Общая характеристика и классификация полимеров

Размещено на http://www.allbest.ru/

Государственное бюджетное общеобразовательное учреждение города Москвы «Школа № 354 им. Д.М. Карбышева»

Исследовательская работа

Полимеры

Работу выполнила:

Тетерева Екатерина

Москва 2018

Темой моей исследовательской работы выбраны полимеры. Возможности этого пластика безграничны и удивительны. Это вещество может принимать самые различные формы. Сейчас, при современных возможностях научной деятельности, из пластика можно сделать практически все что угодно. Актуальность данной тематики обусловлена тем, что полимеры широко используются в науке, технике и других областях, современная жизнь без них немыслима. Ни одна отрасль промышленности не обходится без пластмасс(рис1.), химических волокон(рис.2), каучуков и резине на их основе.

Рис.1

Рис.2

Цель исследования:

По различным источникам изучить свойства химических веществ полимеров и выяснить важные соединения применяемые в природе, жизни, медицине, технике.

Задачи:

Изучить применение полимеров в различных отраслях промышленности, медицине, строительстве, технике.

Провести экспериментальное исследование полимеров, широко применяемых в быту, технике, медицине, самостоятельно получить некоторые полимеры.

Рассмотреть вопрос утилизации и переработки полимерных отходов.

Сделать выводы.

Общая характеристика и классификация

Полимеры (от греч. рплэт «многий, многочисленный» мЭспт «часть»)- неорганические и органические, аморфные и кристаллические вещества, состоящие из «мономерных звеньев», соединенных в длинные макромолекулы химическими или координационными связями, т.е это вещество длинные молекулы которого построены из одинаковых многократно повторяющихся звеньев мономеров.

Как правило, полимеры - вещества с молекулярной массой от нескольких тысяч до нескольких миллионов.

Мономер (от др.-греч. мьнпт -- один; мЭспт -- часть) это низкомолекулярное вещество, образующее полимер в реакции полимеризации. Мономерами также называют повторяющиеся звенья (структурные единицы) в составе полимерных молекул.

Полимер образуется из мономеров в результате реакций полимеризации или поликонденсации.

К полимерам относятся многочисленные природные соединения:белки, нуклеиновые кислоты, полисахариды, каучуки и другие органические вещества. В большинстве случаев данное понятие относят к органическим соединениям (полиэтилен, полипропилен, полистирол, поливинилхлорид, полиакрилаты, фенолоформальдегидные смолы), но существует и множество неорганических полимеров (рис. 3)

Рис. 3

Большое число полимеров получают синтетическим путем на основе простейших соединений элементов природного происхождения путем реакций полимеризации, поликонденсации и химеческих преобразований. Названия полимеров образуются из названия мономера с приставкой поли-: полиэтилен, полипропилен, поливинилацетат и т.п.

Группы полимеров:



Рис.4

Полимеризация и поликонденсация:

Реакцию образования полимера из мономера называют полимеризацией. В процессе полимеризации вещество может переходить из газообразного или жидкого состояния в состояние очень густой, вязкой жидкости или твердое. Реакция полимеризации не сопровождается отщеплением каких-либо низкомолекулярных побочных продуктов. При полимеризации полимер и мономер характеризуются одинаковым элементным составом. (рис.5)

Рис.5

Помимо реакции полимеризации полмеры можно получить поликонденсацией - реакцией, при которой происходит перегруппировка атомов полимеров и выделение из сферы реакции воды или других низкомолекулярных веществ.(рис.6)

Рис.6

Особенности полимеров.

Особые механические свойства:

Эластичность - способность к высоким обратимым деформациям при относительно небольшой нагрузке(каучуки);

Малая хрупкость стеклообразных и кристаллических полимеров (пластмассы, органическое стекло);

Способность макромолекул к ориентации под действием направленного механического поля (используется при изготовлении волокон и плёнок).

Особенности растворов полимеров:

· Высокая вязкость раствора при малой концентрации полимера;

· Растворение полимера происходит через стадию набухания.

Набухание

* Увеличение объема или массы полимера в результате поглощения низкомолекулярной жидкости или ее паров

* Характеризуется степенью набухания б Ђ б = m ? m0 m0 Ђ б = V ?V0 V0

* Определяется сродством жидкости к полимеру, строением полимера и скоростью диффузионных процессов в нем, а также капиллярными явлениями в случае пористых полимеров.

Особые химические свойства:

· Способность резко изменять свои физико-механические свойства под действием малых количеств реагента (вулканизация каучука, дубление кожи и т.п.). Особые свойства полимеров объясняются не только большой молекулярной массой, но и тем, что макромолекулы имеют цепное строение и обладают гибкостью.

По составу основной цепи макромолекул органические полимеры разделяются на три класса.

1. Карбоцепные полимеры- основные цепи которых построены только их атомов углерода. К этому классу можно отнести полиэтилен, полипропилен, полиизобутилен, полибутадиен(бутадиеновые каучуки), полимеры производных этилена и диенов.

Пример лекарства на основе карбоцепного полимера(рис.7)

Рис.7

2. Гетероцепные полимеры- в основных цепях которых кроме атомов углерода содержатся атомы кислорода, азота, серы, реже фосфора и других элементов. К этой группе полимеров относятся полиэфиры, полиамиды, полиуретаны, полиэпоксидные соединения.

3. Пример изделий на основе гетероцепного полимера(рис.8)

Рис.8

4. Элементоорганические полимеры, содержащие в основных цепях атомы кремния, алюминия, титана и других элементов (например кремнийорганические соединения).Эти полимеры имеют в макромолекуле кремний-кислородные связи, называемые силоксановыми.



Рис.9

Для полимеров характерна высокая стойкость по отношению к неорганическим реактивам и меньшая -- к органическим. В принципе все полимеры неустойчивы в средах, обладающих резко выраженными окислительными свойствами, но среди них есть и такие, химическая стойкость которых выше, чем золота и платины. Поэтому полимеры широко используются в качестве контейнеров для особо чистых реактивов и воды, защиты и герметизации радиокомпонентов, и особенно полупроводниковых приборов и ИС.

Особенность полимеров состоит еще и в том, что они по своей природе не являются вакуумплотными. Молекулы газообразных и жидких веществ, особенно воды, могут проникать в микропустоты, образующиеся при движении отдельных сегментов полимера. даже если его структура бездефектна.

