Исследование применения полимеров в быту.

Содержание

I. Введение        2

II. Основная часть………………………………………………………………………………..3

Глава 1. Историческая справка        3

Глава 2. Общая характеристика полимеров…………………………………............................4

 2.1. Особенности полимеров        4

 2.2. Классификация полимеров        5

 2.3. Свойства и основные характеристики полимеров        8

Глава 3. Получение полимеров        10

 3.1. Полимеризация        11

      3.1.1. Радикальная полимеризация        12

      3.1.2. Ионная полимеризация        15

Глава 4.  Поликонденсация        15

 4.1. Взаимодействия в полимерах        17

4.2. Химические превращения полимеров        18

      4.2.1. Внутримолекулярные превращения полимеров        18

      4.2.2. Межмолекулярные превращения полимеров        18

      4.2.3. Полимераналогичные превращения полимеров        19

Глава 5. Вред применения полимеров        20

     5.1. Полимеры в быту и их вред        20

     5.2. Экологические проблемы в химии и технологии полимерных материалов  ............29

     5.3. Классификация полимерных отходов………………………………….......... .............32

     5.4. Методы утилизации и обезвреживания полимерных материалов…….....................34

     5.5. Композиции, содержащие отходы полимерных материалов……….…….............. ..37

     5.6. Использование отходов полимерных материалов путем повторной переработки...37

     5.7. Вред посуды из пластика: что мы предпочтём, удобство или безопасность?...        37

     5.8. Советы по использованию полимеров        39

Глава 6. Практическая часть .......................................................................................................

III. Заключительная часть……………………………………………………………………….

IV. Литература…………………………………………………………………………………..

V. Приложения ………………………………………………………………………………….

Введение

Человек издавна знаком с полимерами, поскольку последние составляют основу как растительного, так и животного мира. Однако в самостоятельную группу веществ полимеры были выделены лишь в конце XIX века, когда были предприняты первые попытки синтеза полимеров.

         В Европе о полимерах длительное время ничего не было известно. Однако еще в XVII веке Гук, а веком позже – Бюффон и Реомюр, наблюдавшие за пауками, высказали предположение, что если удастся отыскать “клейкую жидкость”, подобную той, из которой образуется паутина, то из нее можно будет изготовлять паутинообразные нити. “Клейкая жидкость” нашлась только в XIX веке: это была нитроцеллюлоза, которую тогда еще не называли полимером. Это понятие пришло позже, хотя считается, что впервые его ввел Берцелиус. Шардонне, используя оборудование, в принципе похожее на современное, впервые получил искусственные волокна, которые не существуют в природе.

        В первой трети ХХ века ассортимент материалов для получения полимеров значительно расширился эфирами целлюлозы, полиамидами, синтетическими каучуками. В последнем случае решающая роль принадлежит отечественным химикам – Ипатьеву и Лебедеву, которые не только впервые синтезировали полибутадиеновый каучук, но и предложили для “укрепления” каучука при превращении его в резину использовать в качестве наполнителя сажу.

Химия и физика полимеров, объединенные в последние годы термином “наука о полимерах”, стали в настоящее время самостоятельными разделами науки и достигли высокого уровня. Это способствовало развитию технологии полимеров и росту производства полимерных материалов, которые в настоящее время используются практически во всех областях жизнедеятельности человека.

Глава 1. Историческая справка

Термин “полимерия” был введен в науку И. Берцелиусом в 1833 для обозначения особого вида изомерии, при которой вещества (полимеры), имеющие одинаковый состав, обладают различной молекулярной массой, например этилен и бутилен, кислород и озон. Такое содержание термина не соответствовало современным представлениям о полимерах. “Истинные” синтетические полимеры к тому времени еще не были известны.

Химия полимеров возникла только в связи с созданием А. М. Бутлеровым теории химического строения. А. М. Бутлеров изучал связь между строением и относительной устойчивостью молекул, проявляющейся в реакциях полимеризации. Дальнейшее свое развитие наука о полимерах получила главным образом благодаря интенсивным поискам способов синтеза каучука, в которых участвовали крупнейшие учёные многих стран (Г. Бушарда, У. Тилден, немецкий учёный К Гарриес, И. Л. Кондаков, С. В. Лебедев и другие). В 30-х годов было доказано существование свободнорадикального и ионного механизмов полимеризации. Большую роль в развитии представлений о поликонденсации сыграли работы У. Карозерса.

Слово полимер образовано от греческих слов polys (много) и meros (часть), значит полимеры – это молекулы, которые состоят из большого числа повторяющихся группировок, или мономерных звеньев, соединенных между собой химическими связями. 

Молекулярная масса воды составляет 18 условных единиц, а глюкозы – 180. Хотя у глюкозы она намного больше, чем у воды, ее еще нельзя назвать гигантской, так как существуют молекулы с гораздо большей молекулярной массой. Например, относительная молекулярная масса натурального каучука 15000-500000. Относительную молекулярную массу полимеров нельзя выразить определенным числом, можно определить только пределы ее изменений. Поскольку молекулы полимеров очень большие, их также называют макромолекулами (от греческого слова macros – большой). Они могут содержать от тысячи до нескольких миллионов атомов. Другое название полимеров – высокомолекулярные соединения (ВМС).

Органические полимеры построены из элементарных звеньев – мономеров, многократно повторяющихся и связанных между собой химическими связями.

Полимер образуется из мономеров в результате реакций полимеризации или поликонденсации. К полимерам относятся многочисленные природные соединения: белки, нуклеиновые кислоты, полисахариды, каучук и другие органические вещества. В большинстве случаев понятие относят к органическим соединениям, однако существует и множество неорганических полимеров. Большое число полимеров получают синтетическим путём на основе простейших соединений элементов природного происхождения путём реакций полимеризации, поликонденсации и химических превращений. Названия полимеров образуются из названия мономера с приставкой поли-: полиэтилен, полипропилен, поливинилацетат и т. п.

Глава 2. Общая характеристика полимеров

2.1. Особенности полимеров

Особые механические свойства:

• эластичность — способность к высоким обратимым деформациям при относительно небольшой нагрузке (каучуки);
• малая хрупкость стеклообразных и кристаллических полимеров (пластмассы, органическое стекло);
• способность макромолекул к ориентации под действием направленного механического поля (используется при изготовлении волокон и плёнок).

Особенности растворов полимеров:

• высокая вязкость раствора при малой концентрации полимера;
• растворение полимера происходит через стадию набухания.

Особые химические свойства:

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

2.2. Классификация полимеров

А) По химическому составу все полимеры подразделяются на: органические, элементоорганические,  неорганические.

Органические полимеры - если цепь макромолекулы состоит из атомов органического происхождения (С, О, N, Н).

Органические полимеры в природе образуются в животных и растительных организмах. Самые важные из них – это белки, полисахариды, нуклеиновые кислоты, каучук и другие природные соединения.

Человек давно и широко применяет органические полимеры в своей повседневной жизни. Кожа, шерсть, хлопок, шелк, меха – все это  используется для производства одежды. Известь, цемент, глина, органическое стекло (плексиглас) – в строительстве.

Органические полимеры присутствуют и в самом человеке. Например, нуклеиновые кислоты (их называют еще ДНК), а также рибонуклеиновые кислоты (РНК).

У всех органических полимеров есть особые механические свойства:

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

 - эластичность, то есть высокая обратимая деформация при небольших нагрузках (каучук);

 - ориентирование макромолекул под действием механического направленного поля (производство пленок и волокон);

 - при малой концентрации большая вязкость растворов  (полимеры вначале набухают, а потом растворяются);

 - под действием небольшого количества реагента способны быстро изменить свои физико-механические характеристики (например, дубление кожи, вулканизация каучука).

