Plastikowy - Plastic

Artykuły gospodarstwa domowego wykonane z różnych rodzajów tworzyw sztucznych

Tworzywa sztuczne to szeroka gama materiałów syntetycznych lub półsyntetycznych, w których głównym składnikiem są polimery . Ich plastyczność umożliwia formowanie , wytłaczanie lub prasowanie tworzyw sztucznych w bryły o różnych kształtach. Ta zdolność adaptacyjna oraz szeroka gama innych właściwości, takich jak bycie lekkim, trwałym, elastycznym i niedrogim w produkcji, doprowadziła do jego szerokiego zastosowania. Tworzywa sztuczne są zazwyczaj wytwarzane przez ludzkie systemy przemysłowe. Większość nowoczesnych tworzyw sztucznych pochodzi z chemikaliów opartych na paliwach kopalnych, takich jak gaz ziemny lub ropa naftowa ; jednak najnowsze metody przemysłowe wykorzystują warianty wykonane z materiałów odnawialnych, takich jak pochodne kukurydzy lub bawełny .

W rozwiniętych gospodarkach około jedna trzecia plastiku jest wykorzystywana w opakowaniach i mniej więcej tyle samo w budynkach w zastosowaniach takich jak rurociągi , hydraulika czy siding winylowy . Inne zastosowania to samochody (do 20% plastiku), meble i zabawki. W krajach rozwijających się zastosowania plastiku mogą się różnić; 42% indyjskiej konsumpcji przypada na opakowania. W dziedzinie medycyny implanty polimerowe i inne urządzenia medyczne pochodzą przynajmniej częściowo z tworzywa sztucznego. Na całym świecie rocznie produkuje się około 50 kg plastiku na osobę, a produkcja podwaja się co dziesięć lat.

Pierwszym na świecie w pełni syntetycznym tworzywem sztucznym był bakelit , wynaleziony w Nowym Jorku w 1907 roku przez Leo Baekelanda , który ukuł termin „tworzywa sztuczne”. Obecnie produkuje się dziesiątki różnych rodzajów tworzyw sztucznych, takich jak polietylen , który jest szeroko stosowany w opakowaniach produktów , oraz polichlorek winylu , stosowany w budownictwie i rurach ze względu na swoją wytrzymałość i trwałość. Wielu chemików przyczyniło się do rozwoju materiałoznawstwa tworzyw sztucznych, w tym laureat Nagrody Nobla Hermann Staudinger , którego nazwano „ojcem chemii polimerów ” oraz Herman Mark , znany jako „ojciec fizyki polimerów ”.

Sukces i dominacja tworzyw sztucznych, które rozpoczęły się na początku XX wieku, spowodowały powszechne problemy środowiskowe ze względu na ich powolne tempo rozkładu w naturalnych ekosystemach. Pod koniec XX wieku przemysł tworzyw sztucznych promował recykling w celu złagodzenia problemów środowiskowych, jednocześnie kontynuując produkcję dziewiczego plastiku. Główne firmy produkujące tworzywa sztuczne w tamtym czasie wątpiły w opłacalność recyklingu, co znajduje odzwierciedlenie we współczesnej zbiórce tworzyw sztucznych. Zbieranie i recykling tworzyw sztucznych jest w dużej mierze nieefektywne ze względu na awarie współczesnych mechanizmów decyzyjnych , które skutkowały złożonością i ilością czyszczenia i sortowania poużytkowych tworzyw sztucznych zbyt dużą dla współczesnych metod. Większość wyprodukowanych tworzyw sztucznych nie została ponownie wykorzystana, ponieważ jest wyłapywana na wysypiskach lub pozostaje w środowisku jako zanieczyszczenie tworzywem sztucznym . Zanieczyszczenia plastikiem można znaleźć na przykład we wszystkich głównych zbiornikach wodnych na świecie, tworząc plamy śmieci we wszystkich oceanach i zanieczyszczając ekosystemy lądowe.

Etymologia

SOWEM sztucznych pochodzi od greckiego πλαστικός ( plastikos ), co oznacza „może być kształtowane lub formowane ”, a z kolei z πλαστός ( plastos ), co oznacza „ukształtowanych”. Jako rzeczownik słowo to najczęściej odnosi się do stałych produktów produkcji petrochemicznej.

Plastyczność rzeczownikowa odnosi się tu w szczególności do odkształcalności materiałów użytych do produkcji tworzyw sztucznych. Plastyczność umożliwia formowanie, wytłaczanie lub prasowanie w różne kształty: między innymi folie, włókna, płyty, tuby, butelki i pudełka. Plastyczność ma również techniczną definicję w materiałoznawstwie poza zakresem tego artykułu, odnoszącą się do nieodwracalnej zmiany postaci substancji stałych.

Struktura

Większość tworzyw sztucznych zawiera polimery organiczne . Zdecydowana większość tych polimerów powstaje z łańcuchów atomów węgla, z przyłączeniem lub bez przyłączenia atomów tlenu, azotu lub siarki. Łańcuchy te zawierają wiele powtarzających się jednostek utworzonych z monomerów . Każdy łańcuch polimerowy składa się z kilku tysięcy powtarzających się jednostek. Kręgosłup jest częścią łańcucha, który jest na głównej drogi , łącząc ze sobą dużą liczbę powtarzających się jednostek. Aby dostosować właściwości plastiku, różne grupy molekularne zwane łańcuchami bocznymi zwisają z tego szkieletu; zazwyczaj zawiesza się je na monomerach, zanim same monomery zostaną połączone, tworząc łańcuch polimerowy. Struktura tych łańcuchów bocznych wpływa na właściwości polimeru.

Właściwości i klasyfikacje

Tworzywa sztuczne są zwykle klasyfikowane na podstawie struktury chemicznej szkieletu i łańcuchów bocznych polimeru. Ważnymi grupami sklasyfikowanymi w ten sposób są akryle , poliestry , silikony , poliuretany i tworzywa sztuczne halogenowane . Tworzywa sztuczne można klasyfikować według procesów chemicznych stosowanych w ich syntezie, takich jak kondensacja , poliaddycja , sieciowanie . Można je również klasyfikować według ich właściwości fizycznych, w tym twardości , gęstości , wytrzymałości na rozciąganie , odporności termicznej i temperatury zeszklenia . Tworzywa sztuczne można dodatkowo klasyfikować według ich odporności oraz reakcji na różne substancje i procesy, takie jak ekspozycja na rozpuszczalniki organiczne, utlenianie , promieniowanie jonizujące . Inne klasyfikacje tworzyw sztucznych opierają się na cechach związanych z produkcją lub projektowaniem produktu do określonego celu. Przykłady obejmują tworzywa termoplastyczne , tworzywa termoutwardzalne , polimery przewodzące , biodegradowalne tworzywa sztuczne , tworzywa konstrukcyjne i elastomery .

Tworzywa termoplastyczne i termoutwardzalne polimery

Plastikowy uchwyt naczynia kuchennego został zdeformowany przez ciepło i częściowo stopiony

Jedną z ważnych klasyfikacji tworzyw sztucznych jest stopień, w jakim procesy chemiczne użyte do ich wytworzenia są odwracalne lub nie.

Tworzywa termoplastyczne nie zmieniają swojego składu chemicznego po podgrzaniu, dzięki czemu można je wielokrotnie formować. Przykłady obejmują polietylen (PE), polipropylen (PP), polistyren (PS) i polichlorek winylu (PVC).

Termoutwardzalne lub termoutwardzalne polimery mogą stopić się i nabrać kształtu tylko raz: po zestaleniu pozostają w stanie stałym. Po ponownym podgrzaniu materiały termoutwardzalne raczej rozkładają się niż topią. W procesie termoutwardzania zachodzi nieodwracalna reakcja chemiczna. Wulkanizacji kauczuku jest przykładem tego procesu. Kauczuk naturalny ( poliizopren ) przed podgrzaniem w obecności siarki jest materiałem lepkim, lekko rozpływającym się; po wulkanizacji produkt jest suchy i sztywny.

