Хімія. Рівень стандарту. 10 клас. Лашевська

§ 29. Пластмаси

Після опрацювання параграфа ви зможете:

  • наводити приклади пластмас;
  • розрізняти, описувати й порівнювати їхні властивості;
  • установлювати причиново-наслідкові зв’язки між складом, будовою, властивостями та застосуванням пластмас.

Пластмаси - що означає ця назва? Ідеться про пластичні маси - матеріали, виготовлені на основі полімерів і здатні внаслідок дії нагрівання та тиску набувати певної форми й зберігати її після охолоджування або тверднення.

У пошуках штучного замінника слонової кістки першу пластмасу - паркезін - добув 1855 р. англійський металург та винахідник Олександр Паркс. Інша, більш відома назва цієї пластмаси - целулоїд (рис. 29.1.1), що означає «подібний до целюлози». Целулоїд - приклад штучного матеріалу, оскільки його виготовляють хімічним обробленням природного полімеру. До продукту нітрування целюлози (рис. 29.1.2) добавляють пластифікатори, наповнювачі, барвники.

Рис. 29.1. 1. Целулоїдні іграшки в експозиції Паризького музею ляльок. 2. Хімічна формула динітроцелюлози (стрілками позначено нітрогрупи) - продукту нітрування целюлози. Із цієї речовини виготовляють целулоїд

Компоненти-пластифікатори надають полімерним матеріалам еластичності і (або) пластичності під час перероблення та експлуатування. Уведення до складу полімерних композицій наповнювачів поліпшує експлуатаційні властивості, полегшує перероблення, а також істотно здешевлює матеріал. Саме ці добавки відрізняють целулоїд від динітроцелюлози, оскільки надають матеріалу нових властивостей.

Зауважимо: однією з умов сталого розвитку є створення новітніх матеріалів на основі біосировини. Завдяки цьому напряму традиційні матеріали набувають нових унікальних властивостей, що дає всі підстави називати їх фантастичною реальністю XXI століття. До того ж біорозкладанні пластичні маси на основі природних полімерів зменшують несприятливий техногенний уплив на довкілля. Їх виготовляють модифікуванням макромолекул крохмалю, целюлози (назвіть природні джерела цих сполук) і хітозану, який виділяють з панцирів крабів, креветок тощо.

Попри привабливість таких пластмас, наразі найпоширенішими є пластики на основі синтетичних високомолекулярних сполук. Назви й хімічні формули їх та їхніх мономерів траплялися вам у попередньому параграфі.

Багатьом полімерам і пластмасам властива термопластичність - здатність багаторазово розм’якшуватися і тверднути внаслідок нагрівання і наступного охолодження. Зверніть увагу: під час нагрівання й охолодження термопластичні полімери не зазнають хімічних змін! Більшість з них добре розчиняється в органічних розчинниках. Це зумовлено лінійною будовою молекул, слабкими зв’язками між ними, нездатністю до утворення сітчастих (зшитих) макромолекул. З розплавів термопластичних полімерів формують найрізноманітніші вироби. Для цього розплав полімеру пропускають крізь тонкі отвори, упорскують його під тиском у прес-форму з наступним охолодженням, здійснюють видувне формування (рис. 29.2).

Рис. 29.2. Видувне формування поліетилену

Рециклізація багатьох пластмас ґрунтується саме на їхній термопластичності. Для забезпечення утилізації одноразових предметів Товариство пластмасової промисловості 1988 р. запровадило систему маркування й ідентифікаційні коди для всіх видів пластику. Марковання складається з трьох стрілок у формі трикутника, усередині яких розташовано цифру:

Нею та літерною абревіатурою під трикутником позначають тип пластику: PETE (PET або ПЕТ) - поліетилентерфталат, LDPE (поліетилен низької густини), або ПВТ - поліетилен високого тиску. V, PVC або ПВХ - полівінілхлорид, HDPE (поліетилен високої густини), або ПНТ - поліетилен низького тиску. РР або ПП - поліпропілен, PS або ПС - полістирен, OTHER, або ІНШЕ (не можна рециклізувати). Таке інформування про тип матеріалу й можливості його перероблення спрощує сортування перед відправленням пластмаси на перероблення і вторинне використання.

Поліетилен - карболанцюговий (поясніть, що це означає) полімер. У промисловості його добувають полімеризацією етену за високого, середнього й низького тиску (рис. 29.3).

Рис. 29.3. Полімеризація етилену (етену). 2. Гранули поліетилену

Поліетилен має високі діелектричні властивості, стійкий до агресивних середовищ - кислот, лугів, розчинів солей і органічних розчинників. Тому його застосовують як електроізоляційну оболонку кабелів, захисний матеріал в агресивних середовищах. Це зручний пакувальний плівковий матеріал. Також з поліетилену виготовляють посуд, одноразовий зокрема.

Недоліками поліетилену є низька теплопровідність, недостатня стійкість до УФ-випромінювання, схильність до деформування внаслідок тривалої дії статичних навантажень.

Полімеризація мономерів, про які йтиметься далі, відбувається подібно до етену. Пересвідчитися в цьому ви зможете, розглянувши рисунок 29.4.

