Хімія. Рівень стандарту. 10 клас. Григорович

§ 33. Полімерні матеріали. Пластмаси

Поняття про пластмаси

Пластмасами, або пластиками, називають матеріали на основі полімерів. Окрім полімерів вони містять тонкоподрібнені або коротковолокнисті наповнювачі, пігменти та інші сипкі компоненти. Різні наповнювачі надають пластмасам певних унікальних властивостей. На основі одного полімеру виготовляють багато різноманітних пластмас, що мають різні властивості залежно від числа та масової частки наповнювачів.

Зазвичай наповнювачами є:

• барвники — для надання кольору, оскільки всі полімери безбарвні;

• пластифікатори — для надання різних механічних властивостей (гнучкості, еластичності, твердості тощо);

• армувальні компоненти — для підвищення міцності;

• тепло- та світлостабілізатори — для зменшення чутливості до теплоти та світла відповідно, оскільки перепади температури та яскраве сонячне світло можуть спричинити руйнування виробів з деяких полімерів.

Мал. 33.1. Гумка для стирання (а) та ручка (б) зроблені з різних матеріалів, виготовлених на основі одного полімеру — каучуку

Наприклад, гумка для стирання та ручка-перо (мал. 33.1) виготовлені з різних матеріалів — гуми та ебоніту відповідно. Але обидва ці матеріали виготовлені на основі одного полімеру — каучуку. Або целофан та ацетатний шовк (мал. 33.2) — це різні матеріали на основі целюлози.

Мал. 33.2. Целофанова обгортка (а) та ацетатний шовк (б) виготовлені на основі одного полімеру — целюлози

Першу штучну пластмасу було отримано 1855 року англійським металургом Олександром Парксом на основі целюлози, обробленої нітратною кислотою. Він назвав новий матеріал паркезіном, який пізніше отримав поширену назву целулоїд.

Найпоширеніші полімери та полімерні матеріали

Людина здавна використовує природні полімерні матеріали: шкіру, хутро, вовну, бавовну та шовк — для виготовлення одягу; цемент, вапно та глину — для будівництва. Широке використання синтетичних полімерів почалося у XX столітті.

Сьогодні людство використовує багато різноманітних полімерних матеріалів у різних сферах діяльності: у техніці, промисловості, побуті тощо. На пластмасових виробах обов'язково має бути зазначено, з яких полімерів вони виготовлені, оскільки в кожного полімеру є певні межі застосування, наприклад «не нагрівати», «не використовувати для зберігання харчових продуктів». Полімер, з якого виготовлено виріб, позначають трикутником з відповідним числом усередині, іноді під трикутником указують англомовну абревіатуру полімеру (мал. 33.3).

Мал. 33.3. Позначення полімеру на пластмасових виробах

Сьогодні використовують близько 70 різних полімерів, на основі яких виготовляють сотні різноманітних матеріалів. Найпоширеніші полімери та сфери їх застосування наведено в таблиці 15.

Таблиця 15. Найпоширеніші полімери, їх позначення й формули та сфери застосування

Закінчення таблиці

Крім наведених у таблиці 15, існує ще багато полімерів. Так, політетрафлуороетилен (тефлон, або фторопласт, PTFE) використовують як покриття для виробів, що зазнають дії високих температур та тертя, зокрема побутового посуду, водонепроникних тканин, імплантів для кардіохірургії. Із полівінілацетату (PVA) виготовляють клей ПВА, водоемульсійні та акрилові фарби. Із поліуретану виготовляють декоративні покриття, клеї, підошви для взуття, напівжорсткі елементи автомобільних салонів. А поліметилметакрилат (плексиглас, оргскло, PMMA) використовують для виготовлення прозорих деталей літаків, інтер'єрів, торгового обладнання, приладів, штучних кришталиків для імплантації в око.

Проблема охорони довкілля від забруднення полімерними речовинами

Більшість полімерів, що використовують для виробництва полімерного упакування, є біоінертними (поліетилен, поліпропілен тощо) і не розкладаються в природних умовах протягом тривалого часу. Унаслідок біоінертності пластмасові вироби суттєво не впливають на здоров'я людини та стан живої природи, але використання їх у великих кількостях спричиняє їх накопичення на сміттєзвалищах і у водоймах. Оскільки вони не гниють, то велика кількість пластмасових виробів вимушує займати під сміття нові площі, що згодом може перетворити нашу планету на одне велике сміттєзвалище (мал. 33.4, а).

