Tworzywa sztuczne
Tworzywa sztuczne to materiały obecny wokół nas niemal wszędzie. Zastępują one skutecznie tradycyjne surowce, takie jak drewno, metal i szkło, a w wielu zastosowaniach nie mają odpowiedników pochodzenia naturalnego. Tworzywa sztuczne to inaczej polimery, czyli duże i długie cząsteczki zbudowane z mniejszych zwanych monomerami. Polimery są najczęściej materiałami obojętnymi dla zdrowia i środowiska, w przeciwieństwie do monomerów, z których powstają. Mylenie właściwości monomeru i polimeru to źródło wielu nieporozumień i nieprawdziwych opinii na temat tworzyw sztucznych.
Polimery mogą być naturalne lub syntetyczne. Naturalne polimery powszechnie występują w świecie roślin i zwierząt. Syntetyczne polimery w przeważającej części produkowane są z ropy naftowej, przy czym tylko 4 procent światowego wydobycia ropy naftowej przetwarzane jest na tworzywa sztuczne. Mimo że tworzywa sztuczne stanowią tylko 1 procent masy produkowanych przez nas odpadów to jednak mają istotne znaczenie, jeśli chodzi o wpływ na środowisko. Ze względu na swą budowę chemiczną nie ulegają rozkładowi w warunkach naturalnych, dlatego należy unikać składowania tego materiału na wysypisku. Zwłaszcza, że tworzywa sztuczne są wartościowym materiałem, który można odzyskać w różnych procesach recyklingu. Ze zużytych wyrobów z tworzyw sztucznych można więc odzyskać surowiec polimerowy (np. popularne bluzy polarowe wykonywane są z przerobionych butelek PET). Można odzyskać także energię, poprzez przerobienie odpadów na paliwo alternatywne, zwłaszcza, że tworzywa sztuczne mają wartość energetyczną porównywalną z węglem kamiennym.
Tworzywa naturalne
Tworzywa naturalne to grupa materiałów pozyskiwanych ze źródeł naturalnych, których nie otrzymuje się na drodze syntezy chemicznej, czy innych, bardzo złożonych procesów technologicznych. Materiały naturalne przystosowuje się do praktycznego użycia tylko poprzez proste procesy fizyczne - takie jak cięcie, skrawanie, miażdżenie, mielenie, mieszanie itp.
Do materiałów naturalnych zalicza się m.in.:
materiały mineralne:
Podział tworzyw sztucznych
Tworzywa polimerowe mogą być klasyfikowane na wiele sposobów.
Ze względu na fizykochemiczne właściwości przetwórcze:
tworzywa termoplastyczne - uplastyczniające ("topiące") się pod wpływem temperatury np. polietylen, polipropylen, poli(chlorek winylu) itp.
tworzywa reaktywne - ulegające reakcji chemicznej sieciowania np. żywice epoksydowe, żywice poliestrowe, kauczuk
Ze względu na zastosowanie:
konstrukcyjne,
elastoplastyczne,
porowate,
powłokotwórcze,
adhezyjne,
włóknotwórcze,
specjalne (wymieniacze jonowe, polimery biomedyczne itp).
Ze względu na właściwości fizykochemiczne:
Duromery - twarde, trudnotopliwe o wysokiej odporności mechanicznej służące jako materiały konstrukcyjne. Niektóre duromery zastępują materiały ceramiczne.
Plastomery - popularnie zwane termoplastami mniej sztywne od duromerów ale łatwotopliwe - dzięki ich topliwości można je przetwarzać poprzez topienie i wtryskiwanie do form lub wytłaczanie, dzięki czemu można z nich uzyskać bardzo skomplikowane kształty.
Elastomery - tworzywa, które można rozciągać i ściskać; w wyniku rozciągania lub ściskania elastomery zmieniają znacznie swój kształt ale po odjęciu siły wracają do poprzednich kształtów. Elastomery zastąpiły prawie całkowicie kauczuk naturalny, ale znalazły też szereg nowych zastosowań niedostępnych dla zwykłego kauczuku.