Элементоорганические полимеры. Они содержат в основной цепи органических радикалов неорганические атомы (Si, Ti, Al), сочетающиеся с органическими радикалами. В природе их нет. Искусственно полученный представитель — кремний. В зависимости от химического состава цепей макромолекул различают 3 группы элементоорганических полимеров: 1) с неорганическим основными цепями, обрамленными органическими группами, например, полиалкоксифосфазены [—P(OR)2 = N —]n; 2) с основными цепями, содержащими чередующиеся атомы углерода и другие элементы, например, поликарбосиланы [ — Si(R)2 — СН2 — ]n; 3) с органическими основными цепями, обрамленными элементоорганическими группами, например,  поли-1-триалкилсилилэтилены

Неорганические полимеры - если в цепи макромолекулы атомы элементов органического происхождения отсутствуют. Главные цепи построены из ковалентных или ионно-ковалентных связей. В некоторых неорганических полимерах цепочка ионно-ковалентных связей может прерываться единичными сочленениями координационного характера. Структурная классификация неорганических полимеров осуществляется по тем же признакам, что и органических или элементоорганических полимеров. Среди природных неорганических полимеров наиболее распространены сетчатые, входящие в состав большинства минералов земной коры. Многие из них образуют кристаллы типа алмаза или кварца. К образованию линейных неорганических полимеров способны элементы верхних рядов III-VI гр. периодической системы. Внутри групп с увеличением номера ряда способность элементов к образованию гомо - или гетероатомных цепей резко убывает. Галогены, как и в органических полимерах, играют роль агентов обрыва цепи, хотя всевозможные их комбинации с другими элементами могут составлять боковые группы. Элементы VIII гр. могут входить в главную цепь, образуя координационные неорганические полимеры. Последние, в принципе, отличны от органических координационных полимеров, где система координационных связей образует лишь вторичную структуру. Многие оксиды или соли металлов переменной валентности по макроскопическим свойствам похожи на сетчатые неорганические полимеры.

Следует отметить, что в технических материалах часто используют сочетания разных групп полимеров. Это композиционные материалы (например, стеклопластики).

Б) По форме макромолекул полимеры делят на линейные, разветвленные (частный случай — звездообразные), ленточные, плоские, гребнеобразные, полимерные сетки и так далее.

В) По полярности (влияющей на растворимость в различных жидкостях) полимеры подразделяют на гидрофильные, или полярные, и гидрофобные, или неполярные.     Полярность звеньев полимера определяется наличием в их составе диполей — молекул с разобщенным распределением положительных и отрицательных зарядов. В неполярных звеньях дипольные моменты связей атомов взаимно компенсируются. Полимеры, звенья которых обладают значительной полярностью, называют гидрофильными или полярными. Полимеры с неполярными звеньями — неполярными, гидрофобными. Полимеры, содержащие как полярные, так и неполярные звенья, называются амфифильными. Гомополимеры, каждое звено которых содержит как полярные, так и неполярные крупные группы, предложено называть амфифильными гомополимерами.

Г) По отношению к нагреву полимеры подразделяют на термопластичные и термореактивные. Термопластичные полимеры (полиэтилен, полипропилен, полистирол) при нагреве размягчаются, даже плавятся, а при охлаждении затвердевают. Этот процесс обратим. Термореактивные полимеры при нагреве подвергаются необратимому химическому разрушению без плавления. Молекулы термореактивных полимеров имеют нелинейную структуру, полученную путём сшивки (например, вулканизация) цепных полимерных молекул. Упругие свойства термореактивных полимеров выше, чем у термопластов, однако, термореактивные полимеры практически не обладают текучестью, вследствие чего имеют более низкое напряжение разрушения.

Природные органические полимеры образуются в растительных и животных организмах. Важнейшими из них являются полисахариды, белки и нуклеиновые кислоты, из которых в значительной степени состоят тела растений и животных и которые обеспечивают само функционирование жизни на Земле. Считается, что решающим этапом в возникновении жизни на Земле явилось образование из простых органических молекул более сложных — высокомолекулярных.

2.3. Свойства и основные характеристики полимеров

Линейные полимеры обладают специфическим комплексом физико-химических и механических свойств. Важнейшие из этих свойств:

1. способность образовывать высокопрочные анизотропные высоко ориентированные волокна и пленки;
2. способность к большим, длительно развивающимся обратимым деформациям;
3. способность в высокоэластичном состоянии набухать перед растворением;
4. высокая вязкость растворов.

Этот комплекс свойств обусловлен высокой молекулярной массой, цепным строением, а также гибкостью макромолекул. При переходе от линейных цепей к разветвленным, редким трехмерным сеткам и, наконец, к густым сетчатым структурам этот комплекс свойств, становится всё менее выраженным. Сильно сшитые полимеры нерастворимы, неплавкие и неспособны к высоко-эластичным деформациям.

Полимеры могут существовать в кристаллическом и аморфном состояниях. Необходимое условие кристаллизации - регулярность достаточно длинных участков макромолекулы. В кристаллических полимерах возможно возникновение разнообразных надмолекулярных структур (фибрилл, сферолитов, монокристаллов) тип которых во многом определяет свойства полимерного материала. Надмолекулярные структуры в незакристаллизованных (аморфных) полимерах менее выражены, чем в кристаллических.

 Незакристаллизованные полимеры могут находиться в трех физических состояниях: стеклообразном, высокоэластичном и вязко текучем. Полимеры с низкой (ниже комнатной) температурой перехода из стеклообразного в высокоэластичное состояние называются эластомерами, с высокой - пластиками.

В зависимости от химического состава, строения и взаимного расположения макромолекул свойства полимеры могут меняться в очень широких пределах.

Полимеры могут вступать в следующие основные типы реакций:

1. Образование химических связей между макромолекулами (так называемое сшивание), например при вулканизации каучуков, дублении кожи;
2. распад макромолекул на отдельные, более короткие фрагменты, реакции боковых функциональных групп полимеров с низкомолекулярными веществами, не затрагивающие основную цепь (так называемые полимераналогичные превращения);
3. внутримолекулярные реакции, протекающие между функциональными группами одной макромолекулы, например внутримолекулярная циклизация.

Важнейшие характеристики полимеров - химический состав, молекулярная масса и молекулярно-массовое распределение, степень разветвленности и гибкости макромолекул, стереорегулярность и другие. Свойства полимеров существенно зависят от этих характеристик.

Глава 3. Получение полимеров

Природные полимеры образуются в процессе биосинтеза в клетках живых организмов. С помощью экстракции, фракционного осаждения и других методов они могут быть выделены из растительного и животного сырья. Синтетические полимеры получают полимеризацией и поликонденсацией. Карбоцепные полимеры обычно синтезируют полимеризацией мономеров с одной или несколькими кратными углеродными связями или мономеров, содержащих неустойчивые карбоциклические группировки (например, из циклопропана и его производных). Гетероцепные полимеры получают поликонденсацией, а также полимеризацией мономеров, содержащих кратные связи углерод элемента или непрочные гетероциклические группировки.

Получение полимеров

Основными методами получения полимеров являются:

• полимеризация;
• поликонденсация;
• химическая модификация полимеров (изменение молекулярного

строения полимеров в результате химической реакции)

Следует подчеркнуть, что в первых двух случаях полимеры получают из мономеров, в третьем – из уже имеющегося полимера.

Процесс полимеризации и процесс поликонденсации проходят следующие стадии:

1. образование активных центров или зарождение цепи;
2. рост цепи;
3. обрыв цепи.

3.1. Полимеризация

Полимеризацией называется процесс образования макромолекул путем

последовательного присоединения молекул мономеров М к активному центру М• растущей макромолекулы. При этом активный центр переходит во вновь присоединенное звено

М• + М1 ⎯→ М—М1•

М—М1• + М2 ⎯→ М—М1—М2•

М—М1—М2• + М3 ⎯→ М—М1—М2—М3•

М—М1—...—Мn• + Мn +1 ⎯→ М—М1—...—Мn—Мn+1•.

Если промежуточные продукты присоединения, образующиеся в процессе полимеризации, стабильны и могут быть выделены на каждом этапе присоединения новых мономерных звеньев, реакция полимеризации называется ступенчатой. Для цепной полимеризации характерно образование нестабильных, существующих только в течение короткого периода времени промежуточных продуктов присоединения, которые не могут быть выделены из хода реакции.

В зависимости от природы активного центра различают:

- радикальную полимеризацию, в которой активным центром является свободный радикал;

- ионную полимеризацию, в которой активным центром является ион. В зависимости от заряда иона различают анионную и катионную полимеризацию.

Реакция присоединения нескольких молекул одного мономера называется реакцией гомополимеризации. Если полимеризовать смесь двух и более мономеров, каждая макромолекула будет содержать звенья различных мономеров и такой вид синтеза называется сополимеризацией.

