Полимерные строительные материалы представляют сложную систему из: Полимерные строительные материалы представляют сложную систему из

Силиконовый герметик выдается из пистолета для уплотнения.

Фторуглеродосодержащие полимеры, известные как фторполимеры, состоят из углеродно-фторных связей, которые обладают высокой стабильностью и делают соединение устойчивым к растворителям.Природа углеродно-фторной связи дополнительно придает фторполимерам антипригарные свойства; это наиболее широко проявляется в тефлоне из политетрафторэтилена (PFTE).

Что такое полимер? | MATSE 81: Материалы в современном мире

Щелкните, чтобы увидеть расшифровку «От ДНК к глупой замазке», «Разнообразный мир полимеров».

Что общего между шелком, ДНК, деревом, воздушными шарами и Silly Putty? Это полимеры.

Полимеры настолько важны в нашей жизни, что практически невозможно представить мир без них, но что это за хрень? Полимеры — это большие молекулы, состоящие из небольших единиц, называемых мономерами, связанных вместе, как железнодорожные вагоны из поезда.Поли означает много, моно означает один, а мерс или меро означает части. Многие полимеры получают путем повторения одного и того же небольшого мономера снова и снова, в то время как другие состоят из двух мономеров, связанных в узор.

Все живое сделано из полимеров. Некоторые органические молекулы в организмах маленькие и простые, они имеют только одну из нескольких функциональных групп. Другие, особенно те, которые играют структурные роли или хранят генетическую информацию, являются макромолекулами. Во многих случаях эти макромолекулы представляют собой полимеры.Например, сложные углеводы — это полимеры простых сахаров, белки — это полимеры аминокислот, а нуклеиновые кислоты, ДНК и РНК, которые содержат нашу генетическую информацию, — это полимеры нуклеотидов. Деревья и растения сделаны из полимерной целлюлозы. Это твердый материал, который можно найти в коре и стеблях. Перья, мех, волосы и ногти состоят из белкового кератина, который также является полимером. Это еще не все. Знаете ли вы, что экзоскелеты самого большого типа в животном мире, членистоногих, сделаны из полимерного хитина?

Полимеры также составляют основу синтетических волокон, каучуков и пластмасс.Все синтетические полимеры получают из нефтяного масла и производятся с помощью химических реакций. Два наиболее распространенных типа реакций, используемых для получения полимеров, — это реакции присоединения и реакции конденсации. Помимо реакций, мономеры просто складываются вместе с образованием полимера. Процесс начинается со свободного радикала, разновидности с неспаренным электроном. Свободные радикалы атакуют и разрывают узы, образуя новые узы. Этот процесс повторяется снова и снова, чтобы создать длинноцепочечный полимер. В реакциях конденсации в каждой реакции удлинения цепи образуется небольшая молекула, такая как вода.

Первые синтетические полимеры были созданы случайно как побочные продукты различных химических реакций. Считая их бесполезными, химики в основном их отбрасывали. В конце концов, некто по имени Лео Бэкеланд решил, что, возможно, его бесполезный побочный продукт не так уж и бесполезен. Его работа привела к созданию пластика, которому можно было постоянно придавать форму под давлением и высокими температурами. Поскольку название этого пластика, полиоксибензилметиленгликольангидрид, было не слишком броским, рекламодатели назвали его бакелитом.Из бакелита делали телефоны, детские игрушки и изоляторы для электрических устройств. С развитием в 1907 году пластмассовая промышленность пережила настоящий взрыв.

Еще один знакомый полимер, Silly Putty, также был изобретен случайно. Во время Второй мировой войны Соединенные Штаты отчаянно нуждались в синтетическом каучуке для поддержки армии. Команда химиков из General Electric попыталась создать его, но в итоге получила липкую и мягкую замазку. Это был не лучший заменитель резины, но у него было одно странное качество: он казался чрезвычайно упругим.Так родился Silly Putty!

Синтетические полимеры изменили мир. Подумай об этом. Можете ли вы представить себе, как прожить один день без пластика? Но не все полимеры хороши. Пенополистирол, например, состоит в основном из стирола, который был идентифицирован Агентством по охране окружающей среды как возможный канцероген. По мере производства изделий из пенополистирола или их медленного разрушения на свалках или в океане они могут выделять токсичный стирол в окружающую среду. Кроме того, пластмассы, созданные в результате реакций присоединительной полимеризации, такие как пенополистирол, полиэтиленовые пакеты и ПВХ, прочны и безопасны для пищевых продуктов, но это означает, что они не разрушаются в окружающей среде.Ежегодно на свалки выбрасываются миллионы тонн пластика. Этот пластик не разлагается биологически, он просто распадается на все более мелкие части, влияя на морскую жизнь и в конечном итоге возвращаясь к людям.

Полимеры могут быть мягкими или твердыми, мягкими или твердыми, хрупкими или прочными. Огромное различие между ними означает, что они могут образовывать невероятно разнообразный набор веществ, от ДНК до нейлоновых чулок. Полимеры настолько полезны, что мы стали полагаться на них каждый день. Но некоторые из них засоряют наши океаны, города и водные пути, оказывая воздействие на наше здоровье, которое мы только начинаем понимать.

Основная структура полимера | MATSE 81: Материалы в современном мире

На рисунке ниже показаны четыре основные полимерные структуры. На практике некоторые полимеры могут содержать смесь различных основных структур. Четыре основных полимерных структуры — линейные, разветвленные, сшитые и сетчатые.

Диаграммы линейных, разветвленных, сшитых и сетчатых полимерных структур.

Кредит: адаптировано из рис. 4.7, Callister & Rethwisch 5e.

Линейные полимеры напоминают «спагетти» с длинными цепями. Длинные цепи обычно удерживаются вместе более слабой ван-дер-ваальсовой или водородной связью. Поскольку эти типы связи относительно легко разрушаются при нагревании, линейные полимеры обычно являются термопластичными. Тепло разрывает связи между длинными цепями, позволяя цепям течь друг мимо друга, что позволяет повторно формовать материал. При охлаждении связи между длинными цепями реформируются, т. Е. Полимер затвердевает.

Разветвленные полимеры напоминают линейные полимеры с добавлением более коротких цепей, свисающих с основы спагетти.Поскольку эти более короткие цепи могут мешать эффективной упаковке полимеров, разветвленные полимеры имеют тенденцию быть менее плотными, чем аналогичные линейные полимеры. Поскольку короткие цепи не переходят от одной более длинной основной цепи к другой, тепло обычно разрывает связи между разветвленными полимерными цепями и позволяет полимеру быть термопластичным, хотя есть некоторые очень сложные разветвленные полимеры, которые сопротивляются такому « плавлению » и, следовательно, распадаются (становятся твердыми в процессе) до размягчения, т. е. термоотверждаются.

Сшитые полимеры напоминают лестницы. Цепи соединяют один хребет с другим. Таким образом, в отличие от линейных полимеров, которые удерживаются вместе более слабыми силами Ван-дер-Ваальса, сшитые полимеры связаны друг с другом ковалентной связью. Эта гораздо более прочная связь делает большинство сшитых полимеров термореактивными, за некоторыми исключениями из правил: сшитые полимеры, которые разрывают свои сшивки при относительно низких температурах.

Сетчатые полимеры представляют собой сложные полимеры, которые сильно связаны, образуя сложную сеть трехмерных связей.Эти полимеры практически невозможно размягчить при нагревании без разрушения основной полимерной структуры, и поэтому они являются термореактивными полимерами.

Мономеры не обязательно должны быть одноатомного типа, но, когда речь идет о конкретном мономере, подразумевается, что они имеют одинаковую композиционную структуру. При создании полимера из двух различных мономеров эти полимеры называют сополимерами. Далее мы посмотрим, как классифицируются сополимеры.

Сополимеры

Если химик синтезирует полимер с использованием двух различных исходных мономеров, существует несколько возможных структур, как показано на рисунке ниже.Четыре основные структуры: случайных , чередующихся , блоков и прививок . Если два мономера упорядочены случайным образом, то неудивительно, что сополимер называют статистическим сополимером. В чередующемся сополимере каждый мономер чередуется с другим, образуя узор ABABABA…. В блок-сополимерах возможны более сложные повторяющиеся структуры, например AAABBBAAABBBAAA… Привитые сополимеры создаются путем присоединения цепей мономера второго типа к основной цепи мономера первого типа.

Четыре основные структуры сополимеров.

Предоставлено: адаптировано из рис. 4.9, Callister & Rethwisch 5e.

Прежде чем мы перейдем к многочисленным применениям полимеров, посмотрите это четырехминутное видео, в котором рассказывается об использовании полимеров.

смотреть

Щелкните, чтобы увидеть стенограмму использования полимеров.

В наших предыдущих видеороликах мы исследовали, как образуются полимеры, и уравнения реакций полимеризации.В этом видео мы более подробно рассмотрим некоторые различные полимеры и их конкретные применения, а также проблемы, связанные с полимерами. Как вы теперь знаете, полимеры — это длинная цепочка органических молекул, состоящая из повторяющихся денежных единиц. В жизни есть ряд природных полимеров, таких как каучук, и даже в нашем собственном теле есть природные полимеры, такие как белки, углеводы и ДНК, и это лишь некоторые из них. Остальную часть этого урока мы сосредоточим на синтетических полимерах. Общее название синтетических полимеров — пластмассы, которые очень часто используются в нашей повседневной жизни.От простой упаковки до сложных конструкционных строительных материалов. Однако более широкое использование пластика в наших домах приводит к тому, что почти четверть всех твердых отходов является пластиком. Некоторые из них можно переработать, чтобы минимизировать воздействие на окружающую среду. Долгосрочная цель многих химиков — разработать больше биоразлагаемых пластиков, которые естественным образом разрушались бы в окружающей среде. Вот несколько конкретных примеров полимеров и их общее использование.

Полиэтилен, используемый для изготовления пакетов и пластмасс.Полиэтилен высокой плотности используется для дренажных труб, бутылок с водой и емкостей. Полистирол используется в упаковке. Полипропилен используется для изготовления крышек, пластиковых бутылок и пластиковых труб. Полихлоропрен Etaene, часто известный как ПВХ, используется для изготовления окон и дверных рам, пластиковых петель и бутылок. Тетрафторэтилен Polly 1122, также известный как ПТФЭ, представляет собой антипригарное покрытие на сковородах, а также используется в подшипниках других поверхностей с низким коэффициентом трения. Кевлар — уникальный полимер, который используется для изготовления бронежилетов и курток.Нейлон используется в текстиле, одежде и коврах. Как видите, полимеры играют огромную роль в нашей повседневной жизни, и их использование широко и разнообразно благодаря своим уникальным индивидуальным свойствам. Важно понимать, что большинство алкеновых мономеров, используемых для производства полимеров, частично получают из сырой нефти, и поэтому очень важно, чтобы мы перерабатывали пластмассы, чтобы сохранить наши природные ресурсы для будущего производства этих полимеров.