Рис. 29.4. Продукт полімеризації пропену - поліпропілен (1), вінілхлориду - полівінілхлорид (2), вінілстирену - полістирол (3)

• Які властивості добутих унаслідок цього полімерів зумовлюють їхнє широке застосування в найрізноманітніших галузях суспільного господарства, побуті тощо?

Поліпропілен - карболанцюговий лінійний полімер, багато в чому подібний до поліетилену. Це досить твердий матеріал, у тонких шарах прозорий, у товстих - молочно-білий. Він стійкий до дії кислот, лугів, розчинів солей, інших агресивних середовищ. Вироби з поліпропілену вирізняються стійкістю до стирання і твердістю поверхні, витримують нагрівання до температури ≈100 °С. Тому цю пластмасу використовують для виробництва пакувальної плівки, сантехнічних труб, побутового і хімічного посуду, іншого обладнання.

Невисока морозостійкість (до -30 °С) і зависока чутливість до світла і кисню - недоліки, які дещо обмежують застосування поліпропілену.

Полівінілхлорид (ПВХ) - речовина білого кольору, хімічно стійка до лугів, рідких нафтопродуктів, багатьох кислот і розчинників, не горить на повітрі, діелектрик. Проте його морозо- і термостійкість невеликі, з полівінілхлориду виготовляють лінолеум, віконні профілі, кромки меблів, упаковку побутової техніки, шкірозамінники, плівки для натяжних стель, сайдінг, труби, ізоляції дротів і кабелів, обгортки, пляшки для побутової хімії і ще багато інших корисних предметів (рис. 29.5).

Рис. 29.5. Полівінілхлорид (1) і вироби з нього: 2 - цим віконним профілям властива чудова звукоізоляція, легкість у використанні, високий ступінь збереження тепла; 3 - ласти - елемент спорядження для дайвінгу й підводного мисливства; 4 - плитка - елемент декору інтер’єру; 5 - парасолька - надійний захист від негоди; 6 - спінений ПВХ - матеріал для виготовлення спортивного інвентарю; 7 - у таких чоботах «море по коліна»

Цікаво і пізнавально

ПАТ «Броварський завод пластмас» уперше в Україні почав виробляти непластифіковані полівінілхлоридні (НПВХ) труби квадратного перерізу для поїння тварин. Це єдиний виробник в Україні НПВХ труб та фасонних частин для систем пневмопошти.

Основною проблемою, пов’язаною з використанням ПВХ, є складність його утилізування. Адже внаслідок спалювання цього пластику утворюються високотоксичні хлороорганічні сполуки. Із часом матеріал самостійно починає виділяти їх у довкілля. Сучасні технології, спрямовані на подолання вади, поки що недостатньо ефективні.

Полістирен (полістирол) - тверда, пружна, безбарвна, прозора, гнучка, негігроскопічна речовина. З пластмас на його основі виготовляють електроізоляцію, предмети щоденного вжитку (посуд, фігурки, дитячі іграшки тощо), лінзи, різнокольорову облицювальну плитку і теплоізоляцію для будинків (рис. 29.6).

Рис. 29.6. Вироби з полістирену: надійно, комфортно, ергономічно. 1. Одноразовий посуд. 2. Для будівництва дуже теплих будинків використовують термоблоки з пінополістирену. 3. Зручне крісло, наповнювач - кульки зі спіненого полістирену. 4. Декоративні вироби з полістирену

Зверніть увагу: пінополістирен - один з видів пінопласту. Його добувають пресуванням полістирену з твердим газоутворювачем за нагрівання. Газуваті продукти термічного розкладання газоутворювача розчиняються у полімері. Після цього заготовку виймають з прес-форми та нагрівають до 100-105 °С. Розчинені в полімері гази розширюють запресовування - утворюється пінополістирен.

Недоліки полістирену полягають у низьких теплостійкості та ударній міцності, схильності до старіння тощо.

Тефлон (його ще називають фторопластом) - пластмаса на основі політетрафлуороетену. Це біла, у тонкому шарі прозора речовина, зовні подібна до парафіну або поліетилену. Має високі тепло- і морозостійкість, не втрачає гнучкості й еластичності в широкому інтервалі температур, не змочується ні водою, ні жирами, ні більшістю органічних розчинників. За своєю хімічною стійкістю перевершує всі відомі синтетичні матеріали й благородні метали. Тефлон використовують у хімічній, електротехнічній і харчовій промисловості, у побуті, у медицині, у військовій та аерокосмічній техніці.

Рис. 29.7. Тефлон у нашому житті: 1. Антипригарне покриття на пательні. 2. Стрічка - надійний ущільнювач для сполучення труб. 3. Справжній «геймер» вибирає комп’ютерну мишку на тефлонових ніжках. 4. Фарба із частинками тефлону - красиве й гігієнічне покриття. 5. У цих авто- і мотомастилах частинки тефлону забезпечують мінімальний опір тертю. 6. Інструменти з тефлоновим покриттям - гострота й надійність

• За рисунком 29.7 ви пересвідчитеся, що вироби з тефлону або з тефлоновим покриттям широко використовують у повсякденному житті (наведіть ще кілька прикладів).