Tworzywa sztuczne amorficzne i krystaliczne

Wiele tworzyw sztucznych jest całkowicie amorficznych (bez wysoce uporządkowanej struktury molekularnej), w tym tworzywa termoutwardzalne, polistyren i metakrylan metylu (PMMA). Krystaliczne tworzywa sztuczne wykazują wzór bardziej regularnie rozmieszczonych atomów, takich jak polietylen o dużej gęstości (HDPE), politereftalan butylenu (PBT) i polieteroeteroketon (PEEK). Jednak niektóre tworzywa sztuczne są częściowo bezpostaciowe i częściowo krystaliczne w strukturze molekularnej, co daje im zarówno temperaturę topnienia, jak i jedno lub więcej zeszklenia (temperatura, powyżej której zakres zlokalizowanej elastyczności molekularnej jest znacznie zwiększony). Te tak zwane półkrystaliczne tworzywa sztuczne obejmują polietylen, polipropylen, polichlorek winylu, poliamidy (nylony), poliestry i niektóre poliuretany.

Polimery przewodzące

Polimery przewodzące samoistnie (ICP) to polimery organiczne, które przewodzą prąd elektryczny. Chociaż osiągnięto przewodność do 80 kS/cm w poliacetylenie zorientowanym na rozciąganie , nie zbliża się ona do przewodności większości metali. Na przykład miedź ma przewodność kilkuset kS/cm.

Biodegradowalne tworzywa sztuczne i biotworzywa

Tworzywa biodegradowalne

Tworzywa biodegradowalne to tworzywa, które rozkładają się (rozpadają) pod wpływem światła słonecznego lub promieniowania ultrafioletowego ; woda lub wilgoć; bakteria; enzymy; lub ścieranie wiatrem. Atak owadów, takich jak woskowiny i larwy mącznika, również można uznać za formy biodegradacji. Rozkład tlenowy wymaga odsłonięcia tworzywa sztucznego na powierzchni, podczas gdy rozkład beztlenowy byłby skuteczny w systemach składowania lub kompostowania. Niektóre firmy produkują biodegradowalne dodatki poprawiające biodegradację. Chociaż proszek skrobiowy można dodać jako wypełniacz, aby umożliwić łatwiejszy rozkład niektórych tworzyw sztucznych, taka obróbka nie prowadzi do całkowitego rozpadu. Niektórzy badacze zmodyfikowali genetycznie bakterie do syntezy całkowicie biodegradowalnych tworzyw sztucznych, takich jak polihydroksymaślan (PHB); są one jednak stosunkowo kosztowne od 2021 r.

Biotworzywa

Podczas gdy większość tworzyw sztucznych jest wytwarzana z produktów petrochemicznych, biotworzywa są wytwarzane głównie z odnawialnych materiałów roślinnych, takich jak celuloza i skrobia. Zarówno ze względu na skończone limity rezerw paliw kopalnych, jak i rosnący poziom gazów cieplarnianych spowodowany przede wszystkim spalaniem tych paliw, rozwój biotworzyw jest rozwijającą się dziedziną. Globalna zdolność produkcyjna biotworzyw sztucznych szacowana jest na 327 000 ton rocznie. Z kolei światową produkcję polietylenu (PE) i polipropylenu (PP), wiodących na świecie poliolefin pochodzenia petrochemicznego, oszacowano w 2015 r. na ponad 150 mln ton.

Przemysł tworzyw sztucznych

Przemysł tworzyw sztucznych obejmuje globalną produkcję, mieszanie , przetwarzanie i sprzedaż wyrobów z tworzyw sztucznych. Chociaż Bliski Wschód i Rosja produkują większość wymaganych surowców petrochemicznych ; produkcja plastiku koncentruje się na globalnym Wschodzie i Zachodzie. Przemysł tworzyw sztucznych obejmuje ogromną liczbę firm i można go podzielić na kilka sektorów:

Produkcja

Od narodzin przemysłu tworzyw sztucznych w latach 50. globalna produkcja ogromnie wzrosła, osiągając w 2015 r. około 381 milionów ton metrycznych (bez dodatków). Całkowitą ilość plastiku wytworzonego w tym czasie szacuje się na 8,3 miliarda ton.

Rośliny polipropylenowe
Fabryka polipropylenu SOCAR Polymer w Sumgayit, Azerbejdżan
Fabryka polipropylenu SOCAR Polymer w Sumgayit , Azerbejdżan
Roczna światowa produkcja tworzyw sztucznych 1950–2015. Linie pionowe oznaczają recesję z lat 1973-1975 i kryzys finansowy lat 2007-2008, które spowodowały krótkotrwałe ograniczenie produkcji tworzyw sztucznych.

Tworzywa sztuczne są produkowane w zakładach chemicznych poprzez polimeryzację ich materiałów wyjściowych ( monomery ); które prawie zawsze mają charakter petrochemiczny . Takie obiekty są zwykle duże i wizualnie przypominają rafinerie ropy naftowej , z rozległymi rurociągami biegnącymi przez cały czas. Duży rozmiar tych zakładów pozwala im na wykorzystanie ekonomii skali . Mimo to produkcja tworzyw sztucznych nie jest szczególnie zmonopolizowana, a około 100 firm odpowiada za 90% światowej produkcji. Obejmuje to mieszankę przedsiębiorstw prywatnych i państwowych. Mniej więcej połowa całej produkcji odbywa się w Azji Wschodniej, przy czym Chiny są największym pojedynczym producentem. Do głównych producentów międzynarodowych należą:

Globalna produkcja tworzyw sztucznych (2020)
Region Produkcja globalna
Nafta 19%
Europa 16%
Ameryka Łacińska 4%
Bliski Wschód i Afryka 7%
WNP 3%
Chiny 31%
Japonia 3%
Reszta Azji 17%

Mieszanie

Schemat mieszania tworzyw sztucznych dla materiału termozmiękczającego

Plastik nie jest sprzedawany jako czysty, niezmieniony materiał, ale jest mieszany z różnymi innymi chemikaliami i materiałami, które są zbiorczo określane jako dodatki. Są one dodawane w trakcie mieszania etapie, obejmują substancje, takie jak stabilizatory , plastyfikatory i barwniki , które są przeznaczone do zwiększenia długości życia, obrabialność lub wygląd końcowej pozycji. W niektórych przypadkach może to obejmować zmieszanie ze sobą różnych rodzajów tworzyw sztucznych w celu utworzenia mieszanki polimerowej , takiej jak polistyren wysokoudarowy . Duże firmy mogą przeprowadzać własne mieszanie przed produkcją, ale niektórzy producenci mogą zlecić to osobom trzecim. Firmy specjalizujące się w tej pracy znane są jako Compounders.

Mieszanie tworzyw termoutwardzalnych jest stosunkowo proste; ponieważ pozostaje płynny, dopóki nie zostanie utwardzony do swojej ostatecznej postaci. W przypadku materiałów termozmiękczających konieczne jest stopienie tworzywa sztucznego, co polega na podgrzaniu go do temperatury pomiędzy 150–320 °C (300–610 °F). Stopiony plastik jest lepki i wykazuje przepływ laminarny , co prowadzi do słabego mieszania. Mieszanie odbywa się zatem za pomocą sprzętu do wytłaczania, który jest w stanie dostarczyć niezbędne ciepło i wymieszać, aby uzyskać odpowiednio zdyspergowany produkt.

Stężenia dodatków są zwykle dość niskie, jednak można je dodawać w dużych ilościach, aby stworzyć produkty Masterbatch . Dodatki w nich zawarte są skoncentrowane, ale nadal odpowiednio rozproszone w żywicy macierzystej. Granulki przedmieszki można mieszać z tańszym polimerem w masie i uwalniają swoje dodatki podczas przetwarzania, dając jednorodny produkt końcowy. Może to być tańsze niż praca z całkowicie złożonym materiałem.

