy styrenu na podstawie opracowania K. Smoleńskiego. Szybki rozwój produkcji tworzyw sztucznych w Polsce nastąpił po II wojnie światowej. Są produkowane m.in. tworzywa fenolowo-formaldehydowe, tłoczywa mocznikowe i melaminowe, polimetakrylan metylu, polichlorek winylu, polistyren, polikaprolaktam, poliakrylonitryl, poliuretany, żywice poliestrowe, epoksydowe, silikonowe, polietylen i polipropylen.
Zastosowanie
Tradycyjne materiały opakowaniowe (drewno, szkło i metale) wypierane są przez tworzywa sztuczne, z których wytwarza się 20 – 25% opakowań. Są to różne folie, np. worki samonośne, różne torby i torebki, folia do pakowania mleka. Butelki wytwarzane są również metodą wytłaczania rury, z której rozdmuchem w formie uzyskuje się opakowanie wewnątrz puste. Szerokie zastosowanie maja opakowania sztywne ze styropianu.
Tworzywa sztuczne nie są dotychczas podstawowym materiałem konstrukcyjnym. Domeną tworzyw sztucznych w budownictwie jest wyposażenie wnętrz (wykładziny podłogowe, ramy okienne i drzwiowe) oraz pokrycia dachowe (płyty z laminatów poliestrowych, płyty PCW i PMM jako świetliki). Z PCW metodą wytłaczania wytwarza się poręcze i listwy podłogowe. Nowością są tapety samoprzylepne z warstwą pianki (izolator cieplny i akustyczny). Nowością w budownictwie są profilowane blachy z warstwą ochronno – ozdobną tworzywa, nałożoną w procesie hutniczym; służą one jako wykładzina zewnętrzna budynków i w budowie statków. Przyszłościowym materiałem budowlanym są polimerobetony, złożone z wypełniacza mineralnego i żywicy syntetycznej, np. epoksydowej. Rozrzut granulometryczny ziaren winien zapewniać maksymalny udział taniego wypełniacza w stosunku do drogiego lepiszcza. Gwarantuje to uzyskanie dużej wytrzymałości polimerobetonów (ich wysoka ocena na razie uniemożliwia szersze stosowanie). Zastępowanie tradycyjnej armatury i rurociągów wyrobami z tworzyw sztucznych jest ograniczone małą odpornością na gorącą wodę, szczególnie pod ciśnieniem panującym w wysokich budynkach.
Tworzywa sztuczne służące w gospodarstwie Podlegają podobnie jak w medycynie ścisłej kontroli władz sanitarnych. Dotyczy to nie tylko sprzętu kuchennego, ale i wyrobów toaletowych oraz materiałów będących jedynie wyposażeniem mieszkaniowym (por. tworzywa sztuczne w budownictwie).. Muszą być jednak wykonane z odpowiednich tworzyw sztucznych, a ich kształt i barwa powinny korzystnie wpływać na samopoczucie użytkownika. Pierwotnie stosowane były tworzywa termoreaktywne (bakelit czy aminoplasty);obecnie stosuje się termoplasty, jak polistyren (gatunki uszlachetnione), polietylen, zwłaszcza odporny na wrzącą wodę polipropylen. Najbardziej użyteczne do wyrobu robotów kuchennych, a nawet maszynek do parzenia kawy są poliwęglany.
