Szanowny Użytkowniku,

25 maja 2018 roku zaczyna obowiązywać Rozporządzenie Parlamentu Europejskiego i Rady (UE) 2016/679 z dnia 27 kwietnia 2016 r. w sprawie ochrony osób fizycznych w związku z przetwarzaniem danych osobowych i w sprawie swobodnego przepływu takich danych oraz uchylenia dyrektywy 95/46/WE (określane jako „RODO”, „ORODO”, „GDPR” lub „Ogólne Rozporządzenie o Ochronie Danych”). W związku z tym informujemy, że wprowadziliśmy zmiany w Regulaminie Serwisu i Polityce Prywatności. Prosimy o poświęcenie kilku minut, aby się z nimi zapoznać. Możliwe jest to tutaj.

Rozumiem

Tworzywa sztuczne, czyli chemia praktyczna

Tworzywa sztuczne, czyli chemia praktyczna

11.06.2018
Czyta się kilka minut
Opisując historię chemii, która stała za rozwojem technologii otrzymywania tworzyw sztucznych, trzeba koniecznie rozpocząć od wielkiej pochwały natury.
Produkcja syntetycznego kauczuku (1941)
P

Przyroda jest inspiracją dla naukowców zajmujących się otrzymywaniem polimerów – związków wielkocząsteczkowych. Są one w niej wszechobecne. Rośliny zawierają długie łańcuchy połączonych cukrów prostych – m.in. skrobię oraz celulozę. „Życie jest formą istnienia białka” - śpiewali Skaldowie. A białka to też polimery, i to bardzo złożone. Podobnie złożone są cząsteczki DNA, choć ich elementem budulcowym jest tylko kilka podstawowych cegiełek.

Guma i starożytni Meksykanie

W dzisiejszych czasach wszędzie produkujemy polimery, ale tak naprawdę to nie jest wynalazek współczesnego człowieka. Gumy nie wymyślił Goodyear. Już jakieś 3 tys. lat temu na terenie obecnego Meksyku otrzymywano rozmaite typy gumy o bardzo różnych właściwościach. Oczywiście produkty te były uzyskiwane metodą prób i błędów, ale jednak ktoś wpadł na pomysł, że zmieszanie mleczka kauczukowego z sokiem roślinnym (głównie z rodzaju wilec) może dać bardzo różne efekty w zależności od proporcji tych składników. W ten sposób uzyskiwali twardą gumę na sandały, ale też miękką i sprężystą, z której produkowali piłki.

Opowieść o plastiku zacznijmy jednak od wyjaśnienia kilku pojęć. Samo słowo plastik często jest używane jako zamiennik innego słowa – polimer. Z chemicznego punktu widzenia nie są to jednak synonimy. W inżynierii plastikiem nazywamy tworzywo, które możemy uformować, ze względu na jego właściwości plastyczne. Polimer natomiast to związek chemiczny składający się z wielu powtarzających się jednostek (merów) połączonych z sobą konkretnymi wiązaniami chemicznymi. Ze względu na to, że polimery odgrywają coraz większą rolę w naszej cywilizacji, są one przedmiotem intensywnych badań, którymi dziś zajmują się chemicy, fizycy, specjaliści inżynierii materiałowej i wielu innych dziedzin nauki. A jeszcze niecałe dwieście lat temu wszystkim rządził przypadek, tak jak w prekolumbijskiej Ameryce. Tak było między innymi, gdy berliński aptekarz postanowił w 1839 r. przedestylować żywicę otrzymywaną z jednego z ambrowców (Liquidambar). Otrzymana oleista substancja po kilku dniach zastygła, dając twardy przezroczysty materiał. Eduard Simon nazwał otrzymany destylat styrolem, a powstały produkt tlenkiem styrolu, ponieważ zakładał, że twardnienie było wynikiem utleniania. Dziś wiemy, że żywica ambrowca zawiera m.in. styren, który sam z siebie potrafi łączyć się w długie łańcuchy dając polistyren. Odkrycie to jednak nie przyniosło wtedy żadnych efektów praktycznych.

