Wstęp

Tworzywa sztuczne to materiały, zbudowane z polimerów syntetycznych. Tworzywa sztuczne pełnie wiele bardzo istotnych funkcji. Są na szeroką skalę wykorzystywane. Mogą zastępować takie materiały jak: drewno, metal, ceramika, kauczuk naturalny oraz gutaperka Mogą także stanowić zupełnie nowe materiały, mniemających żadnych naturalnych odpowiedników.

W większości tworzywa sztuczne to polimery. Reakcja polimeryzacji to reakcja cząstek zwanych monomerami. W wyniku tej reakcji chemicznej powstają związki zwane polimerami. Proces polimeryzacji uzależniony jest od panującego ciśnienia, temperatury, ilości oraz rodzaju stosowanego inicjatora i katalizatora. Dzięki polimeryzacji jesteśmy w stanie otrzymać wielocząsteczkowe substancje. Nie wydzielają się produkty uboczne. Reakcja polikondensacji to reakcja funkcyjnych grup monomerów. W trakcie tego procesu wydziela się pewna ilość substancji (chlorowodór, woda, amoniak) oraz tworzy makrocząsteczka. Polimery mogą także ulec reakcji sieciowania. W czasie tej reakcji polimer ogrzewamy z odpowiednim utwardzaczem. Łańcuchy polimerowe łączą się i powstaje gigantyczna cząsteczka.

Dzięki polimeryzacji jesteśmy w stanie otrzymać wielocząsteczkowe substancje.

Występują zarówno polimery naturalne (celuloza, białka), jak i polimery sztuczne (nylon, teflon, polietylen). W większość polimery to związki pochodzenia organicznego. Występują jednak także polimery pochodzenia nieorganicznego (azbest).

Tworzywa sztuczne, w skład których wchodzą polimery zarówno syntetyczne, jak i naturalne, są otrzymywane z polimeru (za przykład możemy wziąć poli(metakrylan metylu), ale także polistyren, oraz polietylen), kopolimerów oraz mieszanek polimerów. Czasami polimery są modyfikowane chemicznie (hydroliza), fizykochemicznie (degradacja), ewentualnie w wyniku dodawania: plastyfikatorów, wypełniaczy, stabilizatorów, barwników oraz pigmentów. Tworzywa sztuczne to plastiki lub masy plastyczne.

Rodzaje tworzyw sztucznych

Tworzywa ze względu na właściwości dzielimy na:

- tworzywa konstrukcyjne;

- tworzywa włóknotwórcze;

- tworzywa błonotwórcze;

- tworzywa kauczukowe.

Podział ten należy traktować elastycznie, gdyż większość tworzyw sztucznych może należeć do wielu grup.

Ze względu na metodę otrzymywania tworzywa sztuczne dzielimy na:

- polimery otrzymywane w wyniku reakcji polimeryzacji Reakcja polimeryzacji to reakcja cząstek zwanych monomerami. W wyniku tej reakcji chemicznej powstają związki zwane polimerami. Proces polimeryzacji uzależniony jest od panującego ciśnienia, temperatury, ilości oraz rodzaju stosowanego inicjatora i katalizatora.

Kopolimeryzacja to proces polimeryzacji mieszaniny dwóch, ewentualnie więcej, monomerów. Na skutek tego procesu otrzymywane są substancje nazywane kopolimerami. Charakteryzują się różną struktura: mogą być przemienne, blokowe, szczepione lub statystyczne. Własności otrzymanego produktu w wyniku zajścia procesu kopolimeryzacji są uzależnione od typu łączonych merów oraz ich wzajemnych stosunków molowych.

- polimery otrzymywane w wyniku reakcji polikondensacji Polikondensacja to reakcja funkcyjnych grup monomerów. W trakcie tego procesu wydziela się pewna ilość substancji (chlorowodór, woda, amoniak) oraz tworzy makrocząsteczka. Wzrastanie nowo powstałej cząsteczki następuje stopniowo. W czasie homopolikondensacji cząsteczki jednego monomeru wchodzą w reakcję z innymi cząsteczkami tego samego polimeru (polimeryzacja kwasu aminoenantowego). W czasie heteropolikondensacji cząsteczki jednego monomeru wchodzą w reakcję z innymi cząsteczkami innego monomeru ( polimeryzacja diaminy z kwasem dikarboksylowym).