Ze względów ekologicznych trwają prace nad biologicznie rozkładającymi się tworzywami sztucznymi, produkowanymi na bazie roślinnej czy zwierzęcej.
Ze względu na dodatki, które występują w tworzywie:
W skład tworzyw sztucznych oprócz polimerów wchodzą różnego rodzaju dodatki nadające im określone właściwości fizyczne. Mogą to być:
stabilizatory;
Właściwości fizyczne i chemiczne tworzyw sztucznych:
zależne są od składu i struktury chemicznych średniej masy cząsteczkowej , polimolekularności oraz zawartości substancji małocząsteczkowych . Wspólnymi własnościami tworzyw sztucznych są:
- mała gęstość ( < 2 g/cm3 )
- złe przewodnictwo cieplne i elektryczne
- znaczna ( w porównaniu z metalami ) rozszerzalność cieplna
- niezbyt wysoka maksymalna temperatura stosowania ( < 300oC )
- dobre własności mechaniczne , które jednak wyraźnie pogarszają się w miarę przedłużania czasu działania naprężeń i wzrostu temperatury .
Charakterystyczną własnością chemiczną związków wielkocząsteczkowych jest ich mała reaktywność , a co za tym idzie - duża odporność na działanie czynników chemicznych . Ze wzrostem temperatury odporność chemiczna tworzyw sztucznych z reguły maleje . Rozpuszczalniki powodują często pęcznienie tworzyw .
Większość tworzyw sztucznych jest odporna na działanie wody , niektóre nieco pochłaniają wodę , a tylko nieliczne ( polialkohol winylowy ) ulegają rozpuszczeniu .
Tlen powietrza w obecności światła atakuje tylko niektóre tworzywa sztuczne , czemu zapobiega się przez dodanie antyutleniaczy .
Palność tworzyw sztucznych jest zróżnicowana ; od niepalnych ( silikony ) do łatwo palnych ( nitroceluloza ), lecz z reguły mniejsza niż palność monomerów.
Istnieje kilka rodzajów klasyfikacji tworzyw sztucznych nie wyczerpujących całokształtu zagadnienia i nie całkowicie zadowalających , a dokonanych z różnego punktu widzenia .
Zastosowanie tworzyw sztucznych
Współcześnie paleta dostępnych tworzyw sztucznych umożliwia w praktyce zastąpienie nimi niemal każdego tworzywa naturalnego. Nie mają one jednak zazwyczaj własności identycznych z tworzywami naturalnymi. Tworzywa sztuczne mają takie same lub lepsze te własności, które są najbardziej istotne dla danego zastosowania, mogą mieć jednak gorsze mniej istotne właściwości.
Jako pierwszy obszar zastosowań tworzyw nasuwa się oczywiście przemysł motoryzacyjny. Tworzywa sztuczne nie tylko wykorzystywane są do budowy elementów nadwozi (zderzaki, płaty drzwi, błotników, często także maski, klapy bagażników, elementy dachów itp.). Opanowały przede wszystkim wnętrza aut, ale trafiły także pod maskę - z kompozytów, elastomerów wykonuje się również ważne detale silników.
Struktura i rodzaj tworzyw używanych w samochodach ulega ciągłej zmianie. Z porównania struktury odpadów z roku 1980 i 1990 wynika, że prawie o połowę zmniejszyła się ilość stosowanych tkanin i gumy. Zwiększyła się natomiast ilość poliuretanów, poliestrów, ABS-u czy PCV. Pojawiły się także żywice akrylowe i poliamidy nie stosowane wcześniej.