Opatrunki i bilard

Kolejnym wynalezionym tworzywem był celuloid. Tym razem działanie było już nieco bardziej celowe. W pierwszej połowie XIX w. zauważono, że potraktowanie włókien drzewnych stężonym kwasem azotowym daje w efekcie lekki materiał wybuchowy. Tak właśnie odkryto nitrocelulozę. Związek ten był jednak bardzo niestabilny, wybuchał pod wpływem delikatnego uderzenia, a czasem ulegał nawet samozapłonowi. Wielu chemików próbowało znaleźć mimo wszystko zastosowanie dla niego. Jeśli nitrocelulozę rozpuści się w rozpuszczalniku organicznym, uzyskuje się kolodium – w XIX w. używano go jako bezbarwnego lakieru, ale też w medycynie jako bardzo wygodny środka opatrunkowego. Brytyjczyk Aleksander Parkes w 1856 r. wpadł na pomysł domieszania do roztworu nitrocelulozy znanego produktu naturalnego – kamfory. Uzyskał w ten sposób tworzywo, które można było w dowolny sposób formować po podgrzaniu do 90 stopni. Tego typu tworzywa nazywamy dziś termoplastycznymi. Celuloid został z radością przyjęty przez producentów zabawek – używano go masowo do produkcji lalek, ale też taśmy filmowej. Dziś zastosowanie celuloidu jest ograniczone – masowo wytwarza się z niego tylko piłeczki pingpongowe.

Odkrycie Parkesa zostało twórczo poprawione w USA przez braci Hyatt. W tym przypadku inspiracją była ochrona słoni przed masowym mordowaniem. Bile w tym czasie wykonywano wyłącznie z ciosów słoni. Jeden z dostawców sprzętu bilardowego w USA ogłosił konkurs na znalezienie zamiennika kości słoniowej, wyznaczając nagrodę 10 tys. dolarów, co wówczas było olbrzymią sumą. Bracia Hyatt wymyślili nową metodę uzyskiwania celuloidu, mieszając stałą nitrocelulozę z kamforą i alkoholem pod ciśnieniem. Otrzymaną masę można było formować, ale także barwić, a więc idealnie nadawała się właśnie do produkcji bil. Z celuloidu produkowano też białe kołnierzyki oraz mankiety dopinane do męskich koszul.

Wiek XX – rozkwit przemysłu tworzyw sztucznych

Kilka lat po wynalazku braci Hyatt niemiecki chemik Baumann otrzymał polichlorek winylu (PVC, PCW), wystawiając kolbę z chlorkiem winylu na działanie światła. Początkowo nie miał on wielu zastosowań, ponieważ był twardy i kruchy, ale w 1926 udało się znaleźć na to sposób, dodając specjalnych plastyfikatorów. Od tego czasu PVC jest jednym z najszerzej stosowanych tworzyw sztucznych. Warto jednak podkreślić, że PVC silnie oddziałuje na środowisko naturalne – jest względnie łatwy do otrzymania, ale trudno się go pozbyć.

Bardzo owocny dla tworzyw sztucznych był przełom lat 30. i 40. XX w. Właśnie wtedy odkryto znany i stosowany do dziś teflon (PTFE – politetrafluoroetylen), ale też ze znanego wcześniej polistyrenu uzyskano doskonały produkt izolacyjny – styropian. Znany i stosowany do dziś nylon to też produkt z tych czasów. Także wtedy zsyntetyzowano najpopularniejsze dziś tworzywo poliestrowe, czyli PET. Masowo stosuje się go do produkcji włókien (np. polar), butelek do przemysłu spożywczego, ale też np. lekkich żagli. Istotną pozytywną cechą tego tworzywa jest możliwość recyklingu. I tu technolodzy idą dwoma drogami – w przypadku prostego procesu można butelki czy włókna PET przerabiać np. na dywany i wykładziny, ale coraz częściej prowadzi się proces depolimeryzacji, czyli całkowitego rozkładu polimeru na proste cząsteczki, które można potem wykorzystać ponownie do produkcji pełnowartościowych butelek czy włókien.

W kierunku ekologii

Dziś coraz lepiej zdajemy sobie sprawę, jak dużym obciążeniem dla środowiska naturalnego są produkowane przez człowieka tworzywa sztuczne. Przez lata wykorzystane opakowania czy torby trafiały na wysypiska śmieci, gdzie ich rozkład będzie trwał setki, a czasem tysiące lat. Dotyczy to wszystkich polimerów, które wytwarzamy głównie z produktów przemysłu petrochemicznego. Dlatego też wysiłki naukowców skierowane są aktualnie w nieco innym kierunku. Coraz częściej bada się dziś procesy, w których można uzyskać polimery biodegradowalne. Za takie uznaje się tworzywa, które w środowisku naturalnym ulegają rozkładowi w ciągu maksimum 6 miesięcy. Ważne jest to, aby produktami rozkładu były tylko dwutlenek węgla, woda i humus. Dziś mamy coraz więcej takich polimerów. Jednym z najpopularniejszych jest PLA, czyli polilaktyd. Można z niego produkować np. butelki czy naczynia jednorazowe, które bez problemu rozkładają się w czasie do 80 dni. Ostatnio PLA oraz podobne tworzywa znalazły zastosowanie w coraz szerzej stosowanych drukarkach 3D. Co ważne – PLA produkuje się z prostego naturalnego produktu, jakim jest mączka kukurydziana.

