Jak a z čeho se vyrábí plast?
Dnes se kolem plastů vedou zuřivé kontroverze. V Evropě se odpad třídí už dlouho, stále častěji je na visačkách vidět „vyrobeno z recyklovaných materiálů“, ve stále více obchodech můžeme místo běžného plastového sáčku zvolit papírovou. Jak plast funguje, jaké druhy se vyrábí a proč je škodlivý pro životní prostředí? Promluvme si s materiální vědkyní Káťou Anisimovou.
Materiálový vědec, pracovník katedry nanomateriálů Ruské univerzity chemicko-technologické. D. I. Mendělejevová
Co nazýváme plastem?
Plast je materiál sestávající ze syntetických nebo polosyntetických polymerů. Polymery jsou obrovské molekuly, které se skládají z opakujících se jednotek nazývaných monomery. Polymery se získávají polymerací, procesem spojování mnoha malých molekul do jedné velké.
Všechny polymery lze rozdělit na přírodní a syntetické.
Přírodní polymery jsou ty, které se nacházejí v přírodě. Proteiny a nukleové kyseliny v lidském těle, celulóza v rostlinách a chitin v exoskeletu hmyzu jsou příklady přírodních polymerů.
Všechny polymery vyrobené člověkem se nazývají syntetické. Získávají se dvěma způsoby: zpracováním přírodních polymerů na umělé polymerní materiály a jako výsledek syntézy z organických polymerů s relativně nízkou hmotností. Syntetické polymery jsou lehké, odolné a lze je tvarovat do téměř jakéhokoli tvaru.
Plast jsou tedy nekonečné řetězce molekul polymerů.
Jak se vyrábí plast?
Plasty lze vyrábět z přírodních látek, jako je celulóza a uhlí. K tomu se však používá především ropa. V první fázi výroby plastů se při destilaci ropa dělí na frakce – skupiny lehčích složek. Každá frakce je směsí řetězců skládajících se z uhlíku a vodíku. Liší se velikostí a molekulární strukturou. K výrobě plastu jsou zapotřebí sloučeniny s nízkou molekulovou hmotností.
Vzali jsme tedy ropu, rozdělili ji na frakce a izolovali jednoduché nízkomolekulární sloučeniny. co bude dál?
Existují dva hlavní způsoby, jak převést sloučeniny s nízkou molekulovou hmotností na polymery s vysokou molekulovou hmotností: polymerace a polykondenzace. V obou případech se malé molekuly spojují do velkých řetězců, ale polykondenzací vzniká i vedlejší produkt, jako je voda.
Hotový polymer vypadá jako mnoho malých granulí. Pro získání plastového produktu se takové granule smíchají s přídavnými látkami, které dodají plastu určité další vlastnosti. Poté je směs odeslána do vstřikovacího stroje na plasty, kde se promíchá a získá požadovaný tvar.
Proč jsou láhev a hračka plastové, ale na dotek jsou jiné?
Plast se vyrábí v různých variantách. Jeho vlastnosti závisí na charakteristice monomeru – strukturní jednotky molekuly polymeru. Chcete-li zjistit, který polymer je základem konkrétního plastového výrobku, stačí se podívat na označení.
Ne všechny plasty lze recyklovat a některé druhy se ani nedoporučují k opětovnému použití. Podívejme se na 7 druhů značení, které najdeme na běžných předmětech.
1. PET (PETE) – polyethylentereftalát
Polyethylentereftalát – nejběžnější typ plastu. Vyrábějí se z něj lahve na vodu, tašky a plastové obaly. Polyetylen je určen k jednorázovému použití – opakované použití zvyšuje riziko růstu bakterií: takový plast se obtížně dekontaminuje a ke správnému čištění vyžaduje škodlivé chemikálie. Dá se ale recyklovat.
2. HDPE – vysokohustotní polyethylentereftalát
Polyethylentereftalát s hustým „balením“ molekul se používá k výrobě pevnějšího plastu. Vyrábějí se z něj lahve od mléka, hračky, plastový nábytek. HDPE je považován za nejvíce recyklovatelný a relativně bezpečný plast. Proces jeho zpracování je technologicky jednoduchý a ekonomicky rentabilní.