- polimery otrzymywane w wyniku reakcji poliaddycji. Poliaddycja umiejscowiona jest pomiędzy polimeryzacją i polikondensacją. Poliaddycja to reakcja, która przebiega stopniowo, ale jest odwracalna. Przyłączanie cząsteczek monomeru przebiega dość szybko. Nie wydzielane są żadne produkty uboczne. Polimery uzyskiwane podczas poliaddycji cechuje identyczny skład chemiczny co monomery, ale mają inną budowę.

Ważną cecha tworzyw sztucznych jest wartość modułu sprężystości poprzecznej lub podłużnej. Tworzywa sztuczne możemy podzielić na:

- tworzywa sztuczne miękkie, których modułu sprężystości wzdłużnej ma wartość mniejszą niż 700 MPa;

- tworzywa sztuczne półsztywne, których modułu sprężystości wzdłużnej ma wartość 700 - 7000 MPa;

- tworzywa sztuczne sztywne, których modułu sprężystości wzdłużnej ma wartość większą niż 7000 MPa.

Podstawą klasyfikacji tworzyw sztucznych są właściwości użytkowe oraz technologiczne (sposoby przetwarzania) tworzyw sztucznych.

Wyróżniamy:

- tworzywa sztuczne termoplastyczne, czyli poli(chlorek winylu), polietylen polistyren, po ogrzaniu miękną, zaś po oziębieniu ulegają stwardnieniu.

- tworzywa sztuczne chemoutwardzalne (duroplasty). Są twarde, trudnotopliwe o wysokiej odporności mechanicznej. Mogą służyć jako materiały konstrukcyjne (sztuczne metale).

Tworzywa termo- lub chemoutwardzalne nie jesteśmy w stanie przerobić na inne. Tworzywo termoplastyczne możemy przerobić na inne. Często tworzywa sztuczne mogą być wykorzystane jako dobry surowiec wtórny. Elastomery, które są można w dowolny sposób rozciągać oraz ściskać. Podczas takiego procesu polimery te zmieniają swój kształt, jednakże po usunięciu siły, z powrotem wracają do pierwotnych wymiarów. Elastomery wyparły w dużym stopniu kauczuk naturalny. Są także wykorzystywane w dziedzinach obcych dla zwykłego kauczuku.

Ze względu na sposób użycia tworzywa sztuczne można podzielić na:

- duromery, które są twarde, trudnotopliwe oraz wykazujące wysoką odporność mechaniczną. Mogą służyć jako dobre materiały konstrukcyjne. Nazywane są także sztucznymi metalami. Pewna część duromerów może zastępować materiały ceramiczne;

- plastomery, które są wykazują mniejszą sztywność niż duromery. Są łatwotopliwe oraz rozpuszczalne. Możemy ten typ polimerów wykorzystać do otrzymywania różnorodnych form, dzięki przetwarzaniu poprzez topienie oraz wtryskiwanie do określonych form. Mogą być stosowane w zastępstwie drewna oraz metalu w postaci obudowy do urządzeń oraz maszyn, jako elementy do wyposażenia domowego;

Właściwości i otrzymywanie tworzyw sztucznych

Tworzywa sztuczne charakteryzują się mała masą (gęstość ma wartość 1 g/cm3), małą przewodnością cieplną, małą wytrzymałością na rozciąganie, małym modułem elastyczności, są dielektrykami, tylko po dodaniu (ok. 50%) materiałów przewodzących (sadza, pył metaliczny) są w stanie, przewodzić prąd elektryczny. Są przezroczyste, ale także całkowicie nietransparentne. Łatwo formowalne. Tworzywa sztuczne wykazują odporność na substancje chemiczne, wilgoć. Mogą być stosowane w różnorodnej postaci, jako: tworzywa konstrukcyjne, spoiwa, materiały powłokowe, kleje oraz kity, włókna syntetyczne. Charakterystyczną cecha związków wielkocząsteczkowych jest mała reaktywność, czyli znaczna duża odporność na czynniki chemiczne. Wraz ze wzrostem temperatury maleje odporność chemiczna. Rozpuszczalniki mogą spowodować pęcznienie tworzyw sztucznych. Znaczna część tworzyw sztucznych wykazuje odporność na wodę. Tylko polialkohol winylowy ulega rozpuszczeniu. Aby przetworzyć tworzywo sztuczne potrzebna jest specjalistyczna aparatura. Tworzywa termoplastyczne są przerabiane metodą wtryskową lub są wytłaczane. Tworzywa termoutwardzalne są przerabiane metodą prasowania w odpowiednich formach, w wysokiej temperaturze. Odlewanie tworzyw w formach zamkniętych jest wykorzystywane do uzyskiwania wyrobów pustych (piłek, lalek). Aby uzyskać folię stosujemy odlewanie roztworów uzyskanych z tworzyw sztucznych. Do przetwarzania dostarcza się tworzywa sztuczne pod postacią żywic, tłoczyw lub półfabrykatów. Sztuczne żywice występują jako żywice techniczne. Stanowią surowiec wyjściowy do uzyskiwania tłoczyw, laminatów, lakierów, farb, klejów, kitów, past.