Konwersja

Krótki film o formowaniu wtryskowym (9 min 37 s)
Zobacz podpis
Formowanie przez rozdmuchiwanie plastikowej butelki po napojach

Firmy niż produkują gotowe wyroby są znane jako konwertery (czasami procesorów). Zdecydowana większość tworzyw sztucznych produkowanych na całym świecie zmiękcza się termicznie i musi być podgrzewana aż do stopienia, aby można ją było formować. Istnieją różne rodzaje urządzeń do wytłaczania , które mogą następnie formować tworzywo sztuczne w niemal dowolny kształt.

W przypadku materiałów termoutwardzalnych proces jest nieco inny, ponieważ tworzywa sztuczne są na początku płynne i muszą zostać utwardzone, aby uzyskać produkty stałe, ale większość sprzętu jest zasadniczo podobna.

Rodzaje tworzyw sztucznych

Towarowe tworzywa sztuczne

Struktury chemiczne i zastosowania niektórych popularnych tworzyw sztucznych

Około 70% światowej produkcji koncentruje się na sześciu głównych rodzajach polimerów, tzw. tworzywach towarowych . W przeciwieństwie do większości innych tworzyw sztucznych można je często zidentyfikować za pomocą kodu identyfikacyjnego żywicy (RIC):

Symbol Żywica Kod 01 PET.svg Politereftalan etylenu (PET lub PETE)
Symbol Żywica Kod 02 PE-HD.svg Polietylen o dużej gęstości (HDPE lub PE-HD)
Symbol Żywica Kod 03 PVC.svg Polichlorek winylu (PVC lub V)
Symbol Żywica Kod 04 PE-LD.svg polietylen o małej gęstości (LDPE lub PE-LD),
Symbol Żywica Kod 05 PP.svg Polipropylen (PP)
Symbol Żywica Kod 06 PS.svg Polistyren (PS)

Poliuretany (PUR) i włókna PP&A są często również zaliczane do głównych klas towarowych, chociaż zwykle nie zawierają one RIC, ponieważ są to dość zróżnicowane chemicznie grupy. Materiały te są niedrogie, wszechstronne i łatwe w obróbce, co czyni je preferowanym wyborem do masowej produkcji przedmiotów codziennego użytku. Ich największe pojedyncze zastosowanie dotyczy opakowań – w 2015 r. zużyto w ten sposób około 146 milionów ton, co odpowiada 36% światowej produkcji. Ze względu na ich dominację; wiele właściwości i problemów powszechnie kojarzonych z tworzywami sztucznymi, takich jak zanieczyszczenie wynikające z ich słabej biodegradowalności , jest ostatecznie przypisywanych towarom z tworzyw sztucznych.

Ogromna liczba tworzyw sztucznych istnieje poza zwykłymi tworzywami sztucznymi, a wiele z nich ma wyjątkowe właściwości





Globalna produkcja tworzyw sztucznych według rodzaju polimeru (2015)
Polimer Produkcja (Mt) Procent wszystkich tworzyw sztucznych Rodzaj polimeru Charakter termiczny
Polietylen o niskiej gęstości (LDPE) 64 15,7% Poliolefina Termoplastyczny
Polietylen o dużej gęstości (HDPE) 52 12,8% Poliolefina Termoplastyczny
polipropylen (PP) 68 16,7% Poliolefina Termoplastyczny
Polistyren (PS) 25 6,1% Nienasycona poliolefina Termoplastyczny
Polichlorek winylu (PVC) 38 9,3% Halogenowane Termoplastyczny
Politereftalan etylenu (PET) 33 8,1% Kondensacja Termoplastyczny
Poliuretan (PUR) 27 6,6% Kondensacja termoutwardzalny
Włókna PP&A 59 14,5% Kondensacja Termoplastyczny
Wszyscy inni 16 3,9% Różny Różne
Dodatki 25 6,1% - -
Całkowity 407 100% - -

Tworzywa konstrukcyjne

Tworzywa konstrukcyjne są wykorzystywane do wytwarzania bardziej wytrzymałych produktów, takich jak części samochodowe, materiały budowlane i konstrukcyjne oraz niektóre części maszyn. W niektórych przypadkach są to mieszanka polimerów

  • Akrylonitryl-butadieno-styren (ABS): obudowy na sprzęt elektroniczny (np. monitory komputerowe, drukarki, klawiatury) i rura odpływowa
  • Polistyren wysokoudarowy (HIPS): wkładki do lodówek, opakowania do żywności i kubki do automatów
iPhone 5c , smartfon z poliwęglanową obudową unibody
  • Poliwęglan (PC): płyty kompaktowe, okulary, osłony przeciw zamieszkom , okna bezpieczeństwa, sygnalizacja świetlna i soczewki
  • Poliwęglan + akrylonitryl butadien-styren (PC + ABS): mieszanka PC i ABS, która tworzy mocniejsze tworzywo sztuczne stosowane w częściach wewnętrznych i zewnętrznych samochodów oraz w obudowach telefonów komórkowych
  • Polietylen + akrylonitryl butadien-styren (PE + ABS): śliska mieszanka PE i ABS stosowana w łożyskach suchych o niskim obciążeniu
Zbiornik Monterey Bay Aquarium o głębokości 10 metrów (33 stóp) ma akrylowe okna o grubości do 33 centymetrów (13 cali), aby wytrzymać ciśnienie wody
  • polimetakrylan metylu (PMMA) ( akryl ): soczewki kontaktowe (oryginalnej „twardej” odmiany), przeszklenia (najbardziej znane w tej formie pod różnymi nazwami handlowymi na całym świecie; np. Perspex , Plexiglas i Oroglas), dyfuzory fluorescencyjne , oraz osłony tylnych świateł do pojazdów. Stanowi również bazę artystycznych i komercyjnych farb akrylowych zawieszonych w wodzie z użyciem innych środków.
  • Silikony (polisiloksany): żywice żaroodporne stosowane głównie jako uszczelniacze, ale także stosowane do wysokotemperaturowych naczyń kuchennych oraz jako żywica bazowa do farb przemysłowych
  • Mocznik-formaldehyd (UF): jeden z aminoplasty stosowanych jako wielobarwna alternatywa dla fenoli: stosowany jako klej do drewna (do sklejki, płyty wiórowej, płyty pilśniowej) i obudowy przełączników elektrycznych

Tworzywa sztuczne o wysokiej wydajności

Tworzywa sztuczne o wysokich parametrach są zwykle drogie, a ich zastosowanie ogranicza się do specjalistycznych zastosowań wykorzystujących ich doskonałe właściwości.

  • Aramidy : klasa odpornych na ciepło i mocnych włókien syntetycznych stosowanych w przemyśle lotniczym i wojskowym, obejmuje Kevlar i Nomex oraz Twaron .
  • Polieteroeteroketon (PEEK): mocny, odporny chemicznie i termoplastycznie termoplast; jego biokompatybilność pozwala na zastosowanie w implantach medycznych i formach lotniczych. Jest to jeden z najdroższych polimerów komercyjnych.
  • Polieteroimid (PEI) (Ultem): odporny na wysokie temperatury, chemicznie stabilny polimer, który nie krystalizuje
  • Poliimid : wysokotemperaturowy plastik stosowany w materiałach takich jak taśma Kapton
  • Polisulfon : żywica przetwarzana w wysokiej temperaturze w stanie stopionym stosowana w membranach, mediach filtracyjnych, rurkach zanurzeniowych podgrzewaczy wody i innych zastosowaniach wysokotemperaturowych
  • Politetrafluoroetylen (PTFE) lub Teflon : odporne na ciepło powłoki o niskim współczynniku tarcia stosowane na powierzchniach nieprzywierających do patelni, taśm hydraulicznych i zjeżdżalni wodnych
  • Poliamid-imid (PAI): Wysokowydajne tworzywo konstrukcyjne szeroko stosowane w wysokowydajnych przekładniach, przełącznikach, skrzyniach biegów i innych komponentach samochodowych oraz częściach lotniczych.