Для большинства полимеров характерно старение-- необратимое изменение структуры и свойств, приводящее к снижению их прочности. Совокупность химических процессов, приводящих под действием агрессивных сред (кислород, озон, растворы кислот и щелочей) к изменению строения и молекулярной массы, называется химической деструкцией. Наиболее распространенный ее вид -- термоокислительная деструкция--происходит под действием окислителей при повышенной температуре. При деструкции не все свойства деградируют в равной мере: например, при окислении кремнийорганических полимеров их диэлектрические параметры ухудшаются несущественно, так как Si окисляется до оксида, который является хорошим диэлектриком.

Электрические свойства.

Как правило, полимеры являются диэлектриками, по многим параметрам лучшими в современной технике. Величина удельного объемного сопротивления рv зависит не только от строения, ной от содержания ионизированных примесей -- анионов Сl-, F-, I-, катионов Н+, Na+ и других, которые чаще всего вводятся в смолу вместе с отвердителями, модификаторами и т.д. Их концентрация может быть высокой, если реакции отверждения не были доведены до конца. Подвижность этих ионов резко увеличивается с повышением температуры, что приводит к падению удельного сопротивления. Наличие даже весьма малых количеств влаги также способно значительно уменьшить удельное объемное сопротивление полимеров. Это происходит потому, что растворенные в воде примеси диссоциируют на ионы, кроме того, присутствие воды способствует диссоциации молекул самого полимера или примесей, имеющихся в нем. При повышенной влажности значительно уменьшается удельное поверхностное сопротивление некоторых полимеров, что обусловлено адсорбцией влаги.

Строение макромолекул, характер их теплового движения, наличие примесей или специальных добавок влияют на вид, концентрацию и подвижность носителей. Так, удельное сопротивление полиэтилена повышается в 10-1000 раз после очистки от низкомолекулярных примесей. Сорбция 0.01-0,1% воды полистиролом приводит к снижению удельного сопротивления в 100-1000 раз.

Диэлектрическая проницаемость более или менее резко зависит от двух основных внешних факторов: температуры и частоты приложенного напряжения. В неполярных полимерах она лишь слабо уменьшается с ростом температуры вследствие теплового расширения и уменьшения числа частиц в единице объема. В полярных полимерах диэлектрическая проницаемость сначала растет, а затем падает, причем максимум обычно приходится на температуру, при которой материал размягчается, т. е. лежит вне пределов рабочих режимов.

Для полимеров, как ни для одних других диэлектриков, характерны процессы накопления поверхностных зарядов -- электризация. Эти заряды возникают в результате трения, контакта с другим телом, электролитических процессов на поверхности. Механизмы электризации до конца неясны. Одним из них является возникновение при контакте двух тел так называемого двойного слоя, который состоит из слоев положительных и отрицательных зарядов, расположенных друг против друга. Возможно также образование на поверхности контактирующих материалов тонкой пленки воды, в которой имеются условия для диссоциации молекул примесей. При соприкосновении или трении разрушается пленка воды с двойным слоем и часть зарядов остается на разъединенных поверхностях. Электролитический механизм накопления зарядов при контактировании имеет место в полимерных материалах, на поверхности которых могут быть низко молекулярные ионогенные вещества -- остатки катализаторов, пыль, влага.

Рис.10

Применение полимеров в разных областях

Области применения полимеров

Рис.11

Полимеры в сельском хозяйстве

Благодаря применению мульчирующей перфорированной пленки на полях урожайность некоторых культур повышается до 30%, а сроки созревания ускоряются на 10-14 дней. Использование полиэтиленовой пленки для гидроизоляции создаваемых водохранилищ обеспечивает существенное снижение потерь запасаемой влаги. Укрытие пленкой сенажа, силоса, грубых кормов обеспечивает их лучшую сохранность даже в неблагоприятных погодных условиях. Но главная область использования пленочных полимерных материалов в сельском хозяйстве - строительство и эксплуатация пленочных теплиц. В таких теплицах можно все сельскохозяйственные работы проводить механизированно; более того, эти теплицы позволяют выращивать продукцию круглогодично. В холодное время теплицы обогреваются опять-таки с помощью полимерных труб, заложенных в почву на глубину 60-70 см.С точки зрения химической структуры полимеров, используемых в тепличных хозяйствах такого рода, можно отметить преимущественное использование полиэтилена, не пластифицированного поливинилхлорида и в меньшей мере полиамидов. Полиэтиленовые пленки отличаются лучшей светопроницаемостью, лучшими прочностными свойствами, но худшей погодоустойчивостью и сравнительно высокими теплопотерями. Они могут исправно служить лишь 1-2 сезона. Полиамидные и другие пленки пока применяются сравнительно редко. Три остальных главных направления использования полимерных материалов в сельском хозяйстве - строительство, особенно животноводческих помещений, машиностроение и мелиорация. Срок службы пластмассовых труб в системах дренажа в 3-4 раза дольше, чем соответствующих керамических труб, а использование пластмассовых труб особенно из гофрированного поливинилхлорида, позволяет почти полностью исключить ручной труд при прокладке дренажных систем.

Полимеры в машиностроении

Из полимеров стали изготавливать все больше относительно мелких, но конструктивно сложных и ответственных деталей машин и механизмов, и в то же время все чаще полимеры стали применяться в изготовлении крупногабаритных корпусных деталей машин и механизмов, несущих большие нагрузки. Полимеры сохранили свои позиции при массовом изготовлении огромного числа тех деталей, от которых не требуется особенно высокая прочность: заглушек, штуцеров, колпачков, рукояток, шкал и корпусов измерительных приборов. Еще одна область, специфическая именно для полимеров, где четче всего проявляются их преимущества перед любыми иными материалами, - это область внутренней и внешней отделки. Самое же первое место по темпам роста применения пластических масс среди других подотраслей занимает сейчас автомобильная промышленность. Число использования пластиков перешагнуло за 60. С точки зрения химической структуры, как и следовало, ожидать, первые места по объему занимают стирольные пластики, поливинилхлорид и полиолефины. Пока еще немного уступают им, но активно догоняют полиуретаны, полиэфиры, акрилаты и другие полимеры. Перечень деталей автомобиля, которые в тех или иных моделях в наши дни изготовляют из полимеров, занял бы не одну страницу. Кузова и кабины, инструменты и электроизоляция, отделка салона и бамперы, радиаторы и подлокотники, шланги, сиденья, дверцы, капот. Более того, несколько разных фирм за рубежом уже объявили о начале производства цельнопластмассовых автомобилей. Широкое применение полимерных материалов в авиационной промышленности. Например, замена алюминиевого сплава графитопластиком при изготовлении предкрылка крыла самолета позволяет сократить количество деталей с 47 до 14, крепежа - с 1464 до 8 болтов, снизить вес на 22%, стоимость - на 25%. При этом запас прочности изделия составляет 178%. Лопасти вертолета, лопатки вентиляторов реактивных двигателей рекомендуют изготовлять из поликонденсационных смол, наполненных алюмосиликатными волокнами, что позволяет снизить вес самолета при сохранении прочности и надежности.

