A műanyagok (műanyag tömegek) vagy műanyagok szintetikus vagy természetes makromolekuláris vegyületeken ( polimereken ) alapuló anyagok. A szintetikus polimer alapú műanyagok kivételesen széles körben használatosak.
A "műanyagok" elnevezés azt jelenti, hogy ezek az anyagok hő és nyomás hatására hűtés vagy kikeményedés után képesek adott formát kialakítani és megtartani. A formázási folyamat egy plasztikusan deformálható (viszkózus vagy nagy rugalmasságú ) állapot szilárd állapotba ( üveges vagy kristályos ) átmenetével jár [1] .
Az első műanyagot Alexander Parkes angol kohász és feltaláló szerezte meg 1855-ben [2] . Parkes parkezinnek nevezte (később egy másik név is elterjedt - celluloid ). A Parkesine-t először a londoni Nagy Nemzetközi Kiállításon mutatták be 1862-ben. A műanyagok fejlődése a természetes műanyagok ( rágógumi , sellak ) felhasználásával kezdődött, majd a kémiailag módosított természetes anyagok ( gumi , nitrocellulóz , kollagén , galalit ) felhasználásával folytatódott és végül eljutott a teljesen szintetikus molekulákig ( bakelit , epoxigyanta ) , polivinil-klorid , polietilén és mások).
A parkezin volt az első mesterséges műanyag védjegye, és salétromsavval és oldószerrel kezelt cellulózból készült. A parkezint gyakran mesterséges elefántcsontnak nevezték . 1866-ban Parkes megalapította a Parkesine Company-t az anyag tömeggyártására. 1868-ban azonban a cég csődbe ment a rossz termékminőség miatt, mivel a Parkes megpróbálta csökkenteni a termelési költségeket. A Parkesine-t a xilonit (ugyanannak az anyagnak egy másik neve) követte, amelyet Daniel Spill , a Parkes egykori alkalmazottja cég készített, és a celluloid, amelyet John Wesley Hyatt készített . Kezdetben a celluloidot ott kezdték használni, ahol korábban az elefántcsontot használták, különösen biliárdgolyók, zongorabillentyűk és műfogak gyártásához.
1907-ben Leo Baekeland belga és amerikai kémikus feltalálta a bakelit, az első olcsó, nem gyúlékony és teljesen szintetikus univerzális felhasználásra szánt műanyagot. Amerika felvillanyozódik, szüksége volt egy szigetelőanyagra, ami helyettesítheti az ebonitot vagy a sellakot. De kiderült, hogy a bakelit nagyon sok dolog gépesített tömeggyártására alkalmas. A bakelit megalkotása után sok cég nagyra értékelte a műanyagokban rejlő lehetőségeket, és kutatásba kezdett új műanyagok létrehozása érdekében.
Oroszországban fenol és formaldehid alapú műanyagok létrehozására is sor került. 1913-1914-ben az Orekhovo-Zuevo város közelében található Dubrovka falu selyemszövő gyárában G. S. Petrov V. I. Lisevvel és K. I. Tarasovval együtt szintetizálta az első orosz műanyagot - karbolitot [3] és megszervezte . a termelése. A karbolit a karbolsavról kapta a nevét, amely a fenol másik neve . A jövőben Petrov Grigorij Szemjonovics folytatja a műanyagok fejlesztését és a textolit fejlesztését [4] .
A polimer természetétől és az öntés során a viszkózusból az üveges állapotba való átmenet jellegétől függően a műanyagokat a következőkre osztják:
Ezenkívül a gázzal töltött műanyagok alacsony sűrűségű habosított műanyagok;
A műanyagok fő mechanikai jellemzői ugyanazok, mint a nemféméké.