Aplikacje

Największe zastosowanie tworzyw sztucznych to materiały opakowaniowe, ale znajdują one zastosowanie w wielu innych sektorach, w tym: budownictwie (rury, rynny, drzwi i okna), tekstyliach ( tkaniny rozciągliwe , polary ), towarach konsumpcyjnych (zabawki, zastawa stołowa, szczoteczki do zębów), transport (reflektory, zderzaki, panele nadwozia , lusterka boczne ), elektronikę (telefony, komputery, telewizory) oraz jako części maszyn.



Reprezentatywne polimery

Bakelit

Pierwszy plastik oparty na syntetycznym polimerze został wynaleziony w 1907 roku przez Leo Hendrika Baekelanda , urodzonego w Belgii Amerykanina mieszkającego w stanie Nowy Jork. Szukał szelaku izolacyjnego do powlekania przewodów w silnikach elektrycznych i generatorach. Odkrył, że połączenie fenolu (C 6 H 5 OH) i formaldehydu (HCOH) tworzy lepką masę i że materiał można mieszać z mączką drzewną, azbestem lub pyłem łupkowym, tworząc mocne i ognioodporne materiały „kompozytowe”. Nowy materiał miał tendencję do pienienia się podczas syntezy, co wymagało od Baekelanda zbudowania naczyń ciśnieniowych, aby wypchnąć bąbelki i zapewnić gładki, jednolity produkt. Bakelit, nazwany jego imieniem i opatentowany w 1909 roku, był pierwotnie używany do części elektrycznych i mechanicznych; w latach dwudziestych znalazła szerokie zastosowanie w artykułach ogólnych i biżuterii. Bakelit, materiał czysto syntetyczny, był również wczesnym tworzywem termoutwardzalnym.

Nylon

Firma DuPont Corporation rozpoczęła w 1927 roku tajny projekt rozwojowy pod nazwą Fiber66 pod kierownictwem chemika z Harvardu Wallace'a Carothersa i dyrektora działu chemicznego Elmera Keizera Boltona . Praca Carothersa doprowadziła do odkrycia syntetycznego włókna nylonowego, które było bardzo mocne i elastyczne. Pierwsza aplikacja dotyczyła włosia szczoteczki do zębów. Carothers i jego zespół zsyntetyzowali szereg różnych poliamidów, w tym poliamid 6.6 i 4.6, a także poliestry.

Nylon był pierwszym komercyjnie udanym syntetycznym polimerem termoplastycznym. Pierwsze nylonowe pończochy damskie (nylony) zostały wprowadzone przez firmę DuPont na Wystawie Światowej w Nowym Jorku w 1939 roku . Udoskonalenie nylonu i opracowanie procesów przemysłowych do jego masowej produkcji zajęło 12 lat i 27 milionów dolarów. W 1940 roku sprzedano 64 miliony par nylonów.

Kiedy Stany Zjednoczone przystąpiły do ​​II wojny światowej, zdolność firmy DuPont do produkcji nylonów została przeniesiona do produkcji ogromnej liczby spadochronów dla lotników i spadochroniarzy. Po zakończeniu wojny DuPont wznowił sprzedaż nylonu publicznie, angażując się w kampanię promocyjną w 1946 r., która wywołała tak zwane zamieszki nylonowe .

Następnie opracowano poliamidy 6, 10, 11 i 12 na bazie monomerów będących związkami pierścieniowymi, takich jak kaprolaktam . Nylon 66 to materiał wytwarzany metodą polimeryzacji kondensacyjnej . Nylon różnych typów pozostaje ważnym tworzywem sztucznym, a w swojej postaci jest bardzo odporny na zużycie, szczególnie jeśli jest impregnowany olejem. Służy do budowy kół zębatych, łożysk ślizgowych , gniazd zaworów i uszczelek; oraz ze względu na dobrą odporność cieplną, coraz częściej do zastosowań w transporcie samochodowym, a także do innych części mechanicznych.

Poli(metakrylan metylu)

Poli(metakrylan metylu) (PMMA), znany również jako szkło akrylowe lub akrylowe, a także pod nazwami handlowymi Plexiglas, Acrylite, Lucite i Perspex, jest przezroczystym tworzywem termoplastycznym często używanym w postaci arkuszy jako lekka lub odporna na pękanie alternatywa dla szkło. PMMA może być również wykorzystywany jako żywica odlewnicza, w tuszach i powłokach oraz ma wiele innych zastosowań.

Polistyren

Nieplastyfikowany polistyren jest sztywnym, kruchym i niedrogim tworzywem sztucznym używanym do tworzenia modeli plastikowych modeli i podobnych bibelotów. Jest również bazą dla niektórych z najpopularniejszych „spienionych” tworzyw sztucznych, pod nazwą styropian lub styropian . Podobnie jak większość innych piankowych tworzyw sztucznych, styropian może być wytwarzany w postaci „otwartych komórek”, w której pęcherzyki pianki są ze sobą połączone, jak w chłonnej gąbce, oraz „zamknięte komórki”, w których wszystkie pęcherzyki są wyraźne, jak małe baloniki , podobnie jak w urządzeniach izolacyjnych i flotacyjnych wypełnionych gazem. Pod koniec lat pięćdziesiątych wprowadzono styren wysokoudarowy , który nie był kruchy. Znajduje szerokie zastosowanie jako substancja figurek zabawek i nowości.

Chlorek winylu

PVC jest szeroko stosowany w rurach kanalizacyjnych ze względu na niski koszt, odporność chemiczną i łatwość łączenia

Polichlorek winylu (PVC, powszechnie nazywany „winylem”) zawiera atomy chloru. Wiązania C-Cl w szkielecie są hydrofobowe i odporne na utlenianie (i spalanie). PVC jest sztywne, mocne, odporne na ciepło i warunki atmosferyczne, dzięki czemu nadaje się do stosowania w urządzeniach wodno-kanalizacyjnych , rynnach, sidingach domowych, obudowach komputerów i innego sprzętu elektronicznego. PVC może być również zmiękczany poprzez obróbkę chemiczną iw tej postaci jest obecnie używany do folii termokurczliwej , pakowania żywności i sprzętu przeciwdeszczowego.

Wszystkie polimery PVC ulegają degradacji pod wpływem ciepła i światła. Kiedy tak się dzieje, chlorowodór jest uwalniany do atmosfery i następuje utlenianie związku. Ponieważ chlorowodór łatwo łączy się z parą wodną w powietrzu, tworząc kwas chlorowodorowy, polichlorek winylu nie jest zalecany do długoterminowego przechowywania archiwalnego srebra, kliszy fotograficznej lub papieru ( najlepiej mylar ).

Guma

Kauczuk naturalny to elastomer (elastyczny polimer węglowodorowy), który pierwotnie pochodził z lateksu , mlecznej zawiesiny koloidalnej znajdującej się w specjalistycznych naczyniach niektórych roślin. Przydaje się bezpośrednio w tej formie (w rzeczywistości guma po raz pierwszy pojawiła się w Europie, była impregnowana niewulkanizowanym lateksem tkanina z Brazylii). Jednak w 1839 r. Charles Goodyear wynalazł wulkanizowaną gumę: formę kauczuku naturalnego ogrzewaną siarką (i kilkoma innymi chemikaliami), tworzącą wiązania poprzeczne między łańcuchami polimerowymi ( wulkanizację ), poprawiającą elastyczność i trwałość. W 1851 roku Nelson Goodyear dodał wypełniacze do materiałów z kauczuku naturalnego, tworząc ebonit .