Полимеры в медицине.

Большие успехи достигнуты в создании сополимерных заменителей плазмы человеческой крови. Сейчас уже не редкость, когда человеку в случае необходимости восполняют до 30% крови растворами медицинских сополимеров. Синтезированы и с хорошими результатами применяются в клинической практике эквиваленты различных тканей и органов человека: костей, суставов, зубов. Созданы протезы кровеносных сосудов, искусственные клапаны и желудочки сердца. Синтез полупроницаемых полимерных мембран и умелое использование разнообразных свойств сополимерных материалов привели к созданию аппаратов «искусственное сердце-легкое» и «искусственная почка». Они позволяют временно заменить соответствующие органы человека, в частности проводить сложные хирургические операции на сердце и легких.

Медицинские полимеры и сополимеры используются для культивирования клеток и тканей, хранения и консервации крови, кроветворной ткани - костного мозга, консервации кожи и многих других органов.

На основе синтетических сополимеров создаются противовирусные вещества, пролонгаторы важнейших лекарственных средств, противораковые препараторы.

Использование медицинских полимеров для изготовления хирургических инструментов и оборудования (шприцы и системы для переливания крови разового использования, бактерицидные пленки, нити, клетки) коренным образом изменило и усовершенствовало технику медицинского обслуживания.

Синтез медицинских полимеров может осуществляться по двум механизмам, лежащим в основе получения синтетических макромолекул: полконденсации и полимеризации. В фармации также получили широкое применение полимеры. Уже в середине 30-х годов XX столетия лекарства в желатиновых капсулах (или, как их иногда называют, капсулированные лекарства) стали все шире применяться в фармацевтической практике. Оболочки изготавливаются из хорошо растворимых полимеров (около 50 разновидностей). Такие лекарства в последнее время стали очень перспективны благодаря:

- высокой точности дозирования помещаемых в них лекарственных веществ;

- лекарственные вещества защищены от воздействия света, воздуха, влаги;

- исключается неприятный вкус и запах лекарственных веществ;

- капсулы имеют хороший, внешний вид и легко проглатывается;

- быстро набухают, растворяются и всасываются в желудочно-кишечном тракте, фармакологическое действие лекарственные вещества проявляется через 4 - 5 минут;

- характеризуются высокой биологической доступностью.

Синтетические сополимеры позволяют изучать и моделировать фармакологические свойства биологических сополимеров, которые в настоящее время широко используются для лечения ряда заболевания. Например, гормон инсулин - белок, состоящий из двух полипептидных цепей, содержащих 21 и 30 аминокислотных остатков, - уже около 60 лет используется для лечения сахарного диабета, фермент рибонуклеаза - для ограничения развития некоторых опухолей и лечения заболеваний бронхов и легких, фермент холинэстераза - для устранения травматического шока. Для лечения различных сердечно - сосудистых заболеваний используются трипсин (лечение тромбофлебитов), кокарбоксилаза (для расширения сосудов больных атеросклерозом). Широко применяются в медицине белки альбумин и глобулины и нуклеиновые кислоты ДНК, РНК.

Благодаря успехам химии полимеров был осуществлен синтез искусственного инсулина.

Виды полимеров.

Полиолефины - это класс полимеров одинаковой химической природы (химическая формула -(СН2)-n ) с разнообразным пространственным строением молекулярных цепей, включающий в себя полиэтилен и полипропилен.(например, упаковочная пленка для пищевых продуктов). Кстати сказать, все углеводы, к примеру, природный газ, сахар, парафин и дерево имеют схожее химическое строение. Всего в мире ежегодно производиться 150 млн. т. полимеров, а полеолефины составляют примерно 60% от этого количества. В будущем полиолефины будут окружать нас в гораздо большей степени, чем сегодня, поэтому полезно присмотреться к ним повнимательнее.

Комплекс свойств полиолефинов, в том числе такие, как стойкость к ультрафиолету, окислителям, к разрыву, протыканию, усадке при нагреве и к раздиру, меняется в очень широких пределах в зависимости от степени ориентационной вытяжки молекул в процессе получения полимерных материалов и изделий.

Особенно следует подчеркнуть, что полеолефины экологически чище большинства применяемых человеком материалов. При производстве, транспортировке и обработке стекла, дерева и бумаги, бетона и металла используется много энергии, при выработке которой неизбежно загрязняется окружающая среда. При утилизации традиционных материалов также выделяются вредные вещества и затрачивается энергия. Полиолефины производятся и утилизуются без выделения вредных веществ и при минимальных затаратах энергии, причем при сжигании полиолефинов выделяется большое количество чистого тепла с побочными продуктами в виде водяного пара и углекислого газа. Около 60% всех пластиков, используемых для упаковки- это полиэтилен, главным образом благодаря его низкой стоимости, но также благодаря его отличным свойствам для многих областей применения. Полиэтилен высокой плотности (ПЭНД - низкого давления) имеет самую простую структуру из всех пластиков, он состоит из повторяющихся звеньев этилена. -(CH3CH3)n- полиэтилен высокой плотности. Полиэтилен низкой плотности (ПЭВД - высокого давления) имеют ту же химическую формулу, но отличается тем, что его структура разветвленная. -(CH3CHR) n- полиэтилен низкой плотности Где R может быть -H, -(CH3)nCH4, или более сложной структурой с вторичным разветвлением.