A műanyagokat alacsony sűrűség (0,85-1,8 g/cm³), rendkívül alacsony elektromos és hővezető képesség, valamint nem túl magas mechanikai szilárdság jellemzi . Melegítéskor (gyakran előzetes lágyítással) lebomlanak. Érzéketlen a nedvességre , ellenáll az erős savaknak és lúgoknak , eltérő a szerves oldószerekkel szemben (a polimer kémiai természetétől függően). Fiziológiailag szinte ártalmatlan. A műanyagok tulajdonságai módosíthatók kopolimerizációval vagy sztereospecifikus polimerizációval , különféle műanyagok egymással vagy más anyagokkal, például üvegszállal , textilszövettel kombinálásával , töltő- és színezékek, lágyítók , hő- és fénystabilizátorok , besugárzás stb. , valamint a nyersanyagok változtatásával, például megfelelő poliolok és diizocianátok használatával a poliuretánok gyártása során .
A műanyagok keménységét Brinell határozza meg 50-250 kgf/5 mm átmérőjű golyónkénti terhelésnél.
Martens hőállóság - az a hőmérséklet, amelyen egy 120 × 15 × 10 mm méretű, állandó nyomatékkal meghajlított műanyag rúd összeomlik, vagy amely a legnagyobb hajlítási feszültséget okozza a 120 × 15 mm-es, 50 kgf / cm²-es felületeken. úgy meghajlik, hogy a végmintán megerősítve legyen, a 210 mm-es kar 6 mm-t fog elmozdulni.
A Vicat szerinti hőállóság - az a hőmérséklet, amelyen egy 1,13 mm átmérőjű hengeres rúd 5 kg-os terhelés hatására (lágy műanyagoknál 1 kg) 1 mm-rel mélyen behatol a műanyagba.
ridegségi hőmérséklet (fagyállóság) – az a hőmérséklet, amelyen egy műanyag vagy rugalmas anyag ütközéskor törékennyé válhat.
A műanyag különleges tulajdonságainak biztosítása érdekében lágyítószereket (szilikon, dibutil-ftalát , PEG stb.), égésgátlókat (difenil-butánszulfonsav), antioxidánsokat ( trifenil -foszfit , telítetlen szénhidrogének ) adnak hozzá.
A szintetikus műanyagok előállítása szénből , olajból vagy földgázból felszabaduló kis molekulatömegű kiindulási anyagok , például benzol , etilén , fenol , acetilén és más monomerek polimerizációs , polikondenzációs vagy poliaddíciós reakcióin alapul . Ebben az esetben nagy molekulatömegű kötések jönnek létre nagyszámú kezdeti molekulával (a "poli-" előtag a görög "sok", például etilén-polietilénből).
A műanyag tömegek a fémekhez képest megnövekedett rugalmas alakváltozással rendelkeznek, aminek következtében a műanyagok feldolgozása során nagyobb nyomást alkalmaznak, mint a fémek feldolgozásánál . Bármilyen kenőanyag használata általában nem javasolt; csak bizonyos esetekben megengedett az ásványi olaj a kikészítéshez . Hűtse le a terméket és a szerszámot levegőárammal.
A műanyagok törékenyebbek, mint a fémek, ezért a műanyagok vágószerszámokkal történő megmunkálásakor nagy forgácsolási sebességet kell használni, és csökkenteni kell az előtolást. A szerszámkopás a műanyagok megmunkálásánál sokkal nagyobb, mint a fémek megmunkálásánál, ezért szükséges a nagy széntartalmú vagy gyorsacélból, illetve keményötvözetekből készült szerszám használata. A vágószerszámok pengéit a lehető legélesebben kell élesíteni, ehhez finom szemcsés kerekeket kell használni.
Műanyag esztergagépen esztergálható, marható . Szalagfűrészek , körfűrészek és karborundum kerekek használhatók fűrészelésre .
A műanyagok egymáshoz kötése történhet mechanikusan (göndör profilok, csavarok, szegecsek stb. használatával), kémiailag (ragasztás, feloldás, majd szárítás), termikusan (hegesztés). A felsorolt kötési módok közül csak hegesztéssel nyerhető idegen anyagok nélküli csatlakozás, valamint olyan kötés, amely tulajdonságait és összetételét tekintve a lehető legközelebb lesz az alapanyaghoz. Ezért a műanyagok hegesztése alkalmazást talált olyan szerkezetek gyártásában, amelyekre fokozott tömítettségi, szilárdsági és egyéb tulajdonságok vonatkoznak.