Kauczuk syntetyczny

Pierwszy w pełni syntetyczny kauczuk został zsyntetyzowany przez Siergieja Lebiediewa w 1910 roku. W czasie II wojny światowej blokady dostaw kauczuku naturalnego z Azji Południowo-Wschodniej spowodowały boom w rozwoju kauczuku syntetycznego, zwłaszcza kauczuku styrenowo-butadienowego . W 1941 roku, roczna produkcja kauczuku syntetycznego w USA było tylko 231 ton, który wzrósł do 840.000 ton w roku 1945. W wyścigu kosmicznego i nuklearnego wyścigu zbrojeń , Caltech naukowcy eksperymentowali z użyciem kauczuków syntetycznych na paliwo stałe do rakiet. Ostatecznie wszystkie duże rakiety i pociski wojskowe wykorzystywałyby paliwa stałe na bazie kauczuku syntetycznego, a także odgrywałyby znaczącą rolę w cywilnym wysiłku kosmicznym.

Dodatki

Dodatki składają się z różnych związków organicznych lub nieorganicznych, które są mieszane z tworzywami sztucznymi w celu zwiększenia funkcjonalności. Dodane ilości mogą się znacznie różnić; na przykład aż 70% masy PVC może stanowić plastyfikatory, podczas gdy pigmenty mogą stanowić mniej niż 1%. Wiele kontrowersji związanych z tworzywami sztucznymi dotyczy właśnie dodatków.

Typowe dodatki to:

Barwniki

Barwniki do tworzyw sztucznych to związki chemiczne używane do barwienia tworzyw sztucznych. Związki te występują w postaci barwników i pigmentów . Rodzaj barwnika dobiera się w zależności od rodzaju żywicy polimerowej, którą należy zabarwić. Barwniki są zwykle stosowane z poliwęglanami , polistyrenem i polimerami akrylowymi . Pigmenty lepiej nadają się do stosowania z poliolefinami .

Barwnik musi spełniać różne ograniczenia, na przykład związek musi być chemicznie kompatybilny z żywicą bazową, być odpowiednio dopasowany do wzorca koloru (patrz np. International Color Consortium ), być stabilny chemicznie , co w tym przypadku oznacza zdolność do przetrwania naprężenia i temperatura przetwarzania ( stabilność cieplna ) w procesie produkcji i być wystarczająco trwałe, aby dopasować się do okresu użytkowania produktu.

Parametry mieszanki zmieniają się w zależności od pożądanego efektu, który może obejmować efekt perłowego , metalicznego, fluorescencyjnego , fosforyzującego , termochromowego lub fotochromowego .

Dokładny wzór chemiczny będzie ponadto zależeć od rodzaju zastosowania: ogólnego przeznaczenia, elementu do kontaktu z żywnością , zabawki , opakowania podlegającego CONEG itp.

Różne metody dostarczania barwników do formowania tworzyw sztucznych obejmują koncentraty (koncentraty), metodę polegającą na rozdzieleniu koncentratu na żywicę, mieszanki kostek ("mieszanki soli i pieprzu" - mieszanie na sucho), które są naturalnymi polimerami, już rozpylone na naturalne polimery, powierzchnia powłoka i żywice wstępnie zabarwione, które wymagają użycia wstępnie zabarwionych materiałów w celu obniżenia kosztów produkcji.

Wypełniacze i wzmocnienia

Mimo podobieństwa, dodatki te służą różnym celom. Wypełniacze to obojętne, tanie materiały dodawane do polimeru w celu zmniejszenia kosztów i ciężaru. Przykłady obejmują kredę , skrobię , celulozę , mączkę drzewną i tlenek cynku . Można dodać wzmocnienia w celu wzmocnienia polimeru przed uszkodzeniami mechanicznymi. Przykłady obejmują dodanie włókna węglowego w celu wytworzenia tworzywa sztucznego wzmocnionego włóknami .

Środki zmniejszające palność

Trudnopalny
Termin środki zmniejszające palność obejmuje zróżnicowaną grupę chemikaliów, które są dodawane do wytwarzanych materiałów, takich jak tworzywa sztuczne i tekstylia oraz wykończenia powierzchni i powłoki . Środki zmniejszające palność są aktywowane przez obecność źródła zapłonu i mają na celu zapobieganie lub spowolnienie dalszego rozwoju zapłonu za pomocą różnych metod fizycznych i chemicznych. Mogą być dodawane jako kopolimer podczas procesu polimeryzacji lub później dodawane do polimeru w procesie formowania lub wytłaczania lub (szczególnie w przypadku tekstyliów) stosowane jako wykończenie miejscowe. Mineralne środki zmniejszające palność są zazwyczaj addytywne, podczas gdy związki halogenoorganiczne i fosforoorganiczne mogą być reaktywne lub addytywne.

Plastyfikatory

Plastyfikatory są używane do poprawy elastyczności i reologii tworzyw sztucznych i są ważne w produkcji folii i kabli. Pod względem masy są one często najpowszechniejszymi dodatkami, chociaż różni się to znacznie w zależności od polimeru. Około 80-90% światowej produkcji przypada na PVC , który sam może zawierać do 70% masy plastyfikatora. Tworzywa celulozowe, takie jak celofan , również wykorzystują znaczne ilości plastyfikatorów. Dla porównania, w poli ( tereftalanie etylenu) (PET) plastyfikator jest niewielki lub nie ma go wcale . Ftalany pozostają najpowszechniejszą klasą plastyfikatorów, pomimo zaniepokojenia opinii publicznej ich potencjalnym wpływem na zdrowie jako zaburzających gospodarkę hormonalną .

Stabilizatory

Stabilizatory polimerów są ważne podczas formowania i odlewania stopionego tworzywa sztucznego, ale także przedłużają żywotność polimerów, hamując degradację polimeru, która wynika z promieniowania UV, utleniania i innych sił. W ten sposób typowe stabilizatory pochłaniają światło UV lub działają jako przeciwutleniacze .

Inne zajęcia

Agenci zwalniający

Środki antyadhezyjne stosowane są podczas produkcji wyrobów z tworzyw sztucznych, aby zapobiec ich przywieraniu do formy, na przykład podczas formowania wtryskowego . Podobnie stosuje się dodatki poślizgowe, aby zapobiec przywieraniu folii poliolefinowych do powierzchni metalowych podczas przetwarzania. Typowymi przykładami są erukamid i oleamid .

Biocydy

Biocydy są dodawane, aby zapobiec rozwojowi organizmów na powierzchni plastiku. Zwykle ma to na celu uczynienie plastiku antybakteryjnym. Większość biocydów jest dodawana do miękkiego PVC i spienionych poliuretanów. Do związków należą izotiazolinony , triklosan , związki arsenu i cynoorganiczne .

Toksyczność

Czyste tworzywa sztuczne mają niską toksyczność ze względu na ich nierozpuszczalność w wodzie, a ponieważ mają dużą masę cząsteczkową, są biochemicznie obojętne. Produkty z tworzyw sztucznych zawierają różne dodatki, jednak niektóre z nich mogą być toksyczne. Na przykład plastyfikatory, takie jak adypiniany i ftalany, są często dodawane do kruchych tworzyw sztucznych, takich jak PCW, aby były wystarczająco elastyczne, aby można je było stosować w opakowaniach żywności, zabawkach i wielu innych przedmiotach. Ślady tych związków mogą wyciekać z produktu. Ze względu na obawy związane ze skutkami takich odcieków UE ograniczyła stosowanie DEHP ( ftalanu di-2-etyloheksylu) i innych ftalanów w niektórych zastosowaniach, a USA ograniczyły stosowanie DEHP, DPB , BBP , DINP , DIDP oraz DnOP w zabawkach dla dzieci i artykułach pielęgnacyjnych dla dzieci poprzez Ustawę o poprawie bezpieczeństwa produktów konsumenckich . Zaproponowano, że niektóre związki wypłukiwane z polistyrenowych pojemników na żywność zakłócają funkcje hormonów i są podejrzewane o działanie rakotwórcze u ludzi (substancje rakotwórcze). Inne chemikalia, które mogą budzić niepokój, obejmują alkilofenole .