Полиэтилен, благодаря своему простому химическому строению, легко складывается в кристаллическую решетку, и, следовательно, имеет тенденцию к высокой степени кристалличности. Разветвление цепи препятствует этой способности к кристаллизации, что приводит к меньшему числу молекул на единицу объема, и, следовательно, меньшей плотности.

ПЭВД- полиэтилен высокого давления. Пластичен, слегка матовый, воскообразный на ощупь, перерабатывается методом экструзии в рукавную пленку с раздувом или в плоскую пленку через плоскощелевую головку и охлаждаемый валик. Пленка из ПЭВД прочна при растяжении и сжатии, стойка к удару и раздиру, прочна при низких температурах. Имеет особенность - довольно низкая температура размягчения (около 100 градусов Цельсия).

ПЭНД- полиэтилен низкого давления. Пленка из ПЭНД - жесткая, прочная, менее воскообразная на ощупь по сравнению с пленками ПЭВД. Получается экструзией рукава с раздувом или экструзией плоского рукава. Температура размягчения 121°С позволяет производить стерилизацию паром. Морозостойкость этих пленок такая же, как и у пленок из ПЭВД. Устойчивость к растяжению и сжатию - высокая, а сопротивление к удару и раздиру меньше, чем у пленок из ПЭВД. Пленки из ПЭНД - это прекрасная преграда влаге. Стойки к жирам, маслам. "Шуршащий" пакет-майка ("шуршавчик"), в который вы упаковываете покупки, изготовлен именно из ПЭНД.

Существует два основных типа ПЭНД. Более "старый" тип, произведенный первым в 1930-х годах, полимеризуется при высоких температурах и давлениях, условиях, которые достаточно энергетичны, чтобы обеспечить заметную встречаемость реакций по цепному механизму, которые приводят к образованию разветвления, как с длинными, так и с короткими цепями. Этот тип ПЭНД иногда называется полиэтиленом высокого давления (ПВД, ВД-ПЭНД, из-за высокого давления), если есть необходимость отличать его от линейного полиэтилена низкого давления, более "молодого" типа ПЭВД. При комнатной температуры полиэтилен - довольно мягкий и гибкий материал. Он хорошо сохраняет эту гибкость в условиях холода, так что применим в упаковке замороженных пищевых продуктов. Однако при повышенных температурах, таких как 100 °С, он становится слишком мягким для ряда применений. ПЭНД отличается более высокой хрупкостью и температурой размягчения, чем ПЭВД, но все же не является подходящим контейнеров горячего заполнения.

Около 30% всех пластиков, используемых для упаковки- это ПЭНД. Это наиболее широко используемый пластик для бутылок, из-за его низкой стоимости, простоты формования, и отличных эксплуатационных качеств, для многих областей применения. В его естественной форме ПЭНД имеет молочно-белый, полупрозрачный вид, и таким образом, не подходит для областей применения, где требуется исключительная прозрачность. Один недостаток использования ПЭНД в некоторых из областей применения- его тенденция к растрескиванию под напряжением при взаимодействии внешней среды, определяемая как разрушение пластикового контейнера при условиях одновременного напряжения и соприкосновения с продуктом, что в отдельности не приводит к разрушению. Растрескивание под напряжением при взаимодействии внешней срды в полиэтилене соотносится с кристалличностью полимера.

ПЭВД- это наиболее широко применяемый упаковочный полимер, соответствующий примерно одной трети всех упаковочных пластиков. Из-за его низкой кристалличности, это более мягкий, более гибкий материал, чем ПЭНД. Это предпочитаемый материал для пленок и сумок, из-за его низкой стоимости. ПЭВД отличается лучшей прозрачностью, чем ПЭНД, но все же не обладает кристальной чистотой, которая желательна для некоторых областей применения упаковок.

ПП - полипропилен. Прекрасная прозрачность (при быстром охлаждении в процессе формообразования), высокая температура плавления, химическая и водостойкость. ПП пропускает водяные пары, что делает его незаменимым для "противозапотевающей" упаковки продуктов питания (хлеба, зелени, бакалеи), а также в строительстве для гидро-ветроизоляции. ПП чувствителен к кислороду и окислителям. Перерабатывается методом экструзии с раздувом или через плоскощелевую головку с поливом на барабан или охлаждением в водяной бане. Имеет хорошую прозрачность и блеск, высокую химическую стойкость, особенно к маслам и жирам, не растрескивается под воздействием окружающей среды.

ПВХ - поливинилхлорид. В чистом виде применяется редко из-за хрупкости и неэлостичности. Недорог. Может перерабатываться в пленку методом экструзии с раздувом, либо плоскощелевой экструзии. Расплав высоковязкий. ПВХ термически нестабилен и коррозионно активен. При перегреве и горении выделяет высокотоксичное соединение хлора - диоксин. Широко распространился в 60-70е годы. Вытесняется более экологичным полипропиленом.

Идентификация полимеров

У потребителей полимерных пленок очень часто возникает практическая задача по распознаванию природы полимерных материалов, из которых они изготовлены. Основные свойства полимерных материалов, как хорошо известно, определяются составом и структурой их макромолекулярных цепей. Отсюда ясно, что для идентификации полимерных пленок в первом приближении может быть достаточной оценка функциональных групп, входящих в состав макромолекул. Некоторые полимеры благодаря наличию гидроксильных групп (-ОН) тяготеют к молекулам воды. Это объясняет высокую гигроскопичность, например, целлюлозных пленок и заметное изменение их эксплуатационных характеристик при увлажнении. В других полимерах (полиэтилентерефталат, полиэтилены, полипропилен и т.п.) такие группы отсутствуют вообще, что объясняет их достаточно хорошую водостойкость.

Наличие тех или иных функциональных групп в полимере может быть определено на основе существующих и научно обоснованных инструментальных методов исследования. Однако, практическая реализация этих методов всегда сопряжена с относительно большими временными затратами и обусловлена наличием соответствующих видов достаточно дорогостоящей испытательной аппаратуры, требующей соответствующей квалификации для ее использования. Вместе с тем, существуют достаточно простые и "быстрые" практические способы распознавания природы полимерных пленок. Эти способы основаны на том, что полимерные пленки из различных полимерных материалов отличаются друг от друга по своим внешним признакам, физико-механическим свойствам, а также по отношению к нагреванию, характеру их горения и растворимости в органических и неорганических растворителях.