3.1.1. Радикальная полимеризация

Процесс радикальной полимеризации включает в себя 4 стадии:

1. Инициирование

На данной стадии образуются первичные радикалы мономера. Для зарождения цепи используются как физические (фотолиз, радиолиз, термолиз) или химические (разложение радикальных инициаторов - пероксидов, гидропероксидов, азосоединений) методы. На первой стадии генерируются радикалы инициатора, которые присоединяются к молекуле мономера, образуя первичный мономерный радикал.

а) Термическое инициирование

Применяется редко. Оно наблюдается при полимеризации бутадиена при повышенных температурах, а также стирола и метилметакрилата, образующих сравнительно стабилизированные радикалы.

Скорость термической полимеризации прямо пропорциональна квадрату концентрации мономера. Она также зависит от температуры. Образование радикалов происходит за счёт бимолекулярного инициирования.

б) Фотоиницирование

Сущность процесса фотоинициирования полимеризации без использования инциаторов или фотосенсибилизаторов заключается в облучении реакционной массы ультрафиолетовым излучением с определённой длиной волны, зависящей от того, разрыва какой двойной связи необходимо добиться. Так, при облучении аллилового эфира метакриловой кислоты можно добиться селективного разрыва метакрилатной двойной связи, не затрагивая аллильную двойную связь.

При этом возможны два процесса:

- Возбуждение молекулы мономера при поглощении кванта света, столкновение с другой молекулой мономера и с определённой вероятностью образование бирадикала с последующим диспропорционированием на радикалы.

- Распад возбуждённой молекулы мономера на свободные радикалы.

в) Радиационное инициирование

Инициирование полимеризации проводится облучением ионизирующим излучением (α-, β-, γ-лучи, ускоренные электроны, протоны и др.)

2. Рост цепи – основная стадия радикальной полимеризации: неспаренный электрон переходит от атома углерода радикала R• к концевому атому молекулы мономера, превращая растущую цепь в макрорадикал, к которому последовательно присоединяются молекулы мономера
3. Обрыв цепи – заключительная стадия полимеризации – может происходить следующими способами:

- в результате замыкания двух растущих макрорадикалов (рекомбинация).

Эта реакция приводит к образованию одной макромолекулы, на концах которой имеются звенья, возникшие в результате распада инициатора;

- при взаимодействии растущих макрорадикалов с низкомолекулярными соединениями – ингибиторами. В результате обрыва цепи образуются макромолекулы различной длины, что отрицательно сказывается на свойствах полимера;

- для регулирования длины цепи (принудительный обрыв цепи) используют реакцию передачи цепи, когда вводимое вещество – регулятор – обрывает растущую цепь, становясь при этом свободным радикалом, начинающим новую цепь реакции полимеризации.

Ввиду квазистационарности процесса полимеризации реакция протекает на глубину 10% и более с практически постоянной скоростью.

4. Передача цепи

Стадия передачи цепи заключается в переносе активного центра макрорадикала на другую молекулу, присутствующую в растворе (мономер, полимер, инициатор, растворитель). При этом макромолекула теряет возможность дальнейшего роста.

Если образовавшийся новый радикал способен продолжать кинетическую цепь, то реакция полимеризации продолжается дальше с прежней скоростью. Если же новый радикал малоактивен, то либо скорость полимеризации замедляется, либо процесс останавливается. Это используется для ингибирования радикальной полимеризации.

В целом реакция передачи цепи приводит к образованию полимера с низкой степенью полимеризации. Передача цепи на макромолекулы приводит к образованию разветвлённых, сшитых и привитых полимеров.

Образование активных центров (генерирование свободных радикалов) осуществляется в результате теплового, светового, радиоактивного или химического воздействий (соответственно термо-, фото-, радио – и хемоинициирование). Генерирование свободных радикалов характеризуется двумя последовательными реакциями:

1) разложение инициатора In с бразованием свободных радикалов R•

2) взаимодействие радикала с мономером М.

В результате образуется активный центр свободнорадикального типа RM•

1) In ⎯→ 2R•

2) R• + M ⎯→ RM• .

3.1.2. Ионная полимеризация

Ионная полимеризация в отличие от радикальной характеризуется гетеролитическим разрывом связей в мономере. Разрыв двойной связи происходит под влиянием катализаторов, образующих ионы. Реагируя с молекулой мономера, ионы катализатора переводят ее в состояние иона, и далее полимеризация идет по механизму цепных реакций.

В зависимости от знака иона на концевом атоме растущей цепи различают анионную и катионную полимеризацию. В первом случае атом углерода растущей цепи имеет отрицательный заряд, во втором – положительный.

Подобно радикальной полимеризации, макромолекулы при ионной полимеризации формируются в результате трех последовательных этапов:

- образование активных (ионных) центов,

- рост цепи

- обрыв цепи.

Глава 4. Поликонденсация

Поликонденсацией называется процесс получения полимеров путем химического взаимодействия молекул полифункциональных мономеров и образующихся в ходе реакции n-меров друг с другом, сопровождающийся выделением побочных низкомолекулярных продуктов (газов, воды). Вследствие выделения побочных продуктов, элементарный состав звена полимера отличается от элементарного состава исходных мономеров.

В основе реакций поликонденсации лежат реакции замещения, приводящие в каждом акте взаимодействия функциональных групп к образованию устойчивых соединений. Для поликонденсации используют мономеры, содержащие не менее двух функциональных групп:  –ОН, –СООН, –Сl, –NН2 и др.

Реакции поликонденсации подразделяются на равновесные (обратимые) и неравновесные (необратимые).

Равновесная поликонденсация – обратимый процесс получения полимера, при котором на стадии роста цепи протекают реакции деструкции и обмена, вызванные наличием низкомолекулярных продуктов реакции. Неравновесная поликонденсация – необратимый процесс получения полимера, при котором удаляются низкомолекулярные продукты, и, следовательно, отсутствуют продукты обратной реакции.

Рассмотрим процесс поликонденсации на примере получения линейного полиэфира в результате взаимодействия гликоля с дикарбоновой кислотой.

Начало роста цепи представляет собой химическое взаимодействие функциональных групп молекул исходных мономеров

НО–R1–OН + НО–ОC–R2–СО–ОН → 2Н2О + –[R1–OОC–R2–CОО]–

Рост цепи представляет собой ступенчатый процесс, каждый акт которого приводит к образованию устойчивых соединений. Стадия характеризуется уменьшением числа реакционных центров при увеличении числа мономерных звеньев образующегося полимера

n НО–R1–OН + n НО–ОC–R2–СО–ОН → 2n Н2О + –[R1–ОOC–R2–СОО]n–

Остановка роста цепи определяется конечным количеством исходных мономеров и может быть вызвана физическими и химическими причинами. К первым относят уменьшение скорости взаимодействия мономеров вследствие увеличения вязкости образующегося полимера, снижения температуры реакции. Ко вторым – исчерпание одного или обоих мономеров, достижение динамического равновесия.

Для получения методом поликонденсации полимера с предельно большим числом повторяющихся звеньев следует использовать эквивалентное количество мономеров и удалять низкомолекулярные продукты реакции.

1. Взаимодействия в полимерах

Наличие у (со)полимеров большого количества атомов в молекулярной цепи свидетельствует о возможности существования не только химически взаимодействующих частей макромолекулы, но и межмолекулярных взаимодействий и гидрофобных взаимодействий, водородной связи и т.д.

Водородная связь, существующая между функциональными группами в полимерной цепи, содержащими атом водорода, химически связанный с электроотрицательным атомом, и электроотрицательным атомом, может быть двух видов: внутри- и межмолекулярной. Функциональными группами, способными образовывать водородную связь, являются, например, –СООН, –ОН, –NH2 и т.д.

Существование прочных внутримолекулярных водородных связей в одной макромолекуле сказывается на понижении растворимости полимера и потенциальных барьерах вращения (поворотная изомеризация).

Водородная связь по значению энергии (обычно от 5 до 50 КДж/моль) занимает промежуточное положение между химическими и ван-дер-ваальсовыми (межмолекулярными) взаимодействиями, которые складываются из сил притяжения, действующих на расстоянии 3–4 Ǻ, и отталкивания, действующих на существенно меньших расстояниях.

Наличие между звеньями в цепи полимера межмолекулярных взаимодействий обуславливает, не только определенные физико-химические свойства материала, но и наличие различных фазовых состояний и надмолекулярной структуры.