Podczas gdy gotowe tworzywo sztuczne może być nietoksyczne, monomery stosowane do produkcji jego macierzystych polimerów mogą być toksyczne. W niektórych przypadkach niewielkie ilości tych chemikaliów mogą pozostać uwięzione w produkcie, o ile nie zostanie zastosowane odpowiednie przetwarzanie. Przykładowo Światowa Organizacja Zdrowia jest Międzynarodowa Agencja Badań nad Rakiem (IARC) ujmuje się chlorek winylu , prekursor do PVC jako rakotwórczy.

Bisfenol A (BPA)

Niektóre produkty z tworzyw sztucznych ulegają degradacji do substancji chemicznych o działaniu estrogennym . Podstawowym budulcem poliwęglanów, bisfenolem A (BPA), jest estrogenopodobny środek zaburzający gospodarkę hormonalną, który może przenikać do żywności. Badania w Environmental Health Perspectives wykazały, że BPA wypłukiwany z wyściółki puszek, uszczelniaczy dentystycznych i butelek poliwęglanowych może zwiększać masę ciała potomstwa zwierząt laboratoryjnych. Nowsze badanie na zwierzętach sugeruje, że nawet niewielka ekspozycja na BPA powoduje insulinooporność, która może prowadzić do stanów zapalnych i chorób serca. Od stycznia 2010 r. „ Los Angeles Times” donosił, że amerykańska Agencja ds. Żywności i Leków (FDA) wydaje 30 milionów dolarów na badanie wskazań na związek BPA z rakiem. Adypinian bis(2-etyloheksylu) obecny w folii plastikowej na bazie PVC jest również niepokojący, podobnie jak lotne związki organiczne obecne w zapachu nowego samochodu . W UE obowiązuje stały zakaz stosowania ftalanów w zabawkach. W 2009 roku rząd USA zakazał niektórych rodzajów ftalanów powszechnie stosowanych w plastiku.

Historia

Rozwój tworzyw sztucznych ewoluował od wykorzystania materiałów naturalnie plastycznych (np. gumy i szelak ) do zastosowania chemicznej modyfikacji tych materiałów (np. kauczuku naturalnego, celulozy , kolagenu i białek mleka ), a wreszcie do całkowicie syntetycznych tworzywa sztuczne (np. bakelit, żywica epoksydowa i PVC). Wczesne tworzywa sztuczne były materiałami pochodzenia biologicznego, takimi jak białka jaja i krwi, które są polimerami organicznymi . Około 1600 r. p.n.e. Mezoamerykanie używali kauczuku naturalnego do produkcji piłek, opasek i figurek. Traktowane bydlęce rogi były używane w średniowieczu jako okna do lampionów . Materiały naśladujące właściwości rogów opracowano, traktując białka mleka ługiem. W XIX wieku, kiedy chemia rozwinęła się w czasie rewolucji przemysłowej , doniesiono o wielu materiałach. Rozwój tworzyw sztucznych przyspieszył wraz z odkryciem przez Charlesa Goodyeara 1839 wulkanizacji w celu utwardzenia naturalnego kauczuku.

Tablica upamiętniająca Parki w Muzeum Nauki w Birmingham

Parkesine , wynaleziony przez Alexandra Parkesa w 1855 roku i opatentowany w następnym roku, jest uważany za pierwszy sztuczny plastik. Został wyprodukowany z celulozy (głównego składnika ścian komórkowych roślin) potraktowanej kwasem azotowym jako rozpuszczalnikiem. Wynik procesu (powszechnie znany jako azotan celulozy lub piroksylina) można rozpuścić w alkoholu i utwardzić w przezroczysty i elastyczny materiał, który można formować po podgrzaniu. Wprowadzając do produktu pigmenty, można go upodobnić do kości słoniowej. Parkesine został zaprezentowany na Międzynarodowej Wystawie w Londynie w 1862 roku i zdobył dla Parkesa brązowy medal.

W 1893 roku francuski chemik Auguste Trillat odkrył sposób na nierozpuszczalność kazeiny (białek mleka) przez zanurzenie w formaldehydzie, wytwarzając materiał sprzedawany jako galalith . W 1897 r. właścicielowi masowej prasy drukarskiej Wilhelmowi Krische z Hanoweru w Niemczech zlecono opracowanie alternatywy dla tablic. Powstałe tworzywo przypominające róg wykonane z kazeiny zostało opracowane we współpracy z austriackim chemikiem (Friedrich) Adolphem Spittelerem (1846-1940). Chociaż nie nadaje się do zamierzonego celu, zostaną odkryte inne zastosowania.

Pierwszym w pełni syntetycznym tworzywem sztucznym na świecie był bakelit , wynaleziony w Nowym Jorku w 1907 roku przez Leo Baekelanda , który ukuł termin „ tworzywa sztuczne” . Wielu chemików wniosło wkład w materiałoznawstwo tworzyw sztucznych, w tym laureat Nagrody Nobla Hermann Staudinger , nazywany „ojcem chemii polimerów ” i Herman Mark , znany jako „ojciec fizyki polimerów ”.

Po I wojnie światowej ulepszenia w chemii doprowadziły do ​​eksplozji nowych form tworzyw sztucznych, a masowa produkcja rozpoczęła się w latach 40. i 50. XX wieku. Wśród najwcześniejszych przykładów na fali nowych polimerów znalazły się polistyren (po raz pierwszy wyprodukowany przez BASF w latach 30. XX wieku) i polichlorek winylu (po raz pierwszy stworzony w 1872 r., ale wyprodukowany komercyjnie pod koniec lat 20. XX wieku). W 1923 roku firma Durite Plastics, Inc. była pierwszym producentem żywic fenolowo-furfurowych. W 1933 polietylen odkryli naukowcy z Imperial Chemical Industries (ICI) Reginald Gibson i Eric Fawcett.

Odkrycie politereftalanu etylenu przypisuje się pracownikom Stowarzyszenia Drukarzy Calico w Wielkiej Brytanii w 1941 roku; w innych przypadkach był licencjonowany przez DuPont dla USA i ICI, i jako jeden z niewielu tworzyw sztucznych odpowiednich jako zamiennik szkła w wielu okolicznościach, co spowodowało szerokie zastosowanie butelek w Europie. W 1954 roku polipropylen odkrył Giulio Natta i zaczął być wytwarzany w 1957 roku. Również w 1954 roku Dow Chemical wynalazł styropian (używany do izolacji budynków, opakowań i kubków) .

Skutki środowiskowe

Infografika kampanii komunikacyjnej pokazująca, że ​​do 2050 r. w oceanach będzie więcej plastiku niż ryb

Ponieważ struktura chemiczna większości tworzyw sztucznych czyni je trwałymi, są odporne na wiele naturalnych procesów degradacji. Wiele z tego materiału może przetrwać wieki lub dłużej, biorąc pod uwagę wykazaną trwałość strukturalnie podobnych materiałów naturalnych, takich jak bursztyn .

Istnieją różne szacunki dotyczące ilości wyprodukowanych odpadów z tworzyw sztucznych w ostatnim stuleciu. Według niektórych szacunków od lat pięćdziesiątych wyrzucono miliard ton odpadów z tworzyw sztucznych. Inni szacują skumulowaną produkcję ludzką na 8,3 miliarda ton plastiku, z czego 6,3 miliarda ton to odpady, a tylko 9% podlega recyklingowi.

Ocean Conservancy poinformował, że Chiny, Indonezja, Filipiny, Tajlandia i Wietnam zrzucić bardziej plastikowy do morza, niż wszystkie inne kraje razem wzięte. Rzeki Jangcy, Indus, Żółta, Hai, Nil, Ganges, Perła, Amur, Niger i Mekong „transportują od 88% do 95% globalnego ładunku [tworzyw sztucznych] do morza”.