Во многих случаях природу полимерных материалов, из которых изготовлены полимерные пленки, можно установить по внешним признакам, при изучении которых особое внимание следует обратить на следующие особенности: состояние поверхности, цвет, блеск, прозрачность, жесткость и эластичность, стойкость к раздиру и др. Например, неориентированные пленки из полиэтиленов, полипропилена и поливинилхлорида легко растягиваются. Пленки из полиамида, ацетата целлюлозы, полистирола, ориентированных полиэтиленов, полипропилена, поливинилхлорида растягиваются плохо. Пленки из ацетата целлюлозы нестойки к раздиру, легко расщепляются в направлении, перпендикулярном их ориентации, а также шуршат при их сминании. Более стойкие к раздиру полиамидные и лавсановые (полиэтилентерефталатные) пленки, которые также шуршат при сминании. В то же время пленки из полиэтилена низкой плотности, пластифицированного поливинилхлорида не шуршат при сминании и обладают высокой стойкостью к раздиру. Результаты изучения внешних признаков исследуемой полимерной пленки следует сравнить с характерными признаками, приведенными в табл. 1, после чего уже можно сделать некоторые предварительные выводы.

Таблица 1. Внешние признаки

Вид полимера	Механические признаки	Состояние поверхности на ощупь	Цвет	Прозрачность	Блеск
ПЭВД	Мягкая, эластичная, стойкая к раздиру	Мягкая, гладкая	Бесцветная	Прозрачная	Матовая
ПЭНД	Жестковатая, стойкая к раздиру	Слегка маслянистая, гладкая, сладошуршащая	Бесцветная	Полупрозрачная	Матовая
ПП	Жестковатая, слегка эластичная, стойкая к раздиру	Сухая, гладкая	Бесцветная	Полупрозрачная или прозрачная	Средний
ПВХ	Жестковатая, стойкая к раздиру	Сухая, гладкая	Бесцветная	Прозрачная	Средний
ПВДХ	Мягкая, стойкая к раздиру	Сухая, гладкая	Бесцветная	Прозрачная	Средний
ОПС	Жесткая, стойкая к раздиру	Сухая, гладкая, сильно шуршащая	Бесцветная	Прозрачная	Высокий
ПА	Жесткая, слабо стойкая к раздиру	Сухая, гладкая	Бесцветная или светло-желтая	Полупрозрачная	Слабый
ПЭТФ	Жесткая, слабо стойкая к раздиру	Сухая, гладкая, сильно шуршащая	Бесцветная или с голубоватым оттенком	Прозрачная	Средний
ПК	Жесткая, слабо стойкая к раздиру	Сухая, гладкая, сильно шуршащая	Бесцветная, с желтоватым или голубоватым оттенком	Высокопрозрачная	Высокий
АЦ	Жесткая, не стойкая к раздиру	Сухая, гладкая	Бесцветная	Высокопрозрачная	Высокий
Целлофан	Жесткая, не стойкая к раздиру	Сухая, гладкая	Бесцветная	Высокопрозрачная	Высокий

Из анализа данных, приведенных в табл. 2, не всегда по внешним признакам можно однозначно установить природу полимера, из которого изготовлена пленка. В этом случае, необходимо попытаться количественно оценить какие-нибудь физико-механические характеристики имеющегося образца полимерной пленки. Как видно, например, из данных, приведенных в табл. 2, плотность некоторых полимерных материалов (ПЭНП, ПЭВП, ПП) меньше единицы, а, следовательно, образцы этих пленок должны "плавать" в воде. С тем, чтобы уточнить вид полимерного материала, из которого изготовлена пленка, следует определить плотность имеющегося образца путем измерения его веса и вычисления или измерения его объема. Уточнению природы полимерных материалов способствуют и экспериментальные данные по таким их физико-механическим характеристикам как предел прочности и относительное удлинение при одноосном растяжении, а также температура плавления (табл. 2). Кроме того, как видно из анализа данных, приведенных в табл. 2, проницаемость полимерных пленок по отношению к различным средам также существенно зависит от вида материала, из которого они изготовлены.

Помимо отличительных особенностей в физико-механических характеристиках следует отметить и существующие различия в характерных признаках различных полимеров при их горении.

Таблица 2. Физико-механические характеристики при 20°C

Вид полимеров	Плотность кг/м3	Прочность при разрыве, МПа	Относительное удлинение при разрыве, %	Проницаемость по водяным парам, г/м2 за 24 часа	Проницаемость по кислоробу, см3/(м2хатм) за 24 часа	Проницаемость по СО2, см3/(м2хатм) за 24 часа	Температура плавления, 0С
ПЭВД	910-930	10-16	150-600	15-20	6500-8500	30000-40000	102-105
ПЭНД	940-960	20-32	400-800	4-6	1600-2000	8000-10000	125-138
ПП	900-920	30-35	200-800	10-20	300-400	9000-11000	165-170
ПВХ	1370-1420	47-53	30-100	30-40	150-350	450-1000	150-200
ПВДХ	1800-1900	50-80	20-50	1,5-5,0	8-25	40-60	200-210
ОПС	1050-1100	60-70	18-22	50-150	4500-6000	12000-14000	170-180
ПА	1100-1150	50-70	200-300	40-80	400-600	1600-2000	220-230
ПЭТФ	1360-1400	60-80	50-75	25-30	40-50	300-350	240-270
ПК	1200	62-74	20-80	70-100	4000-5000	25000-30000	225-245
АЦ	1320-1350	50-80	15-50	100-300	2000-3000	15000-16000
Целлофан	1400	50-70	15-30	5-15	650-700	950-1000

Этот факт позволяет использовать на практике так называемый термический метод идентификации полимерных пленок. Он заключается в том, что образец пленки поджигают и выдерживают в открытом пламени в течение 5-10 секунд, фиксируя при этом следующие свойства: способность к горению и его характер, цвет и характер пламени, запах продуктов горения и др. Характерные признаки горения наиболее отчетливо наблюдаются в момент поджигания образцов. Для установления вида полимерного материала, из которого изготовлена пленка, необходимо сравнить результаты проведенного испытания с данными о характерных особенностях поведения полимеров при горении, приведенными в табл. 3.