A műanyagok hegesztési folyamata az összeillesztendő felhevített felületek érintkezése következtében kötés kialakításából áll. Bizonyos körülmények között előfordulhat:
Azt is meg kell jegyezni, hogy a műanyagok lineáris tágulási hőmérsékleti együtthatója többszöröse a fémekének, ezért a hegesztés és hűtés során maradó feszültségek és deformációk lépnek fel, amelyek csökkentik a műanyagok hegesztett kötéseinek szilárdságát.
A műanyagok hegesztett kötéseinek szilárdságát nagymértékben befolyásolja a kémiai összetétel, a makromolekulák orientációja, a környezeti hőmérséklet és egyéb tényezők.
Különféle műanyaghegesztési típusokat alkalmaznak:
A fémek hegesztéséhez hasonlóan a műanyagok hegesztésénél is törekedni kell arra, hogy a varrat és a hőhatászóna anyaga mechanikai és fizikai tulajdonságaiban alig térjen el az alapanyagtól. A hőre lágyuló műanyagok fúziós hegesztése a feldolgozás más módszereihez hasonlóan a polimernek először nagy rugalmasságú, majd viszkózus folyási állapotba történő átvitelén alapul, és csak akkor lehetséges, ha az anyagok (vagy alkatrészek) hegesztett felületei átvihetők viszkózus olvadt állapot. Ebben az esetben a polimer viszkózus áramlási állapotba való átmenete nem járhat együtt az anyag hőbomlás általi bomlásával.
Sok műanyag hegesztése során káros gőzök és gázok szabadulnak fel. Minden gázra van egy szigorúan meghatározott maximális elérhető koncentráció a levegőben ( MPC ). Például a szén-dioxid esetében az MPC 20, az acetonnál - 200 és az etil-alkoholnál - 1000 mg / m³.
A bútorgyártáshoz használt műanyagot papír hőre keményedő gyantával történő impregnálásával nyerik . A papírgyártás a teljes műanyaggyártási folyamat legenergia- és tőkeigényesebb lépése. 2 fajta papírt használnak: a műanyag alapja a nátronpapír (vastag és fehérítetlen) és a dekorpapír (a műanyag mintázatát adja). A gyanták fenol -formaldehid gyantákra oszlanak , amelyeket nátronpapír impregnálására használnak, és melamin -formaldehid gyantákra , amelyeket dekorációs papír impregnálására használnak. A melamin-formaldehid gyanták melaminból készülnek, ezért drágábbak.
A bútorműanyag több rétegből áll. A védőréteg - overlay - gyakorlatilag átlátszó. Kiváló minőségű, melamin formaldehid gyantával impregnált papírból készült. A következő réteg dekoratív. Ezután több réteg nátronpapír, amely a műanyag alapja. Az utolsó réteg pedig kompenzáló (melamin-formaldehid gyantával impregnált nátronpapír). Ez a réteg csak az amerikai bútorműanyagban van jelen.
A kész bútorműanyag tartós színezett lemez, amelynek vastagsága 1-3 mm. Tulajdonságai szerint közel áll a getinax -hoz . Különösen nem olvad meg, ha a forrasztópáka hegyével megérinti , és szigorúan véve nem műanyag massza, mivel nem önthető forró állapotban, bár hevítéskor lap alakúra változtatható. A bútorműanyagot a 20. században széles körben használták metrókocsik belső díszítésére .
Bioműanyagok - polimerek, amelyek természetes vagy fosszilis nyersanyagokat tartalmaznak biológiailag lebomló összetevőkkel. A bioműanyagok a nehezen újrahasznosítható műanyagok vagy az eldobható termékek alternatívájaként használhatók. Ide tartoznak a szupermarketek csomagjai.
A bioműanyagok legnépszerűbb típusai a politejsav (PLA) és a polihidroxialkanoátok (PHA).
