Tworzywa
sztuczne
Charakterystyczną
cechą współczesnej cywilizacji jest szerokie wykorzystywanie
pewnej grupy substancji, zwanej umownie tworzywami sztuczny-mi. W
ciągu ostatnich kilkudziesięciu lat związki te dzięki swoim
właściwościom stały się niemal wszechobecne. Rezygnacja z nich
spowodowałaby zniknięcie sporej części ubrań, prawie całego
sprzętu gospodarstwa domowego, a takie unieruchomienie samochodów i
samolotów.
Większość
tworzyw sztucznych to związki chemiczne zwane polimerami. Zbudowane
są one z wielu identycznych molekuł połączonych w długie
łańcuchy. Większość polimerów (np. polietylen lub nylon) jest
dziełem człowieka, lecz istnieją też polimery naturalne. Takim
jest na przykład celuloza, związek powszechnie występujący w
tkankach roślin, główny składnik drewna. Większość polimerów
to związki organiczne, czyli bazujące na węglu i wodorze. jednakże
znane są polimery nieorganiczne. np. azbest.
Aby
zrozumieć specyfikę tworzyw sztucznych, należy przede wszystkim
poznać charakterystyczne cechy budowy ich cząsteczek. Substancje
organiczne zbudowane są z cząsteczek: o bardzo różnorodnym
składzie chemicznym. Z jednej strony istnieją związki, których
cząsteczki składają się zaledwie z kilku atomów, z drugiej zaś
takie, których drobiny zbudowane są z dziesiątek, a nawet setek
tysięcy atomów. Cechą wspólną związków wielocząsteczkowych
jest to, że w skład ich cząsteczek wchodzą powtarzające się,
chociaż niekoniecznie identyczne, elementy po-łączone ze sobą w
długie łańcuchy.
Najmniejszy
powtarzający się element w łańcuchu polimeru nazywa się merem.
Przykładem związku o charakterze polimeru składającego się z
jednakowych merów jest celuloza (zbudowana wyłącznie z reszt
glukozy), a przykładem substancji zbudowanych z różnych merów
(amino-kwasów) - białka. Polimer powstaje na skutek procesów
polimeryzacji i polikondensacji-. Polimeryzacja polega na takim
łączeniu się merów. przy którym nic ma żadnych produktów
ubocznych. Powstawaniu wiązania miedzy merami towarzyszy zwykle
rozerwanie wiązania podwójnego. Typowy przykład takiej reakcji
stanowi polimeryzacja etenu. Po-znanych zostało kilka mechanizmów
polimeryzacji, w której mogą uczestniczyć nie tylko rodniki, ale
też kationy i aniony. Polikondensacja to drugi typ reakcji,
doprowadzający do powstania związków wielko-cząsteczkowych.
Zasadniczą cechą określającą polikondensację jest powstawanie w
niej prostego produktu ubocznego, najczęściej wody. Tak się dzieje
w wypadku tworzenia się polisacharydów z cukrów prostych lub
polipeptydów z aminokwasów.
Licznych
substancji wielkocząsteczkowych dostarcza człowiekowi przyroda.
Można je na-zwać tworzywami naturalnymi. Przykładami ta-kich
tworzyw są włókna bawełny wykorzystywane w przemyśle
włókienniczym lub kauczuk o znakomitych właściwościach
elastoplastycznych. Substancje wielkocząsteczkowe nie występujące
w przyrodzie zostały otrzymane oraz dużej odporności plastycznej.
Ebonit ma za-stosowanie do wyrobu sprzętu elektrotechniczne-go,
wykładzin i aparatury chemicznej.
Innym
oprócz kauczuku polimerem naturalnym, stanowiącym bazę znanych
tworzyw sztucznych, jest celuloza. Historia "udoskonalonej"
celulozy rozpoczęła się w 1845 roku, kiedy Christian Friedrich
Schónbein wynalazł nitrocelulozę [azotan(V) celulozy]. Związek
ten nie miał dużego zastosowania ze względu na swą łatwą
zapalność. Zastosowanie praktyczne zna-lazły jednak roztwory
nitrocelulozy. Po rozpuszczeniu jej w mieszaninie alkoholu etylowego
z eterem etylowym otrzymuje się kolodium, które po odparowaniu
rozpuszczalników pozo-stawia cienką elastyczną błonę,
wykorzystywaną przy opatrywaniu drobnych skaleczeń. Natomiast
roztwór nitrocelulozy w nitrobenzenie z dodatkiem olejów roślinnych
doprowadził do powstania tworzywa, zwanego od nazwiska odkrywcy A.
Parkesa parkesiną, która nadawała się do wyrobu drobnych
przedmiotów codziennego użytku, była jednak zbyt kosztowna.
