что такое полимер пластик
Полимеры — свойства и применение
Полимеры — это высокомолекулярные вещества с молекулярной массой от 
нескольких тысяч до нескольких миллионов. Свойства полимеров во многом обусловлены не только молекулярной массой, но и химическим составом звеньев, пространственной конфигурацией молекул, степенью разветвленности молекул, типом связей между молекулами, способом производства полимера. В зависимости от всех этих параметров свойства полимеров могут различаться очень сильно.
Практически все полимеры являются хорошими диэлектриками, обладают низкой теплопроводностью, высокой механической прочностью. Стеклообразные полимеры бьются без острых осколков. Линейные полимеры обладают способностью к обратимым деформациям; поддаются ориентации макромолекул под влиянием механических нагрузок (на этом свойстве основано производство пленок и волокон). Важным качеством полимеров является резкое изменение характеристик при введении небольших количеств примесей.
Полимеры существуют в различных агрегатных состояниях: в виде тягучей жидкости (смазки, клеи, лаки и краски, герметики), в виде эластичных материалов (резины, силикон, эластомеры, поролон) и в виде твердых пластмасс (полиэтилен, полипропилен, поликарбонат и т.д.).
Полимеры в качестве химических веществ могут:
— образовывать новые химические связи между молекулами;
— образовывать новые связи между отдельными звеньями молекулы;
— присоединять боковые звенья к основной цепочке молекул;
— распадаться на отдельные мономеры.
Образование полимеров
Искусственные полимеры получают в результате трех типов реакций: полимеризации, поликонденсации, химических реакций. Полимеризацией называется процесс присоединения повторяющихся цепочек молекул (звеньев) к активному центру роста макромолекулы. Механизм полимеризации состоит из таких этапов, как:
— образование центров полимеризации;
— рост молекул путем последовательного присоединения новых звеньев;
— перенос центров полимеризации на другие молекулы, которые начинают активно расти;
— разветвление молекул;
— прекращение процесса роста молекул.
Для того чтобы вызвать полимеризацию в исходном низкомолекулярном сырье, используют различные способы воздействия: высокое давление, высокие температуры, воздействие светом или облучением, катализатором. В результате полимеризации химический состав сырья и готового продукта остается одним и тем же, но меняется структура вещества.
Поликонденсацией называется процесс изготовления полимеров из многофункциональных соединений методом перегруппировки атомов и отделения побочных продуктов (воды, низкомолекулярных соединений). Способом поликонденсации, например, производят поликарбонаты, полиуретаны, фенолальдегидные смолы.
Применение
Современная экономика просто немыслима без различных полимеров. Да мы 
и сами состоим из природных полимеров: белков, нуклеинов, полисахаридов.
Производство полимеров в промышленных масштабах началось в начале 20-го века. Практически одновременно промышленность начала производить искусственные полимеры методом переработки целлюлозы и синтетические полимеры методом переработки низкомолекулярного сырья (фенола, формальдегида, стирола, винилхлорида, акрила). На основе эфиров целлюлозы изготавливали, в частности, целлулоид, пленки, лакокрасочные материалы. Например, развитие кинематографа напрямую связано с появлением нитроцеллюлозных прозрачных пленок. Из синтетических полимеров перед Второй мировой войной особо важным было получение искусственного каучука, оргстекла, фенолформальдегидных смол.
В настоящее время полимеры используются практически во всех областях производства. Из них делают игрушки и строительные материалы, имплантаты, ткани, лекарственные средства, смазку для станков, защитные маски и очки, оптические стекла, навесы и окна, мебельные ткани и наполнители, кожезаменители и обработанные натуральные кожи, резины, упаковочные материалы, рекламную продукцию, корпуса приборов, ткани и волокна искусственные и синтетические, пленки различного назначения, конструкционные материалы, материалы для электротехнической и радиотехнической индустрии, украшения, ионообменные и эпоксидные смолы, пластики с экстремальными свойствами (жаростойкие и морозоустойчивые, повышенной твердости, пожаробезорасные ит.д.). Полимеры служат основой для производства композиционных материалов.
В магазине «ПраймКемикалсГрупп» широко представлена продукция из полимеров — это и пластиковая лабораторная посуда, и средства защиты, и различные лабораторные принадлежности. Также у нас можно купить и некоторые вещества, являющиеся полимерами — целлюлозу, крахмал, полиэтиленгликоль и другие, по выгодным ценам и с доставкой.
Пластмассы: виды, состав и свойства
Что такое пластмасса?
