Tworzywa sztuczne w codziennym życiu

Tworzywa sztuczne w naszym codziennym życiu

Charakterystyczną cechą współczesnej cywilizacji jest szerokie wykorzystywanie pewnej grupy substancji, zwanej umownie tworzywami sztucznymi. 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 także unieruchomienie samochodów i samolotów.
Wyroby z tworzyw sztucznych są nierozerwalnie związane z życiem człowieka. Rozglądając się wokół siebie, zauważyć można dziesiątki przedmiotów wykonanych z substancji, których nazwy weszły już do języka potocznego, m.in.: PCV, guma, bakelit czy teflon. Szybki postęp naukowo-techniczny sprawił, że w krajach rozwiniętych, człowiek nie potrafi się bez nich obejść. Stało się to szczególnie widoczne w ostatniej dekadzie XX wieku.
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 wielkocząsteczkowych jest to, że w skład ich cząsteczek wchodzą powtarzające się, chociaż niekoniecznie identyczne, elementy połączone 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(aminokwasów)-białka. Polimer powstaje na skutek procesów polimeryzacji i polikondensacji. Polimeryzacja polega na takim łączeniu się merów, przy którym nie ma żadnych produktów ubocznych. Powstawaniu wiązania między merami towarzyszy zwykle rozerwanie wiązania podwójnego. Typowy przykład takiej reakcji stanowi polimeryzacja etenu. Poznanych zostało kilka mechanizmów polimeryzacji, w której mogą uczestniczyć nie tylko roczniki, ale też kationy i aniony. Polikondensacja to drugi typ reakcji, doprowadzający do powstania związków wielkocząsteczkowych. Zasadniczą cechą określającą polikondensację jest powstanie w niej prostego produktu ubocznego, najczęściej wody. Tak się dzieje w przypadku tworzenia się polisacharydów z cukrów prostych lub polipeptydów z aminokwasów.
Licznych substancji wielkocząsteczkowych dostarcza człowiekowi przyroda. Można je nazwać tworzywami naturalnymi. Przykładami takich tworzyw są włókna bawełny wykorzystywane w przemyśle włókienniczym lub kauczuk o znakomitych właściwościach elastoplastycznych. Substancje wielkocząsteczkowe niewystępujące w przyrodzie zostały otrzymane sztucznie: albo przy wykorzystaniu substancji naturalnych, albo całkowicie syntetycznie. Tworzywa te obejmują otrzymywane przez człowieka wielkocząsteczkowe substancje o właściwościach zaprojektowanych z góry, często znacznie użyteczniejszych niż właściwości substancji naturalnych. Starsze tworzywa sztuczne otrzymywano, doskonaląc związki wielkocząsteczkowe występujące w przyrodzie. Przykładami takich tworzyw są: guma, celuloid i galalit. W swoim czasie odegrały one ogromną rolę w różnych działach przemysłu, obecnie jednak ich udział(poza gumą) w całości produkcji tworzyw sztucznych jest minimalny.
Najwcześniej otrzymanym tworzywem sztucznym starej generacji była guma. Pierwszy otrzymał ją w 1839 roku Amerykanin C.N. Goodyear. Wszystkie rodzaje gumy produkuje się z lateksu-lepkiego soku mlecznego drzew kauczukodajnych, będącego w około 30% koloidalnym roztworem kauczuku w wodzie. W celu uzyskania gumy o określonych właściwościach zmienia się strukturę lateksu przez dodanie siarki. Proces ten nosi nazwę wulkanizacji. Atomy siarki tworzą silne wiązania kowalencyjne między cząsteczkami lateksu. Im więcej doda się siarki, tym guma będzie twardsza. Dodatek powyżej 30% siarki w procesie wulkanizacji prowadzi do otrzymania ebonitu. Jest to twarde tworzywo o barwie ciemnobrunatnej lub czarnej i dobrych właściwościach mechanicznych i dielektrycznych(nie przewodzi prądu elektrycznego) o dużej odporności plastycznej. Ebonit ma zastosowanie do wyrobu sprzętu elektrotechnicznego, 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 Schonbein wynalazł nitrocelulozę[ azotan (V) celulozy]. Związek ten nie miał dużego zastosowania ze względu na swą łatwą zapalność. Zastosowanie praktyczne znalazły jednak roztwory nitrocelulozy. Po rozpuszczeniu jej w mieszaninie alkoholu etylowego z eterem etylowym otrzymuje się kolodium, które po odparowaniu rozpuszczalników pozostawia 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. Niwą substancję nazwał celuloidem. Była 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 wyszedł z użycia ze względu na małą odporność na działanie wysokiej temperatury i czynników chemicznych, a także na łatwopalność. Najpóźniej wynalezionym tworzywem celulozowym był 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 1911 roku. Celofan to przezroczyste tworzywo o właściwościach błony półprzepuszczalnej.
Najstarszym tworzywem kazeinowym był galalit. Opatentowali go w 1899 roku W.Krische i A.Spitteler, a pięć lat później rozpoczęła się jego produkcja przemysłowa. Galalit otrzymuje się w wyniku utwardzenia 5% wodnym roztworem aldehydu mrówkowego(formaliną) 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 jednak dopiero substancje, w których wielkocząsteczkowe polimery otrzymywano z drobnocząsteczkowych pochodnych, bez uciekania się do naturalnego szkieletu cząsteczek olbrzymów występujących w przyrodzie.
Pierwszym 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 dobre właściwości dielektryczne. Tworzywami podobnymi do fenoplastów są aminoplasty, oparte na kondensacji mocznika z formaliną. Przemysł produkuje duże ilości fenoplastów 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 węglowodorów i ich pochodnych. W ten sposób otrzymano polietel(polietylen), polipropen(polipropylen), 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 metakrylowego, 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. Plunket 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 naczyń kuchennych.
Jedną z najmłodszych grup tworzyw sztucznych są poliwęglany, czyli polimery syntetyczne---poliestry kwasu węglowego, otrzymywane jako produkty polikondensacji fosgenu z fenolami dihydroksylowymi, najczęściej, bisfenolem, czyli dianem.
Tworzywa sztuczne są wszechobecne w naszym codziennym życiu. Służą nam niemalże w każdej dziedzinie życia, ale 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 jednoznacznego rozwiązania. Ponad 85% odpadów tworzyw sztucznych zakopuje się lub spala. Alternatywą może być recykling, czyli powtórne ich użycie po odpowiednim przetworzeniu. Myślę, że właściwa edukacja społeczeństw państw uprzemysłowionych ma szanse odnieść sukces na polu zbiórki, recyklingu i właściwej utylizacji.