W
1870 roku J. Hyatt wynalazł bardziej użytkowe tworzywo, powstające
na bazie celulozy. Nową substancję nazwał celuloidem. Była to
nitroceluloza plastyfikowana kamforą. Celuloid znalazł duże
zastosowanie w produkcji zabawek, piłeczek pingpongowych, drobnej
galanterii i przyborów kreślarskich. Dawniej powszechnie stosowano
celuloid do produkcji błon fotograficznych i filmowych. Obecnie
celuloid prawie wy-szedł z użycia ze względu na małą odporność
na działanie wysokiej temperatury i czynników chemicznych, a także
na łatwopalność. Najpóźniej wynalezionym tworzywem celulozowym
byk celofan (produkt polski ma nazwę "tomofan"). Po raz
pierwszy otrzymali go dwaj chemicy Ch. Cros i E. Bevan w 1892 roku, a
jego produkcję na dużą skalę rozpoczęto w roku 1911. Celofan to
przezroczyste tworzywo o właściwościach błony półprzepuszczalnej.
Najstarszym
tworzywem kazeinowym był gala lit. Opatentowali go w 1899 roku W.
Krische i A. Spit-teler, a pięć lat później rozpoczęła się
jego produkcja przemysłowa. Gala lit otrzymuje się w wyniku
utwardzenia 5-procentowym wodnym roztworem aldehydu mrówkowego
(for-maliną) kazeiny. Produktem reakcji jest twarda, przejrzysta
masa, dająca się łatwo barwić, wyglądem przypominająca masę
rogową. Dlatego też nazwano go sztucznym rogiem i stosowano do
wyrobu ozdobnej galanterii.
Prawdziwą
rewolucję w technologii tworzyw sztucznych spowodowały dopiero
jednak substancje, w których wielkocząsteczkowe polimery
otrzymywano z drobno cząsteczkowych pochodnych, bez uciekania się
do naturalnego szkieletu cząsteczek olbrzymów występujących w
przyrodzie.
Pierwszym
całkowicie syntetycznym tworzywem był bakelit, należący do grupy
tzw. fenoplastów, czyli substancji powstających z fenolu lub
krezolu i aldehydu mrówkowego. Jego nazwa pochodzi od nazwiska
chemika Leo Hendrika Baekelanda, który wynalazł go w 1909 roku.
Bezbarwny bakelit (i inne fenoplasty) daje się łatwo barwić na
żywe kolory, jest wytrzymały na uderzenia i ma dobro właściwości
die-lektryczne. Tworzywami podobnymi do fenoplastów są aminoplasty
oparte na kondensacji mocznika z formaliną. Przemysł produkuje duże
ilości fenopla-stów i aminoplastów albo w postaci proszków do
prasowania pod ciśnieniem (tzw. tłoczyw), albo w postaci materiałów
uwarstwionych, czyli laminatów.
Kolejny
krok w technologii tworzyw sztucznych stanowiła polimeryzacja
węglowodo-rów i ich pochodnych. W ten sposób otrzymano polieten
(polietylen), polipropen (poli-propylen), polistyren i polichlorek
winylu. Tworzywa te mają nie tylko dobre właściwości
dielektryczne i mechaniczne oraz dają się łatwo barwić, lecz - co
najważniejsze - są odporne na działanie chemikaliów. Światową
karierę zrobiły żywice akrylowe, czyli pochodne kwasów akrylowego
i met akrylowego, m.in. pleksiglas, zwany także szkłem organicznym.
Pleksiglas wyglądem przypomina szkło, nie będąc jednocześnie
kruchym i niewygodnym w użyciu materiałem.
W
1939 roku R.J. Plunkett otrzymał teflon. Jego produkcję przemysłową
rozpoczęto w Stanach Zjednoczonych po zakończeniu II wojny
światowej. To bardzo drogie tworzywo sztuczne jest odporne na
działanie wysokich temperatur (przez dłuższy czas może być
ogrzewane do 250°C), niewrażliwe na chemikalia, charakteryzuje się
także bardzo małym współczynnikiem tarcia. Teflonu używa się do
wyrobu łożysk bezsmarowych, uszczelek oraz do pokrywania metalowych
części żelazek i na-czyń kuchennych.
Jedną
z najmłodszych grup tworzyw sztucznych są poliwęglany, czyli
polimery syntetyczne - poliestry kwasu węglowego, otrzymywane jako
produkty polikondensacji fosgenu z fenolami di hydroksylowymi,
najczęściej bis fenolem, czyli dianem.
Korzystanie
z tworzyw sztucznych wiąże się z powstawaniem olbrzymiej ilości
odpadów. Ostatnie badania wykazały, że są one mniej szkodliwe,
niż początkowo sądzono, jednak sprawa ich utylizacji nie znalazła
dotąd jedno-znacznego rozwiązania. Ponad 85 procent od-padów
tworzyw sztucznych zakopuje się lub spala. Alternatywą może być
recykling, czyli powtórne ich użycie po odpowiednim prze-tworzeniu.