Есть также большие проблемы, связанные с утилизацией полимеров.Самая большая проблема, как упоминалось выше, заключается в том, что полимеры не поддаются биологическому разложению, что означает, что микроорганизмы не могут их разрушить естественным образом. Утилизация полимеров путем сжигания или сжигания возможна, поскольку при этом выделяется тепло, которое можно использовать для выработки электроэнергии. Однако при сжигании полимеров образуется много токсичных газов, которые сами по себе могут нанести вред окружающей среде и вызвать загрязнение.

В конце этого урока вы должны понять важность полимеров, уметь назвать некоторые ключевые полимеры вместе с их использованием, а также описать проблемы, связанные с полимерами.

Теперь, когда вы посмотрели это видео, приступайте ко второму (из двух) заданий по чтению для этого урока.

Полимеры и пластмассы: введение в химию

1 Полимеры разные …

Давайте начнем с рассмотрения известного всем искусственного полимера в виде гибких прозрачных пластиковых пакетов : полиэтилена . Это также один из простейших полимеров, состоящий из цепей произвольной длины (но обычно очень длинных), состоящих из двухуглеродных звеньев.

Вы заметите некоторую «нечеткость» в том, как полиэтиленовые конструкции представлены выше. Волнистые линии на концах длинной конструкции указывают на то, что один и тот же узор продолжается бесконечно. Более компактное обозначение справа показывает минимальную повторяющуюся единицу, заключенную в скобки с надписями на тире; это означает то же самое и является предпочтительным способом изображения полимерных структур.

Полимеры и «чистые вещества»

В большинстве областей химии «чистое вещество» имеет определенную структуру, молярную массу и свойства.Однако оказывается, что немногие полимерные вещества являются однородными в этом отношении. Это особенно касается синтетических полимеров, молекулярные массы которых охватывают диапазон значений, как и последовательность, ориентация и связность отдельных мономеров. Таким образом, большинство синтетических полимеров на самом деле представляют собой смеси , а не чистые вещества в обычном химическом смысле этого слова. Их молекулярные массы обычно распределяются в широком диапазоне. (Подробнее)

Формы полимерных молекул: думаю,

Пусть вас не вводят в заблуждение химические формулы, которые изображают полимеры, такие как полиэтилен, как достаточно прямые цепи замещенных атомов углерода.Свободное вращение вокруг связей C — C позволяет длинным полимерным молекулам скручиваться и запутываться, очень похоже на спагетти. Таким образом, полимеры обычно образуют аморфных твердых тел. Однако есть способы, которыми можно частично ориентировать определенные полимеры.

Классификация полимеров

Полимеры можно классифицировать по способам, которые отражают их химический состав или, что более важно, их свойства и применение.Многие из этих факторов сильно взаимозависимы, и большинство из них обсуждается более подробно в следующих разделах этой страницы.

Классификация по структуре

• Природа мономерных звеньев
• Средняя длина цепи и молекулярная масса
• Гомополимеры (один вид мономерного звена) или сополимеры ;
• Топология цепи: как связаны мономерные звенья
• Наличие или отсутствие перекрестного разветвления
• Способ полимеризации

Классификация по свойствам:

• Плотность
• Термические свойства — могут ли они размягчаться или плавиться при нагревании?
• Степень кристалличности
• Физические свойства, такие как твердость, прочность, обрабатываемость.
• Растворимость, газопроницаемость

Классификация по применению:

• формованные и формованные изделия («пластмассы»)
• листов и пленок
• эластомеры (т.е. эластичные полимеры, такие как резина)
• клеи
• покрытия, краски, чернила
• волокна и пряжа

Физические свойства полимеров

Физические свойства полимера, такие как его прочность и гибкость, зависят от:

• длина цепи — как правило, чем длиннее цепи, тем прочнее полимер;
• боковые группы — полярные боковые группы (включая те, которые приводят к образованию водородных связей) создают более сильное притяжение между полимерными цепями, делая полимер более прочным;
  
• разветвление — прямые неразветвленные цепи могут упаковываться вместе более плотно, чем сильно разветвленные цепи, давая полимеры, которые имеют более высокую плотность, более кристаллические и, следовательно, более прочные;
  
• сшивание — если полимерные цепи сильно связаны друг с другом ковалентными связями, полимер тверже и труднее плавится.

Классификация по степени кристалличности

Кристаллические части этого полимера показаны синим цветом. [источник]

Для очень понятного обсуждения кристалличности полимера см. Эту страницу Macrogalleria.

Спагетти-подобные переплетения полимерных молекул имеют тенденцию к образованию аморфных твердых частиц, но часто случается, что некоторые части могут стать достаточно выровненными, чтобы создать область, демонстрирующую кристаллический порядок, поэтому нередко некоторые полимерные твердые частицы состоят из случайная смесь аморфных и кристаллических областей.Как и следовало ожидать, более короткие и менее разветвленные полимерные цепи могут легче организовываться в упорядоченные слои, чем длинные цепи. Также помогает водородная связь между соседними цепями, что очень важно для волокнообразующих полимеров, как синтетических (нейлон 6.6), так и натуральных (хлопковая целлюлоза).

Классификация по тепловым свойствам: термопласты и реактопласты

Чистые кристаллические твердые вещества имеют определенные точки плавления, но полимеры, если они вообще плавятся, демонстрируют более сложное поведение.При низких температурах запутанные полимерные цепи имеют тенденцию вести себя как жесткие стекла. Например, натуральный полимер, который мы называем каучуком , становится твердым и хрупким при охлаждении до температуры жидкого азота. Многие синтетические полимеры остаются в этом состоянии при температуре значительно выше комнатной.

Плавление кристаллического соединения соответствует внезапной потере дальнего порядка; это основная причина того, что такие твердые тела имеют определенные точки плавления, и именно поэтому нет промежуточной формы между жидким и твердым состояниями.В аморфных твердых телах нет дальнего порядка, поэтому нет температуры плавления в обычном понимании. Такие твердые вещества просто становятся все менее и менее вязкими при повышении температуры.

В некоторых полимерах (известных как термопласты ) существует довольно определенная точка размягчения, которая наблюдается, когда тепловая кинетическая энергия становится достаточно высокой, чтобы позволить внутреннему вращению происходить внутри связей и позволить отдельным молекулам скользить независимо от их соседей. , что делает их более гибкими и деформируемыми.Это определяет температуру стеклования t _g .

См. Здесь для более полного определения температуры стеклования.

В зависимости от степени кристалличности будет более высокая температура, точка плавления t _m , при которой кристаллические области расходятся, и материал становится вязкой жидкостью. Такие жидкости можно легко впрыснуть в формы для изготовления предметов различной формы или экструдировать в листы или волокна.

Другие полимеры (как правило, сильно сшитые) вообще не плавятся; они известны как термореактивные пластмассы . Если из них должны быть изготовлены формованные изделия, реакция полимеризации должна происходить внутри форм — гораздо более сложный процесс. Около 20% коммерчески производимых полимеров являются термореактивными; остальные — термопласты.

2 Термопластичные полимерные конструкции

Гомополимеры и гетерополимеры

Сополимеризация — бесценный инструмент для «настройки» полимеров так, чтобы они имели правильную комбинацию свойств для применения.Например, гомополимерный полистирол — это жесткий и очень хрупкий прозрачный термопласт с температурой стеклования 97 ° C. Сополимеризация его с акрилонитрилом дает смягчающий сополимер «SAN», в котором t _г повышено до 107 °, что делает его пригодным для использования в прозрачных емкостях для напитков.

Полимер, состоящий из идентичных мономерных звеньев (как полиэтилен), называется гомополимером . Гетерополимеры состоят из мономеров более чем одного типа.Искусственные гетерополимеры более известны как сополимеры .

Топология полимерной цепи

Полимеры также могут быть классифицированы как линейные или разветвленные, что дает следующие формы:

Мономеры могут быть соединены встык, а также могут быть сшиты для получения более твердого материала:

Если поперечные связи достаточно длинные и гибкие, соседние цепи могут перемещаться относительно друг друга, образуя эластичный полимер или эластомер .

Конфигурация и тактичность полимерных цепей

В линейном полимере, таком как полиэтилен, вращения вокруг одинарных связей углерод-углерод могут позволить цепям изгибаться или скручиваться по-разному, что приводит к спагетти-подобной смеси этих различных конформаций , о которых мы упоминали выше. Но если один из атомов водорода заменяется каким-либо другим элементом, например метильной группой, относительная ориентация отдельных мономерных звеньев, составляющих линейный участок любой углеродной цепи, становится важной характеристикой полимера.

Изомерия цис-транс возникает из-за невозможности вращения вокруг двойных связей углерод-углерод — в отличие от одинарных связей. Любая пара различающихся заместителей, присоединенных к двум атомам углерода, навсегда заблокирована и находится на одной стороне ( цис, ) или противоположных сторонах ( транс, ) двойной связи.

Если углеродная цепь содержит двойные связи, тогда становится возможной цис-транс-изомерия , приводя к двум различным возможным конфигурациям (известным как диастереомеры) в каждой звене цепи.Эта, казалось бы, небольшая переменная может сильно повлиять на природу полимера. Например, латекс в натуральном каучуке состоит в основном из -цис--полиизопрена, тогда как транс-изомер (известный как латекс гуттаперчи) имеет очень разные (и, как правило, худшие) свойства.

Хиральность полимера

Тетраэдрическая природа углеродных связей имеет важное последствие, которое не раскрывается простыми двумерными структурными формулами: атомы, присоединенные к углероду, могут находиться на одной или другой стороне, и они не будут геометрически эквивалентными, если все четыре из них группы, присоединенные к одному атому углерода, различны.Такие атомы углерода (и присоединенные к ним группы) называются хиральными и могут существовать в двух различных трехмерных формах, известных как энантиомеры .

Для отдельного атома углерода в полимерной цепи две из присоединенных к нему групп обычно будут сегментами цепи по обе стороны от углерода. Если две оставшиеся группы различны (скажем, одна водородная и другая метиловая), то вышеуказанные условия удовлетворяются, и эта часть цепи может давать две энантиомерные формы.

Цепь, которую можно представить как (в которой оранжевый и зеленый кружки представляют разные группы), будет иметь несколько хиральных центров, что даст начало огромному количеству возможных энантиомеров. На практике обычно достаточно разделить хиральные полимеры на следующие три класса: стереорегулярность , , обычно обозначаемая как такт .