Таблица 3. Характеристики горения. Химическая стойкость

Вид полимера	Горючесть	Окраска пламени	Запах продуктов горения	Хим. стойкость к кислотам	Хим. стойкость к щелочам
ПЭВД	Горит в пламени и при удалении	Внутри синеватая, без копоти	Горящего парафина	Отличная	Хорошая
ПЭНД	Горит в пламени и при удалении	Внутри синеватая, без копоти	Горящего парафина	Отличная	Хорошая
ПП	Горит в пламени и при удалении	Внутри синеватая, без копоти	Горящего парафина	Отличная	Хорошая
ПВХ	Трудно воспламеняется и гаснет	Зеленоватая с копотью	Хдористого водорода	Хорошая	Хорошая
ПВДХ	Трудно воспламеняется и гаснет	Зеленоватая с копотью	Хлористого водорода	Отличная	Отличная
ОПС	Загорается и горит вне пламени	Желтоватая с сильной копотью	Сладковатый, неприятный	Отличная	Хорошая
ПА	Горит и самозатухает	Голубая, желтоватая по краям	Жженого рога или пера	Плохая	Хорошая
ПЭТФ	Трудно воспламеняется и гаснет	Светящаяся	Сладковатый	Отличная	Отличная
ПК	Трудно воспламеняется и гаснет	Желтоватая с копотью	Жженой бумаги	Хорошая	Плохая
АЦ	Горит в пламени	Искрящаяся	Уксусной кислоты	Плохая	Хорошая
Целлофан	Горит в пламени	Белая	Жженой бумаги	Плохая	Плохая

Как видно из данных, приведенных в табл. 3, по характеру горения и запаху продуктов горения полиолефины (полиэтилены и полипропилен) напоминают парафин. Это вполне понятно, поскольку элементарный химический состав этих веществ один и тот же. Отсюда возникает сложность в различении полиэтиленов и полипропилена. Однако при определенном навыке можно отличить полипропилен по более резким запахам продуктов горения с оттенками жженой резины или горящего сургуча. 
Таким образом, результаты комплексной оценки отдельных свойств полимерных пленок в соответствии с изложенными выше методами позволяют в большинстве случаев достаточно надежно установить вид полимерного материала, из которого изготовлены исследованные образцы. При возникающих затруднениях в определении природы полимерных материалов, из которых изготовлены пленки, необходимо провести дополнительные исследования их свойств химическими методами. Для этого образцы могут быть подвергнуты термическому разложению (пиролизу), при этом в продуктах деструкции определяется наличие характерных атомов (азота, хлора, кремния и т.п.) или групп атомов (фенола, нитрогрупп и т.п.), склонных к специфическим реакциям, в результате которых обнаруживается вполне определенный индикаторный эффект. Изложенные выше практические методы определения вида полимерных материалов, из которых изготовлены полимерные пленки, носят в известной степени субъективный характер, а, следовательно, не могут гарантировать их сто процентной идентификации. Если такая необходимость все же возникает, то следует воспользоваться услугами специальных испытательных лабораторий, компетентность которых подтверждена соответствующими аттестационными документами.

Утилизация и переработка полимерных отходов.

Широкая область применения полимеров в различных областях промышленности заставляет задуматься и о их утилизации и переработки.

Полимерные материалы имеют поразительные свойства. Благодаря данной особенности они широко используются во всех областях человеческой жизни. Сегодня они являются незаменимыми элементами, которые необходимы для существования нашей цивилизации. Но, несмотря на выдающиеся положительные качества, синтетические продукты также имеют один, но весомый недостаток. После того, как они выполнили свои функции, их нельзя уничтожить с помощью агрессивного воздействия окружающей среды. Им не страшны прямые солнечные лучи, тепло, атмосферные газы, микроорганизмы. Существование изделий из синтетических полимеров продолжается, но уже в виде отходов, которые причиняют значительный ущерб окружающей среде.

Основная проблема переработки полимерных отходов.

На данный момент переработке подвергается лишь небольшая часть от всех существующих отходов. Развитие данной сферы происходит медленно, несмотря на ее актуальность. Это связано со следующим:

· государство не обеспечивает всеми необходимыми нормативными и техническими нормами, которые могли бы обеспечить высокое качество вторсырья. Именно поэтому отсутствуют мощные производства, поставляющие на рынок переработанные отходы с оптимальными характеристиками;

· поскольку для осуществления процесса переработки не применяются современные технологии, для его поддержания необходимы огромные денежные ресурсы;

· из-за отсутствия поддержки государства уровень сбора отходов среди населения и мелких предприятий находится на низком уровне;

· получаемое вторсырье не обладает достаточной конкурентоспособностью;

· среди населения не проводится агитация, которая стимулировала бы к раздельному выбросу мусора. Большинство людей не понимают, что использование вторсырья позволяет ограничить потребление других ресурсов - нефти, газа.

Рис.13

Сегодня появляются компании, который занимаются приёмом полимерных отходов. К сожалению, утилизация полимерных отходов - это сложный и дорогостоящий процесс. А вот производство полимерных материалов стоит довольно дешево. Человек сегодня выбирает наиболее простой путь. Он продолжает складывать тонны мусора вокруг крупных городов. Таким образом, появляется новое творение людей - огромные свалки. Согласно статистике, каждый человек в год выбрасывает около 200 кг мусора, для жителей Америки данная цифра более чем в три раза больше. Около 10% всех отходов составляют полимерные материалы. Если человек будет и дальше вывозить их на свалки, очень скоро вокруг городов и крупных сел появятся горы мусора. Ежегодно ширина свалок возрастает. Таким образом, в ближайшем будущем мусором будут завалены поля, лесные массивы и даже моря. Сегодня размер свалок растет быстрее, чем количество населения на Земле. Так, за год количество людей во всем мире увеличилось только на 2%, а число мусора на 6%. К этим удручающим цифрам добавляется ещё немного печальной статистики. В Московской области 58 санкционированных полигонов для твёрдых бытовых отходов (27 из которых исчерпали свою ёмкость, а ещё 19 заполнены на 90 %), а ещё более 1 000 стихийных свалок, превышающих совокупной площадью 1 400 гектар.

В процессе разложения содержимого свалок происходит отравление окружающей среды. Полимерные материалы в свою очередь выделяют вещества, которые опасны для всех живых организмов.

Таким образом, если люди хотят комфортно жить, используя полимерные материалы, необходимо правильно утилизировать все синтетические отходы.