3. PVC – polyvinylchlorid
Polyvinylchlorid – měkký pružný plast, ze kterého se vyrábí potravinářská fólie, hračky pro malé děti a domácí mazlíčky a obaly na zboží. Je poměrně nepropustný pro sluneční záření a vyrábí se z něj zahradní hadice a okenní rámy. PVC se často nazývá „toxický plast“. Výrobky vyrobené z polyvinylchloridu obsahují toxiny, které se časem vyplavují, to znamená, že se uvolňují při vystavení vnějším vlivům, například při zahřátí nebo pádu do vody. Výrobky vyrobené z polyvinylchloridu se prakticky nerecyklují a nelze je znovu použít.
4. LDPE – nízkohustotní polyethylen
Je považován za nejbezpečnější plast. Vyrábějí se z něj sáčky, které kupujeme v obchodech, lahve a obaly na chleba. Nerecykluje se všude, jako plast označený „1“, ale míst pro recyklaci přibývá (v Evropě a Americe).
5. PP – polypropylen
Polypropylenový plast je odolný a lehký, má tepelně odolné vlastnosti a také chrání před pronikáním vlhkosti. Například fólie pod víkem kávové plechovky je vyrobena z polypropylenu. Vyrábí se z něj také koktejlová brčka, obaly na jogurty a chipsy. Polypropylen je uznáván jako recyklovatelný, ale jen zřídka se recykluje.
6. PS – polystyren
Polystyren je levný, snadno zpracovatelný plast. Používá se k výrobě jednorázových kelímků, nádobí a bílých nádob na jídlo. Polystyren je přitom dost nebezpečná látka: může se z něj vyluhovat styren (například při zahřívání v mikrovlnce), který působí na lidský organismus karcinogenně. Recyklace tohoto plastu není příliš běžná a asi 35 % odpadu ve Spojených státech tvoří polystyren. Některé společnosti jej však akceptují a znovu používají.
7. JINÉ
Do této skupiny patří plasty, které nedostaly samostatné označení, např. polykarbonát, polyamid atd. Vyrábějí se z nich kojenecké lahve, hračky, lahve na vodu, obaly. Při častém mytí nebo zahřívání mohou tyto plasty uvolňovat bisfenol A, látku, která vede k hormonální nerovnováze v lidském těle.
Ne všechny vyrobené plasty jsou následně recyklovány. Mohou za to nejen technické problémy, ale také to, že v mnoha zemích neexistuje kultura separace odpadu a také továrny, které uměly plast recyklovat.
Dnes se recykluje pouze 9 % plastů, 12 % se spaluje, 79 % je kolem nás. Každý rok je do oceánu vypuštěno asi 8 milionů tun.
Proč je plast tak škodlivý pro životní prostředí?
Výroba a zpracování plastů způsobují komplexní poškození životního prostředí. Nejnápadnější škody způsobené plastovým odpadem jsou na oceánu, přesněji řečeno na jeho obyvatelích. Mořská zvířata si pletou plast s jídlem a umírají buď na otravu, nebo hladem; Želvy a další zvířata se zamotají do pytlů. Do roku 2015 spotřebovalo plasty 90 % mořských ptáků. V roce 2018 vyplavilo pobřeží Španělska mrtvého vorvaně. V jeho žaludku našli 32 kilogramů igelitových sáčků, kanystr a síťku.
Tato čísla jsou šokující, ale existuje neméně nebezpečná věc – mikroplasty, plastové částice o velikosti ne větší než 5 mm, vzniklé v důsledku působení ultrafialového záření na odpad plovoucí v oceánu. Když jsou vystaveny slunečnímu záření, rozpadají se na malé částice a nyní je jich asi 51 bilionů.
Vědci se ptají: Jak toxické jsou mikroplasty? Aby produkt vypadal atraktivněji, přidávají se do plastu ve fázi výroby různé látky, které nejsou škodlivé, dokud se nezačnou vyluhovat. Bisfenol A činí plast průhlednějším, ale zároveň ovlivňuje hormonální systém; Diethylhexyl ftalát činí plast pružnějším, ale může způsobit rakovinu. Zatím není jasné, zda tyto látky zůstávají v plastových částicích. Problém je v tom, že je požírá plankton a živí se také malými rybami, kraby a ústřicemi – zvířaty, která jedí lidé. Mikroplasty byly nalezeny v mořské soli, vodovodní vodě, prachu a vzduchu. 8 z 10 miminek a téměř všichni dospělí mají v těle ftaláty, běžnou plastovou přísadu.
Když je plast tak špatný, proč není zakázán?
Není to tak jednoduché. Znečištění plasty je jedním z mnoha environmentálních problémů, kterým čelíme. Některé plastové náhražky jsou také škodlivé pro životní prostředí.