Тактичность полимерной цепи может иметь большое влияние на ее свойства.Например, атактические полимеры, будучи более разупорядоченными, не могут кристаллизоваться.

Один из главных прорывов в химии полимеров произошел в начале 1950-х годов, когда немецкий химик Карл Циглер открыл группу катализаторов, которые могли эффективно полимеризовать этилен. Примерно в то же время Джулио Натта (итальянец) изготовил первый изотактический (и кристаллический) полиэтилен. Катализаторы Циглара-Натта произвели революцию в химии полимеров, сделав возможным контролировать стереорганичность этих гигантских молекул.Они разделили Нобелевскую премию по химии 1963 года.

3 Как получают полимеры

Полимеры синтезируются путем соединения маленьких молекул в большие. Но большинство этих мономерных молекул совершенно стабильны, поэтому химики разработали два общих метода, чтобы заставить их реагировать друг с другом, создавая основную цепь по мере протекания реакции.

Полимеризация с удалением конденсации

Этот метод (также известный как step-growth ) требует, чтобы мономеры обладали двумя или более видами функциональных групп, которые способны реагировать друг с другом таким образом, что части этих групп объединяются, образуя небольшую молекулу (часто H ₂ O), который исключен из двух частей.Теперь пустые места скрепления двух мономеров можно соединить вместе.

Это происходит, например, при синтезе семейства нейлоновых полимеров, в которых удаленная молекула H ₂ O происходит от гидроксильной группы кислоты и одного из аминоводородов:

Обратите внимание, что мономерные звенья, составляющие полимер, не идентичны исходным компонентам.

Аддитивная полимеризация

Добавление или с ростом цепи Полимеризация включает перегруппировку связей внутри мономера таким образом, что мономеры напрямую связываются друг с другом:

Чтобы это произошло, химически активная молекула
(называемый инициатором ) необходим для запуска так называемой цепной реакции .Производство полиэтилена — очень распространенный пример такого процесса. В нем используется свободнорадикальный инициатор , который отдает свой неспаренный электрон мономеру, делая последний очень реактивным и способным образовывать связь с другим мономером в этом месте.

Теоретически должен иметь место только один процесс инициирования цепи, а затем этап продолжения цепи повторяется бесконечно, но на практике требуется несколько этапов инициирования, и в конечном итоге два радикала вступают в реакцию ( обрыв цепи ), чтобы вызвать полимеризация остановилась.

Как и во всех случаях полимеризации, образуются цепи с диапазоном молекулярных масс, и этот диапазон можно изменять, контролируя давление и температуру процесса.

4 Галерея распространенных синтетических полимеров

Галерея термопластов

Примечание: на левой панели ниже показаны название полимера и синонимы, структурная формула, температура стеклования, точка плавления / температура разложения и (где применимо) идентификационный символ смолы , используемый для облегчения переработки.

Термореактивные пластмассы

Термопластичные материалы , описанные выше, представляют собой цепи, основанные на относительно простых мономерных звеньях, имеющих разную степень полимеризации, разветвления, изгиба, сшивки и кристалличности, но каждая молекулярная цепь является дискретным звеном. В реакторе концепция индивидуальной молекулярной единицы в значительной степени утрачена; материал становится больше похожим на собственную гигантскую протяженную молекулу — отсюда и отсутствие чего-либо вроде температуры стеклования или точки плавления.

Эти свойства проистекают из природы мономеров, используемых для их получения. Самая важная особенность — это наличие нескольких реактивных сайтов, которые могут формировать количество перекрестных ссылок в каждом центре.

Фенольные смолы, типичным примером которых является реакция фенола с формальдегидом, иллюстрируют множество связей, которые могут быть образованы.

5 Некоторые важные природные полимеры

Полимеры, полученные из растений, были важными компонентами человеческого существования на протяжении тысячелетий.В этом обзоре мы рассмотрим только те, которые имеют основное промышленное применение, поэтому мы не будем обсуждать очень важные биополимеры , белки и нуклеиновые кислоты .

Полисахариды

Полисахариды представляют собой полимеры сахаров ; они играют важную роль в хранении энергии, передаче сигналов и в качестве структурных компонентов всех живых организмов. Здесь мы будем иметь дело только с теми, которые состоят из глюкозы , наиболее важной из шестиуглеродных гексоз .Глюкоза служит основным топливом для большинства организмов.

Глюкоза, однако, хорошо растворима и не может быть легко храниться, поэтому организмы создают полимерные формы глюкозы, чтобы их можно было использовать в качестве резервного хранилища , из которого молекулы глюкозы могут быть извлечены по мере необходимости.

Гликоген

У человека и высших животных запасным полимером является гликоген . Он состоит примерно из 60 000 единиц глюкозы в сильно разветвленной конфигурации.Гликоген вырабатывается в основном в печени под действием гормона инсулина , который запускает процесс, в котором расщепленная глюкоза полимеризуется и хранится в основном в этом органе. Через несколько часов после еды содержание глюкозы в крови начинает падать, и гликоген начинает расщепляться, чтобы поддерживать необходимый организму уровень глюкозы.

Крахмал

В растениях эти запасы полимеров глюкозы известны как крахмал . Гранулы крахмала хранятся в семенах или клубнях, чтобы обеспечить глюкозой для энергетических потребностей только что проросших растений, и в ветвях лиственных растений, чтобы обеспечить им прилив зимой во время фотосинтеза (процесс, в котором глюкоза синтезируется из CO _{). 2} и H ₂ O) не имеет места.Крахмал в зерновых, таких как рис и пшеница, и в клубнях, таких как картофель, является основным источником питания для человека.

Растительные крахмалы представляют собой смесь двух основных форм: амилозы и амилопектина . Амилоза представляет собой неразветвленный полимер, содержащий от 500 до 20 000 молекул глюкозы, который скручивается в спиральную форму, которая стабилизируется за счет внутренней водородной связи. Амилопектин — это гораздо более крупный полимер, содержащий до двух миллионов остатков глюкозы, расположенных в ответвления от 20 до 30 единиц.Подробнее об этих двух вариантах крахмала см. Здесь.

Целлюлоза и ее производные

Целлюлоза — это самое распространенное органическое соединение на Земле. Обширная водородная связь между цепями приводит к тому, что природная целлюлоза становится кристаллической примерно на 70%. Он также повышает температуру плавления (> 280 ° C) выше температуры сгорания.

По всей видимости, структуры крахмала и целлюлозы очень похожи; в последнем любая другая молекула глюкозы находится «вверх ногами».Но последствия этого далеко идущие; крахмал может растворяться в воде и перевариваться высшими животными, включая человека, тогда как целлюлоза нерастворима и неперевариваема. Целлюлоза является основным структурным компонентом зеленых растений и (наряду с лигнином) древесины.

Хлопок — одна из самых чистых форм целлюлозы, которую выращивают с древних времен. Его способность впитывать воду (что увеличивает его прочность) делает хлопчатобумажные ткани особенно полезными для одежды в очень жарком климате.

Хлопок также служит (наряду с обработанной древесной массой) источником промышленного производства материалов на основе целлюлозы, которые были первыми «пластичными» материалами, имеющими коммерческое значение.

• Нитроцеллюлоза была разработана во второй половине XIX века. Его получают путем обработки хлопка азотной кислотой, которая вступает в реакцию с гидроксильными группами в цепи целлюлозы. Впервые он был использован для изготовления формованных предметов — первого материала, используемого Eastman Kodak для фотопленки.Его чрезвычайная воспламеняемость представляла значительную опасность для кинотеатров, а его спонтанное медленное разложение с течением времени серьезно ухудшило качество многих ранних фильмов, прежде чем они были переведены на более стабильные носители. Нитроцеллюлоза также использовалась как взрывчатое вещество и метательное вещество, для чего она известна как пушечный хлопок . Под названием целлулоид он использовался для изготовления формованных предметов, таких как бильярдные шары. Он по-прежнему имеет ряд коммерческих применений, в основном в специальных покрытиях.
• Ацетат целлюлозы был разработан в начале 1900-х годов и стал первым искусственным волокном, которое было вплетено в ткани, которые стали цениться за их блестящий внешний вид и комфорт при ношении.Компания Kodak разработала его в качестве основы для «защитной пленки» в 1930-х годах, чтобы заменить нитроцеллюлозу, но она не стала широко использоваться для этой цели до 1948 года. Несколько лет спустя она стала основным материалом для магнитной записывающей ленты.
• Вискоза — это общий термин для «регенерированных» форм целлюлозы, полученных из растворов полимера в некоторых сильных растворителях. При экструзии в тонкую пленку он превращается в целлофан, который используется в качестве пищевой упаковки с 1912 года и является основой для прозрачных клейких лент, таких как скотч.Растворы вискозы, выдавливаемые через фильеру, производят волокна, известные как вискоза. Вискоза (справа) была первым «искусственным шелком», который использовался для изготовления шинного корда, одежды и ковров. Он был популярен для женских чулок до того, как для этой цели стал доступен нейлон.

Резина

Разнообразные растения производят сок, состоящий из коллоидной дисперсии цис- -полиизопрена. Этой молочной жидкости особенно много каучукового дерева ( Hevea ), с которого она капает при ранении коры.После сбора латекс коагулируют, чтобы получить твердый каучук. Натуральный каучук термопластичен с температурой стеклования –70 ° C.

цис -полиизопрен

Необработанный натуральный каучук имеет тенденцию быть липким в тепле и хрупким в холодном состоянии, поэтому он был не более чем новым материалом, когда впервые был введен в Европу примерно в 1770 году. Он не стал широко использоваться до середины девятнадцатого века, когда Чарльз Гудиер обнаружил, что нагрев это с серой — процесс, который он назвал вулканизацией — может значительно улучшить его свойства.

Почему резинка нагревается, когда ее растягивают, и почему она самопроизвольно отрывается? Все это связано с энтропией ; см. здесь краткое объяснение.

Вулканизация создает дисульфидные поперечные связи, которые предотвращают скольжение полиизопреновых цепей друг по другу. Степень сшивки можно контролировать для получения резины, имеющей желаемую эластичность и твердость. Совсем недавно были разработаны другие виды химической обработки (например, эпоксидирование) для производства каучуков специального назначения.

Аллергические реакции на некоторые белки и химические добавки в натуральном каучуке не редкость.

Натуральный каучук по-прежнему занимает большой рынок, несмотря на наличие многих форм синтетического каучука, включая синтетический полиизопрен («синтетический натуральный каучук»). Большая промышленность занимается разработкой комбинаций этих каучуков и сополимеров бутадиена для специальных применений.

В Википедии есть очень хорошая статья о шинах.