Компонентный состав
Исходя из структуры типового полимера, пластмассами называются химические вещества, образующиеся в результате устойчивого слияния нескольких органических групп.
Данный процес является более сложной версией дистилляции, которая используется для очистки воды. Если мы нагреем воду, она в конечном итоге превратится в пар, который мы можем собрать, охладить и снова конденсировать в высокоочищенную или «дистиллированную» воду. Аналогичным образом производится очистка и перегонка сырой нефти. 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 даёт набор относительно простых смесей углеводородов, называемых фракциями, которые затем используются для изготовления различных типов пластмасс.
Полученные таким образом углеводороды являются сырьём для проведения реакций полимеризации, в результате которых образуются полимеры. Некоторые полимеры получают путём скрепления углеводородных мономеров вместе. Такой процесс называется аддитивной полимеризацией. Другие образуются путем соединения двух небольших углеводородных цепей и удаления молекулы воды. В результате создаётся более крупная углеводородная цепь. А сам процесс известен как конденсационная полимеризация.
Поскольку эксплуатационные требования к пластмассам меняются, то часто приходится добавлять к основным углеводородам другие ингредиенты, чтобы получить полимер с точно правильными химическими и физическими свойствами. Эти дополнительные ингредиенты включают:
Классификация пластмасс
Выполняется в зависимости от способа их получения. Их четыре:
Классификация пластмасс может быть также выполнена в зависимости от состава исходных компонентов. Значительное количество пластиковых полимеров изготавливаются из смол, однако во большинстве случаев используют сырую нефть. Сырая нефть представляет собой сложную смесь тысяч соединений, и её необходимо перед применением предварительно переработать – перегнать на нефтеперерабатывающем заводе.
Более детальная классификация, которая учитывает свойства пластмасс, рассматривается далее.
Термопласты
К термопластичным пластикам относятся такие их виды, которые изменяют свою пластичность при нагреве или иной форме передачи тепловой энергии (например, солнечной). В термопластах длинные молекулы полимера соединены друг с другом очень слабыми связями, которые легко разрываются, когда мы его нагреваем, и быстро снова восстанавливаются, когда действие тепла прекращается.
Термопласты легко плавить и перерабатывать. Некоторые повседневные примеры, с которыми приходится сталкиваться, это:
Пенопласты получают исключительно полимеризацией исходного сырья.
Реактопласты
Реактопласты или термореактивные пластмассы обычно изготавливаются из полимерных цепей гораздо большего размера, чем термопласты. При первоначальном производстве они нагреваются или сжимаются, чтобы сформировать плотную, твёрдую структуру с сильными поперечными связями, связывающими каждую из этих длинных молекулярных цепей с её соседями. Этим они сильно отличаются от термопластов, где полимерные цепи связаны друг с другом только очень слабыми связями.
Невозможно просто нагреть термореактивные пластмассы, чтобы переделать или реформировать их. Как только они «затвердевают» (отверждаются) во время производства, они остаются такими как есть.
Термореактивные пластики используются реже. Наиболее яркими примерами таких материалов являются:
Эластомеры
Представляют собой эластичные материалы, состоящие из длинных цепочечных молекул полимеров, способных восстанавливать свою первоначальную форму после сильного растяжения. В нормальных условиях длинные молекулы, составляющие эластомерный материал, скручены нерегулярно. Однако с приложением усилия молекулы распрямляются в том направлении, в котором они тянутся. После высвобождения молекулы самопроизвольно возвращаются к своему обычному компактному беспорядочному расположению.
Полимерная молекула эластомера состоит из нескольких тысяч повторяющихся химических звеньев или мономеров, связанных ковалентными связями. Совокупность связанных звеньев часто называют «цепью», а атомы, между которыми происходит химическая связь, составляют «основу» цепи.
Механические свойства
Состав пластмасс во многом определяет их свойства, среди которых:
Такие свойства могут быть исследованы и сравниваться между различными продуктами с использованием стандартизованных методов испытаний.
Другие свойства материала
Значения эксплуатационных параметров пластмасс указываются в технических требованиях на их производство.
Сварка пластмасс
Используется для неразъёмного соединенияя двух или более отдельных частей термопластичных материалов. Обычно к краям прикладывают тепло, чтобы расплавить края пластика до тех пор, пока кромки не будут соединены вместе.
Сварка пластика выполняется в три этапа: подготовка поверхности, применение тепла и давление и охлаждение.
Сваривать можно многие пластмассы, среди которых:
Сварка пластмасс. используется не только для соединения деталей, но и для их ремонта (например, заделка трещин).
