Andrzej Majdak Kl VIIIA
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.