Пластмаси

Пластмасите са високомолекулни въглерод съдържащи вещества. Молекулите им се състоят от дълги въглеродни вериги, на които се дължат и техните полезни свойства. Самата дума пластмаса произлиза от латинската дума plasticus (податлив на моделиране) и гръцката plastikos (подходящ за оформяне). Може да се произвеждат различни видове пластмаси – твърди като камък, здрави като стомана, прозрачни като стъкло, светли, наподобяващи дърво, еластични като гума. Също така пластмасите са леки, водонепропускливи, устойчиви на химически агенти и може да се произвеждат във всички цветове. Известни са повече от 50 вида пластмаси, като същевременно се разработват и нови видове. Също като металите, пластмасите се разделят на различни видове. Например, найлонът е вид пластмаса, която се поделя според различните си свойства, цена и вида на производствения и процес. Пластмасите може да се смесват, образувайки сплави като металите. Това има за цел да се обединят желаните свойства на няколко вида пластмаса в един. Пластмасите могат лесно да се отливат във форми. Те са синтетични материали, които се добиват главно от изкопаемите горива.

Приложение на пластмасите

Пластмасите са от първа необходимост за съвременния бит на човека. Много голяма част от предметите, които използваме в ежедневието си са изработени от пластмаса. Пластмасите намират широко приложение в индустрията – за направата на различни детайли, в медицинската промишленост, космическата техника и много други отрасли.
Основни свойства на пластмасите
Пластмасите притежават голямо разнообразие от ценни свойства и са относително евтини. Те са по-леки от други материали със същата здравина, и за разлика от дървесината и металите, те не ръждясват и не изгниват. Може да се произвеждат във всякакви цветове (може и да са прозрачни) и форми. Имат по-малка плътност от металите и са по-леки. Плътността на повечето пластмаси варира от 0.9 до 2.2 гр./куб. см. Те могат да се подсилват със стъкло и други вещества като по този начин се получават много здрави материали. Но те имат и някои недостатъци. При изгарянето им се отделят отровни газове. Въпреки, че пластмасите имат висока температурна устойчивост – до 288 С, не се използват, когато е необходим материал с висока температурна издръжливост. Заради тяхната молекулна стабилност, пластмасите трудно се раздробяват на по-дребни части и това създава проблеми свързани с изхвърлянето им в сметищата.

Химия на пластмасите

Пластмасите се състоят от много дълги молекули от въглеродни атоми, свързани във вериги. Полиетилена, например е изграден от изключително дълги молекули, съдържащи над 200 000 въглеродни атома. Точно тази структура придава ценните свойства на пластмасите, за разлика от малките кристали на структура на металите. Малка част от пластмасите се произвеждат от растителни масла, но по-голямата част се произвеждат от природните изкопаеми горива. Тези горива съдържат въглеводороди, които са градивните единици на дългите полимерни молекули. Тези единици се наричат мономери, съединени една за друга образуват дългите вериги наречени полимери. Процесът на съединяване на отделните мономерни молекули във верига се нарича полимеризация. Например Етилена (Етена) при нормални условия е в газообразно състояние. Когато обаче се подложи на висока температура, налягане и катализатори той се полимеризира
до полиетилен. Когато се съединяват много еднакви мономерни единици процесът се нарича полимеризация.
Веригите на така получените съединение (полимери) са изградени само от един и същ мономер. Пластмаси, които са получени при полимеризацията на еднакви мономери са полиетилен, полипропилен, поливинил хлорид (PVC), полистирен и други. Когато се свързват два или повече различни мономери процеса се нарича кондензация. При този процес освен главния продукт – дадения полимер се образува и нискомолекулно
съединение – вода, алкохол. Веригите на този вид полимери са изградени от различни мономери подредени по определен начин. Полимери, които се получават при поликондензация са найлон (полиамид), полиестерите, полиуретан и други. Свойствата на пластмасите се определят от дължината на молекулите и дадения
мономер или мономери, от които са изградени. Например еластомерите са вид пластмаси, изградени от дълги, плътно усукани молекули. Тези усукани молекули дават възможност на пластмасите да се разтягат и повторно да възстановяват изходната си форма като пружина. Пример за такива пластмаси са Силиконовите запушалки и гумените ластици. Въглеродния скелет на полимерите често се свързва с по-малки допълнителни вериги състоящи се от други елементи – хлор, флуор, азот, силикон и др. Тези допълнителни вериги добавят нови свойства на пластмасите. Например, когато водороден атом въглеродната верига се замести с хлорен, се получава поливинил хлорид (PVC), една от най-широкоразпространените и използвани пластмаси. Добавянето на хлор във веригата увеличава здравината и твърдостта на пластмасата и я прави по-устойчива. Всеки вид пластмаса има определени предимства и недостатъци свързани със съответния им строеж. Дългите полимерни вериги стават по оплетени (като спагети), което придава на пластмасите висока издръжливост на опън, здравина и удароустойчивост, но пък стават по трудни за отливане във форми.