Особенности маркировки
Выполняется согласно техническим требованиям соответствующих ГОСТ, ТУ а также DIN EN (для продукции импортного производства).
Сферы применения пластмасс
Пластмассы используют в строительстве, производстве одежды, упаковке, транспортировке и во многих других сферах повседневной жизни. Так, в зданиях пластик применяется при вторичном остеклении крыш, в составе тепло- и звукоизолирующих конструкций в составе многих типов красок. Электрические кабели изолируются пластиком, пластмассы применяют и для изготовления водосточных систем.
Век пластика: от паркезина до загрязнения природы
Весь двадцатый и начало двадцать первого века справедливо называют Веком пластика из-за повсеместного использования этого семейства материалов.
Пластики проникли во все аспекты жизни общества. Мы спим на заполненных пластиком подушках, чистим зубы пластиковыми щётками, печатаем на пластиковых клавиатурах, пьём и едим из пластиковых контейнеров — невозможно прожить хотя бы один день, не встретившись с пластиком в том или ином виде.
Но, как становится известно всё большему количеству людей, активное применение пластика влияет на окружающую среду. Пластиковые отходы загрязняют землю, океаны, воздух и наши тела. Он даже попал в состав ископаемых находок.
Как мы пришли к такому положению дел? Когда пластики стали неизменным спутником современного общества? Какими могут быть решения проблемы влияния пластика на окружающую среду?
Что такое пластик?
Пластик — общее название материалов, которые можно формировать и отливать под воздействием нагрева и давления.
Полимеры — это химический класс материалов, из которых состоят все современные пластики. Это крупные молекулы, состоящие из цепочки повторяющихся молекул меньшего размера (мономеров). Процесс комбинирования этих мономеров (например, газа этилена) нагреванием и давлением называется полимеризацией.
Изобретение пластика
Хотя мы воспринимаем пластик как материал двадцатого века, человечество с давних времён работало с такими природными пластиками, как рога, черепаховый панцирь, янтарь, резина и шеллак.
Рога животных, которые при нагревании становятся деформируемыми, использовались для многих целей и изготовления различных изделий, от медальонов до столовых приборов. В девятнадцатом веке одним из крупнейших потребителей рогов была отрасль производства расчёсок и гребней.
Гребень из рога с двумя круглыми ручками и декоративными вырезами и высечками, изготовленный в Индии, 19-й век.
Первые синтетические пластики
К середине 19-го века в результате индустриального производства товаров возник дефицит материалов животного происхождения. Слоны находились на грани вымирания из-за того, что на них продолжалась охота ради слоновой кости, которую использовали в производстве множества товаров, от клавиш пианино до бильярдных шаров. Та же судьба поджидала некоторые виды черепах, чьи панцири шли на изготовление гребней.
Вскоре изобретатели начали искать способы решения этой экологической и экономической проблемы, получив множество патентов на новые полусинтетические материалы, изготовляемые на основе таких природных веществ, как пробка, кровь и молоко. Одним из первых таких материалов стала нитроцеллюлоза — волокна хлопка, растворённые в азотной и серной кислотах, а затем смешанные с растительным маслом.
Её изобретатель, родившийся в Бирмингеме ремесленник и химик Александр Паркс, запатентовал в 1862 году новый материал под названием «паркезин». Он считается первым синтетическим пластиком. Паркезин стал дешёвой и яркой заменой слоновой кости и черепашьему панцирю.
Сам Паркс не добился коммерческого успеха, в отличие от его изобретения, которое было разработано другими, в том числе и бывшим управляющим фабрики Паркса Дэниэлом Спиллом и бизнесменом Джоном Уэсли Хайатом. Последний основал в США Celluloid Manufacturing Company.
Благодаря этому новому пластику такие товары, как гребни и бильярдные шары, стали доступными гораздо большему количеству людей, демократизировав потребительские товары и культуру.
Без сомнения, самым важным с точки зрения культуры применением целлулоида стало изготовление киноплёнки. Забавно, что после того, как звёзды кино популяризировали в 1920-х годах короткие стрижки, отрасль целлулоидных гребней пошла на спад, но позже производители перешли на создание новомодного продукта: солнцезащитных очков.
Галерея целлулоида
Две катушки целлулоида, изготовленные Луи Лепренсом, 1888-1889 гг.