Początki tworzyw sztucznych

Dziedzina naukowa zajmująca się tworzywami sztucznymi tuz po II wojnie światowej rozwijała się w zawrotnym tempie i rozwija się do dziś. Światowa produkcja tworzyw sztucznych, w czasie ostatnich 60 lat zwiększyła się niemal trzydziestokrotnie. Tworzywa sztuczne mogą być wykorzystane w procesie produkcyjnym części maszyn, osłon kabli elektrycznych, przyrządów, aparatury chemicznej oraz artykułów wykorzystywanych w gospodarstwie domowym, galanterii.

Podczas II wojny światowej otrzymano politetrafluoroetylen. PTFE został odkryty przez amerykańskiego naukowca Roya Plunketta roku 1938. Tak jak w większości odkryć, był to czysty przypadek. Badacz ten prowadził badania nad substancjami, które mogą być wykorzystane w chłodzeniu lodówek. Pracował wówczas dla firmy DuPont. Firma ta nadała nowemu związkowi nazwę handlową Teflon. Choć patent na ten produkt już dawno wygasł, nazwa "teflon" nadal jest znakiem towarowym firmy DuPont i inni producenci tego związku nie mają żadnych praw, aby tą nazwą się posługiwać. Po II wojnie światowe teflon znalazł bardzo szerokie zastosowanie w branży przemysłowej. Pokrywano nim trzpienie, które utrzymują walce obrotowe. Jest stosowany w przewodach na statkach kosmicznych, gdyż jest odporny na ekstremalne temperatury. W promieniach słońca panuje bardzo wysoka temperatura, zaś w strefie ziemskiej bardzo niska. Związek ten jest dosyć trudny w obróbce, ale początkowo był stosowany w produkcji specjalnej (przemysł zbrojeniowy). Zastosowanie w gospodarstwie domowym odkrył po raz pierwszy francuski badacz Mark Gregoire. Patelnie teflonowe, które otrzymał z tej substancji w latach pięćdziesiątych nazwano Tefal. Kilka lat później wiele innych firm zaczęło produkować kuchenne naczynia wykorzystywane w gotowaniu oraz pieczeniu. Wszystkie były pokryte warstwa politetrafluoroetylen.

Otrzymano także w roku 1965 polisulfony, które są odporne w temperaturze 200°C, w roku 1969 poli(siarczek fenylu), który jest odporny w temperaturze 170°C. Później otrzymano polimery aromatyczne oraz metaloorganiczne, wykazujące odporność w temperaturze 400°C.

Tworzywa sztuczne są łatwe do formowania oraz barwienia. Do najczęściej stosowanych metod formowania zaliczamy: wtrysk, wytłaczanie, odlewanie, kalandrowanie. Stosowane są także: spiekanie, obróbkę plastyczną, laminowanie oraz zgrzewanie.

Pierwsze próby chemicznej modyfikacji polimerów w skali przemysłowej rozpoczęto w roku 1850-75. W roku 1872 w Stanach Zjednoczonych uzyskano celuloid, w roku 1897 w Niemczech rozpoczęto produkcję galalitu, zaś w roku 1904 acetylocelulozy. Pierwsze syntetyczne tworzywo sztuczne to żywica fenolowo-formaldehydowa uzyskana w roku 1872 (A. Baeyer). Pierwsze poliamidy wyprodukowano w roku 1937 w Stanach Zjednoczonych, poliestry w roku 1942, poli(chlorku winylidenu) w roku 1942, silikony w roku 1943. Po drugiej wojnie światowej nastąpił gwałtowny rozwój tworzyw sztucznych.