2. Химические превращения полимеров

С помощью химических превращений можно получать новые классы полимеров на основе имеющихся (природных и синтетических) и в широких пределах варьировать их свойства. Различают следующие виды химических превращений:

-внутримолекулярные,

-межмолекулярные,

-полимераналогичные.

1. Внутримолекулярные превращения полимеров

Внутримолекулярные превращения происходят под действием тепла, света, химических агентов. В результате внутримолекулярных превращений изменяется строение или химический состав макромолекул, но не происходит присоединения реагентов. Различают следующие виды внутримолекулярных превращений:

а) внутримолекулярные превращения в боковых группах:

R–COO–C(CH3)3 — → R–COOH + (CH3)2C=CH2

б) внутримолекулярные превращения в основной цепи, когда привитой радикал в результате превращения встраивается в главную цепь полимера

в) изомерные превращения и в привитых радикалах и в главной цепи полимера.

2. Межмолекулярные превращения полимеров

К межмолекулярным превращениям относят реакции соединения соседних макромолекул под действием сшивающих агентов. Образующиеся сшитые полимеры теряют способность к растворению, а также необратимым пластическим деформациям. При этом их физико-механические свойства обычно повышаются. Реакции межмолекулярного сшивания происходят при вулканизации каучуков, отверждении клеев и смол, высыхании лакокрасочных изделий, дублении кож. Рассмотрим две реакции межмолекулярных превращений, имеющие большое практическое значение.

а) Вулканизация (сшивание) каучука является технологическим процессом, при котором каучук превращается в резину в результате соединения линейных макромолекул поперечными связями в пространственную сетку. В результате вулканизации каучук приобретает высокую эластичность и прочность. Сшивающим агентом для макромолекул каучука является сера. В обычных условиях сера состоит из 8-членных циклов (т.е. является неорганическим полимером), которые при 140°C распадаются и присоединяются к макромолекулам изопрена

б) Отверждение (сшивание) эпоксидных смол, т.е. необратимое превращение жидких реакционно-способных олигомеров в твердые нерастворимые, неплавкие трехмерные полимеры, происходит в результате химического взаимодействия функциональных групп олигомеров с отвердителями. Для эпоксидных олигомеров функциональными группами являются эпоксидные группы, отвердителем – гексаметилендиамин.

3. Полимераналогичные превращения полимеров

При полимераналогичных превращениях происходит взаимодействие функциональных групп макромолекул с низкомолекулярными агентами, не влияющее на строение основной цепи. В результате в макромолекулах могут образовываться новые функциональные группы. Примером полимераналогичных превращений является получение полиспиртов обработкой полиацетатов щелочью:

R–OOC–CH3 + NaOH → R–OH + CH3–COONa

Полимераналогичные превращения — единственная возможность получения ПВС: виниловый спирт в свободном виде неустойчив и самопроизвольно превращается в уксусный альдегид

СН2 = СH– ОН     →     СН3–СО–Н

виниловый спирт       уксусный альдегид

Поэтому полимеризацией винилового спирта получить ПВС нельзя.

Глава 5. Вред применения полимеров

5.1.Полимеры в быту и их вред

Пластические массы или полимерные материалы, используемые для производства различных изделий, в том числе тары и упаковки, содержат в своем составе химические соединения, которые в процессе их эксплуатации систематически выделяются в окружающую природу и другие контактирующие с ними среды, в том числе и продукты питания. При этом происходит загрязнение этих сред с нарушением экологического баланса или нанесением вреда здоровью человека.

Полиэтилен. Исследования доказали вред полиэтилена: некоторые содержащиеся в полиэтилене, а следовательно, и в упаковках,  химические вещества легко растворяются в жирах и проникают в продукты. Затем, попадая в организм человека, они накапливаются и впоследствии способны вызывать бесплодие. Специалисты не советуют хранить жиросодержащие продукты в полиэтиленовой упаковке.

На упаковку расходуется 22% всех используемых в мире пластмасс, причем большая часть упаковки одноразовая и заканчивает свою жизнь на свалке. В среднем каждый житель Земли использует около 500 пакетов в год, американцы в год используют порядка 14 миллиардов пакетов, 4 триллиона пакетов в год используется в мире. При этом в США пакеты все-таки отправляют на вторичную переработку, но пока только 5% от всего объема. Поэтому одну десятую часть мусора составляют полиэтиленовые пакеты, утилизация которых наносит непоправимый вред земной природе. При их сжигании выделяется большое количество углекислого газа, разрушающего озоновый слой.

Полиэтилен устойчив к действию воды, не реагирует со щелочами любой концентрации, с растворами нейтральных, кислых и основных солей, органическими и неорганическими кислотами, даже с концентрированной серной кислотой, но разлагается при действии 50%-ой азотной кислоты при комнатной температуре и под воздействием жидкого и газообразного хлора и фтора.

При комнатной температуре нерастворим и не набухает ни в одном из известных растворителей. При повышенной температуре (80 °C) растворим в циклогексане и четырёххлористом углероде. Под высоким давлением может быть растворён в перегретой до 180 °C воде.

Со временем, деструктурирует с образованием поперечных межцепных связей, что приводит к повышению хрупкости на фоне небольшого увеличения прочности. Нестабилизированный полиэтилен на воздухе подвергается термоокислительной деструкции (термостарению). Термостарение полиэтилена проходит по радикальному механизму, сопровождается выделением альдегидов, кетонов, перекиси водорода и др.

Полиэтилен низкого давления (ПЭНД), или высокой плотности (HDPE), применяется при строительстве полигонов переработки отходов, накопителей жидких и твёрдых веществ, способных загрязнять почву и грунтовые воды.

Полиэтилен (кроме сверхвысокомолекулярного) перерабатывается всеми известными для пластмасс методами, такими как экструзия, экструзия с раздувом, литьё под давлением, пневматическое формование. Экструзия полиэтилена возможна на оборудовании с установленным «универсальным» червяком.

Применение полиэтилена:

– Полиэтиленовая плёнка (особенно упаковочная, например, пузырчатая упаковка или скотч),

– Тара (бутылки, банки, ящики, канистры, садовые лейки, горшки для рассады)

– Полимерные трубы для канализации, дренажа, водо-, газоснабжения

– Электроизоляционный материал.

– Полиэтиленовый порошок используется как термоклей.

– Броня (бронепанели в бронежилетах)

– Корпуса для лодок, вездеходов, деталей технической аппаратуры, диэлектрических антенн, предметов домашнего обихода и др.

   – Вспененный полиэтилен (пенополиэтилен) используется, как теплоизолятор

– Малотоннажная марка полиэтилена — так называемый «сверхвысокомолекулярный полиэтилен», отличающийся отсутствием каких-либо низкомолекулярных добавок, высокой линейностью и молекулярной массой, используется в медицинских целях в качестве замены хрящевой ткани суставов. Несмотря на то, что он выгодно отличается от ПЭНД и ПЭВД своими физическими свойствами, применяется редко из-за трудности его переработки, так как обладает низким ПТР и перерабатывается только литьём.

Утилизация полиэтилена:

1) Переработка – изделия из полиэтилена пригодны для переработки и последующего использования.

2) Сжигание – при нагревании полиэтилена на воздухе выше 120 °С возможно выделение в атмосферу летучих продуктов термоокислительной деструкции, содержащих уксусную кислоту, формальдегид (оказывает общетоксичное действие), ацетальдегид (вызывает раздражение слизистых оболочек верхних дыхательных путей, удушье, резкий кашель, бронхиты, воспаление легких), оксид углерода (вызывает удушье)

В окружающей среде выброшенные пакеты сохраняются длительное время и не подвергаются биологическому разложению. Таким образом, они образуют устойчивое загрязнение. По этой причине в ряде стран использование полиэтиленовых пакетов в качестве бытовой упаковки ограничено или запрещено.

Бактерий, способных перерабатывать полимерные соединения, из которых состоят полиэтиленовые мешки, в природе не существует. Пакет из пластика в природе (то есть на свалке) не разрушается 100-150 лет, некоторые специалисты утверждают - 500. Впрочем, проверить это пока никому не удалось. Самым старым пакетам от силы 70, и они до сих пор существуют.