Рис.14

Некоторые пластиковые отходы вообще не перерабатывают из-за нерентабельности, примером могут служить изделия из полистерола, которые просто хоронят на свалках или утилизируют на мусоросжигательных заводах. Как вторичное сырье пластик используют, в основном, в качестве наполнителя для различных строительных смесей, облицовочных изделий, изоляционных материалов, технических конструкций, топлива и даже электроэнергии.

Переработка пластика относится к наиболее болезненным экологическим и производственным вопросам, ведь большинство производителей, особенно в странах Евросоюза, вынуждены изымать из обращения и перерабатывать пластиковые отходы. Переработка пластика относится к наиболее болезненным экологическим и производственным вопросам, ведь большинство производителей, особенно в странах Евросоюза, вынуждены изымать из обращения и перерабатывать пластиковые отходы. Своими директивами Еврокомиссия обязала производителей пластика и материалов из него платить дополнительные налоги, направляемые на дотирование, часто убыточных, предприятий по переработке этих отходов.

Другими действенными механизмами в борьбе за уменьшение объемов пластиковых отходов, в странах того же Евросоюза, являются дополнительные налоги с продажи пластиковых изделий и преференции для производителей их бумажных заменителей. Таким образом, посуда из прессованного картона, бумажные пакеты для продуктов в супермаркете или для мусора являются дешевле пластиковых.

ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКАЯ РАБОТА.

1.Проба на плавление.

Сначала выясним, плавится ли исследуемая пластмасса вообще. Для этого мы нагрели исследуемые образцы на асбестовой подставке. В зависимости оттого, что будет происходить с пластмассой, мы сможем отнести ее к термо - или реактопластам. Мы взяли 5 образцов для исследования: поливинилхлорид, политетрафторэтилен, полиэтилен, полиэтилен высокого давления, текстолит.

Из исследуемых образцов получили, что 3 образца плавятся (поливинилхлорид, полиэтилен высокого давления, полиэтилен), и поэтому они относятся к термопластам. Два других образца относятся к реактопластам, так как не плавятся.

Рис. 16 (Плавление и горение пенопласта на основе полистирола)

2.Температура размягчения.

Вставили пробы пластмассы - полоски длинной 5-10 см и шириной 1 см - в железный тигель, заполненный сухим песком. Тигель постепенно нагрели маленьким пламенем горелки. В песок вставили термометр. Когда полоски согнулись, по показаниям термометра заметили температуру размягчения. Определили температуру плавления полиэтилена - 117є, пластик - 93є, полистирола - 83є, поливинилхлорида - 77є.

3.Температура текучести.

Аналогично определили и температуру текучести, т.е. тот интервал температуры, в котором пластмассы приобретают текучесть. Мы наблюдали, что фенолформальдегидная смола и на её основе пластмасса разлагаются раньше, чем достигается температура текучести. Из этого можно сделать вывод, что изделия из таких пластмасс нельзя держать около печей и нагревательных приборов. Разлагаясь, они выделяют в помещение ядовитые химические вещества (фенол, формальдегид).

4.Проба на сгорание.

Взяли тигельными щипцами образец пластмассы и поместили его ненадолго в верхнюю часть высокотемпературной зоны пламени горелки. Когда вынули пластмассу из пламени, мы посмотрели, будет ли она гореть дальше. При этом обратили внимание на цвет пламени; заметили, образуется ли копоть или дым, потрескивает ли огонь, плавится ли пластмасса с образованием капель. Хорошо горят, исследованные нами полиэтилен, полипропилен, полиметаметилакрилат с характерным потрескиванием, поливинилхлорид (копоть), не горел политетрафторэтилен. Согласно исследованиям, составлена таблица.(рис.)

5.Исследование продуктов разложения.

В маленьких пробирках нагрели измельченные пробы различных пластмасс и обратили внимание на запах, цвет и реакцию на лакмусовую бумагу образующихся продуктов разложения. Так поливинилхлорид разлагается с выделением хлороводорода

6.Химическая стойкость.

Пробы пластмасс погрузили в разбавленные и концентрированные растворы кислот и щелочей. Для изучения набухания пластмассы - полистирола, поместили в различные жидкости: - в воде, кислотах, щелочах, метилбензоле (толуоле). Пробирки оставили на 5 дней. Чтобы жидкостей меньше испарялась, заткнули пробирки пробками. В результате полистирол растворился только в толуоле, в остальных пробирках остался неизменным. Делаем вывод, что изделия из полистирола стойки к неорганическим реактивам и нестойки к органическим растворителям. Такой же опыт провели с полиэтиленом и полипропиленом. Здесь выяснили, что они стойки в органических и неорганических веществах. Поэтому широко применяются в химической промышленности.

Фенолоформальдегидные лаки и клеи

В маленьком химическом стакане осторожно нагрели на водяной бане 10 г фенола с 15 мл формалина и 0,5 мл 30%-ного раствора гидроксида натрия (едкого натра). полимер утилизация отход

Рис. 17

После длительного нагревания масса стала вязкой. Когда взятая стеклянной палочкой проба при охлаждении начала затвердевать, прекратили нагревание и часть полученной в стакане резольной смолы перенесли в пробирку, заполненную на одну треть денатуратом или метанолом.

При этом смола растворяется. Полученным раствором мы можем лакировать мелкие металлические предметы.

Чтобы лак не был липким, его понадобится еще отвердить. Для этого лакированный предмет осторожно нагревают не выше 160 °С - током воздуха, нагретого пламенем горелки, или в сушильном шкафу. Вполне подойдет и духовка кухонной плиты.

После обжига лак надежно пристает к металлу, он стоек по отношению к кислотам и щелочам, тверд, прочен на изгиб и к удару. Такие лаки во многих отраслях промышленности заменили старые природные лаки. Для лакировки деревянных изделий применяют самоотверждающиеся лаки.



Рис.18 Фенольные смолы и лаки

Резольными фенолоформальдегидными смолами можно также склеивать дерево с деревом или с металлом. Сцепление получается очень прочным, и этот способ склеивания в настоящее время находит все более широкое применение, особенно в авиационной промышленности.
Изготовили снова вязкотекучую резольную смолу путем нагревания смеси фенола, формалина и раствора едкого натра. Этой смолой склеили две тонкие деревянные дощечки. Для этого одну из них намажем полученной смолой, а на другую нанесем концентрированную соляную кислоту.