Самым крупным применением каучука является производство автомобильных шин. Шины — это тщательно спроектированные продукты, в которых в разных частях используются разные виды резины. Например, на внешней поверхности протектора шин, предназначенных для использования в зимнее время, может быть использован специальный состав, предназначенный для улучшения гибкости при низких температурах.

Конечно, шины изготавливаются не только из резиновых материалов. Многих особенно удивляет высокая доля технического углерода (аморфная углеродная сажа) в шинах.Этот материал служит связующим и укрепляющим агентом, пигментом, а также улучшает теплопроводность, что важно для предотвращения локального перегрева.

Краткое обсуждение экологически важной проблемы утилизации выброшенных шин можно найти в конце следующего раздела.

6 Полимеры в окружающей среде

Высвобождение малых молекул

Многие виды полимеров содержат небольшие молекулы — либо непрореагировавшие мономеры, либо вещества, специально добавленные (пластификаторы, поглотители ультрафиолетового излучения, антипирены и т. Д.) Для изменения их свойств. Многие из этих более мелких молекул способны диффундировать через материал и попадать в любую жидкость или воздух при контакте с пластиком — и, в конечном итоге, в водную среду.Те, которые используются для строительных материалов (например, в передвижных домах), могут накапливаться в закрытых помещениях и способствовать загрязнению воздуха внутри помещений.

Остаточный мономер

Образование длинных полимерных цепей — сложный и в некоторой степени случайный процесс, который никогда не бывает полностью стехиометрическим. Поэтому нередко в готовом продукте остается некоторое количество непрореагировавшего мономера. Некоторые из этих мономеров, такие как формальдегид, стирол (из полистирола, включая контейнеры для пищевых продуктов из пенополистирола), винилхлорид и бисфенол-A (из поликарбонатов), являются известными канцерогенами.Хотя существует мало свидетельств того, что небольшие количества, которые диффундируют в воздух или вымываются в жидкости, представляют поддающийся количественной оценке риск для здоровья, люди по понятным причинам не хотят мириться с этим воздействием, и государственная политика постепенно начинает регулировать их.

Перфтороктановая кислота (PFOA), мономер, из которого сделан тефлон, стала предметом судебного иска 2004 года против фабрики DuPont, которая загрязнила грунтовые воды. Небольшие количества ПФОК были обнаружены в газовых выбросах горячих фторуглеродных продуктов.Страница EPA на PFOA

Пластификаторы

Эти вещества входят в состав определенных типов пластмасс, чтобы сделать их более гибкими за счет снижения температуры стеклования. Они достигают этого, занимая пространство между полимерными цепями и действуя как смазка, позволяя цепям легче скользить друг по другу. Многие (но не все) достаточно малы, чтобы их можно было распространять, и они могут стать потенциальным источником проблем со здоровьем.

[изображение]

Поливинилхлоридные полимеры являются одним из наиболее широко пластифицируемых типов, и запахи, часто связанные с гибкими виниловыми материалами, такими как садовые шланги, водяные кровати, дешевые занавески для душа, плащи и обивка, свидетельствуют об их способности проникать в окружающую среду.

Известный «запах новой машины» во многом связан с выделением пластификатора из обивки и внутренней отделки салона.

В настоящее время идет активное движение по разработке недиффузионных и «зеленых» пластификаторов, которые не представляют этих опасностей.

Надежные ссылки:

Эндокринные разрушители

Соединения, связанные с пластмассами, — не единственный вид эндокринных разрушителей, обнаруженных в окружающей среде. Другие включают остатки пестицидов и фунгицидов, а также промышленные химикаты, такие как полихлорированные бифенолы (ПХД).См. Хороший обзор на сайте Университета Эмори и на этой странице в Википедии. Дополнительные ссылки см. На этой странице каталога Google.

Еще больше усложняет ситуацию то, что многие из этих небольших молекул оказались физиологически активными из-за их способности имитировать действие гормонов или других сигнальных молекул, вероятно, за счет приспособления и связывания со специализированными рецепторными участками, присутствующими во многих тканях. Свидетельства того, что многие из этих химических веществ способны действовать таким образом на клеточном уровне, довольно ясны, но все еще существует некоторый спор о том, представляют ли многие из них реальный риск для здоровья взрослых людей при относительно низких концентрациях, в которых они обычно встречаются в организме. окружающая среда.

Однако есть некоторая озабоченность по поводу воздействия этих веществ на взрослых и особенно на плод, учитывая, что эндокрины тесно связаны с половым дифференцированием и неврологическим развитием, которое продолжается до подросткового возраста.

Продукты разложения пластмасс в среде

Наиболее часто используемые полимеры не поддаются биологическому разложению, особенно в анаэробных условиях большинства свалок.И то, что действительно происходит разложение, будет объединяться с дождевой водой с образованием фильтрата , который может загрязнить близлежащие ручьи и запасы грунтовых вод. Частичное фоторазложение, инициированное воздействием солнечного света, является более вероятной долгосрочной судьбой экспонированных пластмасс, что приводит к образованию крошечных разбитых фрагментов. Многие из этих материалов менее плотны, чем морская вода, и как только они попадают в океаны через сбросы прибрежных сточных вод или с отходами морских судов, они, как правило, остаются там на неопределенный срок.

Еще одна интересная статья: Удивительное путешествие пластиковых уток

Открытое сжигание полимерных материалов, содержащих хлор (например, поливинилхлорид), как известно, выделяет такие соединения, как диоксины, которые остаются в окружающей среде.Сжигание в правильных условиях может эффективно устранить эту опасность.

Утилизированные продукты, содержащие фторуглеродов (посуда с тефлоновым покрытием, некоторые средства личной гигиены, гидроизоляционные и антипригарные материалы) распадаются на перфтороктановый сульфонат, который, как было доказано, наносит вред водным животным.

Опасность пластиковых отходов для животных

Существует два основных типа опасностей, которые полимеры могут представлять в водной среде.Один из них связан с высвобождением небольших молекул, которые действуют как разрушители гормонов, как описано выше. Хорошо известно, что мелкие водные животные, такие как рыбы, серьезно страдают от таких веществ во многих реках и эстуарных системах, но подробности об источниках и типах этих молекул не установлены. Одним из мешающих факторов является попадание сточных вод, содержащих противозачаточные препараты для человека (которые оказывают феминизирующее действие на половое развитие), во многие водные пути.

Другая опасность связана с кусками пластиковых отходов, которые водные животные принимают за пищу или запутываются.

Эти опасности встречаются повсюду в океане, но особенно ярко проявляются в регионах, известных как круговороты.Это районы океана, в которых сочетание океанских течений вызывает постоянные вихри, которые имеют тенденцию собирать и концентрировать плавающие материалы. Самыми известными из них являются Великие тихоокеанские круговороты, в которых накопилось поразительное количество пластиковых отходов.

Переработка пластмасс

Огромное количество (по оценкам 10 ⁸ метрических тонн в год) пластиковых материалов, производимых для потребительского и промышленного использования, создало гигантскую проблему: что делать с пластиковыми отходами, которые трудно безопасно сжигать и которые, в основном, не являются — биоразлагаемый, угрожает перегрузить мусорные свалки.Дополнительным соображением является то, что производство de novo для большинства основных полимеров потребляет невозобновляемые углеводородные ресурсы.

Пластиковые бутылки для воды (слева) представляют собой особую проблему переработки из-за их широкого использования вдали от дома. См. Эту статью MSNBC.

Переработка пластмасс стала крупной отраслью промышленности, чему в значительной степени способствовала продуманная политика управления мусором в основных развитых странах. Однако у него есть свои особые проблемы:

• Переработка выгодна только тогда, когда есть рынок для регенерированного материала.Такие рынки меняются в зависимости от экономического цикла (они практически исчезли во время рецессии, начавшейся в 2008 году)
• Связанные с энергией затраты на сбор и транспортировку пластиковых отходов, и особенно на их переработку для повторного использования, часто являются решающим фактором при оценке целесообразности переработки.
• Сбор пластиковых отходов из различных источников и мест и их транспортировка в центры обработки потребляет энергию и создает многочисленные эксплуатационные проблемы.
• Большинство процессов переработки оптимизировано для определенных классов полимеров. Разнообразие типов пластика требует их разделения на разные потоки отходов, что обычно требует ручного (то есть недорогого) труда. Это, в свою очередь, способствует отправке этих отходов в страны с низкой заработной платой, тем самым сокращая доступность вторичных материалов в странах происхождения пластмасс.

Некоторые из основных процессов переработки включают

• Процессы термического разложения, которые позволяют обрабатывать смешанные виды пластмасс и превращать их в жидкое топливо, но большие затраты энергии, которые они требуют, были проблемой.
• Очень небольшое количество конденсационных полимеров может быть деполимеризовано, так что мономеры могут быть извлечены и повторно использованы.
• Термополимеры можно плавить и гранулировать, но полимеры самых разных типов необходимо обрабатывать отдельно, чтобы избежать проблем несовместимости.
• Термореактивные материалы обычно измельчают и используют в качестве наполнителя в переработанных термополимерах.

Чтобы облегчить эффективную переработку, был установлен набор из семи идентификационных кодов смолы (седьмой, не показанный ниже, является «другим»).

Эти коды нанесены на дно многих контейнеров с широко распространенными продуктами. Не все категории принимаются всеми местными органами по утилизации, поэтому жителей необходимо проинформировать о том, какие виды следует помещать в контейнеры для утилизации, а какие — вместе с обычным мусором.

Переработка шин

Огромное количество автомобильных и грузовых шин, выбрасываемых ежегодно (около 230 миллионов в США).Только С.) долгое время представляли собой серьезную экологическую проблему, усугубляемую растущим нежеланием свалок их принимать.

В 2013 году около половины из них было сожжено в качестве топлива для выработки электроэнергии и топлива в цементных печах, но сжигание влечет за собой собственные экологические издержки и считается не более чем временным решением, которое не позволяет полностью уловить стоимость каучука.

Дополнительная четверть выброшенных шин перемалывается в «резиновую крошку», которая служит добавкой к асфальту или спортивным покрытием и покрытием игровых площадок, а также при производстве промышленных товаров, таких как конвейерные ленты.Но очень небольшая часть регенерированного каучука может быть использована в производстве новых шин без ухудшения их тщательно разработанных свойств.

К сожалению, процесс вулканизации, который делает резину таким универсальным материалом, нелегко обратить; шины нельзя просто переплавить и переработать, как многие другие полимерные материалы. Хотя было предложено множество способов девулканизации, лишь немногие из них оказались коммерчески жизнеспособными. Основная проблема заключается в том, что условия, необходимые для разрыва углеродно-серных связей, возникающих в результате вулканизации, имеют тенденцию к повреждению одной или нескольких форм полимерного каучука, присутствующих в большинстве шин, что делает регенерированный продукт непригодным для включения в новые шины, за исключением очень небольших количеств. .