Полипропилен. Полипропилен - химически стойкий материал. Заметное воздействие на него оказывают только сильные окислители — хлорсульфоновая кислота, дымящая азотная кислота, галогены, олеум. Концентрированная 58%-ная серная кислота и 30%-ный пероксид водорода при комнатной температуре действуют незначительно. Продолжительный контакт с этими реагентами при 60 °C и выше приводит к деструкции полипропилена.

В органических растворителях полипропилен при комнатной температуре незначительно набухает. Выше 100 °C он растворяется в ароматических углеводородах, таких, как бензол, толуол.

Основные способы переработки полипропилена — формование методами экструзии, вакуум- и пневмоформования, экструзионно-выдувного, инжекционно-выдувного, инжекционного, компрессионного формования, литье под давлением.

 Полипропилен – материал для производства плёнок (особенно упаковочных), мешков, тары, труб, деталей технической аппаратуры, пластиковых стаканчиков, предметов домашнего обихода, нетканых материалов, электроизоляционный материал, вёдер, посуды для горячих блюд, одноразовых шприцов, мешков для сахара, контейнеров для заморозки продуктов, крышек для большинства бутылок, маслёнок, упаковок некоторых продуктов питания и бытовой техники,, в строительстве для вибро- и шумоизоляции межэтажных перекрытий в системах «плавающий пол». При сополимеризации пропилена с этиленом получают некристаллизующиеся сополимеры, которые проявляют свойства каучука, отличающиеся повышенной химической стойкостью и сопротивлением старению. Для вибро- и теплоизоляции также широко применяется пенополипропилен (ППП). Близок по характеристикам к пенополиэтилену. Также встречаются декоративные экструзионные профили из ППП, заменяющие пенополистирол. Атактический полипропилен используют для изготовления строительных клеев, замазок, уплотняющих мастик, дорожных покрытий и липких пленок.

Термостоек (температура плавления 175°С), стоек к износу, но чувствителен к свету и кислороду, быстрее стареет, чем полиэтилен; менее морозостоек, чем полиэтилен. Считается, что полипропилен безопасен для здоровья. Недавно группа японских учёных установила, что мелкие частицы полипропилена, плавающие в океанских водах абсорбируют различные токсиканты, растворённые в морской воде, такие как ДДТ и полихлорбифенилы.

Поливинилхлорид. Поливинилхлорид (ПВХ, полихлорвинил, винил, вестолит, хосталит, виннол, корвик, сикрон, джеон, ниппеон, сумилит, луковил, хелвик, норвик и др.) — бесцветная, прозрачная пластмасса, термопластичный полимер винилхлорида. Отличается химической стойкостью к щелочам, минеральным маслам, многим кислотам и растворителям. Не горит на воздухе и обладает малой морозостойкостью (−15 °C). Нагревостойкость: +65 °C. Химическая формула: [-CH2-CHCl-]n. Международное обозначение — PVC.

Поливинилхлорид получается суспензионной или эмульсионной полимеризацией винилхлорида, а также полимеризацией в массе.

Применяется для электроизоляции проводов и кабелей, производства листов, труб (преимущественно хлорированный поливинилхлорид), пленок, пленок для натяжных потолков, искусственных кож, поливинилхлоридного волокна, пенополивинилхлорида, линолеума, обувных пластикатов, мебельной кромки и т. д. Также применяется для производства грампластинок (т. н. виниловых), профилей для изготовления окон и дверей.

Поливинилхлорид также часто используется в одежде и аксессуарах для создания подобного коже материала, отличающегося гладкостью и блеском. Такая одежда широко распространена в альтернативных направлениях моды, среди участников готической субкультуры.

Поливинилхлорид используют как уплотнитель в бытовых холодильниках, вместо относительно сложных механических затворов. Это дало возможность применить магнитные затворы в виде намагниченных эластичных вставок, помещаемых в баллоне уплотнителя.

Моющиеся обои покрываются плёнкой из ПВХ с лицевой стороны, делая обои непромокаемыми.

Также находит широкое применение в пиротехнике как донор хлора, необходимого для создания цветных огней.

Широко применяется в рекламе: для оформления витрин магазинов и торговых точек, создания рекламных баннеров и плакатов. Служит сырьём для производства различного рода продукции от грампластинок и плакатов до наклеек. Слоем ПВХ покрыта металлическая сетка восьмиугольника, где проводят соревнования по MMA. Из ПВХ также делают презервативы для людей с аллергией на латекс.

Поливинилхлорид используется в производстве трикотажных рабочих перчаток для нанесению различных рисунков на трикотажную основу. ПВХ-рисунок на перчатке позволяет обеспечить хороший захват при выполнении различных работ, предотвращает процесс скольжения, увеличивает износостойкость продукции.

Поливинилхлорид используется для производства хлорированного поливинилхлорида, обладающего самыми высокими характеристиками огнестойкости и самой высокой температурой воспламенения (482 °С) среди термопластов.

Поливинилхлорид используется при производстве игрушек, водопроводных труб, садовых шлангов, автообивки, надувных бассейнов, кожзаменителе, пластиковых окон.

Может вызывать рак, врожденные дефекты, генетические изменения, хронические бронхиты, язвы, кожные заболевания, глухоту, нарушения зрения, нарушение пищеварения и дисфункцию печени, а при горении выделяет диоксин.

Тефлон. Внесенный в Книгу рекордов Гиннеса как самое скользящее вещество, тефлон уже 50 лет правит в кулинарном мире. Однако было получено достаточно доказательств, что вещество, которое при жарке выделяется из тефлонового покрытия сковороды, более вредно для здоровья человека и природы, чем ДДТ! Применяется в аэрокосмической и текстильной промышленности, в производстве сердечных клапанов, в электронике и изготовлении пакетов для попкорна для микроволновых печей.   Мы отдаем предпочтение присутствию тефлона в покрытиях, одежде, бумажных изделиях, упаковках продуктов быстрого приготовления, очках, изоляции электрических проводов и даже в покрытии крыши футбольного стадиона из-за воскообразного скользкого покрытия, которых отталкивает грязь, жиры и воду.

Изделия, в производстве которых используется тефлон:

        – обогревательные лампы;

        – переносные обогревательные приборы;

        – пластины утюгов;

        – покрытия гладильных досок;

        – конфорки плит;

        – противни;

        – электрогрили;

        – приборы для изготовления попкорна;

        – кофейники;

        – скалки (с антиналипающим покрытием);

        – машины для выпечки хлеба;

        – поддоны под вертел или решетку;

        – формочки для мороженого;

        – унитазы c тефлоновым покрытием;

Однако чаще всего присутствие тефлона мы ощущаем на кухне. Тефлон состоит из многих токсических веществ, которые с накаленной сковороды попадают в воздух и продукты. Чем чаще мы нагреваем тефлоновую сковороду до высокой температуры, тем быстрее покрытие трескается, и мелкие частички и летучие вещества попадают в воздух. Если мыть тефлоновые сковороды руками или в посудомоечной машине при помощи сильного моющего средства, этот процесс только усиливается. Выделяемые из тефлона вещества вредны для человека, а минимальные дозы смертельны для птиц, которых мы держим в доме.

Научные исследования доказали, что выделяемые из тефлона вещества могут вызывать риск ожирения, инсулиновые проблемы и рак щитовидной железы и печени. Кроме того, тефлон угрожает  клеткам, которые регулируют иммунную систему организма. Недавно ПТФЭ стали связывать с повышением уровня холестерина и триглицерина у людей. Данные показывают:  что матери передают своим детям ПТФЭ и что это может вызвать уродство лица, проблемы с процессом развития.

Полиакрилат.

Большую часть полиакрилатов и полиметакрилатов получают радикальной полимеризацией, в больших масштабах — обычно эмульсионной либо суспензионной полимеризацией, иногда — полимеризацией в растворе, в относительно небольших масштабах — блочной полимеризацией.

Термодеструкция полиакрилатов протекает при температурах выше 150 °C и сопровождается сшивкой полимера и частичной деполимеризацией (~1 % мономера), в отличие от них термодеструкция алифатических полиметакрилатов, протекающая при 200—250°С, ведет к деполимеризации с почти количественным выходом мономера (более 90 % у полиметилметакрилата).

Анионной полимеризацией могут быть получены стереорегулярные кристаллические полиакрилаты и полиметакрилаты.

Один из наиболее массовых полиакрилатов — полиметилметакрилат (органическое стекло, плексиглас), первый синтетический полимер с хорошими оптическими свойствами, нашедший массовое применение в качестве конструкционного материала, заменяющего стекло в авиастроении и других отраслях промышленности.