Плотно прижмем дощечки друг к другу, подержим несколько минут в токе горячего воздуха или в сушильном шкафу и затем дадим остыть. Соляная кислота служит в этом опыте отвердителем и превращает смолу в резит. Дощечки склеиваются очень прочно.

В промышленности склеивание смолами на основе фенола применяется при изготовлении клееной фанеры и древесноволокнистых пластиков. Кроме того, такие смолы успешно используются для изготовления щеток и кистей, а в электротехнике ими отлично склеивают стекло с металлом в лампах накаливания, люминесцентных лампах и радиолампах.

Изготовление пенопласта.

В большой пробирке растворили 3 г мочевины в как можно более концентрированном (40%-ном) формалине. В другой пробирке смешаем 0,5 мл шампуня с 2 каплями 20%-ной соляной кислоты, добавим раствор из первой пробирки и взболтаем полученную смесь до образования обильной пены.

Затем нагрели пробирку на слабом пламени. При этом пена затвердела. Подождем 10 минут, снова слегка нагреем пробирку, дадим ей остыть и затем разобьем.

Мы получим твердый белый пенопласт, правда с более крупными порами, чем у того, который производит промышленность.

Экоэксперимент

Недалеко от дома,в котором я живу, стоят контейнеры для раздельного сбора мусора, практически пустые. Я решила провести экоэксперимент в масштабе моего и соседнего домов - повесила объявления и яркие листовки с информацией о пользе раздельного сбора отходов на информационной доске у подъездов и у лифтов на 1-х этажах домов с просьбой хотя бы в течении 1 недели воспользоваться раздельными контейнерами для мусора.

Каково же было мое удивление, когда буквально на следующий день я увидела, что жильцы не только нашего, но и соседнего дома стали активно пользоваться контейнерами для раздельного сбора отходов. Было собрано четыре полных контейнера всего за три дня. Хотя раньше они пустовали неделями...

Выводы и предложения

· больше информации по данной проблеме и о возможности экономии природных ресурсов, благодаря грамотной переработке отходов(в частности полимерных).

· необходимо экономически заинтересовать население в раздельном сборе отходов. Например, определить прайс по которому принимались бы такие отходы (макулатура по цене 3 рубля за килограмм, картон по 4 рубля, пластиковые бутылки по 12 рублей за килограмм, алюминиевая тара 35 рублей за килограмм. и т.д.).

· для граждан и управляющих компаний, занимающихся раздельным сбором мусора, ввести пониженный тариф на обращение с отходами.

· можно организовать сепарацию отходов в рамках непрямой благотворительности. Думаю, сознательные и неравнодушные люди будут охотнее участвовать в таких проектах, если будут уверены, что средства, полученные в результате переработки вторичного сырья, направляются на помощь социально незащищенным группам населения, а с бюджета, в том числе и с местного, частично снимается нагрузка на помощь нуждающимся. В данном случае местные администрации могут содействовать инициативным группам, которые хотели бы реализовать такие проекты или сами внедрять их на своей территории.

По данной проблеме я участвовала в общешкольном проекте по экологии, проводила тематические уроки в младших классах нашей школы, участвовала в выездных лекциях, за проделанную работу награждена Грамотой за активное участие в социально-образовательном проекте «Экология в вопросах и ответах» проводимой под руководством Президента фонда содействия развитию науки, образования и медицины.

Проведения уроков экологии.(фото 1 и 2)



фото 1

фото 2

Сегодня мы с Вами являемся свидетелями классического эволюционного процесса -- появилась новая, свободная «пластиковая» ниша, которую до сих пор не использовал живой организм, что индуцировало появление новых видов.

Этими новыми видами оказались бактерии, которые заселяют поверхности пластиковых отходов в океане не только как твердый субстрат для прикрепления, но и питаются ним!

Ученые Шеффилдского университета и Центра по вопросам окружающей среды, рыболовства и аквакультуры, в марте 2010 года, на собрании Общества общей микробиологии в Эдинбурге (Шотландия), представили результаты исследований пластикового мусора, в частности полиэтилена, в прибрежных морских водах Британии.

Влияние пластика на окружающую среду -- ученые обнаружили, что на пластиковых отходах поселяется целый ряд морских бактерий, которые, хотя и очень медленно, однако, раскладывают его. Причем, микробиологи установили, что группировка бактерий на поверхности пластика существенно отличаются от таких же на других поверхностях, скалах, камнях или днищах кораблей.

Можно сказать, что «пластиковые» микробиотические группировки являются «уникальными» для океана, ведь других примеров, где бы данные группы микроорганизмов проживали вместе нет. Это открытие имеет не только практическое значение для разработки действенных методов борьбы с пластиком экологически безопасными методами, но подтверждает и наглядно фундаментальные законы эволюции. Дело в том, что эволюционируют-то не какие-то отдельные виды, а их совокупности -- экосистемы, генерируя появление их новых составляющих.

«Пластикоедные» бактерии принадлежащие к нескольким разным видам, которые, поселяясь вместе, образуют биоплёнки -- общий слизистый слой с погруженными в него колониями бактерий. Биоплёнки защищают от неблагоприятных условий среды, а также обеспечивают условия для обмена между отдельными клетками питательными веществами, ДНК, ферментами, продуктами жизнедеятельности и тому подобным.

Биоплёнки образуют общую стабильную среду обитания бактерий, благодаря чему последние могут выживать в очень тяжелых и малопригодных для других организмов условиях. «Пластикоедные» бактерии выделяют специальные экзоферменты, которые расщепляют прочные полимерные связи между атомами углерода в пластике.

Как установили ученые, бактерии активно колонизируют очень мелкие фрагменты полиэтилена, размером до одного -- пяти миллиметров. Такие частицы вполне колонизируются бактериями в течение семнадцати дней.

Влияние пластика на окружающую среду -- сегодня мы с энтузиазмом наблюдаем, как необъятные для нас, внутренние резервы биосферы эволюционными путями пытаются овладеть новый, неизвестный ранее фактор среды -- пластик.

Однако, мы станем свидетелями другого процесса -- через двадцать -- пятьдесят лет человечество, которое сегодня активно внедряет антикоррозионные и «долговечные» стройматериалы на основе пластика, столкнется с глобальной проблемой их биологического разрушения.

...