Мал. 33.4. Пластикові відходи на сміттєзвалищах (а) та в океані (б)

Скупчення відходів з пластмас утворюють у Світовому океані під впливом течій так звані сміттєві плями. Сьогодні відомо п'ять таких великих скупчень сміття у Тихому, Атлантичному й Індійському океанах. Ці плями складаються переважно з пластикових відходів густонаселених прибережних зон континентів. Пластикове сміття небезпечне ще й тим, що морські тварини можуть не розгледіти прозорі предмети, що плавають у воді, заковтнути їх і загинути (мал. 33.4, б).

Усе це вимагає невідкладних заходів для збереження навколишнього середовища згідно з концепцією сталого розвитку. Спалювати пластикові відходи не можна, оскільки під час горіння виділяються токсичні речовини. Тому впроваджують нові технології з їх переробки. Уже кілька років у багатьох містах України та всього світу працює програма зі збирання пластикових пляшок окремо від іншого сміття (мал. 33.5). Їх переробляють на нові пляшки та інші вироби.

Мал. 33.5. Контейнер для збирання пластикових пляшок

Сьогодні дуже важливим є створення нових пластикових матеріалів, які швидко (протягом одного-двох років) розкладаються в природних умовах. Такі матеріали називають біорозкладними пластиками. У ряді країн (Японія, США, деякі країни Євросоюзу тощо) уже сьогодні значну частину пакувальних матеріалів виготовляють з таких екологічно безпечних матеріалів (мал. 33.6).

Мал. 33.6. У такий спосіб позначають, що пакет виготовлено з біорозкладного пластику

У процесі розкладання в природних умовах макромолекули біорозкладних пластиків спочатку розкладаються на фрагменти з меншою молекулярною масою — олігомери, які потім переробляються бактеріями. Кінцевими продуктами розпаду є вуглекислий газ і вода.

Біорозкладні полімери використовують також у медицині, наприклад шовний матеріал для хірургії на основі водорозчинних полімерів. Перспективним є використання біорозкладних полімерів як імплантів, які можуть поступово замінюватися в організмі кістковою, хрящовою або іншою живою тканиною.

Ключова ідея

Пластмаси — дешеві та цінні матеріали завдяки властивостям, що перевершують властивості природних матеріалів. Але завдяки ксенобіотичності вони становлять загрозу для навколишнього середовища.

Контрольні запитання

  • 515. Які матеріали називають пластмасами?
  • 516. Які речовини використовують для створення пластмас?
  • 517. Наведіть приклади полімерів, пластмас на їх основі та виробів, що з них виготовляють.
  • 518. У який спосіб маркують вироби з пластмас?
  • 519. У чому полягає природоохоронний аспект застосування пластмасових виробів людством?

Завдання для засвоєння матеріалу

  • 520. Для полімерів, наведених у таблиці 15, складіть формули мономерів.
  • 521. Для чого необхідне маркування пластмасових виробів?
  • 522. Як ви вважаєте, що мають на увазі, коли про безпечність полімерів пишуть «Вважається безпечним для...»? Чому у цьому випадку не пишуть більш конкретно про безпечність чи небезпечність матеріалів?

Міні-проекти

  • 523. Розробіть план експериментів для дослідження того, як швидко розкладаються звичайні та біорозкладні пластмаси. Якщо вчитель схвалить ваш план, виконайте свої експерименти, використовуючи різні споживчі товари.
  • 524. Виготовлення покриття з полімерної плівки.

У кабінеті хімії разом з учителем виконайте експериментальний проект. Під час роботи дотримуйтеся правил безпеки.

Полімерними плівками часто покривають таблиці чи малюнки для запобігання забрудненню та пошкодженню паперової поверхні. Для створення полімерної плівки на папір наносять розбавлені розчини полімерів. Для приготування таких розчинів 1-2 г подрібненого полімеру (оргскло, полістирол) розчиняють у 50 мл придатного органічного розчинника (можна використати рідину для зняття лаку або бензин). Розчин наносять кілька разів після повного висихання попереднього шару. Покриття виготовляють на відкритому повітрі або у витяжній шафі, щоб уникнути отруєння леткими розчинниками.