На основе полиакрилатов также производятся различные полимерные композиции, в частности акриловые краски и лаки, базирующиеся на водных дисперсиях полиакрилатов или их сополимеров, которые при высыхании образуют стойкую плёнку.

Абсорбенты – это вещества, обладающие способностью абсорбции  т. е. поглощения, всасывания какого-либо другого вещества из раствора всей своей массой. Данные особые свойства можно рассмотреть на примере таких полимеров – полиакрилатов.

Полиакрилаты – полимеры основой которых является акриловая кислота. Можно подобрать такое строение полимерного материала которое будет впитывать только воду или какую то иную жидкость.

Пенополистирол  (пенопласт). Пенопласт используют для утепления кровли и пола, а также для звукоизоляции. Пенопласт изготавливается на основе полистирола. А в полистироле присутствует остаточный стирол – сильное токсичное вещество. Он выделяется в воздух и приводит к ухудшению самочувствия человека. Происходит раздражение глаз и слизистых оболочек, возможна головная боль и даже спазмы.

У ведущих мировых производителей пенопласта содержание в полистироле остаточного стирола не высоко (в пределах 0.01-0.05%), что гарантирует безвредность пенопласта. У наших же производителей процент этого токсичного вещества находится в пределах 0.07%-0.2%.

2. Экологические проблемы в химии и технологии полимерных материалов

Создание и применение полимеров непосредственно или опосредованно связано с воздействием на организм человека, на окружающую производственную среду и среду обитания человека, а также на окружающую среду в целом. Последнее особенно важно после использования полимеров и изделий из них, когда отработанные материалы подвергаются захоронению в почве, а вредные вещества, высвобождающиеся при разложении полимерного материала, загрязняют почву, сточные воды, ухудшая тем самым состояние окружающей среды. Проблемы экологии производства и применения полимерных материалов.

К каким же последствиям приводит загрязнение, например, земли? В первую очередь к прямому сокращению естественной среды обитания живых существ. Во-вторых, загрязнение какого-то района создает опасность для соседних с ним территорий из-за миграции загрязнений, например, через подпочвенные водоносные горизонты. В-третьих, загрязнение воздуха вредными газами, включая метан и двуокись углерода, создающую парниковый эффект, может привести к глобальным изменениям окружающей среды.

Производство полиэтилена, полипропилена, поливинилхлорида приносит немалые экологические проблемы для окружающей природной среды. Это использование различных токсичных мономеров и катализаторов, образование сточных вод и газовых выбросов, обезвреживание которых сопряжено с большими энергетическими, сырьевыми и трудовыми затратами и не всегда добросовестно выполняется производителями.

Рассмотрим некоторые примеры, связанные с экологией производства основных полимеров.

Производство полиэтилена и других полиолефинов относиться к категории пожароопасных и взрывоопасных (категория А): этилен и пропилен образуют с воздухом взрывчатые смеси. Оба мономера обладают наркотическим действием. ПДК в воздухе этилена составляет 0,05* 10-3 кг/м3, пропилена - 0,05* 10-3 кг/м3. Особенно опасно производство полиэтилена высокого давления (ПЭВД), поскольку оно связано с применением высокого давления и температуры. В связи с возможностью взрывного разложения этилена во время полимеризации реакторы оборудуют специальными предохранительными устройствами (мембраны) и устанавливают в боксах. Управление процессом полностью автоматизировано. При производстве полиэтилена низкого давления и полипропилена особую опасность представляет применяемый в качестве катализатора диэтилалюминийхлорид. Он отличается высокой реакционной способностью. При контакте с водой и кислородом взрывается. Все операции с металлоорганическими соединениями должны проводиться в атмосфере чистого инертного газа (очищенный азот, аргон). Небольшие количества триэтилалюминия можно хранить в запаянных ампулах из прочного стекла. Большие количества следует хранить в герметически закрытых сосудах, в среде сухого азота, либо в виде разбавленного раствора в каком-либо углеводородном растворителе (пентан, гексан, бензин - чтобы не содержали влаги). Триэтилалюминий является токсичным веществом: при вдыхании его пары действуют на легкие, при попадании на кожу возникают болезненные ожоги. В этих производствах используется также бензин. Бензин - легковоспламеняющаяся жидкость, температура вспышки для разных сортов бензина колеблется от - 50 до 28 оС. Концентрационные пределы воспламенения смеси паров бензина с воздухом составляют 2-12 % (объемных). На организм человека это оказывает наркотическое действие. ПДК бензина в воздухе = 10,3*10-3 кг/м3. Порошкообразные полиолефины образуют взрывоопасные смеси. ПДК полипропилена составляет: 0,0126 кг/м3. При транспортировании порошкообразных полиолефинов происходит образование аэрозолей и неизбежно накапливание зарядов статического электричества, что может привести к искрообразованию. Транспортирование полиолефинов по трубопроводу производят в атмосфере инертного газа. Сходным полимером является поливинилхлорид. Производство и использование винилхлорида относят также к категории взрывоопасных и пожароопасных (категория А). Винилхлорид в газообразном состоянии оказывает наркотическое действие, продолжительное пребывание в помещение, в атмосфере которого содержится большое количество винилхлорида, вызывает головокружение и потерю сознания. ПДК в рабочих помещениях составляет 3*10-5 кг/м3. При концентрации 1*10-4 кг/м3 вызывает раздражение слизистых оболочек, а запах начинает ощущаться даже при 2*10-4 кг/м3. Вдыхание паров при открытом испарении мономера вызывает острое отравление. Другие мономеры, используемые при производстве политетрафторэтилена, политрифторхлорэтилена, поливинилфторидов также не менее токсичны.

В этой связи необходимо обеспечивать контроль экологической безопасности процесса создания полимеров и полимерных материалов, их эксплуатации и уничтожения отходов ПМ после их использования человеком.

3.  Классификация полимерных отходов

По источникам образования все полимерные отходы делят на три группы:

• технологические отходы производства;

• отходы производственного потребления;

• отходы общественного потребления.

Технологические отходы полимерных материалов возникают при их синтезе и переработке. Они делятся на неустранимые и устранимые технологические отходы. К неустранимым относят кромки, обрезки, литники, обломки, грат и т. д. Таких отходов образуется от 5 до 35 %. Неустранимые отходы представляют собой высококачественное сырье, по свойствам не отличающееся от исходного первичного полимера. Переработка его в изделия не требует специального оборудования и производится на том же предприятии. Устранимые технологические отходы производства образуются при несоблюдении технологических режимов в процессах синтеза и переработки, т. е. это – технологический брак, который может быть сведен к минимуму или совсем устранен. Технологические отходы производства перерабатываются в различные изделия, используются в качестве добавки к исходному сырью и т. д.

Отходы производственного потребления накапливаются в результате выхода из строя изделий из полимерных материалов, не используемых в различных отраслях промышленности (шины, тара и упаковка, отходы сельскохозяйственных пленок, мешки из под удобрений и т. д.). Эти отходы являются наиболее однородными, малозагрязненными и поэтому представляют наибольший интерес с точки зрения их повторной переработки.

Отходы общественного потребления накапливаются у нас дома, на предприятиях питания и т. д., а затем попадают на городские свалки. В конечном итоге они переходят в новую категорию отходов – смешанные отходы. Отходы эти составляют более 50 % от отходов общественного потребления. Количество таких отходов непрерывно растет и составляет в России около 80 кг на душу населения. Наибольшие трудности связаны с переработкой и использованием смешанных отходов. Причина этого заключается в несовместимости термопластов, входящих в состав бытового мусора, что требует постадийного выделения материалов.

Объемы промышленных и бытовых отходов в виде вышедших из употребления изделий из полимеров значительны и постепенно увеличиваются, с учетом прогрессивных материалов упаковки предметов технического и бытового назначения: пищевых продуктов, освежительных напитков, лекарственных средств; выхода из эксплуатации полиэтиленовой пленки, парниковых хозяйств, кормопроизводства; мешков из-под минеральных удобрений, бытовой химии, капроновых сетей, предметов домашнего обихода, соцкультбыта, детских игрушек, спортинвентаря, ковровых напольных покрытий, линолеума, транспортной тары, емкостей; отходов производства и эксплуатации кабеля, полимерных труб и др.; ПЭТ-тары и упаковки и других изделий на основе ПЭТФ.