A bioműanyagok előnyei közé tartozik a hulladék csökkentése, az energiaköltségek csökkentése, a hagyományos és a biológiailag lebomló anyagok kombinálásának lehetősége, valamint a megújuló erőforrások felhasználása a termelésben. A bioműanyagok hátrányai közé tartozik a bizonyos ártalmatlanítási eljárás szükségessége, a műtrágyák fokozott használata, az ártalmatlanítás bonyolultsága, a termőföld növekedése és a magas költségek.
Ezek a biopolimerek közé tartozik a PBA, PBS, PVAL, PCL, PGA és a módosított PET. A bioműanyagok közé tartoznak a keményítőn, módosított cellulózon, PHA-n vagy PLA-n alapuló biopolimerek. Vannak biológiailag nem lebontható polimerek is, amelyek természetes alapanyagokból készülnek. Ide tartozik a polietilén, PVC, PET vagy PBTF, amelyek nyersanyagai részben vagy egészben biomasszából származnak. Ezen kívül megkülönböztethető a bioetilén, a biomonoetilénglikol, a bio-1,4-butándiol, a közvetlen cukorerjesztésű monoetilénglikol, a poliamid-11.
A bioműanyagok előállításának világszintje a teljes műanyagtermelés 1%-át teszi ki. Ennek oka a gyártási folyamat magas költsége, valamint a bioműanyagok elkülönített gyűjtésének és ártalmatlanításának feltételeinek hiánya. A szakértők azonban megjegyzik e terület nagy növekedési és fejlődési potenciálját [5] .
Az eldobható cikkek újrahasznosításának biztosítására 1988 -ban a Műanyagipari Társaság címkézési rendszert fejlesztett ki minden típusú műanyagra és azonosító kódokra. A műanyag jelölés három háromszög alakú nyílból áll, amelyek belsejében a műanyag típusát jelző szám található. A termékek jelölésénél gyakran a háromszög alatt a betűjelölést tüntetik fel (az orosz betűkkel történő jelölést zárójelben jelöljük). A műanyagok típusától függően hét kód létezik:
Ikon | Angol cím | Orosz név | Tulajdonságok és biztonság | jegyzet |
---|---|---|---|---|
PET vagy PETE | PET , PET Polietilén-tereftalát (lavsan) |
Magas akadályteljesítmény. Napfényállóság. Megengedett hőhatás +60°-ig. Mikrohullámú sütőben és sütőben újramelegíthető, ha fel van tüntetve. Nem ajánlott újra felhasználni. |
Általában ásványvíz tartályok, üdítőitalok és gyümölcslevek, csomagolások, buborékfóliák, kárpitok gyártásához használják. Nagy feldolgozási potenciállal rendelkezik. | |
PEHD vagy HDPE | HDPE , HDPE HDPE , LDPE |
Magas vegyszerállóság. Megengedett hőhatás 90°-ig. |
Palackok, kulacsok, félkemény csomagolások gyártása. Élelmiszer-használatra biztonságosnak tekinthető. Jó feldolgozási potenciállal rendelkezik. | |
PVC / V | PVC polivinil-klorid |
Biztonságosan használható háztartási és ipari környezetben. Kémiai tehetetlenség, gát és antibakteriális tulajdonságok. Hosszú élettartam. Alacsony hőmérsékletekkel szembeni ellenállás. Égésálló. |
Csövek , csövek, kerti bútorok, padlóburkolatok, ablakprofilok, redőnyök , elektromos szalagok, mosószer -tartályok és olajkendők gyártására használják . Széles körben használják az orvostudományban és az építőiparban. Nagy feldolgozási potenciál van benne, de ehhez hiányzik a kapacitás. | |
LDPE vagy PELD | LDPE , LDPE LDPE , HDPE |
Magas vegyszerállóság. Mikrohullámú sütőben nem használható. Fűtés nem javasolt. Nem ajánlott meleg ételt tárolni. |
Ponyva , szemeteszsákok, zacskók, fóliák és rugalmas konténerek gyártása . Élelmiszer-használatra biztonságosnak tekinthető. Jó újrahasznosítási potenciállal rendelkezik. | |