Není to tak dávno, co dánská vláda zveřejnila studii, v níž uvádí, že energetické náklady na výrobu plastového sáčku jsou o tolik nižší než u látkového sáčku, že aby se výrobek zaplatil sám, musí jej spotřebitel použít 7100 XNUMXkrát a výrobce musí nastavit nekonečný výrobní cyklus. Nezbývá než hledat rozumný kompromis a zvolit menší ze zel.
Jakákoli výroba tak či onak poškozuje životní prostředí. Plast se vyrovnává s problémy, které zatím nelze vyřešit jinak. Pokud například jídlo nezabalíte do igelitových sáčků, rychleji se zkazí. A shnilé jídlo uvolňuje do atmosféry škodlivé látky, včetně metanu. Řešením, které se zdá být pro situaci balení vhodné, jsou biologicky rozložitelné sáčky.
Biologicky rozložitelné sáčky. Opravdu se rozkládají?
Biologicky rozložitelné sáčky jsou vyrobeny z bioplastu, který je svými vlastnostmi velmi podobný běžnému plastu. Ale takové plasty se získávají z obnovitelných zdrojů biomasy, jako je škrob, rostlinné tuky a oleje. Všechny bioplasty jsou ve fázi výroby šetrnější k životnímu prostředí a předpona „bio-“ znamená, že je mohou živé organismy recyklovat. Tento plast skutečně degraduje a je mnohem méně škodlivý pro životní prostředí od výroby až po recyklaci.
Jeho vlastnosti a charakteristiky rozkladu však nebyly plně prozkoumány, takže nelze se 100% jistotou tvrdit, že celkově bioplast způsobuje menší škody a může vyřešit problém znečištění plasty.
Plasty jsou širokou škálou syntetických nebo polosyntetických materiálů, které jako hlavní složku používají polymery.
Plasty jsou složité materiály skládající se z polymerů a dalších materiálů (příklad: skleněné vlákno). Plasty na bázi syntetických polymerů jsou extrémně široce používány.
Název „plasty“ pochází ze slova plasticita a znamená, že tyto materiály se vlivem tepla a tlaku dokážou tvarovat do pevných předmětů různých tvarů a po ochlazení si daný tvar udržet. Proces formování je doprovázen přechodem plasticky deformovatelného (viskózního nebo vysoce elastického) stavu do pevného stavu (sklovitého nebo krystalického).
Tato přizpůsobivost materiálu, stejně jako celá řada dalších vlastností, jako je lehkost, odolnost, flexibilita a nízké výrobní náklady, vedly k jeho širokému použití.
Odhaduje se, že v letech 1950 až 2017 bylo vyrobeno 9,2 miliardy tun plastu. Více než polovina tohoto plastu se vyrábí od roku 2004. V roce 2020 bylo vyrobeno 400 milionů tun plastu. Pokud budou trendy celosvětové poptávky po plastech pokračovat, odhaduje se, že roční celosvětová produkce plastů dosáhne do roku 2050 více než 1,1 miliardy. Podle nejkonzervativnějších odhadů se více než 70 % plastů nerecykluje a v současnosti je součástí světových oceánů v podobě ostrovů odpadků.
Příběh
První plast vyrobil anglický metalurg a vynálezce Alexander Parkes v roce 1855. Parky tomu říkaly parkesin (později se rozšířil další název – celuloid). Parkesine byl poprvé představen na Velké mezinárodní výstavě v Londýně v roce 1862. Vývoj plastů začal používáním přírodních plastových materiálů (šelak), pokračoval používáním chemicky upravených přírodních materiálů (kaučuk, nitrocelulóza, kolagen, galalit) a nakonec dospěl ke zcela syntetickým molekulám (bakelit, epoxidová pryskyřice, polyvinylchlorid , polyethylen a další).
Parkesine byla ochranná známka prvního umělého plastu a byla vyrobena z celulózy ošetřené kyselinou dusičnou a rozpouštědlem. Parkesine se často říkalo umělá slonovina. V roce 1866 vytvořil Parkes společnost Parkesine Company k hromadné výrobě tohoto materiálu. Společnost však v roce 1868 zkrachovala kvůli špatné kvalitě výrobků, když se Parkes snažil snížit výrobní náklady. Nástupcem Parkesinu se stal xylonit (jiný název pro stejný materiál), vyráběný firmou Daniela Spilla, bývalého zaměstnance Parks, a celuloid, který vyrábí John Wesley Hiatt. Zpočátku se celuloid začal používat tam, kde se dříve používala slonovina, zejména k výrobě kulečníkových koulí, klavírních kláves a umělých zubů.