Кроме этого, массовый импорт промышленных, продовольственных товаров, медицинских средств, косметики и др. в полимерной упаковке увеличивают объемы образования этих отходов.

Указанные отходы специфичны, так как не поддаются гниению, саморазрушению, аккумулируются, занимая земельные площади, загрязняя населенные пункты, водоемы, лесонасаждения. При сжигании выделяют ядовитые газы, на свалках являются благоприятной средой для жизнедеятельности грызунов, насекомых.

Таким образом, промышленные и бытовые отходы полимерных изделий представляют экологическую опасность.

4. Методы утилизации и обезвреживания полимерных материалов

Какие же подходы используют для борьбы с загрязнением природы, связанным с производством полимеров?

а) Термические методы утилизации и обезвреживания отходов полимерных материалов. Казалось бы, что самым естественным могло бы быть окисление этих органических веществ при высоких температурах или попросту их сжигание. Однако при этом уничтожаются в принципе ценные вещества и материалы. Продуктами сжигания в лучшем случае являются вода и углекислый газ, а это значит, что не удается вернуть даже исходных мономеров, полимеризацией которых получали уничтожаемые полимеры. Кроме того, как уже говорилось выше, выделение в атмосферу больших количеств углекислого газа CO2 приводит к глобальным нежелательным эффектам, в частности к парниковому эффекту. Но еще хуже, что при сжигании образуются вредные летучие вещества, которые загрязняют воздух и, соответственно, воду и землю. Не говоря уже о многочисленных добавках, в том числе красителей и пигментов, в окружающую среду выделяются разнообразные соединения, включающие тяжелые металлы, используемые в качестве катализаторов при синтезе полиэтилена, крайне вредные для здоровья людей.

Термические методы обработки полимерных отходов условно можно разделить:

• на термодеструкцию полимерных материалов с получением твердых, жидких и газообразных продуктов;

• на сжигание или инспирацию, приводящую к образованию газообразных продуктов и золы.

В свою очередь, термодеструкцию условно разделяют:

• на неглубокое терморазложение полимеров при сравнительно невысоких температурах с образованием в основном низкомолекулярных веществ;

• на пиролиз при повышенных температурах, приводящих к получению жидких и газообразных продуктов и незначительному количеству твердого остатка.

С помощью пиролиза можно получить целый ряд полезных продуктов, однако данный метод считается весьма энергозатратным и требует применения дорогостоящего оборудования. Существует такой метод, как депонирование на полигонах полимерных отходов, которое явно нецелесообразно, так как большинство пластиков не разлагаются десятки лет, нанося огромный вред почве. Таким образом, традиционные способы утилизации отходов - депонирование и сжигание для полимеров неприемлемы. В первом случае в результате воздействия воды образуются вредные аминосодержащие продукты, во втором - выделяются токсичные газы, такие как цианистый водород, оксиды азота и т.п.

б) Создание полимерных материалов с регулируемым сроком эксплуатации. В последние годы возникли и начали практически реализовываться новые идеи синтеза "экологически чистых" полимеров и изделий из них. Речь идет о полимерах и материалах из них, способных более или менее быстро разлагаться в природных условиях. Заметим при этом, что все биологические полимеры, то есть полимеры, синтезируемые растениями и живыми организмами, к числу которых относятся в первую очередь белки и полисахариды, в той или иной степени подвержены разрушению, катализаторами которого являются ферменты. Здесь соблюдается принцип: что создает природа, то она способна разрушить. Если бы этот принцип не срабатывал, то те же полимеры, в огромных количествах производимые микроорганизмами, растениями и животными, после их гибели оставались бы на земле. Такое трудно даже себе представить, ибо это была бы фантастическая мировая свалка трупов всех существовавших на земле организмов. К счастью, этого не происходит, и высокоэффективные биологические катализаторы - ферменты - делают свое дело и успешно справляются с этой задачей. Известны три типа разлагаемых полимерных материалов, именно:

• фоторазлагаемые;

• биоразлагаемые;

• водорастворимые.

Все они обладают достаточной стабильностью в обычных условиях эксплуатации и легко подвергаются разложению. Для придания полимерным материалам способности разрушаться под действием света используют специальные добавки или вводят в состав композиции светочувствительной группы. Для того чтобы такие полимерные материалы нашли практическое применение, они должны удовлетворять следующим требованиям:

• в результате модификации не должны существенно изменяться эксплуатационные характеристики полимера;

• добавки, вводимые в полимер, не должны быть токсичными;

• полимеры должны перерабатываться обычными методами, не подвергаясь при этом разложению;

• необходимо, чтобы изделия, полученные из таких полимеров могли храниться и эксплуатироваться длительное время в условиях отсутствия прямого проникновения УФ-лучей;

• время до разрушения полимера должно быть известно и варьироваться в широких пределах;

• продукты разложения полимеров не должны быть токсичными.

Известны полимеры, разлагающиеся под влиянием микроорганизмов. В этом случае в полимер вводили вещества, которые сами легко разрушаются и усваиваются микроорганизмами. Практическое значение нашли привитые сополимеры крахмала и метилакрилата, пленки из которых используются в сельском хозяйстве для мульчирования почвы. Очень хорошо усваиваются микроорганизмами неразветвленные парафиновые углеводороды. К биоразлагаемым добавкам относятся карбоксилцеллюлоза, лактоза, казеин, дрожжи, мочевина и другие.

5. Композиции, содержащие отходы полимерных материалов.

Отходы полимерных материалов широко используются в строительстве. В большинстве асфальтовых дорожных покрытий основным связующим компонентом являются битумы различной природы. Они отличаются недостаточной водостойкостью. Все это в значительной степени ухудшает свойства асфальтовых покрытий и сокращает сроки их эксплуатации. Использование полиолефинов в композиции с битумом является одним из традиционных направлений, позволяющих модифицировать свойства покрытий. Экспериментально установлено, что вводить в полиолефины более 30 % отходов нецелесообразно, так как это может вызвать расслоение системы. Композиции получают, смешивая битум с отходами полиолефинов при 40…100 °С, и выгружают смесь в специальные формы, в которых происходит охлаждение при комнатной температуре.

Можно выделить следующие направления использования отходов в строительстве:

• применение в композициях с традиционными стройматериалами с целью модификации их свойств;

• получение звукоизоляционных плит и панелей;

• создание герметиков, применяемых в строительстве зданий и гидротехнических сооружений.

6. Использование отходов полимерных материалов путем повторной переработки.

 Значительно более перспективным и разумным способом снижения загрязнения окружающей среды полимерами является вторичная переработка отслуживших свой срок полимеров и изделий из них. Проблема эта, однако, не столь проста, как может показаться на первый взгляд, хотя бы уже потому, что мы имеем дело, как правило, с грязными отходами, которые включают, например, частицы песка. Это исключает возможность применения высокопроизводительного и высокотехнологичного оборудования, используемого при первичной переработке исходных полимеров. Это оборудование просто быстро вышло бы из строя из-за абразивного воздействия твердых частиц минерального происхождения. Но даже при переработке, если она возможна в принципе, получаются "грязные" изделия, товарный вид и потребительские свойства которых не могут конкурировать с первичными изделиями. Здесь, правда, есть возможность использовать продукты вторичной переработки по другому назначению, предполагающему существенно пониженные требования. В частности, загрязненные изделия из полиэтилена могут быть переработаны в пластины толщиной в несколько миллиметров для применения в качестве кровельного материала, имеющего ряд неоспоримых преимуществ перед традиционными, таких, как низкая плотность, а значит, малый вес, гибкость и коррозионная стойкость, а также низкая теплопроводность, а значит, хорошие теплоизолирующие свойства.

Общая схема повторной переработки полимерных материалов включает в себя следующие стадии:

• предварительная сортировка и очистка;

• измельчение;

• отмывка и сепарация;

• классификация по видам;

• сушка, гранулирование и переработка в изделие.