PP | PP polipropilén |
Magas vegyszerállóság. Mikrohullámú sütőben melegíthető. Lefagyni megengedett. |
Alkalmazása az autóiparban (berendezések, lökhárítók ), a játékok gyártásában, valamint az élelmiszeriparban, főként a csomagolóanyagok gyártásában. A vízvezetékekhez való polipropilén csövek széles körben elterjedtek. Élelmiszer-használatra biztonságosnak tekinthető. Jó újrahasznosítási potenciállal rendelkezik. | |
PS / EPS | PS polisztirol |
Elfogadható újrafelhasználható hideg ételekkel. Magas ütésállóság és hőszigetelés. Mikrohullámú sütőben nem használható. Fűtés nem javasolt. Nem ajánlott meleg ételt tárolni. |
Épületszigetelő táblák, élelmiszer-csomagolások, evőeszközök és csészék, CD -dobozok és egyéb csomagolások (élelmiszer-fólia és hab), játékok, edények, tollak és így tovább gyártásához használják. Az anyag potenciálisan veszélyes, különösen tűz esetén, mert sztirolt tartalmaz . Korlátozott újrahasznosítási potenciállal rendelkezik. | |
EGYÉB vagy O | Egyéb | Különböző típusú műanyagok kombinációja tulajdonságainak javítása érdekében, például kompozit vagy többrétegű csomagolás | Ebbe a csoportba tartozik minden olyan műanyag, amely nem sorolható be az előző csoportokba. Kemény átlátszó termékek, például babaszarv készítésére használják . Egyes anyagoknál alacsony az újrahasznosítási lehetőség, de bizonyos anyagokat meglehetősen sikeresen újrahasznosítanak, például LDPE és HDPE keverékét, valamint polietilén és polipropilén keverékét, egyes akril anyagokat, a legtöbb bioműanyagot. Az ilyen anyagokat gyakran használják csövek, zsákok, aszfalttöltőanyagok, dobozok, kúpok és egyéb fogyasztási cikkek gyártásához. |
A Greenpeace szerint a műanyaghulladék újrahasznosítása háromszor kevesebb kárt okoz a bolygón, mint a polimerek elsődleges előállítása [6] .
A fejlett országokban a hulladékok, különösen a polimerhulladékok újrahasznosítása az állam és a magáncégek egyik üzleti formává vált [6] . Így Kínában több mint 10 ezer vállalkozás foglalkozik műanyaghulladék feldolgozásával, ezek közel fele nagy- és középvállalkozásokhoz tartozik, amelyek folyamatosan növelik a feldolgozás volumenét; az országban spontán szemétgyűjtő közösség működik, amely a lakosságtól a háztartási hulladék felvásárlásával, majd gyűjtőhelyekre történő továbbértékesítésével foglalkozik.
2018 januárjában az Európai Bizottság közzétette a műanyaghulladék újrahasznosítási stratégiáját, amely szerint 2030-ig minden elhasznált műanyag csomagolást össze kell gyűjteni és újra fel kell használni [7] .
Ma Oroszországban különböző becslések szerint az összes hulladék 5-10%-át hasznosítják újra; a polimer hulladékok a teljes térfogat mintegy 8%-át teszik ki, ennek maximum egytizedét hasznosítják újra [6] . Oroszországban 2 modellt alkalmaznak, amelyek szerint a műanyag újrahasznosítható: az első esetben a „tiszta” műanyagot össze kell gyűjteni, majd bevonni a gyártásba, a másodikban pedig az alacsony minőségű műanyaghulladékot (pl. szerves anyaggal keverve) hőkezeléssel benzint és olajat készítenek. Oroszország 2018 óta tiltja bizonyos típusú hulladékok ártalmatlanítását [8] . Ezzel párhuzamosan megkezdődött a szelektív hulladékgyűjtést célzó programok kidolgozása. A 2020-as évek közepére Oroszország azt tervezte, hogy az egész országban létrehoz egy rendszert a hulladék-újrahasznosítás szétválasztására.