Менее амбициозный подход, применяемый некоторыми компаниями, заключается в переработке технического углерода, который составляет до 30% веса типичной шины. Обычно это сопровождается контролируемым процессом пиролиза. Но даже здесь восстановленная сажа может не подходить для 100% включения в новые шины из-за различного гранулометрического состава.

Короче говоря, эффективная переработка шин остается проблемой, не имеющей четкого решения, несмотря на то, что для ее решения прилагаются значительные усилия.

Статья в Википедии о переработке шин

Дополнительная полезная информация о полимерах

Виртуальный учебник Университета Кейс Вестерн Резерв содержит раздел о полимерах. См. Также главу Полимеры виртуального учебника органической химии Уильяма Ройша .

У Исторического общества пластмасс есть интересный веб-сайт, на котором представлена ​​хронология развития пластмасс. Превосходная и краткая статья Дорела Фельдмана «История полимеров » появилась в журнале « Designed Monomers & Polymers 11 (1) 2008» и доступна в Интернете в некоторых академических библиотеках.См. Также эту статью в Википедии.

Прекрасный учебник для неспециалистов с некоторым опытом работы в области химии — это Гигантские молекулы: необходимые материалы для повседневной жизни и решения проблем Чарльза Каррахера-младшего (Wiley-Interscience 2003; Google Книги).

… и рассказ о том, как все это началось, см. В книге Ясу Фурукавы «Изобретая полимерную науку: Штаудингер, Каротерс и появление макромолекулярной науки ». (1998) — См. Также эту статью в Википедии о Уоллесе Карозерсе и его работах о неопрене, полиэфирах и нейлоне.

Что вы должны уметь

Убедитесь, что вы полностью понимаете следующие важные идеи, представленные выше. Особенно важно, чтобы вы знали точное значение всех выделенных зеленым цветом терминов в контексте этой темы.

• Чем синтетические полимеры отличаются от обычных молекулярных твердых тел, помимо их высоких молярных масс?
• Полимеры можно классифицировать по химическому составу, физическим свойствам и общему применению.Для каждой из этих трех категорий назовите два примера, которые можно было бы рассмотреть при адаптации полимера к конкретному конечному использованию.
• Объясните разницу между термопластом и термореактивом и прокомментируйте молекулярную основу их различных свойств, включая кристалличность.
• Опишите два основных метода синтеза полимеров.
• Назовите по два вида коммерчески важных синтетических термопластов и реактопластов и укажите некоторые из их основных применений.
• Назовите два вида коммерчески важных природных полимеров.
• Опишите некоторые проблемы и источники высвобождения малых молекул из полимеров.
• Какие проблемы связаны с переработкой или повторным использованием полимерных материалов?

Концептуальная карта

Химия полимеров — Американское химическое общество

Клеи

Клеи — часть повседневной жизни.Они эволюционировали от ранних клеев с низкими эксплуатационными характеристиками, изготовленных из натуральных продуктов, до универсальных высокоэффективных клеев, используемых сегодня. Клеи используются для производства многослойных пленок, используемых в пищевой упаковке для продления срока хранения, и они являются важным компонентом защищенных от взлома упаковок, которые обеспечивают безопасность лекарств, отпускаемых без рецепта. Клеи, возможно, должны быть очень гибкими для использования в этикетках и лентах или демонстрировать высокую прочность и долговечность для склеивания различных металлов и композитов, присутствующих в современных автомобилях и самолетах.3M, Bostik, DAP, Henkel, H.B. Все полнее работают в этой области, некоторые на глобальном уровне, а другие на региональном уровне для более специализированных приложений.

Полимеры используются во всем: от оболочки семян для улучшения прорастания до контейнеров для свежих продуктов в продуктовом магазине; от мульчирующей пленки для борьбы с сорняками и экономии воды до пластиковых горшков в теплицах. Устойчивое сельское хозяйство разработано для максимального использования земель и сохранения природных ресурсов, а полимеры в виде пластмасс помогают достижению этой цели.Однако более широкое использование пластмасс, предназначенных для длительного использования, но используемых в краткосрочных целях, создает проблемы утилизации и защиты окружающей среды. Текущие исследования сосредоточены на использовании природных полимеров (например, углеводов, таких как крахмал и целлюлоза, растительные белки и масла) для создания биоразлагаемых пластиков для замены пластмасс из нефти, а также на разработке функциональных биополимеров, чувствительных к окружающей среде и выделяющих агрохимикаты по запросу в управляемая мода. В этой области работают компании Dow Agrosciences, DuPont, GE Polymers, Monsanto, NatureWorks LLC, SABIC.

Открытие в конце 1970-х годов электрически проводящих сопряженных полимеров положило начало попыткам использовать полимеры в электронных приложениях. Превосходная светособирающая способность сопряженных полимеров делает их идеальными кандидатами для использования в органических солнечных элементах. Возможность обрабатывать сопряженные полимеры и печатать их с рулона на рулон обещает снизить производственные затраты на технологию солнечных батарей. Исследования в этой области в основном сосредоточены на разработке, синтезе и обработке полимерных материалов для улучшения характеристик устройств.Сопряженные полимеры находят множество применений помимо солнечных элементов, включая светоизлучающие диоды, полевые транзисторы и датчики. Электропроводящие сопряженные полимеры начали появляться в коммерческих продуктах, и с обещанием улучшенных характеристик появляется много возможностей для этой появляющейся технологии.

Биотехнология (сокращенно «биотехнология») — это область прикладной биологии, которая включает использование живых организмов и биопроцессов для создания или модификации продуктов.Выращивание растений рассматривается как самый ранний пример биотехнологии и предшественник современной генной инженерии и технологий культивирования клеток и тканей. Многие продукты биотехнологии представляют собой полимеры, включая белки / ферменты, ДНК, РНК, полисахариды, и используются в здравоохранении, растениеводстве и других областях сельского хозяйства / окружающей среды и все чаще для производства мономеров или полимеров. Ферменты для синтеза и биоразложения материалов — растущая область исследований — использование биополимеров для разрушения органических полимеров (таких как целлюлоза), для получения возобновляемых основных химических веществ или топлива.Компании, работающие в этой области, производят семена для культур, устойчивых к определенным заболеваниям, покрытия семян с особыми свойствами, пластмассы на биологической основе и растения, устойчивые к засухе, в том числе Bayer, Cargill, Dow, DuPont, GenenTech, Metabolix, Monsanto. , Myriant и NatureWorks LLC.

Химическая промышленность имеет решающее значение для современной мировой экономики и работает над преобразованием таких сырьевых материалов, как нефть, природный газ, воздух, вода, металлы и минералы, в более чем 70 000 различных продуктов.Эти базовые продукты затем используются для производства потребительских товаров, а также в обрабатывающей промышленности, сфере услуг, строительстве, сельском хозяйстве и других отраслях. Большая часть продукции химической промышленности во всем мире — это полимеры и связанные с ними полимеры, включая эластомеры (каучуки), волокна, пластмассы, клеи, покрытия и многое другое. Основные обслуживаемые отрасли включают резиновые и пластмассовые изделия, текстиль, одежду, нефтепереработку, целлюлозно-бумажную промышленность и первичные металлы. Примеры химических компаний, занимающихся химией полимеров, включают BASF, Bayer, Braskem, Celanese, Dow, DSM, DuPont, Eastman, Evonik, Huntsman, Mitsui Chemicals, SABIC, Shell Chemicals и Wanhua Chemical.

Покрытия наносятся на поверхность многих промышленных объектов в декоративных и / или функциональных целях. Многие покрытия, с которыми мы ежедневно сталкиваемся в транспортных средствах (автомобили, поезда, самолеты и т. Д.), Инфраструктуре (например, мосты, бетон), строительстве (краска для жилых или коммерческих зданий), мебели, упаковке пищевых продуктов или менее часто встречающихся, но не менее важных , промышленное оборудование, трубы и резервуары, а также военные транспортные средства основаны на химии органических полимеров.Помимо эстетики, покрытия обеспечивают жизненно важную защиту объекта от разрушения под воздействием факторов окружающей среды, таких как солнечный свет, влажность или кислород. Стальные мосты 1800-х годов все еще функционируют сегодня во многом благодаря полимерным покрытиям, которые защищали их от коррозии. Некоторые крупные компании, занимающиеся производством полимерных покрытий, включают AkzoNobel, BASF, Bayer MaterialScience LLC, Dow, DSM, DuPont, PPG Industries, 3M и Sherwin Williams.

Современная медицина во многом опирается на последние достижения науки о полимерах.Медицинские применения химии полимеров охватывают, казалось бы, обычные материалы, такие как латексные перчатки, бинты и трубки, до таких сложных приложений, как самозавязывающиеся швы, имплантируемые медицинские устройства и искусственные суставы. Исследования в области доставки лекарств — отличный пример того влияния, которое химия полимеров оказала на мир медицины: последние достижения позволяют осуществлять целенаправленную доставку лекарств непосредственно в опухолевую ткань с использованием специально разработанных полимерных наноматериалов. Достижения в области биоразлагаемых полимеров создали продукты для использования в приложениях биомедицинской инженерии в качестве каркасов, которые поддерживают рост тканей, а затем медленно разрушаются после имплантации в организм.

Химия экологически чистых полимеров включает разработку зеленых (экологически чистых) полимеров, в настоящее время ориентированных на более экологичную упаковку, включая биоразлагаемые материалы, съедобные пищевые упаковки, биологические / возобновляемые мономеры и процессы, которые минимизируют количество используемого упаковочного материала. Кроме того, продолжаются усилия по разработке полимеров с меньшим воздействием на окружающую среду для более долговечных товаров. Многие поставщики проводят полный анализ жизненного цикла, который учитывает все, от исходных материалов до окончательной утилизации, включая воздействие на окружающую среду и здоровье.Использование исходных материалов, то есть мономеров, полученных из возобновляемых ресурсов биологического происхождения, таких как растения, или воспроизводящих полимеров, уже присутствующих в природе, является успешной стратегией для многих компаний. Для существующих синтетических полимеров делаются попытки уменьшить использование органических растворителей и увеличить рециркуляцию и повторное использование. Например, для ПЭТ можно использовать этиленгликоль, полученный из природного сырья. Ведущим коммерчески доступным «зеленым» полимером является поли (молочная кислота) или PLA. Этот термопласт может использоваться в упаковке и во многих других областях.PLA можно компостировать по окончании срока службы или гидролизовать до исходных мономеров для повторного использования.