Термопласточност и втвърдяване на пластмасите

Всички пластмаси, независимо дали са получени чрез полимеризация или чрез поликондензация, се разделят на две групи термопластични и термовтвърдяващи се. Тези два вида се определят в зависимост от това как реагират пластмасите на топлина. Термопластичните пластмаси при нагряване омекват, а при охлаждане се втвърдяват. А термовтвърдяващите се пластмаси стават завинаги по-твърди след загряване. Причината за различната реакция на пластмасите към топлина е в тяхната химична структура. Молекулите на термопластичните пластмаси са линейни или много слабо разклонени, те не се свързват химически помежду си при нагряване. Термопластичните пластмаси може да се нагряват и охлаждат, затова те могат да се претопяват и формоват почти неограничено дълго време. Термовтвърдяващите се пластмаси се състоят от вериги, които се свързват химически една с друга при нагряване. Когато това стане молекулите образуват голяма, пространствена мрежа, която се приема за една гигантска молекула. Веднъж втвърдени, термовтвърдяващите се пластмаси не могат повече да се разтопяват. Те се използват за направата на топлоустойчиви изделия, защото може да се нагряват до температури около 260’C, без да се разтапят.
Различната молекулярна структура на термопластичните и термовтвърдяващите се пластмаси, позволява на производителите сами да определят свойствата на различните пластмаси, според това, за което ще се използват. Понеже термопластичните пластмаси са изградени от отделни молекули, свойствата им са много повлияни от молекулната им маса. При повишаване на молекулната им маса се увеличава разтегливостта,
удароустойчивостта и износването. Обратното, защото термовтвърдяващите се пластмаси се състоят от една голяма мрежовидна молекула, молекулната им маса не влияе на свойствата им. Вместо това свойствата им се определят от добавянето на различни пълнители и подсилващи материали като фибро-стъкло и др.
Термопластичните пластмаси може да се разделят в няколко групи, в зависимост от начина на подреждане на молекулите им. Правите и здраво подредени една до друга линейни вериги дават по здрава пластмаса. Такива са молекулите на найлона. Ъгълът, които сключват веригите помежду си определя прозрачността на пластмасата. Пластмасите с успоредни вериги отразяват светлината и са непрозрачни. Пластмасите с частично успоредни вериги само частично разпръскват светлината и са полупрозрачни. Пластмасите с аморфна структура не отразяват светлината и са прозрачни. Те се използват в оптиката.

Производство

Процесът на придаване на определена форма на пластмасите стои в основата на тяхното производство. Има много методи за формоване. Те се делят на два вида според вида на пластмасите – за производство на термопластични пластмаси и за производство на термовтвърдяващи се пластмаси. Методи за производство на изделия от термопластични пластмаси.

Впръскване във форма (шприцване)
Екструзия
Издуване
Издуване на тънък филм
Пресоване

Методи за производство на изделия от термовтвърдяващи се пластмаси
Оформяне с компресия
Валцуване
Реакционно-впръскващо моделиране

Общи методи за производство на пластмасови изделия
Отливане
Газо-разширяемо формоване

По-важни видове пластмаси:

Термопластични пластмаси:

• Полиетилен – РЕ – [8CH28CH28]
• Полиетилен с ниска плътност – LDPE – 0.91 – 0.93 г/куб.см.
• Полиетилен с висока плътност – HDPE – 0.94 – 0.97 г/куб. см.
• Поливинил хлорид – PVC
• Полипропилен – PP
• Полиетилен терафталат – PET – [8OOC8C6H48COO8CH2CH28]
• Акрилонитрил бутадиен стирен – ABS – [8CH9CH8CH9CH8]
• Полиметил метакрилат – PMMA
• Полиамид – PA

Термовтвърдяващи се пластмаси:

• Полиуретан – [8R8OOCNH8R’8]
• Фенолфомралдехиди
• Меламин-формалдехид – MF
• Урея-формалдехид – UF
• Ненаситени полиестери – UP
• Епоксидни смоли
• Подсилени пластмаси
• Био-деградиращи пластмаси

Поради своята молекулна стабилност, пластмасите трудно се разграждат до по прости съединения, затова повечето видове пластмаси днес се разглеждат като био-неразграждащи се. Но в последно време учените се опитват да синтезират пластмаси, които се разлагат от различни видове бактерии или от слънчевата светлина. Такъв нов вид пластмаса е специален полимер на нишестето, които се разгражда от бактерии. Съвременните изследвания са насочени към откриване на нови пластмаси, които да се разлагат при излагане на слънчева светлина. Продължителното излагане на пластмасата на ултравиолетово лъчение довежда до повреждането и.

Екологични проблеми, свързани с пластмасите

Изгаряне
Някои от отпадъците, като хартия, дърво, пластмаси и други се изгарят в специални съоръжения преди да бъдат депонирани в депата за смет. Това изгаряне се прилага с цел да се намали обема на отпадъците, но същевременно се отделят големи количества отровни газове, които замърсяват околната среда. Изгарянето на отпадъците и в частност пластмасите е строго ограничено поради тази причина и рядко се прилага.

Рециклиране
Всички пластмаси могат да бъдат рециклирани. Термопластичните пластмаси може да се претопят в нови изделия. Термовтвърдяващите се пластмаси може да бъдат използвани като подобри тели на термопластичните. Химическото рециклиране е процес, при който настъпва деполимеризация на полимерите.
За протичането на деполимеризацията се изискват специални условия – висока температура и катализатори. Целта на деполимеризацията е след разпадането на полимера неговите мономерни единици могат да се използват за органичен синтез. При друг процес наречен пиролиза, и двата вида пластмаси се изпаряват и се кондензират в течни въглеводороди.

Събирането и сортирането на използваните пластмаси е скъп и трудоемък процес. Само около 5% от пластмасите се рециклират. Има нови машини, които разделят пластмасите от другите отпадъци и ги сортират. Но дори и най-модерните системи за такъв контрол разпознават само няколко вида пластмаси. Например чрез машина с рентгенови лъчи се разпознава PET от PVC.

Ако пластмасите не са сортирани, при рециклирането не се получават качествени продукти. Затова от рециклирани пластмаси не се произвеждат опаковки за храни, а бутилки за моторни масла, опаковки за сапуни, кошчета за боклук, текстилни влакна и др.