Warto podkreślić, iż obecnie do wykonania wielu części samochodowych wykorzystuje się materiał pochodzący z recyklingu. Szerokim zapleczem do stosowania tych surowców w motoryzacji jest rynek części zamiennych. Z uzyskiwanych z przetworzenia odpadów tworzyw sztucznych regranulatów czy przemiałów, produkuje się elementy oświetlenia, uszczelnień, elementy konstrukcyjne (wkręty, kostki, kołki mocujące) mechanizmów oraz szereg tzw. „gadżetów” ozdobnych i użytkowych (odblaski, skrobaki do szyb czy inne).
Istotny pozostaje przemysł budowlany. Tworzywa sztuczne jako surowiec do produkcji rur i kształtek stosowanych do budowy instalacji sanitarnych oraz różnego rodzaju izolacji wykorzystywane są od kilkudziesięciu lat. Ciekawym surowcem do otrzymywania materiałów termoizolacyjnych jest odpadowy PET. W USA pewna firma produkuje na bazie tego tworzywa materiał izolacyjny o nazwie „Puffiber”. Skędzierzawione, puchowe włókna otrzymywane z recyklingu butelek PET umieszcza się pomiędzy dwiema warstwami folii: materiał ten jest stosowany do izolacji dużych obiektów budowlanych eksploatowanych w niskich temperaturach.
Szczególnie kilka rodzajów tworzyw (PMMA, PC, SAN) znalazło zastosowanie w przemyśle oświetleniowym. Zadecydowała o tym głównie ich przeźroczystość oraz jak w przypadku PMMA odporność na czynniki atmosferyczne, łatwość obróbki mechanicznej i możliwość wielokrotnego polerowania.
Tworzywa znalazły także bardzo szerokie zastosowanie w tej branży ogrodniczej. Szeroka gama polipropylenów używana jest do produkcji donic rozsadowych i ozdobnych. Tworzywa z grupy poliolefin służą popularnych kolei do wyrobu popularnych narzędzi ogrodniczych (grabie, łopaty do śniegu, wiadra, itp.). Obecnie szacuje się, że około 30% światowej produkcji tworzyw sztucznych wykorzystywana jest w produkcji opakowań. I oczywiście, pozostaje ogromny sektor urządzeń AGD, przemysł zabawkarski i wiele innych.
Charakterystyka wybranych tworzyw sztucznych
Polichlorek winylu
Jedno z pięciu najważniejszych tworzyw sztucznych - PCW lub z angielskiego PVC (w Polsce rozpowszechniony jest także błędny skrót PCV). Produkuje się z niego m.in. rury, profile okienne, opakowania, zabawki, karty kredytowe, ale także woreczki na krew, rurki do kroplówek czy rękawice chirurgiczne. Największym odbiorcą artykułów z polichlorku winylu jest przemysł budowlany, który zagospodarowuje ponad 50 procent jego światowej produkcji, m.in. ze względu na „niepalność” tego materiału.
PCW jest znany od 1931 roku, ale prawdziwy „boom” produkcyjny przypadł na lata 50.i 60. Obecnie technologie produkcji, przetwarzania i recyklingu PCW są bardzo zaawansowane, a tworzywo to należy do najbardziej wszechstronnie przebadanych materiałów, będąc jednocześnie materiałem tanim i powszechnym.
Kluczowym elementem recyklingu PCW jest oddzielenie tego materiału od innych tworzyw - polichlorek winylu „niechętnie” miesza się z innymi tworzywami. Nieprzydatne do recyklingu odpady z PCW można spalać się w specjalnej instalacji, odzyskując energię oraz powstający chlorowodór. Instalacje do utylizacji PCW już pracują w Niemczech. Według danych niemieckich, energia odzyskiwana rocznie ze spalania odpadów z PCW jest równoważna energii uzyskiwanej z 22.5 tys. ton ropy naftowej. A przy okazji odzyskuje się 31 tys. ton chlorowodoru dla potrzeb przemysłu chemicznego.