идеально подходят для применения в нанотехнологиях. Размер отдельной молекулы полимера может быть в нанометровом масштабе; Используя эту особенность, полимеры можно использовать как наноразмерные строительные блоки для создания устройств с крошечными функциями, недоступными никакими другими способами. Недавние достижения в химии полимеров позволяют синтезировать новые материалы, которые могут самоорганизовываться в структуры с наноразмерным порядком в растворе или в объеме.Эти передовые материалы имеют многообещающие применения в областях наномедицины, электроники, солнечной энергии и многих других. К материалам, находящимся на переднем крае этой области, относятся углеродные волокна на основе углерода и углеродные нанотрубки, которые используются в электротехнике, в качестве проводящих клеев, в качестве высокопрочных материалов, в качестве полевых излучателей, для хранения водорода и ионов, в качестве химических и генетических зондов, в солнечной клетки, волокна, носители катализаторов, сверхпроводники, волокна и ткани, накопители энергии, медицинские приложения, пленки, наномоторы, эластомеры и многое другое.Некоторые крупные компании, занимающиеся нанотехнологиями, включают IBM, PPG Industries и Solvay.

Полимерные материалы используются на всех этапах производственно-сбытовой цепочки нефтегазовой отрасли, от добычи нефти и газа до промежуточного и, наконец, нефтеперерабатывающего производства топлива и специальных химикатов. Они часто используются в сложных условиях, включая высокие температуры, высокие температуры. давления и рассола. Полимеры в твердом состоянии включают инженерные материалы, такие как пластмассы, волокна и эластомеры, для использования на площадках нефтяных скважин и морских платформах, включая строительство таких конструкций, как трубопроводы, проппанты при гидроразрыве пласта и в качестве покрытий.Полимерные добавки используются в нефтедобыче в качестве буровых растворов, стимуляторов скважин, ингибиторов коррозии, ингибиторов образования накипи и модификаторов вязкости. Они даже используются в качестве компонентов цементов, используемых для защиты обсадных труб в скважине.

В последующих операциях полимерные добавки используются для улучшения характеристик или устранения эксплуатационных проблем на нефтеперерабатывающем заводе, в распределительных системах и резервуарах для хранения, а также в различных приложениях для транспортировки и сжигания топлива.Полимеры могут использоваться как отдельные продукты для решения конкретных проблем на нефтеперерабатывающем заводе, могут быть объединены с другими продуктами для создания многофункционального пакета для использования в готовых топливах или смазочных материалах для автомобильной промышленности, среди прочего. Некоторые конкретные примеры полимерных добавок, используемых в последующих применениях, включают синтетические базовые компоненты для смазочных материалов, средства для уменьшения сопротивления трубопроводов, присадки, улучшающие хладотекучесть, деэмульгаторы, добавки для контроля отложений, диспергаторы, модификаторы трения, ингибиторы коррозии, пеногасители и присадки, улучшающие вязкость.

Каучуки — это полимеры, которые при растяжении или деформации возвращаются к своей первоначальной или близкой к исходной форме, и используются в шинах, конвейерных лентах, шлангах, игрушках, автомобильных деталях и тысячах других продуктов. Резина, часто представляющая собой смесь полимеров, обладает высокой устойчивостью к нагреванию, влаге и другим материалам. Каучук можно найти в природе в деревьях, кустарниках и других растениях, и его можно производить с помощью химических средств (синтетический каучук). Третий класс, называемый термопластическими эластомерами, возвращается к своей первоначальной или почти исходной форме при растяжении или деформации, но плавится при воздействии высоких температур и может быть переработан.Большая часть натурального каучука производится в Азии, но его также можно производить в Индии, Африке, Центральной и Южной Америке. Он продается как товар через трейдеров. Синтетический каучук производится многими компаниями по всему миру, включая Firestone, Goodyear, Lanxess, Michelin, Zeon и сотни других. Синтетический каучук продается либо напрямую у этих компаний, либо через дистрибьюторов.

Полиэстер является преобладающим классом синтетических волокон (72% мирового производства синтетических волокон), причем наиболее распространенным специфическим полимером является полиэтилентерефталат (ПЭТ).Этот полимер используется в широком спектре текстильных изделий, в основном в повседневной одежде — часто в смеси с хлопком — и в спортивной одежде. Он также используется в различных нетканых материалах. Следующим по распространенности классом является полиамид, также известный как нейлон, который используется в интимной одежде, рабочей одежде, промышленных тканях, уличной одежде и коврах. Двумя наиболее важными полиамидами являются полиамид-6,6 и полиамид-6, которые похожи по структуре и обладают схожими свойствами. Они различаются используемыми мономерами и процедурой полимеризации, что приводит к некоторым различиям в характеристиках прочности на растяжение и термических характеристиках.Спандекс (эластан) представляет собой термопластический эластомер на основе полиуретана и мочевины, который способствует восстановлению упругости при использовании в качестве второстепенного компонента (1-25%) в тканях с другими «твердыми» волокнами, такими как хлопок, полиэстер или полиамид. Синтетические волокна полипропилена (полиолефин) используются в ковровых покрытиях, нетканых материалах и некоторых видах спортивной одежды (чаще в Европе). Полимеры также используются в качестве покрытий для придания тканям определенных свойств, включая обработку масел и пятен (поли (перфторалкилакрилаты)), противоморщинистую обработку хлопчатобумажных тканей (глиоксальные смолы) и гидрофильные обработки, которые придают водопоглощающие свойства — особенно для полиэфирные ткани, используемые в спортивной одежде.Коммерческие производители синтетических волокон включают Hyosung, Indorama, Invista, Reliance Industries Limited и UNIFI.

Что такое полимер? | Живая наука

Полимеры — это материалы, состоящие из длинных повторяющихся цепочек молекул. Материалы обладают уникальными свойствами в зависимости от типа связываемых молекул и того, как они связаны. Некоторые полимеры сгибаются и растягиваются, например резина и полиэстер. Другие твердые и прочные, например, эпоксидные смолы и стекло.

Полимеры затрагивают практически все аспекты современной жизни.Скорее всего, большинство людей контактировали хотя бы с одним полимерсодержащим продуктом — от бутылок с водой до гаджетов и шин — за последние пять минут.

Термин «полимер» часто используется для описания пластмасс, которые являются синтетическими полимерами. Однако природные полимеры также существуют; каучук и дерево, например, являются натуральными полимерами, которые состоят из простого углеводорода, изопрена, согласно Британской энциклопедии. Белки — это природные полимеры, состоящие из аминокислот, а нуклеиновые кислоты (ДНК и РНК) — это полимеры нуклеотидов — сложных молекул, состоящих, например, из азотсодержащих оснований, сахаров и фосфорной кислоты.

Химические реакции

Герман Штаудингер, профессор органической химии Eidgenössische Technische Hochschule (Университет прикладных наук) в Цюрихе, является отцом разработки современных полимеров. Его исследования в 1920-х годах привели к современным манипуляциям как с натуральными, так и с синтетическими полимерами. По данным Американского химического общества (ACS), он придумал два термина, которые являются ключевыми для понимания полимеров: полимеризация и макромолекулы. Он был удостоен Нобелевской премии по химии в 1953 г. «за открытия в области химии макромолекул.«

Полимеризация — это метод создания синтетических полимеров путем объединения более мелких молекул, называемых мономерами, в цепочку, удерживаемую ковалентными связями, согласно ThoughtCo., Онлайн-образовательному ресурсу. Различные химические реакции, вызываемые теплом и давлением, для Пример — изменение химических связей, которые удерживают мономеры вместе, согласно Scientific American. Процесс заставляет молекулы связываться в линейную, разветвленную или сетчатую структуру, в результате чего образуются полимеры.

Эти цепочки мономеров также называют макромолекулами. Большинство полимерных цепей имеют в качестве основы цепочку атомов углерода. По данным Учебного центра науки о полимерах, одна макромолекула может состоять из сотен тысяч мономеров.

Применение полимеров

Полимеры используются практически во всех сферах современной жизни. Пакеты для продуктов, бутылки с газировкой и водой, текстильные волокна, телефоны, компьютеры, упаковка для пищевых продуктов, автозапчасти и игрушки содержат полимеры.

Еще более сложные технологии используют полимеры.Например, согласно ACS, «мембраны для опреснения воды, носители, используемые для контролируемого высвобождения лекарств, и биополимеры для тканевой инженерии, используют полимеры».

Популярные полимеры для производства включают полиэтилен и полипропилен. Их молекулы могут состоять из 10 000 — 200 000 мономеров.

Будущее полимеров

Исследователи экспериментируют со многими различными типами полимеров, стремясь к дальнейшему развитию медицины и улучшению продуктов, которые мы уже используем.

Например, углеродные полимеры разрабатываются и улучшаются для автомобильной промышленности.

«Композиты из армированного углеродным волокном полимера (CFRP) — также называемые ламинатом из углеродного волокна — представляют собой материалы следующего поколения для создания более легких, экономичных и безопасных автомобилей», — говорится в колонке Live Science 2016 года Никхила Гупты. доцент, и Стивен Зельтманн, студент-исследователь, оба в лаборатории композитных материалов и механики факультета механической и аэрокосмической техники инженерной школы Тандон Нью-Йоркского университета.«Углеродный ламинат чрезвычайно прочный и жесткий из-за его тканых слоев из почти чистых углеродных волокон, скрепленных между собой затвердевшим пластиком, например эпоксидной смолой». [Углеродное волокно: это больше, чем скорость]

Полимеры также используются для улучшения голограмм. Согласно исследованию, опубликованному в начале 2017 года в журнале Nano Letters, ученые из Пенсильванского университета создали голограмму на гибком полимерном материале под названием PDMA, в который были залиты золотые наностержни.Это новое голографическое устройство может содержать несколько изображений вместо одного.

«Мы задали вопрос:« Можем ли мы закодировать несколько битов информации в голограмме? »», — сказал Live Science Ритеш Агарвал, руководитель исследований и профессор материаловедения и инженерии Университета Пенсильвании. «Это важная работа, потому что это первый раз, когда кому-то показали, что вы можете записать несколько голографических изображений, и, просто растягивая полимер, вы можете фактически изменить изображение.»

Искусственная кожа из силиконового полимера может стать будущим антивозрастных усилий. В виде двух кремов полимер может подтягивать кожу человека, уменьшать появление морщин и уменьшать мешки под глазами, согласно исследованию, опубликованному в мае 2016 года в журнале Nature Materials. Такая искусственная кожа может также использоваться для помощи людям с кожными заболеваниями, такими как экзема, или использоваться в качестве солнцезащитного крема.