Цікаво і пізнавально

Політетрафлуороетен було синтезовано 1938 р. Уперше ТЕФЛОН® (розробка корпорації DuPont) у середині 50-х років минулого століття було нанесено на хлібопекарські форми. 10 років потому його стали використовувати як антипригарне покриття на кухонному посуді.

Однак під час використання посуду з тефлоновим покриттям потрібно пам’ятати, що його легко ушкодити тертям абразивами. За температури понад 200 °С політетрафлуороетен розкладається з утворенням токсичних продуктів. Тож ніколи не використовуйте для приготування їжі посуд з пошкодженим тефлоновим покриттям!

Поліаміди - високомолекулярні сполуки, що містять повторювані амідні (пептидні) групи в основному ланцюзі макромолекули (рис. 29.8). Поліаміди здатні витримувати циклічні навантаження. Вони зберігають свої характеристики в широкому діапазоні температур, витримують стерилізування парою до 140 °С. Залишаються еластичними за низьких температур. Недоліками поліамідів є висока гігроскопічність і низька світлостійкість. Ці матеріали застосовують для виробництва клеїв, плівок різних призначень (пакувальний матеріал, кіноплівка, шкірозамінники тощо). Поліаміди - замінники кісток, шкіри в медицині, захисні антикорозійні покриття для металів, бетону.

Рис. 29.8. Прозорі плівки, які отримують з розплавів або розчинів поліамідів. Зносостійкі, міцні на злам, стійкі до лугів, розчинників, масел. Застосовують для упаковки харчових продуктів (жирів, зокрема), як оболонки для ковбас, електроізоляційний матеріал тощо

ПРО ГОЛОВНЕ

• Пластмаси - матеріали, виготовлені на основі полімерів і здатні внаслідок упливу нагрівання й тиску набувати певної форми та зберігати її після охолоджування або тверднення.

• Уведення до складу полімерних композицій барвників, пластифікаторів, наповнювачів поліпшує ергономічні й експлуатаційні властивості, полегшує перероблення, а також істотно здешевлює матеріал.

• Найпоширенішими є пластики на основі синтетичних високомолекулярних сполук.

• Термопластичність - здатність полімерів і пластмас багаторазово розм’якшуватися й тверднути внаслідок нагрівання і наступного охолодження.

• Важливою умовою сталого розвитку є створення новітніх матеріалів на основі біосировини.

Перевірте себе

1. Що таке пластмаси? 2. Яким матеріалом є целулоїд? 3. Які компоненти надають пластмасам еластичності? 4. Які полімери називають термопластичними? 5. Наведіть приклади термопластичних полімерів. 6. Яку властивість полімерів використовують для їхньої рециклізації?

Застосуйте свої знання й уміння

7. Порівняйте штучні й синтетичні полімери. 8. Поясніть: а) подібність властивостей парафіну та поліетилену; б) чому властивості пластмас часто відрізняються від властивостей полімерів, на основі яких вони створені. 9. Пригадайте властивості пластмас, про які йшлося в цьому параграфі, і поясніть, чому не можна: а) чистити підошву праски з тефлоновим покриттям абразивними матеріалами; б) користуватися посудом, якщо тефлонове покриття на ньому пошкоджене; в) уживати та зберігати гарячі напої та страви в посуді, виготовленому з полістиролу; г) використовувати для зберігання харчових продуктів тару з полівінілхлориду. 10. Дізнайтеся, чи є у вашому регіоні підприємства, що виробляють (чи переробляють) полімери та пластмаси. Підготуйте стисле повідомлення про сировину, яку вони використовують, і про їхню продукцію. 11. Поясніть, як використання пластмас у медицині сприяло запобіганню інфікуванню ВІЛ (вірусом імунодефіциту людини).

Творча майстерня

12. Самостійно або в складі малої навчальної групи створіть реальну чи віртуальну колекцію пластмас, які ви використовуєте в повсякденному житті. В описі прокоментуйте маркування, яке ви виявили на виробах із цих матеріалів, установіть зв’язок між їхніми властивостями і застосуванням. 13. Підготуйте міні-лекцію для широкого загалу про безпечне використання пластмасу побуті. 14. Підготуйте для молодшого школярства агітаційний спектакль, що має переконати в доцільності викидати пластмасові відходи в спеціально призначений для цього контейнер.

Дізнайтеся більше

  • https://www.youtube.com/watch?v=5wujkYBklpM
  • https://www.youtube.com/watch?v=Fpff9EL26Ko
  • https://www.youtube.com/watch?v=0TWpKR1wzjc
  • https://www.youtube.com/watch?v=ut-cCBINHmA&index=85&list=PLnbQh4j9gZkKZDdTU1xVdJZ8FQIvkJCWF
  • https://www.youtube.com/watch?v=SfAI8EdQpbk&index=86&list=PLnbQh4j9gZkKZDdTU1xVdJZ8FQIvkJCWF
  • https://www.youtube.com/watch?v=UIIyH1369WU