Наибольшие успехи в этом достигнуты при вторичной переработке крупнотоннажных изделий из каучуков, например шин, в том числе автомобильных. Их приготавливают из вулканизированных каучуков, наполненных сажей, содержание которой в шинах, имеющих из-за этого черный цвет, достигает 40% по весу. По истечении срока эксплуатации такие шины не выбрасывают, а дробят, получая крошку. Дробление при помощи недорогого оборудования позволяет получить крупные частицы, размеры которых достигают одного миллиметра и более. Эти крупные частицы добавляют в материалы для покрытия дорог, что значительно улучшает их механические характеристики и долговечность. Специальные машины позволяют получать тонкие дисперсии, частицы которых имеют размер около 0,01 миллиметра. Эту крошку добавляют в каучуки при производстве новых шин, значительно экономя сырье. При этом качество полученных таким образом шин практически не уступает исходным. Такой подход позволяет одновременно заметно снизить вред для окружающей среды из-за ее замусоривания бесполезными изделиями и в то же время значительно экономить расход каучуков, получаемых либо полимеризацией продуктов переработки нефти, либо из латексного сока деревьев гевеи.

5.7.     Вред посуды из пластика: что мы предпочтем, удобство или безопасность?

Несомненная популярность такой посуды обусловлена тем что, она удобна, легка и дешева, а если она одноразовая, то ее нет необходимости мыть. Соответственно, пластик очень прочно занял место на наших кухнях: из него мы пьем, едим, сохраняем в нем продукты, подогреваем в нем еду микроволновке. Проведенные исследования выявили, что вредные вещества из пластика начинают попадать в пищу уже при самом малом нагреве, а нередко и при комнатной температуре могут быть опасны для здоровья?

Посуда из полиэтилентерефталата (PET): Полностью запрещается повторное использование - могут выделять фталаты.

Одноразовые стаканчики и тарелочки для заведений быстрого питания производят из полиэтилентерефталата (ПЭТ). Его запрещается использовать в микроволновке и заполнять горячей едой. У ПЭТ посуды есть срок пригодности – один год, по истечении которого могут начать выделяться вредные вещества, вследствие этого нельзя делать запасы такой посуды впрок.

Полистироловая (PS) посуда: Может выделять канцероген стирол. Полистироловая (PS) посуда также не любит больших температур и предназначена для холодной еды и напитков.

         Посуда из полипропилена (РР): Может выделять формальдегид. Посуда из полипропилена (РР), может выдержать высокие температуры, поэтому в ней можно подогревать пищу в микроволновке. Стаканчик с горячим чаем можно удерживать в руке и не будет горячо. Большим минусом этой посуды можно считать ее не любовь к жирам, при соприкасании с ними полипропилен разрушаться, и выделяет токсичные вещества.

        Силиконовая посуда: справляется с температурой от –60 до +280 градусов. Из этого материала делают формы для кексов, желе и льда. Посуда из силикона мягкая, весьма скользкая и обладает антипригарными свойствами, поэтому ее не надо смазывать перед употреблением.

        Это основные популярные материалы, которые есть почти в каждом доме и используются в обиходе. Не зная тонкости эксплуатации подобных материалов, можно нанести серьезный вред своему здоровью.

7. Советы по использованию полимеров.

•  Принеся продукты из магазина, их нужно незамедлительно из упаковки переложить в стеклянную, металлическую или керамическую посуду.
• Пользоваться дома пластиковой посудой  только для холодной пищи и воды, так как, при приготовлении кофе или супов вода нагревается до 100° С, а  испытывают при температуре до 75° С.
•  По возможности следует отказываться от пластмассовой посуды в пользу деревянной, стеклянной, фарфоровой, металлической.
• Для горячих напитков подходят не любые стаканчики: стаканчики из полистирола для этого не годятся – они не выдерживают высоких температур и выделяют токсины в чай или кофе.
• Горячие напитки лучше всего пить из полипропиленовых стаканчиков – они более устойчивы, а вот спиртное нельзя наливать ни в те, ни в другие – так можно повредить печень и почки, а также ухудшить зрение.
• Вместо тефлоновой сковороды или кастрюли выбираем из нержавеющей стали или чугуна, эмалированную посуду.
• Убедитесь, что в составе покрытия и одежды нет тефлона, который во время носки начнет выделяться.
• Забудьте о еде быстрого приготовления, которую упаковывают в посуду с тефлоном и бумагу! Продаваемые во многих супермаркетах продукты (например, предназначенные для микроволновой печи пиццы, попкорн и т.д.) транспортируются и хранятся в упаковке, которая содержит тефлон.
• Не покупайте и не используйте косметику, в составе которой есть вещества, в названии которых есть «fluoro», «perfluoro» или PTFE. Составные тефлона могут быть в лосьонах для лиц и тела, в пудре, лаке для ногтей и креме для бритья.
• Внимательно следить за маркировкой пластмассовой продукции, особенно когда покупаете детские игрушки.
• Старайтесь избегать термической обработки пластмасс с низкой термостойкостью.
• Ищите альтернативы пластмассовым изделиям, когда это возможно.
• Избегайте нагрева продуктов питания в пластиковых контейнерах, хранения жирных продуктов в пластиковых контейнерах или пищевой пленке.
• Не давайте маленьким детям пластиковые прорезыватели и игрушки.
• Используйте одежду, постельные принадлежности и мебель из натурального сырья.
• Избегайте всей продукции из ПВХ.
• «Тефлоновая» сковородка не терпит высоких температур, а потому готовить следует на слабом или среднем огне. Определить на глаз, что посуда нагрелась до «правильной» температуры, трудно, поэтому стали производить сковородки с термочувствительным индикатором (термоспотом).

Список использованной литературы

1) Тугов И.И., Костыркина Г.И. Химия и физика полимеров. М.: Химия, 1989.- 432 с.

2) Оудиан Дж. Основы химии полимеров. М.: Мир, 1974.- 614 с.

3) Стрепихеев А.А., Деревицкая В.А. Основы химии высокомолекулярных

соединений. М.: Химия, 1976.- 137 с.

4) Гуль В.Е., Кулезнев В.Н. Структура и механические свойства полимеров. М.: Высшая школа, 1979.- 351 с.

5) Основы физики и химии полимеров. Под ред. В.Н. Кулезнева. М.: Высшая

школа, 1979.- 248 с.

6) Перепечко И.И. Введение в физику полимеров. М.: Химия, 1978.- 312 с.

7) Шур А.М. Высокомолекулярные соединения: Учебник для университетов. 3- е изд., переработанное и дополненное. Высшая школа, 1981 – 656 с.

8) Дмитриев М.Т. Санитарно-химический анализ загрязняющих

веществ в окружающей среде. М., Химия, 1989, 367с.

9) Новиков Ю.В. Экология, окружающая среда и человек, М., Фаир-

Пресс, 2003, 560с.

10)http://ru.wikipedia.org/wiki

11) http://www.chemport.ru/polymers.shtml

12) В. А. Кабанов (гл. ред.), Энциклопедия полимеров, т. 3, Советская энциклопедия, 1977, статья «Радикальная полимеризация», С. 260—271

13) Зефиров Н.С. и др. т.4 Пол-Три // Химическая энциклопедия. — М.: Большая Российская Энциклопедия, 1995. — 639 с. — 20 000 экз. — ISBN 5-85270-092-4

14) Кренцель Б. А., Л. Г. Сидорова. Полипропилен. Киев.: Техника,1964. — 89 с

15) Иванюков Д. В., М. Л. Фридман. Полипропилен. Москва.: Химия, 1974. — 270 с.

16) Перепёлкин В. П. Полипропилен, его свойства и методы переработки. — Л.: ЛДНТП, 1963. — 256 c.

17)  Тефлоновое покрытие в современных изделиях. http://www.masstechnology.ru/est-li-vred-antiprigarnogo-pokrytiya-teflonovoe-pokrytie-v-sovremennyx-izdeliyax

18) Проблемы экологии производства и применения полимерных материалов. Лирова Б. И. , Суворова А. И., Уральский государственный университет, 2007, 24 c.

19) Общая химическая технология полимеров: учебное пособие / В. М. Сутягин, А. А. Ляпков – Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2007. – 195 с.

МКОУ «БОГУЧАРСКАЯ СРЕДНЯЯ ОБЩЕОБРАЗОВАТЕЛЬНАЯ ШКОЛА №2»

ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКАЯ РАБОТА

по химии

на тему:

«Исследование применения полимеров в быту»

Выполнила:

ученица10 социально-экономического класса

 МКОУ «Богучарская СОШ №2»

Кравцова Екатерина

Преподаватель: Хаустова Ольга Анатольевна

г. Богучар 2014 год