«Мы в восторге от этого; это совершенно новый материал », — сказал Live Science соавтор исследования Роберт Лангер, профессор Массачусетского технологического института.

Дополнительные ресурсы

Перспективы использования пластмасс в строительстве

Мир буквально тонет в пластиковых отходах. Можем ли мы перенаправить поток на долговечные строительные материалы?

Я не буду тратить много времени на обсуждение нашей глобальной зависимости от пластика. Достаточно сказать, что материал берет верх. Мы загрязнили им океаны и морепродукты, добавили его в питьевую воду и теперь используем (и выбрасываем «прочь») больше, чем когда-либо.Нам нужно вмешательство.

Возможно, это вмешательство могло произойти в форме объятий. Учитывая сезон штормов и наводнений, которые мы только что пережили, строительные материалы на основе пластика постоянно выглядят лучше. По крайней мере, мы могли бы убрать мусор на свалки и в водные пути. В лучшем случае мы могли бы создать совершенно новый способ строительства с использованием прочных, устойчивых к наводнению материалов.

Несмотря на свои недостатки, сейчас подходящее время для пиломатериалов и других строительных изделий, изготовленных из переработанного пластика.

Пластик, особенно переработанный, на самом деле гораздо менее энергоемкий в производстве, чем цемент или сталь. Биохимик Энтони Л. Андради утверждает, что «преимущества, обеспечиваемые пластиком, оправдывают 4% ископаемого топлива и еще 3–4% энергетических ресурсов, затраченных на его производство. В строительстве пластмассы экономят больше энергии, чем используют ».

Но Андради признает, что промышленность пластмасс «имеет свою долю экологических проблем.«Он основан на линейном потоке невозобновляемых ресурсов ископаемого топлива через полезные потребительские товары на свалки. Ответственность за этот недостаток лежит в отсутствии корпоративной ответственности на всех этапах развития и инноваций в дизайне, позволяющих экономить ресурсы.

«Например, — добавляет он, — недостаточно внимания уделяется вариантам конструкции для утилизации отходов после использования». Переход к использованию пластмасс на биологической основе, являющегося важным компонентом устойчивости, идет слишком медленно, и у него недостаточно стимулов для полной реализации даже того немногого, что было достигнуто.”

Чтобы пластик оставался жизнеспособным, полезным материалом, необходима полная прозрачность в отношении продуктов и процессов. Мы должны признать обратную сторону пластика — опасность токсичных выбросов, загрязнения океана и вредных побочных продуктов — и решать их напрямую.

Это возвращает нас к вопросу, поставленному в этой статье: может ли строительная промышленность прервать линейный жизненный цикл пластмасс в больших масштабах, перенаправив бывшие в употребление пластмассы для использования в строительстве? Я верю, что это возможно.Но это изменение потребует нового мышления от промышленности и потребителей. Ужасные проблемы, с которыми мы сейчас сталкиваемся из-за загрязнения пластиком, могут содержать в себе решения других проблем, связанных с жильем и устойчивостью. Представьте себе прочные пластиковые стены и каркас, требуемые по нормам в зонах, подверженных наводнениям. Просто промойте его из шланга после наводнения, без каких-либо перестроек или несметных тонн мусорных свалок.

Пластиковая фанера?

Этот материал продают пара компаний. Один находится в Калифорнии: American Plastic Lumber, Inc.Его «листовые товары» из переработанного пластика толщиной 3/4 дюйма (импортированные из Азии) имеют следующие характеристики:

Типичный предел прочности на разрыв для фанеры «для обшивки», согласно MatWeb, составляет от 4000 до 5000 фунтов на квадратный дюйм. Его модуль упругости при изгибе составляет около 149 000 фунтов на квадратный дюйм. Другими словами, фанера и пластиковые листы имеют схожие прочностные характеристики при умеренных температурах. Полные спецификации можно найти на http://bit.ly/2y51orb.

, однако, прежде чем мы дойдем до этого, нам нужны более честные сторонние исследования и стремление замкнуть цикл жизненного цикла, а не просто более подходящее мышление.

Поиск данных

Что мы действительно знаем о потенциале пластика в искусственной среде? Исследования по этой теме, как правило, близоруко сосредотачиваются на одной инженерной проблеме (например, стойкости к ультрафиолетовому излучению) или полностью игнорируют важные вопросы долговечности и перспектив окончания срока службы.

Информация о пластмассах сложна и разнообразна. Одна из проблем заключается в том, что нет двух типов пластмасс с одинаковыми физическими свойствами. Например, виниловый сайдинг, на 80% состоящий из поливинилхлорида, вероятно, является пластиковым материалом, наиболее знакомым строителям домов.

Институт винилового сайдинга (VSI), финансируемый промышленностью, является наиболее известным источником информации о характеристиках и судьбе сайдинга из ПВХ. Однако VSI часто сводит свои исследования и разработки к «разрозненным» исследованиям. Например, 10-летнее исследование винилового сайдинга, начавшееся в 1994 году (VS4W), смотрело на «цветной эллипсоид» установленного продукта, а не на то, стал ли он хрупким, деформированным или вызвал какое-либо повреждение влагой обшивки. Слишком часто действительно важные вопросы игнорируются, пропускаются или хоронятся в плотных академических исследованиях, которые не может понять никто, кроме химика и / или инженера.

Пластмассы по-разному ведут себя при повышении температуры. Каждый из них имеет различную прочность на разрыв и несущую способность при определенных температурах. Это ключевые факторы, определяющие, как и где материалы на основе пластика могут быть использованы в строительстве.

К счастью, ASTM (ранее известное как Американское общество испытаний и материалов) активно разрабатывало стандарты для переработанных пластиковых пиломатериалов (RPL), в первую очередь для настилов (D 6662). В ходе этого процесса организация выявила и попыталась исправить недостающую информацию и спецификации.Вот несколько важных выводов:

Допуски размеров : Пределы допусков были установлены, чтобы соответствовать отраслевым требованиям и соображениям производительности.

Ползучесть : Вязкоупругая природа RPL делает его восприимчивым к ползучести при длительных нагрузках и повышенных температурах. Была разработана методология использования данных о ползучести в соответствии с ASTM D 6112 для определения проектных пределов, чтобы избежать чрезмерного прогиба и ползучести настилов.

Воспламеняемость : В методе испытания на огнестойкость ASTM используется небольшой источник воспламенения, как можно было бы ожидать на палубе, когда соприкасаются горячие брикеты древесного угля с опрокинутого гриля для барбекю.

Допустимые свойства материала для проектирования конструкций : В стандарте была представлена ​​полная методология для определения максимально допустимой длины пролета для настилов на основе свойств материала, определенных с помощью методов испытаний, перечисленных выше.

Инженерное дело с открытыми глазами

Как и любой строительный материал, пластик должен выдерживать суровые условия предполагаемого использования. Стандарты, подобные тем, которые разработаны ASTM, отвечают на многие из этих вопросов. Но вот сенсационная новость, говоря простым языком:

Некоторые пластмассы становятся мягкими при относительно низких температурах.Например: HDPE, пластик, используемый в большинстве молочных кувшинов, начинает размягчаться при температуре 172 ° F при низком напряжении и около 114,8 ° F при высоком напряжении.

Строитель настилов из Денвера проверил температуру поверхности (http://bit.ly/2zVFATn) различных материалов настила при температуре окружающей среды 87 ° F на полном солнце. Он обнаружил, что практически все доски настила, включая кедр и пластмассовые композиты, взлетали выше 150 ° F, что значительно превышает точку теплового отклонения всех обычных пластиков.

Конечно, строительные стандарты, такие как уменьшение расстояния между балками, могут компенсировать некоторые недостатки полимера.Но дизайнеры, использующие RPL, также сталкиваются с новой возникающей переменной — экстремальной жарой. Ожидается, что в ближайшие годы в связи с изменением климата произойдет постепенное повышение температуры и скачки температуры.

Большинство термопластов не плавятся полностью, пока не достигнут температуры около 250 ° F (HDPE плавится при температуре от 248 ° F до 356 ° F), но они становятся мягкими и гибкими задолго до этого эталона.

Испытания палуб в Бостоне показали, что палубы обычно нагреваются на 76 ° F выше, чем окружающий воздух (на полном солнце). Конечно, температура окружающей среды должна приблизиться к 174 ° F, прежде чем пластик полностью расплавится, но на американском Западе температура окружающей среды часто превышает 100 ° F.Продукты из полиэтилена высокой плотности без добавок, подвергающиеся воздействию солнечных лучей, могут легко превысить расчетный предел (100 ° F + 76 ° F = 176 ° F). Например, компания American Plastics указывает 170 ° F как максимальную температуру, приемлемую для переработанного листового полимера HDPE.

Еще одна проблема, связанная с пластиком, — это, конечно, пожар. Полимеры не особенно склонны к возгоранию, но они горят горячо и быстро, воспламеняясь при температуре около 540 ° F. Однако, как высокоуглеродистые материалы, пластмассы, как правило, выделяют очень плотный черный дым. Уровень токсичности зависит от материала, но, по крайней мере, это дезориентирует пожарных, и пожарным сложно ориентироваться в нем.

Как отмечает инженер Джеффри Притчард в книге «Прочность армированных пластмасс», добавление антипиренов к пластмассам имеет свои плюсы и минусы. Они будут работать, но «они могут оказать неблагоприятное воздействие на обработку, механические свойства или химическую стойкость». Другими словами, материал становится менее работоспособным.

Эко-аргумент в пользу пиломатериалов из пластика

Преодоление препятствий, связанных с переработкой отходов

Healthy Building News сообщает, что в отношении полиэтилена «пропорционально меньше« хорошего материала »выходит из потока рециркуляции пластиковых отходов из-за растущего использования муниципальной однопоточной рециркуляции за последнее десятилетие.Смешанный и низкокачественный лом, поступающий из центров однопоточной переработки, с большей вероятностью будет экспортироваться, чем сортироваться и просеиваться на предмет высококачественного полиэтиленового лома. В результате на экспорт идет больше рекуперированных пластиковых пакетов, чем на внутреннюю переработку ».

Усилия сети Healthy Building Network по оптимизации вторичной переработки отслеживают, как обстоят дела в строительной отрасли. Они отмечают, что сектор пластиковых пиломатериалов, в отличие от производителей сантехники, активизирует свои протоколы утилизации, несмотря на отсутствие отраслевых стандартов качества продукции после потребителя.«В этом году Ассоциация переработчиков пластмасс (APR) опубликовала первые в отрасли протоколы испытаний, контрольные спецификации и систему классификации тюков собранного HDPE. Он запрещает многие загрязняющие вещества и ограничивает другие ».