Polietylen i polipropylen
Oba te materiały należą do grupy tworzyw zwanych ogólnie poliolefinami - są to najczęściej spotykane tworzywa sztuczne. Produkuje się z nich opakowania: folie różnego typu - od przemysłowych i rolniczych po typowe dla gospodarstwa domowego torby i woreczki foliowe, butelki, skrzynki itp. Równie ważne wyroby otrzymywane z poliolefin to rury, osłony kabli elektrycznych, zabawki, dywany, walizki oraz elementy samochodów takie np. jak zbiorniki na paliwo czy zderzaki samochodowe
Polistyren
To najbardziej popularny przedstawiciel tzw. tworzyw styrenowych, czyli powstających podczas polimeryzacji styrenu. Produkuje się z niego np. popularne kubki i tacki na jedzenie, obudowy sprzętu elektrycznego i elektronicznego, sprzęt sportowy czy części samochodowe. Może występować w postaci spienionej - tzw. styropian stosowany jest przede wszystkim w budownictwie, dzięki bardzo dobrym właściwościom termoizolacyjnym oraz w opakowaniach, np. jako opakowania ochronne typu kształtki zabezpieczające podczas transportu.
PET czyli Politereftalan etylenu
Tworzywo wykorzystywane przede wszystkim do produkcji opakowań, przede wszystkim do żywności oraz w przemyśle tekstylnym. Najczęściej można go spotkać w postaci butelek PET do różnego typu napojów. Jest to stosunkowo drogie tworzywo, ale jego recykling jest bardzo opłacalny. Opracowana w latach 70. w USA technologia pozwala otrzymywać z przemielonych butelek PET włókno poliestrowe o bardzo wysokiej jakości. Takie włókno z odzysku to znakomity surowiec na ubrania narciarskie, turystyczne, treningowe, a także na ekwipunek turysty i wyczynowca: plecaki, namioty, buty. Ze zużytych butelek PET wytwarzana jest dzianina typu polar. Nie ma dziś firmy, która nie wykorzystywałaby włókna poliestrowego do produkcji wyposażenia sportowo-turystycznego. Firmy używają do tego celu przede wszystkim tkaniny i dzianiny uzyskane z odpadów z politereftanu etylenu.
Octan celulozy otrzymujemy w wyniku modyfikacji kwasu octowego oraz bezwodnika octowego. Jest polarny, doskonale pochłania wodę. Octan celulozy ma zastosowanie w branży fotograficznej fotograficznym, w przemyśle narzędziowym oraz maszynowym, lakierniczym i odzieżowym.
Azotan celulozy (celuloid) ciało stałe, bardzo elastyczne, przezroczyste. Ulega zżółknięciu w wyniku działania światła. Nie wykazuje odporności na ścieranie. To tworzywo łatwo palne, nieodporne na działanie temperatury i czynników chemicznych (rozpuszcza się w wielu rozpuszczalnikach. łatwo ulega zadrapaniu i zarysowaniu. Należy zachować ostrożność w czasie obróbki mechanicznej. Celuloid może być polerowany woskiem, ale także może być zanurzony w acetonie. Temperatura jego kształtowania w formy ma wartość 70-110°C. Tworzywo to po wprowadzeniu do płomienia spala się jasnym płomieniem wydzielając przy tym brunatny dym tlenków azotu. Celuloid wykazuje odporność na działanie kwasów oraz zasad, ale tylko rozcieńczonych, gdyż stężone roztwory powodują jego rozkład. Może rozpuszczać się w ketonach oraz estrach. W alkoholu pęcznieje. Celuloid może być wykorzystywany: w produkcji zabawek, w produkcji galanterii, jako przyrząd pomiarowy, jako przybory kreślarskie, jako szkło bezodpryskowe.
Poliizobutylen powstaje w wyniku pirolizy ropy naftowej, ewentualnie lub węgla. Tworzywa to może charakteryzować się różnymi właściwościami. Niskocząsteczkowe materiał są wykorzystywane w procesach produkcyjnych: smarów, klejów, folii, płyt, węży. Ma także zastosowanie w elektrotechnice, w budownictwie, w branży spożywczej.
Anna Flens, kl. IIa