Гребень для волос с эффектом черепашьего панциря, изготовленный из нитрата целлюлозы, 1900-е
Жёлтая рыболовная катушка, изготовленная Александром Парксом примерно в 1860 году
Игровые кости, изготовленные из целлулоида с имитацией слоновой кости, начало 20-го века
Целлулоидная ваза янтарного цвета в стиле ар-деко, 1930 год
Круглая пудреница, изготовленная из нитрата целлюлозы с перламутровым покрытием (кселонита), 1920-е
Образец паркезина, изготовленный Александром Парксом примерно в 1862 году
Рост индустрии производства пластика
20-й век стал свидетелем революции в производстве пластика: появления полностью синтетических пластиков.
Бельгийский химик и талантливый маркетолог Лео Бакеланд представил в 1907 году первый полностью синтетический пластик.
Он всего на один день обогнал своего шотландского конкурента Джеймса Суинберна с подачей патента. В его изобретении, наречённом бакелитом, под воздействием высокой температуры и давления комбинировались два химиката — формальдегид и фенол.
Бакелит зародил потребительский бум доступных, но имеющих высокий спрос продуктов. Его поверхность была тёмно-коричневой и напоминала дерево, однако его легко можно было производить большими партиями, благодаря чему он стал идеальным выбором для продвижения в массы новых дизайнерских тенденций наподобие ар-деко.
Некоторые продукты стали знаковыми для 20-го века: фотокамера Purma, телефон GPO и радиоприёмник Ekco AD36.
Бакелитовый телефон Type 232, 1930-е
Радиоприёмник Ekco в бакелитовом корпусе, 1935 год
В первые десятилетия 20-го века нефтеперерабатывающая и химическая отрасли начали образовывать альянсы, создавая компании наподобие Dow Chemicals, ExxonMobil, DuPont и BASF. Эти компании и сегодня являются крупными производителями полимерного сырья для отрасли производства пластиков.
Причиной создания таких альянсов стало стремление использовать отходы, получаемые при переработке нефти и природного газа. Одним из самых массовых из таких отходов был газообразный этилен — побочный продукт, из которого британская компания Imperial Chemical Industries (ICI) первой начала производить пластик, обогнав своих немецких и американских конкурентов.
Первым крупным успехом в создании пластиков образованной в 1926 году ICI стало изобретение в 1932 году органического стекла Perspex.
На следующий год коллектив завода ICI в Виннингтоне проводил опыты по комбинированию этилена и бензойного альдегида под воздействием высоких температур и давлений. Эксперимент провалился. Однако после случайного попадания в сосуд кислорода в реакционной колбе было обнаружено белое воскоподобное вещество.
Выяснилось, что это полимер этилена. Самый распространённый сегодня в мире пластик оказался чудесным материалом: прочным, гибким и термоустойчивым.
Первым способом его применения стало изолирование кабельной проводки радаров во время Второй мировой войны, однако вскоре его начали использовать и в производстве потребительских продуктов, от пластмассовых пакетов для покупок и пищевых контейнеров до искусственных бедренных и коленных суставов.
Американский конкурент ICI, компания DuPont, в 1930-х совершила серию открытий, самыми примечательными из которых стали нейлон и тефлон. Нейлоновые чулки мгновенно стали всемирной сенсацией.
Чудо-материалы
Пластики используются в невероятно разнообразных продуктах современного мира, от чулок до космических скафандров.
Образец первой вязаной из нейлона эластичной трубы, 1935 год
Две пары нейлоновых чулок Triumph, 1950-е
Полиэтиленовый коленный сустав, 1998 год
Искусственные артерии из тефлона, 1994 год
Пакет плазмы крови четвёртой отрицательной группы, заполненный бутафорской кровью, 1990-е
Кабель из медного проводника с полиэтиленовой изоляцией, 1939-1969 гг.
Когда пластики стали экологической проблемой?
Химические свойства, сделавшие пластик невероятно полезным и прочным материалом, одновременно усложняют его утилизацию: для разложения некоторых видов пластика на свалках требуются десятилетия.
Пластиковый мусор на пляже в Норвегии
Само разложение является ещё более серьёзной экологической проблемой, потому что превращение пластика в микроскопические частицы загрязняет океаны, воздух и экосистемы. Кроме того, не полностью изучен вопрос влияния накопления в организме микропластика на здоровье.
Одноразовая ПЭТ-бутылка, 1985 год
В послевоенный период пластик начал заменять более дорогие бумажные, стеклянные и металлические материалы, которые использовались при изготовлении одноразовых предметов, например, упаковки потребительских товаров. И появилась проблема — к утилизации пластика пытались подходить так же, как к утилизации бумаги или металла.