Chemia polimerów od kilkudziesięciu lat jest gałęzią nauki notującą coraz więcej sukcesów. Dziś potrafimy już uzyskiwać tworzywa o pożądanych właściwościach – coraz mniej jest odkryć przypadkowych. Coraz lepiej poznajemy skomplikowane mechanizmy reakcji polimeryzacji, w czym pomagają także metody chemii teoretycznej. Trwają poszukiwania coraz lepszych katalizatorów już dobrze znanych reakcji. Ze względów ekologicznych opracowuje się coraz więcej technologii uzyskiwania polimerów z materiałów roślinnych, takich jak kukurydza czy tłuszcze roślinne. Biodegradowalne polimery można też uzyskiwać z białek, takich jak otrzymywana z mleka kazeina czy też znajdujący się w ziarnach zbóż gluten.

Coraz częściej zespoły chemików współpracują ze specjalistami z dziedziny biotechnologii. Okazuje się bowiem, że niekoniecznie musimy stosować metody ciężkiej syntezy chemicznej, skoro mogą nas w tym wyręczyć bakterie. Opracowano już wiele całkiem wydajnych procesów fermentacji, w których to właśnie bakterie produkują np. poliestry. Co ważne – wykorzystują surowce naturalne, takie jak cukier. Wydaje się niemal pewne, że plastik uzyskiwany w procesach biosyntezy zacznie powoli wypierać typowe tworzywa pochodzące z ropy naftowej.

Jak się produkuje polimery

W zasadzie synteza polimerów jest prosta: bierze się odpowiedni monomer i mobilizuje go do tego, aby jego cząsteczki zaczęły się łączyć między sobą. Diabeł jednak tkwi w szczegółach. Tylko w nielicznych przypadkach polimeryzacja zachodzi spontanicznie. Zazwyczaj niezbędne jest użycie odpowiednich katalizatorów, które nie tylko zdecydowanie przyspieszą reakcję, ale też mogą spowodować, że otrzymamy łańcuch o pożądanych właściwościach. Do dyspozycji mamy dwa rodzaje katalizatorów – homogeniczne, czyli rozpuszczalne w roztworze reakcyjnym, oraz heterogeniczne, czyli zazwyczaj będące ciałami stałymi zawieszonymi w cieczy. Czasem oprócz katalizatora wymagane jest też użycie inicjatora, czyli substancji, która powoduje rozpoczęcie polimeryzacji. Niektóre polimeryzacje można inicjować promieniowaniem (radiopolimeryzacja).

Polimery przewodzące

W zasadzie wszystkie tworzywa sztuczne są izolatorami elektrycznymi. M.in. dlatego mogą służyć jako osłony przewodów elektrycznych. W latach 70. XX w. grupa japońskich naukowców odkryła, że znany już od dawna związek, poliacetylen, poddany działaniu par bromu lub jodu zwiększa swoje przewodnictwo elektryczne do wartości takich, jakie są u metali. Od tego czasu rozpoczęły się intensywne badania nad uzyskiwaniem polimerów o precyzyjnie programowanych właściwościach elektrycznych. Dziś bez problemu uzyskuje się polimery będące przewodnikami prądu, ale też półprzewodnikami, co pozwala na niemal dowolne ich zastosowanie. Niejako przy okazji tych badań odkryto zjawisko elektroluminescencji tego typu związków, które zaowocowało m.in. stworzeniem znanych dziś z wielu wyświetlaczy organicznych diod elektroluminescencyjnych (OLED, AMOLED i podobne). Inne polimery tego typu znajdują zastosowanie w instalacjach fotowoltaicznych, zastępując mniej wydajne ogniwa krzemowe.

Błyskawiczny rozwój technologii polimerów przewodzących zainspirował także prace z dziedziny elektroniki, ale również rozważania teoretyczne mające na celu precyzyjne wyjaśnienie tych zjawisk.

Dodaj komentarz

Usługodawca nie ponosi odpowiedzialności za treści zamieszczane przez Użytkowników w ramach komentarzy do Materiałów udostępnianych przez Usługodawcę.

Zapoznaj się z Regułami forum
Jeśli widzisz komentarz naruszający prawo lub dobre obyczaje, zgłoś go klikając w link "Zgłoś naruszenie" pod komentarzem.

Zaloguj się albo zarejestruj aby dodać komentarz