Különféle intézkedéseket hoznak a műanyag zacskók okozta szennyezés leküzdésére, és közel 40 ország már betiltotta vagy korlátozta a műanyag zacskók értékesítését és/vagy gyártását .
A műanyaghulladékot újra kell hasznosítani , mert a műanyag elégetésekor mérgező anyagok szabadulnak fel , és a műanyag lebomlása akár 500 évig is eltarthat [9] [10] .
2010 decemberében Jan Bayens és kollégái a Warwicki Egyetemen új technológiát javasoltak szinte minden műanyaghulladék újrahasznosítására. A gép egy fluidágyas reaktorban, körülbelül 500 °C hőmérsékleten és oxigénhez való hozzáférés nélkül végzett pirolízissel lebontja a műanyag törmelékdarabokat, miközben sok polimer az eredeti monomerekre bomlik. Az elegyet ezután desztillációval elválasztják . A feldolgozás végterméke viasz, sztirol, tereftálsav, metil-metakrilát és szén, amelyek a könnyűipari alapanyagok. Ennek a technológiának a használata a hulladék elhelyezésének megtagadása révén pénzt takarít meg, és az alapanyagok átvételét is figyelembe véve (ipari felhasználás esetén) gyorsan megtérülő és kereskedelmi szempontból is vonzó módja a műanyaghulladék elhelyezésének [11] .
A fenolgyanta alapú műanyagok, valamint a polisztirol és a poliklórozott bifenilek a fehérrothadás gombák által lebonthatók . Ez a módszer azonban kereskedelmileg nem hatékony a hulladékok ártalmatlanításában – a fenolgyanta alapú műanyagok megsemmisítésének folyamata több hónapig is eltarthat. A közelmúltban olyan baktériumokat találtak, amelyek körülbelül 10 féle műanyagot bomlanak le. [12] .
A műanyaghulladék felhalmozódása speciális szemétfoltokat képez az óceánokban az áramlatok hatására . Jelenleg öt nagy szemétfolt halmozódott fel – kettő-két a Csendes- és Atlanti-óceánban , egy-egy pedig az Indiai-óceánban . Ezek a szemétciklusok főként a kontinensek sűrűn lakott part menti övezeteiből származó kibocsátások eredményeként keletkező műanyaghulladékból állnak. Kara Lavender Law of the Sea Education Association (SEA ) tengerkutatási igazgatója kifogásolja a "folt" kifejezést, mivel természetüknél fogva szétszórt kis műanyagdarabkákról van szó. A műanyaghulladék azért veszélyes, mert a tengeri állatok gyakran nem látják a felszínen lebegő átlátszó részecskéket, és a mérgező hulladék bejut a gyomrukba, ami gyakran halált okoz [13] [14] . A műanyag részecskék szuszpenziója a zooplanktonra hasonlít, és a medúza vagy a hal összetévesztheti őket táplálékkal. Nagy mennyiségű tartós műanyag (üvegkupakok és -gyűrűk, eldobható öngyújtók) kerül tengeri madarak és állatok [15] , különösen tengeri teknősök és feketelábú albatroszok gyomrába [16] . Amellett, hogy közvetlenül károsítják az állatokat [17] , az úszó hulladékok szerves szennyező anyagokat is felszívhatnak a vízből, beleértve a PCB -ket (poliklórozott bifenileket), a DDT -t (diklór-difenil-triklór-metil-metán) és a PAH-okat (poliaromás szénhidrogéneket). Ezen anyagok némelyike nemcsak mérgező [18] – szerkezetük hasonló az ösztradiol hormonhoz , ami hormonális elégtelenséghez vezet egy mérgezett állatban. .
Szótárak és enciklopédiák | ||||
---|---|---|---|---|
|
műanyagok | |
---|---|
Hőre lágyuló műanyagok |
|
Hőre lágyuló műanyagok |
|
Elasztomerek |
|