Obecność tworzyw sztucznych, zwłaszcza mikrodrobin plastiku , w łańcuchu żywnościowym wzrasta. W latach 60. mikrodrobiny plastiku były obserwowane w jelitach ptaków morskich i od tego czasu znajdowano je w coraz większych stężeniach. Długofalowe skutki tworzyw sztucznych w łańcuchu żywnościowym są słabo poznane. W 2009 roku oszacowano, że 10% nowoczesnych odpadów to tworzywa sztuczne, chociaż szacunki różnią się w zależności od regionu. Tymczasem od 50% do 80% śmieci na obszarach morskich to tworzywa sztuczne.

Przed Protokołu Montrealskiego , freony były powszechnie stosowane w produkcji plastycznego polistyrenu, produkcja które przyczyniły się do zubożenia warstwy ozonowej .

Wysiłki mające na celu zmniejszenie wpływu tworzyw sztucznych na środowisko mogą obejmować ograniczenie produkcji i użytkowania tworzyw sztucznych, politykę w zakresie odpadów i recyklingu oraz proaktywne opracowywanie i wdrażanie alternatyw dla tworzyw sztucznych, takich jak zrównoważone opakowania .

Mikroplastiki

Mikroplastik w osadach z czterech rzek w Niemczech. Zwróć uwagę na różnorodne kształty wskazane przez białe groty strzałek. (Białe paski reprezentują 1 mm dla skali.)

Według amerykańskiej Narodowej Agencji ds . Oceanów i Atmosfery (NOAA) i Europejskiej Agencji Chemikaliów mikrodrobiny plastiku to fragmenty dowolnego rodzaju plastiku o długości poniżej 5 mm (0,20 cala) . Powodują zanieczyszczenie , wchodząc do naturalnych ekosystemów z różnych źródeł, w tym kosmetyków , odzieży i procesów przemysłowych.

Obecnie rozpoznawane są dwie klasyfikacje mikrodrobin plastiku. Pierwotne mikrodrobiny plastiku obejmują wszelkie fragmenty lub cząstki plastiku, które mają już 5,0 mm lub mniej przed wejściem do środowiska. Należą do nich mikrowłókna z odzieży, mikrokulki i plastikowe granulki (znane również jako nurdle). Wtórne mikrodrobiny plastiku powstają w wyniku degradacji (rozpadu) większych produktów z tworzyw sztucznych w wyniku naturalnych procesów wietrzenia po dostaniu się do środowiska. Takie źródła wtórnych mikrodrobin plastiku obejmują butelki na wodę i napoje gazowane, sieci rybackie, plastikowe torby, pojemniki do kuchenek mikrofalowych, torebki z herbatą i zużycie opon. Uznaje się, że oba typy utrzymują się w środowisku na wysokim poziomie, zwłaszcza w ekosystemach wodnych i morskich , gdzie powodują zanieczyszczenie wody . 35% wszystkich oceanicznych mikrodrobin plastiku pochodzi z tekstyliów/odzieży, głównie z powodu erozji odzieży na bazie poliestru, akrylu lub nylonu, często podczas procesu prania. Jednak mikrodrobiny plastiku gromadzą się również w ekosystemach powietrznych i lądowych . Termin makroplastik służy do odróżnienia mikrodrobin plastiku od większych odpadów z tworzyw sztucznych, takich jak plastikowe butelki.

Ponieważ tworzywa sztuczne ulegają powolnej degradacji (często przez setki, a nawet tysiące lat), istnieje duże prawdopodobieństwo, że mikrodrobiny plastiku zostaną połknięte, wbudowane i nagromadzone w ciałach i tkankach wielu organizmów. Toksyczne chemikalia, które pochodzą zarówno z oceanu, jak i ze spływów, mogą również biomagnifikować łańcuch pokarmowy. W ekosystemach lądowych wykazano, że mikrodrobiny plastiku zmniejszają żywotność ekosystemów glebowych i zmniejszają wagę dżdżownic. Cykl i ruch mikrodrobin plastiku w środowisku nie są do końca poznane, ale obecnie trwają badania nad tym zjawiskiem. Badania osadów oceanicznych w głębokich warstwach w Chinach (2020) wykazują obecność tworzyw sztucznych w warstwach osadu znacznie starszych niż wynalezienie tworzyw sztucznych, co prowadzi do podejrzeń o niedoszacowanie mikrodrobin plastiku w badaniach próbek powierzchniowych oceanów.

Rozkład tworzyw sztucznych

Tworzywa sztuczne ulegają degradacji w wyniku różnych procesów, z których najważniejszym jest zwykle fotoutlenianie . Ich budowa chemiczna determinuje ich los. Degradacja polimerów w morzu trwa znacznie dłużej w wyniku zasolonego środowiska i efektu chłodzenia morza, co przyczynia się do utrzymywania się plastikowych śmieci w niektórych środowiskach. Ostatnie badania wykazały jednak, że tworzywa sztuczne w oceanach rozkładają się szybciej niż wcześniej sądzono, z powodu ekspozycji na słońce, deszcz i inne warunki środowiskowe, co skutkuje uwolnieniem toksycznych chemikaliów, takich jak bisfenol A . Jednak ze względu na zwiększoną ilość tworzyw sztucznych w oceanie rozkład uległ spowolnieniu. Organizacja Marine Conservancy przewidziała tempo rozkładu kilku produktów z tworzyw sztucznych: szacuje się, że kubek z tworzywa piankowego zajmie 50 lat, plastikowy uchwyt na napoje 400 lat, jednorazowa pieluszka 450 lat, a żyłka wędkarska 600 lat degradować.

Gatunki drobnoustrojów zdolne do degradacji tworzyw sztucznych są znane nauce, a niektóre z nich są potencjalnie przydatne do usuwania niektórych klas odpadów z tworzyw sztucznych.

  • W 1975 roku zespół japońskich naukowców badających stawy zawierające ścieki z fabryki nylonu odkrył szczep Flavobacterium, który trawi pewne produkty uboczne produkcji nylonu 6 , takie jak liniowy dimer 6-aminoheksanianu . Nylon 4 (polibutyrolaktam) może być rozkładany przez nici ND-10 i ND-11 Pseudomonas sp. znalezione w osadzie, w wyniku czego produktem ubocznym jest GABA (kwas γ-aminomasłowy).
  • Kilka gatunków grzybów glebowych może spożywać poliuretan, w tym dwa gatunki ekwadorskiego grzyba Pestalotiopsis . Mogą zużywać poliuretan zarówno tlenowo, jak i beztlenowo (np. na dnie wysypisk śmieci).
  • Konsorcja drobnoustrojów metanogennych rozkładają styren, wykorzystując go jako źródło węgla. Pseudomonas putida może przekształcać olej styrenowy w różne biodegradowalne tworzywa sztuczne | biodegradowalne polihydroksyalkaniany .
  • Wykazano, że zbiorowiska drobnoustrojów wyizolowane z próbek gleby zmieszanych ze skrobią są zdolne do degradacji polipropylenu.
  • Grzyb Aspergillus fumigatus skutecznie rozkłada uplastyczniony PVC. Phanerochaete chrysosporium hodowano na PVC w agarze z solą mineralną.</ref>. P. chrysosporium , Lentinus tigrinus , A. niger i A. sydowii również mogą skutecznie rozkładać PVC.
  • Fenolo-formaldehyd, powszechnie znany jako bakelit, jest rozkładany przez grzyb białej zgnilizny P. chrysosporium .
  • Stwierdzono, że Acinetobacter częściowo degraduje oligomery polietylenu o niskiej masie cząsteczkowej. W połączeniu, Pseudomonas fluorescens i Sphingomonas mogą zdegradować ponad 40% wagi plastikowych torebek w czasie krótszym niż trzy miesiące. Termofilna bakteria Brevibacillus borstelensis (szczep 707) została wyizolowana z próbki gleby i okazała się zdolna do wykorzystywania polietylenu o niskiej gęstościjako jedynego źródła węgla podczas inkubacji w temperaturze 50°C. Wstępna ekspozycja plastiku na promieniowanie ultrafioletowe zerwała wiązania chemiczne i wspomogła biodegradację; im dłuższy okres ekspozycji na promieniowanie UV, tym większa promocja degradacji.
  • Na pokładach stacji kosmicznych znaleziono niebezpieczne pleśnie, które rozkładają gumę do postaci przyswajalnej.
  • Kilka gatunków drożdży, bakterii, alg i porostów zostało znalezionych na artefaktach z polimerów syntetycznych w muzeach i na stanowiskach archeologicznych.
  • W zanieczyszczonych plastikiem wodach Morza Sargassowego znaleziono bakterie, które konsumują różne rodzaje plastiku; jednak nie wiadomo, w jakim stopniu te bakterie skutecznie usuwają trucizny, a nie po prostu uwalniają je do morskiego ekosystemu mikrobiologicznego.
  • Mikroby żywiące się plastikiem zostały również znalezione na wysypiskach śmieci.
  • Nocardia może degradować PET za pomocą enzymu esterazy.
  • Odkryto, że grzyb Geotrichum candidum , znaleziony w Belize, zużywa poliwęglanowy plastik znajdujący się na płytach CD.
  • Domy Futuro wykonane są z poliestrów wzmocnionych włóknem szklanym, poliestrowo-poliuretanowych oraz PMMA. Stwierdzono, że jeden z takich domów został szkodliwie zdegradowany przez cyjanobakterie i archeony .
Ręczna segregacja materiałów do recyklingu.