V roce 1907 vynalezl belgický a americký chemik Leo Baekeland bakelit, první levný, nehořlavý a plně syntetický plast pro univerzální použití. Amerika se stávala elektrifikovanou a potřebovala materiál pro izolátory, které by mohly nahradit ebonit nebo šelak. Ale ukázalo se, že bakelit je vhodný pro mechanizovanou hromadnou výrobu mnoha věcí. Po vytvoření bakelitu mnoho společností ocenilo potenciál plastů a začalo provádět výzkum s cílem vytvořit nové plasty.
V Rusku se také pracovalo na výrobě plastů na bázi fenolu a formaldehydu. V letech 1913-1914 v továrně na tkaní hedvábí ve vesnici Dubrovka v blízkosti Orekhova-Zuev syntetizoval G. S. Petrov spolu s V. I. Lisevem a K. I. Tarasovem první ruský plast – karbolit – a organizoval jeho výrobu. Karbolit získal svůj název podle kyseliny karbolové, což je jiný název pro fenol. V budoucnu Grigory Semenovich Petrov pokračuje v práci na zlepšování plastů a vyvíjí textolit.
Druhy plastů
V závislosti na povaze polymeru a povaze jeho přechodu z viskózního tekoucího do skelného stavu při lisování plastových výrobků se plasty dělí na:
– Termoplasty (termoplastické plasty) – při zahřátí se roztaví a po ochlazení se vrátí do původního stavu;
-Termosetické plasty (termosetující plasty) – ve výchozím stavu mají lineární strukturu makromolekul a při určité teplotě vytvrzování získávají síťovou strukturu. Po vytvrzení nemohou přejít do stavu viskózního toku. Provozní teploty jsou vyšší, ale při zahřátí se ničí a při následném ochlazení již neobnovují své původní vlastnosti.
Také plasty plněné plynem jsou pěnové plasty s nízkou hustotou.
Vlastnosti plastů
Základní mechanické vlastnosti plastů jsou stejné jako u nekovů.
Plasty se vyznačují nízkou hustotou (0,85-1,8 g/cm 3 ), extrémně nízkou elektrickou a tepelnou vodivostí a nepříliš vysokou mechanickou pevností. Při zahřátí (často s předběžným změkčením) se rozkládají. Necitlivý na vlhkost, odolný vůči silným kyselinám a zásadám, postoj k organickým rozpouštědlům se liší (v závislosti na chemické povaze polymeru). Fyziologicky téměř neškodný. Vlastnosti plastů lze modifikovat kopolymerací nebo stereospecifickými polymeračními metodami, kombinováním různých plastů mezi sebou nebo s jinými materiály, jako je skelné vlákno, textilie, zaváděním plniv a barviv, změkčovadel, tepelných a světelných stabilizátorů, ozařování atd. stejně jako různé suroviny, například použití odpovídajících polyolů a diisokyanátů při výrobě polyuretanů.
Tvrdost plastů určuje Brinell při zatížení 50-250 kgf na kouli o průměru 5 mm.
Tepelná odolnost Martens je teplota, při které se plastový blok o rozměrech 120 x 15 x 10 mm, ohýbaný v konstantním momentu, který vytváří největší ohybové napětí na hranách 120 x 15 mm, rovnající se 50 kgf/cm 2, zbortí. nebo ohněte tak, aby byl připevněn ke konci vzorku, páka o délce 210 mm se posune o 6 mm.
Tepelná odolnost podle Vicata je teplota, při které válcová tyč o průměru 1,13 mm pod vlivem zátěže o hmotnosti 5 kg (u měkkých plastů 1 kg) pronikne 1 mm do plastu.
Teplota křehkosti (mrazuvzdornost) je teplota, při které se plastový nebo elastický materiál může při nárazu křehce zlomit.
Pro dodání speciálních vlastností plastu se do něj přidávají změkčovadla (křemík, dibutylftalát, PEG atd.), zpomalovače hoření (kyselina difenylbutansulfonová) a antioxidanty (trifenylfosfit, nenasycené uhlovodíky).
Výroba plastů
Výroba syntetických plastů je založena na polymeračních, polykondenzačních nebo polyadičních reakcích nízkomolekulárních výchozích látek izolovaných z uhlí, ropy nebo zemního plynu, jako jsou například benzen, etylen, fenol, acetylen a další monomery. V tomto případě se tvoří vysokomolekulární vazby s velkým počtem počátečních molekul (předpona „poly-“ z řeckého „mnoho“, například ethylen-polyethylen).