Одной из самых серьёзных угроз является неправильная утилизация пластика: полиэтиленовых пакетов для покупок, полипропиленовых контейнеров для еды, ПЭТ-бутылок для напитков (ПЭТ — полиэтилентерефталат, разновидность полиэстера).
ПЭТ-бутылка, запатентованная в 1973 году американским предпринимателем Натаниэлем Ваэтом, имела множество преимуществ по сравнению со стеклом: низкий вес, удобный для транспортировки, а также безопасность, поскольку бутылку практически невозможно разбить.
Полимер ПЭТ был разработан специально для хранения газированных напитков под давлением, однако в 21-м веке возник бум его популярности в качестве ёмкости для негазированных напитков, и в первую очередь воды.
Экономика массового производства дешёвых пластиковых продуктов привела к возникновению культуры одноразовости, и сегодня во всём мире ежегодно продаётся примерно 500 миллиардов ПЭТ-бутылок.
Могут ли химики решить проблему пластика?
Поскольку современная индустрия пластиков использует в качестве сырья ископаемые виды топлива, производство пластика оказывает влияние на изменение климата, внося свой вклад в общемировое производство CO2. К слову, углеродный след при производстве пластика сильно ниже, чем при создании других материалов, к тому же переработка попутного нефтяного газа (побочного продукта нефтедобычи) для производства полимеров предотвращает выбросы СО2 от его сжигания.
[прим. перев.: статистика, цифры и то, как устроена переработка у нас — в этом посте ]
В течение нескольких десятилетий химики исследовали и разрабатывали «зелёные» пластики, которые подобно первым полусинтетическим пластикам можно было бы получать из природных, биологических материалов, например, из кукурузного крахмала.
В 1990 году изобретшая полиэтилен британская компания ICI разработала первый практичный биоразлагаемый пластик биопол, который впервые использовали для производства бутылок шампуня Wella.
Биопластики и утилизируемые пластики
Бутылка от шампуня Wella, изготовленная из пластика биопола
Флисовая шапка Synchilla бренда Patagonia, изготовленная из переработанных пластиковых бутылок, 2002 год
Ювелирное украшение, изготовленное из полиэтиленовых пакетов, Англия, 2004-2006 гг.
Не все биопластики лучше с точки зрения утилизации или переработки.
Эти материалы становятся всё более популярными для использования в одноразовой упаковке. Однако биоразлагаемые пластики утилизируются, только если оказываются в мусоре, достаточно хорошо подвергаемом компостированию, а компостирование бытового мусора обычно для этого не подходит.
Символ переработки PET 1
Решением проблемы пластикового загрязнения является переработка пластиковых отходов. Есть несколько способов переработки пластиковых отходов, которые можно и нужно усовершенствовать. Это, например, механическая вторичная переработка и химическая утилизация пластиков, переработке не подлежащих.
При механической переработке одним из серьёзнейших препятствий перед утилизацией пластика является разделение: при смешении разных полимеров получающийся из них материал обычно не имеет полезных свойств. Даже два предмета из ПЭТ, например, бутылка от напитка и форма для печенья, могут иметь разные температуры плавления, и при смешивании превращаться в бесполезную жижу.
В настоящее время химические способы сортировки пластиков наподобие спектроскопического анализа в крупных масштабах экономически нецелесообразны, поэтому эту работу приходится выполнять сортировщикам.
ПЭТ-бутылка, имеющая код утилизации в виде числа 1 в треугольнике — это один из самых перерабатываемых предметов в мире. Одним из способов применения переработанного ПЭТ является изготовление одежды; изначально этот способ популяризировали флисовые товары Patagonia.
Благодаря усиливающимся тенденциям заботы о природе товары из переработанного пластика стали в 21-м веке продаваемыми и модными, а исходный материал, из которого переработкой получили продукт, часто указывается на этикетке.
Решение проблемы пластика должно быть социальным и политическим. Вместо того, чтобы полагаться только на технологические решения, мы должны совершенствовать инфраструктуру сортировки и переработки — в настоящее время перерабатывается малая доля. Кроме того, нужно, чтобы каждый человек ответственно относился к утилизации пластиковых отходов и сдавал их на переработку.
Важным аспектом может стать отказ от неперерабатываемых одноразовых предметов (например, соломинки и ватные палочки). Поставщики товаров, например, супермаркеты, должны прилагать большие усилия для этого. А самим потребителям стоит брать пример с ранней отрасли производства пластиков, когда гребни, радиоприёмники и телефоны с красивым дизайном были желанными продуктами, которые ценились и долго использовались.