Dzięki fizjologicznej objętości prawie wszystkich polimerów i możliwości ich stosowania w styczności z organizmem żywym, i to nie tylko w krótkotrwałych kontaktach, ale i na stałe (wszczepy – endoprotezy) zastosowanie tworzyw sztucznych w medycynie jest szerokie. Specjalną pozycję zajmują włókna sztuczne z medycynie. Zagadnienie odczynów tkankowych na wszczepione tworzywa, a zwłaszcza ich biodegradacja i możliwość pobudzenia procesu nowotworowego jest przedmiotem wszechstronnych badań, które musza być długotrwałe. Na razie nie ma przeciwwskazań stosowania tworzyw sztucznych w medycynie w przypadkach dających konkretne korzyści. Pozaustrojowe stosowanie tworzyw sztucznych w medycynie nie budzi zastrzeżeń, ale i tutaj niezbędne jest współdziałanie chemika z lekarzem, aby uzyskać optymalne rozwiązanie. Najszersze zastosowanie osiągnęły strzykawki jednorazowego użytku wytwarzane np. z polipropylenu. Cewniki, dreny, a z najbardziej skomplikowanych wyrobów ? sztuczna nerka wyrabiane są z polietylenu (rurki, cewniki), polichlorku winylu (rurki, naczynia), celofanu (folie półprzepuszczalne do dializy pozaustrojowej). W stomatologii stosuje się polimetakrylan metylu, w okulistyce ? sztywne i elastyczne szkła kontaktowe, w chirurgii ? nici (włókna w medycynie). W farmacji tworzywa sztuczne stosuje się głównie jako materiał opakowaniowy; fiolki, tuby, a zwłaszcza popularne ?listki? z pastylkami lub drażetkami umieszczonymi w gniazdkach uformowanych w folii PCW metodą termoformowania i zespolonej z folią aluminiową. Pastylkę wyciska się niszcząc folię aluminiową. Z tworzyw sztucznych wykonane są pojemniki ułatwiające dozowanie leku, np. kroplomierze. Z innych zastosowań tworzyw sztucznych w medycynie wymienić należy ortopedię, protetykę, chirurgię plastyczną, transport ciężko chorych (do tego celu służy płaski materac z folii PCW zawierający wewnątrz kluseczki styropianowe, nałożony na część ciała jako materac po usunięciu powietrza za pomocą pompki ssącej usztywnia się, formułując funkcjonalne nosze dopasowane do pacjenta).
Tworzywa sztuczne w rolnictwie spełniają różnorodne funkcje np. folia z polietylenu (PE) wydatnie zwiększyła możliwości upraw cieplarnianych, zarówno przez budowę pneumatycznych obiektów, jak i pokrywanie konstrukcji nośnej. Dobra izolację termiczną spełnia również cienka folia (np. 0,03 mm) rozpięta nad tradycyjną szklarnią. Do wykładania silosów z kiszonkami, zabezpieczania przed wilgocią stoków i kopców z produktami rolnymi stosuje się folię z polichlorku winylu (PCW). Rury, zwłaszcza z PE, służą do doprowadzania wody, a cienkościenne ? do bezpośredniego nawadniania poprzez mikrozaworki. Jest to tzw. kropelkowe nawadnianie pozwalające na racjonalne doprowadzenie wody do układu korzeniowego upraw zielonych (drzew, krzewów, pomidorów, truskawek). W melioracji stosowane są coraz częściej perforowane rury z PCW, np. zwijane z taśmy otrzymanej metodą wytłaczania. Z folii PCW metodą termoformowania otrzymuje się doniczki i cienkościenne kaptury służące jako indywidualna osłona roślin przed przymrozkami. Pewne znaczenie praktyczne mają pianki spulchniające glebę gliniastą, a w piaszczystej magazynujące wilgoć. Naczynia z tworzyw sztucznych oraz wyposażenie stanowisk hodowlanych zwierząt (koryta, kanały ściekowe, ażurowe podłogi) ułatwiają obsługę i umożliwiają utrzymanie czystości oraz dezynfekcję pomieszczeń.
Wpływ tworzyw sztucznych na środowisko naturalne
Tworzywa sztuczne są bardzo pomocne w życiu każdego człowieka. Niestety tworzywa sztuczne posiadają zasadniczą wadę. Ulegają powolnemu procesowi naturalnego rozkładu zanieczyszczeń w wyniku którego powstają substancje przyjazne dla środowiska ale ta biodegradacja trwa bardzo długo. Tworzywa sztuczne podczas spalania wytwarzają trujące substancje. W krajach wysoko rozwiniętych odchodzi się od stosowania opakowań z tworzyw sztucznych zastępując je szkłem lub tekturą, są to materiały które mogą zostać ponownie użyte. Plastyk ulega rozkładowi nawet do 500 lat i podczas rozpadu wydziela związki metali ciężkich, które były używane do produkcji danego tworzywa
Współczesny człowiek świadom swej roli w kształtowaniu środowiska może je uchronić od dalszych zniszczeń. Wspólne działanie wszystkich ludzi na całym świecie mające na celu walkę o utrzymanie niezniszczonych zasobów naturalnych globu ziemskiego powinno być hasłem nr 1 przyszłego tysiąclecia.