Еще одна растущая проблема — использование пакетов, в которых сочетаются алюминиевый и пластиковый слои. Их очень сложно перерабатывать. Сообщается, что Dow Chemical работает над решением по переработке.

К счастью, новые методы маркировки и переработки пластмасс проходят испытания, по крайней мере, за пределами США.S. Например, компания Ioniqua Technologies из Нидерландов разработала способ отделения пластмасс от добавок, придающих им цвет или другие свойства.

Как сообщается в официальном документе Ethical Corporation, «когда ПЭТ добавляется к магнитной интеллектуальной жидкости, разработанной Ioniqa, а затем нагревается, ПЭТ деполимеризуется. Красители и другие загрязнения удаляются в магнитном поле, оставляя исходные строительные блоки полимера ». Эти строительные блоки можно использовать для создания нового ПЭТ снова и снова.Это большое преимущество, потому что в настоящее время ПЭТ можно переработать не более шести раз.

Общий уровень рециркуляции HDPE, LDPE и PET в США составлял 8 процентов в 1996 году, а в настоящее время увеличился до примерно 10 процентов для HDPE, 5,3 процента для LPDE и 19,5 процента для PET (данные за 2015 год http: // bit .ly / 2zk3WoF).

Но, как указывает WorldWatch Institute, производство пластика росло гораздо быстрее. Переработка не может угнаться за потоком отходов: «С 1950 по 2012 год рост пластмасс в среднем составил 8.7 процентов в год, рост с 1,7 миллиона тонн до почти 300 миллионов тонн сегодня ».

Это лишь одна из многих причин, по которым в строительстве используются изделия из вторичного пластика. Другие включают:

Меньше обработанная древесина . Пластиковые пиломатериалы могут заменить обработанную древесину, которая до сих пор считается опасным отходом на большинстве свалок. Хотя современная обработанная древесина содержит гораздо меньше (если таковые имеются) хрома или мышьяка, она по-прежнему содержит медь, что затрудняет повторное использование.

Альтернатива тропическим лесам и секвойям . Пластиковая древесина обладает многими из желаемых качеств долговечности дорогих (и иногда находящихся под угрозой исчезновения) южноамериканских и азиатских пород дерева, таких как тик и ипе. Это может частично снизить нагрузку на леса, находящиеся под угрозой исчезновения, хотя другие угрозы, такие как производство пальмового масла, заменили продажу пиломатериалов в качестве крупнейшего источника вырубки лесов.

Устойчивость к наводнениям . Некоторые пластиковые пиломатериалы, обладающие естественной устойчивостью к гниению и плесени, идеально подходят для использования во влажных местах или местах с высоким риском наводнений.

Подходит для сада . Хотя необходимы дополнительные исследования, некоторые ранние исследования пластиковых пиломатериалов в морской среде показали очень незначительное выщелачивание по сравнению с альтернативами обработанной древесины. Это делает его хорошим кандидатом для садовых ландшафтов и грядок.

Более низкий уровень выбросов парниковых газов, чем у бетона или металлов . В пересчете на фунт за фунт пластик менее ресурсоемок, чем создание портландцемента или плавление металлов. У вторичного материала гораздо больше преимуществ, чем у первичного производства.И, конечно же, у пластика есть прочность. Он должен прослужить десятилетия, прежде чем снова будет переработан.

Лидеры и отстающие в отрасли

Несколько производителей строительной продукции признали этическую важность переработанного пластика и его потенциал для улучшения своей прибыли. Например, компания Interface (www.interface.com) переработала около 309 миллионов фунтов пластика за последние 20 лет. Покойный генеральный директор Interface Рэй Андерсон поставил цель полностью освободить компанию от использования первичных материалов, и компания, похоже, осталась приверженной этой идее.Материал основы ковра Glasbac на 98% состоит из переработанного материала. Но в долгосрочной перспективе Интерфейс и другие почти не устранили проблему. Ковровая промышленность по-прежнему сбрасывает на свалки около 4,5 миллиарда фунтов продукции с истекшим сроком эксплуатации.

Я также был бы упущен, если бы не предупредил Trex (www.trex.com). Еще в 1980-х годах эта компания, возможно, запустила целую индустрию композитных настилов, которой не существовало. Доказано, что прибыль и переработка могут быть тесно связаны.И он показал, как быть более гибким, а не менее, с точки зрения подходящих типов пластмасс. В настоящее время Trex перерабатывает пакеты для продуктов, пакеты для хлеба, упаковку для ящиков, пакеты для химчистки, газетные рукава, пакеты для льда, пакеты для древесных гранул, Ziploc и другие повторно запечатываемые пакеты, производя пакеты, пузырчатую пленку, пакеты для соли и пакеты для хлопьев на 95% переработанных террасные изделия.

Там, где пластик попадает в дорогу

Могут ли стать реальностью дороги из 100% переработанного пластика?

По данным мотортенд.com, это уже происходит. Компания MacRebur в Соединенном Королевстве уже тестирует как минимум две дороги, сделанные из переработанного пластика, заменяющего большую часть асфальтового битума. Обычно битум составляет около 10 процентов асфальтовой смеси, но это связано с высокими экологическими и финансовыми издержками.

Motortrend.com отмечает, что «Материал, получивший название MR6, сделан из 100% переработанных материалов и может уменьшить количество пластиковых отходов, которые попадают на свалки. Он не только считается более экологичной альтернативой, но также на 60 процентов прочнее и служит в 10 раз дольше, чем стандартный асфальт.”

Но не каждая компания, производящая пиломатериалы из пластика, может похвастаться такой экологической осведомленностью. Важно читать мелкий шрифт. Такие компании, как TimberTech, например, используют в своих настилах только чистый ПВХ, что приводит к гораздо менее экологичным продуктам, чем Trex.

То же самое и с производителями кровли. Насколько мне известно, в США нет ни одной фирмы, продающей кровельную черепицу со значительным содержанием переработанного пластика. Одна канадская компания Moderne производит синтетический сланец из переработанного пластмассового лома.Типы используемых пластиков не указаны. DaVinci Roofscapes действительно предлагает композитную кровлю, но, как и TimberTech, они работают только с чистым ПВХ и «переработанными полимерами» производства (в основном обрезками и ломом ПВХ). TimberTech также описывает свой продукт терминологией, граничащей с «зеленым»: «Мы используем 100% чистые первичные смолы в нашей черепице, чтобы гарантировать экологичность продукта».

Почему производители имеют дело только с «чистым» пластиком? Говорят, с ним легче работать, и с ним стабильнее.Но Американское общество испытаний и материалов (ASTM) создало отраслевые стандарты для пластмассовых пиломатериалов, основанные на характеристиках, которые гарантируют, что переработанное содержимое не снижает эксплуатационные качества конечных продуктов.

RPL: ​​Состояние отрасли

Согласно ASTM, в декабре 2001 года в Северной Америке насчитывалось около 30 производителей вторичного пластикового пиломатериала. Это число, похоже, уменьшилось, но получить точное количество голов сложно.

Последний крупный независимый отчет об отрасли, подготовленный Сетью Здорового Здания, был опубликован в 2005 году.А деятельность Ассоциации по торговле пластиковыми пиломатериалами, кажется, застопорилась примерно в 2007 году, с небольшими обновлениями их списков или публикаций. Я попытался связаться с парой реселлеров пластиковых пиломатериалов, но на момент написания ни один из них не ответил. Бизнес РПЛ может быть неустойчивым. Многие новаторские новички потерпели неудачу

Например, Correct Deck, компания RPL, которая производила композитный настил из HDPE, имела завод в штате Мэн, но столкнулась с проблемами ответственности, в частности, связанных с смешиванием органических материалов в правильной пропорции с пластиком и «закрывающими» антимикробными материалами поверхностей настила. .(Я установил одну из их колод 12 лет назад, и она до сих пор выглядит великолепно — только небольшие пятна.) Потребители крайне нетерпимы к любому обесцвечиванию их поверхностей.

Рыночные возможности для РПЛ никогда не были лучше. Конечно, есть проблемы с использованием этих материалов. Но если учесть тот факт, что пластиковый мусор повсеместен, бесплатный и крайне нуждается в уборке, строительная промышленность может предоставить идеальное решение. Представьте себе подвалы, которые никогда не протекают, легкую крышу с креплением «от колыбели к колыбели», ударопрочный сайдинг, устойчивые к гниению балки и 2х4.Все эти нововведения не только возможны, но и доступны уже сейчас. Было бы здорово, если бы еще несколько американских компаний присоединились к растущей сфере производства пластиковых пиломатериалов.

Зарубежная компания Eco Tiles производит красивую напольную плитку из переработанного пластика, но их метод сбора и разделения нужных полимеров вызывает опасения по поводу здоровья и безопасности.

Instant Factory?

В других частях света повторное использование пластика в строительстве — перспективная ниша.

Эта небольшая машина внизу, которая комбинирует переработанный пластик и песок для создания черепицы, привлекла заинтересованных покупателей со всего мира.

стоит 25 000 евро (29 000 долларов США).

Компания (http://plasticabg.net), может изготовить формы по чертежу; общее время подготовки — три месяца. Установка требует 20 кВт для работы и может производить 60 штук в час. Общая требуемая площадь завода составляет около 215 квадратных футов, не считая складских помещений.

Влияние добавок, наполнителей и усилителей на свойства полимеров

Стабилизаторы и смолы могут в некоторой степени улучшить характеристики. Например, изгибаемость пластиковой древесины можно уменьшить, добавив в смесь мелкодисперсные минеральные наполнители, такие как тальк (http://bit.ly/2hJp8e9). Как правило, чем меньше размер добавленных частиц, тем больше увеличивается жесткость. Но исходная пластиковая смола начинает терять ударную вязкость по мере увеличения уровня наполнителей.Вот диаграмма, показывающая влияние других добавок на полимеры.

Как проходят испытания пиломатериалы из пластика

Сложность тестирования пластиковых композитов продолжает расти с того момента, когда инженеры изначально стремились тестировать и классифицировать переработанные пластиковые пиломатериалы. ASTM разработало семь важных стандартов тестирования:

3D-печать: новые рубежи в переработке пластмасс

Производство дверных ручек, петель и плитки из переработанного пластика вскоре может стать новой нормой.

Повышается надежность и скорость 3D-принтеров. В то же время снижается стоимость квартирного размера для домашнего хозяйства. Это классический рассказ о технологиях, основанный на «законе Мура». Что это значит для профи? Может, больше, чем вы думаете. Я повторю свой прогноз, что мы движемся ко времени локализованного производства. Это еще не совсем «Звездный путь», где устройство рекомбинирует материалы на атомном уровне, чтобы сформировать материю, но, возможно, это ранняя итерация этой идеи.