Recykling

Recykling tworzyw sztucznych
Zgodnie z ruchem wskazówek zegara od góry po lewej:
  • Sortowanie odpadów z tworzyw sztucznych w jednostrumieniowym centrum recyklingu
  • Używane butelki sortowane według kolorów
  • Odzyskany HDPE gotowy do recyklingu
  • Konewka wykonana z butelek pochodzących z recyklingu
.

Recykling tworzyw sztucznych to ponowne przetwarzanie odpadów z tworzyw sztucznych na nowe i użyteczne produkty. Prawidłowe wykonanie może zmniejszyć zależność od składowisk odpadów , chronić zasoby i chronić środowisko przed zanieczyszczeniem tworzywami sztucznymi i emisją gazów cieplarnianych. Chociaż wskaźniki recyklingu rosną, pozostają w tyle za innymi materiałami możliwymi do odzyskania, takimi jak aluminium , szkło i papier . Globalny wskaźnik recyklingu w 2015 roku wyniósł 19,5%, podczas gdy 25,5% zostało spalone, a pozostałe 55% wywieziono na składowiska. Od początku produkcji plastiku w XX wieku do 2015 roku świat wyprodukował około 6,3 miliarda ton odpadów z tworzyw sztucznych, z których tylko 9% zostało poddanych recyklingowi, a tylko ~1% poddano recyklingowi więcej niż jeden raz.

Recykling jest konieczny, ponieważ prawie wszystkie tworzywa sztuczne nie ulegają biodegradacji, a zatem osadzają się w środowisku, gdzie mogą powodować szkody. Na przykład około 8 milionów ton odpadów z tworzyw sztucznych trafia co roku do oceanów Ziemi, powodując szkody w ekosystemie wodnym i tworząc duże plamy śmieci oceanicznych .

Obecnie prawie cały recykling odbywa się poprzez przetapianie i przekształcanie zużytego plastiku w nowe przedmioty; tak zwany recykling mechaniczny. Może to powodować degradację polimeru na poziomie chemicznym, a także wymaga sortowania odpadów zarówno według koloru, jak i rodzaju polimeru przed ponownym przetworzeniem, co jest skomplikowane i kosztowne. Awarie w tym zakresie mogą prowadzić do powstania materiału o niespójnych właściwościach, co nie jest atrakcyjne dla przemysłu.

W alternatywnym podejściu znanym jako recykling surowca, odpady z tworzyw sztucznych są przekształcane z powrotem w wyjściowe chemikalia, które można następnie ponownie przetworzyć w świeży plastik. Daje to nadzieję na większy recykling, ale wiąże się z wyższymi kosztami energii i kapitału . Odpady z tworzyw sztucznych mogą być również spalane zamiast paliw kopalnych w ramach odzyskiwania energii . Jest to kontrowersyjna praktyka, ale mimo to wykonywana na dużą skalę. W niektórych krajach jest to dominująca forma unieszkodliwiania odpadów z tworzyw sztucznych, szczególnie tam, gdzie obowiązują polityki dotyczące dywersyfikacji składowisk .

Recykling tworzyw sztucznych był zalecany od wczesnych lat 70-tych, ale ze względu na poważne wyzwania gospodarcze i techniczne nie miał znaczącego wpływu na odpady z tworzyw sztucznych aż do końca lat 80-tych. Branża tworzyw sztucznych została skrytykowana za lobbowanie za rozszerzeniem programów recyklingu, podczas gdy badania branżowe wykazały, że większości tworzyw sztucznych nie można poddać recyklingowi w sposób ekonomiczny; cały czas zwiększając ilość produkowanego pierwotnego plastiku.

Zmiana klimatu

Według jednego z raportów, w 2019 roku plastik wytworzył do atmosfery gazy cieplarniane odpowiadające 850 milionom ton dwutlenku węgla (CO2). Emisje mogą wzrosnąć do 1,34 miliarda ton do 2030 roku. Do 2050 roku plastik może emitować 56 miliardów ton gazów cieplarnianych emisji, aż 14% pozostałego budżetu węglowego Ziemi .

Wpływ tworzyw sztucznych na globalne ocieplenie jest mieszany. Tworzywa sztuczne są zazwyczaj wytwarzane z ropy naftowej, dlatego produkcja tworzyw sztucznych powoduje dalsze emisje. Jednak ze względu na lekkość i trwałość plastiku w porównaniu ze szkłem lub metalem, plastik może zmniejszyć zużycie energii. Na przykład szacuje się, że pakowanie napojów w plastik PET zamiast w szkło lub metal pozwala zaoszczędzić 52% energii w transporcie.

Produkcja tworzyw sztucznych

Produkcja tworzyw sztucznych z ropy naftowej wymaga od 7,9 do 13,7 kWh/funt (biorąc pod uwagę średnią wydajność stacji energetycznych w USA wynoszącą 35%). Produkcja krzemu i półprzewodników do nowoczesnego sprzętu elektronicznego jest jeszcze bardziej energochłonna: od 29,2 do 29,8 kWh/lb dla krzemu i około 381 kWh/lb dla półprzewodników. To znacznie więcej niż energia potrzebna do wyprodukowania wielu innych materiałów. Na przykład produkcja żelaza (z rudy żelaza) wymaga 2,5-3,2 kWh/lb energii; szkło (z piasku itp.) 2,3–4,4 kWh/lb; stal (z żelaza) 2,5–6,4 kWh/funt; oraz papier (z drewna) 3,2–6,4 kWh/lb.

Spalanie tworzyw sztucznych

Kontrolowane spalanie w wysokiej temperaturze , powyżej 850°C przez dwie sekundy, prowadzone z selektywnym dogrzewaniem, rozkłada toksyczne dioksyny i furany ze spalanego plastiku i jest szeroko stosowane w spalaniu odpadów komunalnych. Spalarnie odpadów komunalnych zwykle obejmują również oczyszczanie gazów spalinowych w celu dalszej redukcji zanieczyszczeń. Jest to potrzebne, ponieważ niekontrolowane spalanie plastiku wytwarza polichlorowane dibenzo-p-dioksyny, substancję rakotwórczą (chemiczną rakotwórczą). Problem pojawia się, ponieważ zawartość ciepła w strumieniu odpadów jest różna. Spalanie plastiku na wolnym powietrzu odbywa się w niższych temperaturach i zwykle uwalnia takie toksyczne opary.

Utylizacja pirolityczna

Tworzywa sztuczne można poddać pirolizie do paliw węglowodorowych , ponieważ tworzywa sztuczne zawierają wodór i węgiel. Jeden kilogram odpadowego plastiku wytwarza około litr węglowodoru.

Zobacz też

Bibliografia

Zewnętrzne linki