W naszym kraju w roku 1931 rozpoczęła się produkcję folii stosowana w opakowaniach. Rozpoczęto syntezę styrenu według receptury K. Smoleńskiego. Gwałtowny rozwój tworzyw sztucznych miał miejsce w Polsce ł po drugiej wojnie światowej. Wytwarzano wówczas: tłoczywa mocznikowe, tworzywa fenolowo-formaldehydowe, poli(chlorek winylu), poli(metakrylan metylu), polistyren, poliakrylonitryl, polikaprolaktam, poliuretany, żywice epoksydowe, poliestrowe, silikonowe, polipropylen, polietylen, politetrafluoroetylen.

Zastosowanie tworzyw sztucznych

Tworzywa sztuczne są obecne niemalże w każdej dziedzinie życia człowieka. Tworzywa sztuczne to materiały, zbudowane z polimerów syntetycznych. Tworzywa sztuczne pełnie wiele bardzo istotnych funkcji. Są na szeroką skalę wykorzystywane. Mogą zastępować takie materiały jak: drewno, metal, ceramika, kauczuk naturalny oraz gutaperka Mogą także stanowić zupełnie nowe materiały, mniemających żadnych naturalnych odpowiedników. Tworzywa sztuczne różnią się pomiędzy sobą właściwościami fizycznymi mechanicznymi oraz chemicznymi. W ostatnich latach rola tworzyw sztucznych wzrosła. Nagła rezygnacja ze stosowania ich spowodowałaby trudności. Tworzywa sztuczne są stosowane na szeroka skalę w różnych dziedzinach życia człowieka.

Tworzywa sztuczne mogą być wykorzystane w procesie produkcyjnym części maszyn, osłon kabli elektrycznych, przyrządów, aparatury chemicznej oraz artykułów wykorzystywanych w gospodarstwie domowym, galanterii. Są stosowane w stosowane w przemyśle: samochodowym, lotniczym, elektrotechnicznym, elektronicznym, włókienniczym, budowniczym. Inne zastosowania tworzyw sztucznych to: produkcja aparatury, sprzętu, narzędzi medycznych (sprzęt wykorzystywany w pobieraniu i oraz przetaczaniu krwi, cewniki, dreny oraz nici chirurgiczne), protez (stawów, stomatologiczne, tętnic oraz żył, gałki oczne, zastawki serca), szkieł kontaktowych oraz wiele innych.

Bardzo ważnym obszarem, w którym stosowane są tworzywa sztuczne jest medycyna. Strzykawki jednorazowego użytku są wytwarzane z polipropylenu. Cewniki, dreny są wyrabiane są z polietylenu, cewniki z polichlorku winylu, z celofanu wyrabia się folie półprzepuszczalne do dializ. W stomatologii stosowany jest polimetakrylan metylu. Tworzywa sztuczne są wykorzystywane w produkcji pojemników ułatwiających dozowanie leku (kroplomierze). Tworzywa sztuczne są wykorzystywane także w: ortopedii, protetyce, chirurgii plastycznej, transporcie ciężko chorych (materac z folii PCV, wewnątrz którego są kluseczki styropianowe).

Oddziaływanie tworzyw sztucznych na otaczające środowisko naturalne

Pomimo wielu korzystnych właściwości, wykorzystywanych w różnych dziedzinach życia przez człowieka, tworzywa sztuczne charakteryzują się jednym, dość istotnym, mankamentem. Ulegają powolnemu naturalnemu rozkładowi zanieczyszczeń. W czasie spalania tworzywa sztuczne wytwarzają szkodliwe, trujące substancje. Kraje rozwinięte powoli zaprzestają stosować opakowania uzyskane z tworzyw sztucznych. Są zastępowane szkłem, które można ponownie użyć. Tworzywa sztuczne stosowane w takich celach ulegają rozkładowi bardzo długo (nawet 500 lat). W czasie rozkładu wydzielają szkodliwe związki metali ciężkich.