В индивидуальной исследовательской работе по химии "Полимеры в жизни человека" поднимается вопрос о массовом загрязнение окружающей среды пластиковым мусором, поэтому автор считает необходимым найти биоразлагаемый полимер, который будет максимально похож по физическим свойствам на большинство современных полимеров.

Подробнее о проекте:

В процессе работы над исследовательским проектом по химии о свойствах полимеров учащийся изучил структуры, свойства и применение различных полимеров, а также поднял вопрос об утилизации полимерного мусора к январю 2019 года, предложил экологически чистую замену некоторым полимерам.

Ученик 10 класса школы в рамках своего проекта на тему "Полимеры в жизни человека" изучил историю открытия полимеров, рассмотрел, что такое полимер, изучил виды полимеров и их классификацию, изучил самые распространенные полимеры на сегодняшний день. Продуктом ученического творческого проекта стала листовка, содержащая практические советы по утилизации полимерного мусора.

Оглавление

Введение
1. История полимеров.
2. Классификация полимеров.
3. Примеры полимеров.
4. Пост-потребительские смолы (PCR).
Практика
Литература

Цель проекта: изучить структуры, свойства и применение различных полимеров, а также поднять вопрос об утилизации полимерного мусора к январю 2019 года. Предложить экологически чистую замену некоторым полимерам.

Проблема: массовое загрязнение окружающей среды пластиковым мусором.

Противоречие: можно ли производить большинство пластиковых изделий из определенного экологически чистого и быстро разлагаемого пластика.

Задачи проекта:

1. Изучить историю открытия полимеров.
2. Понять что такое полимер.
3. Изучить виды полимеров и их классификацию.
4. Изучить самые распространенные полимеры на сегодняшний.

Найти биоразлагаемый полимер который будет максимально похож по физическим свойствам на большинство современных полимеров.

Продукт проекта: листовка содержащая практические советы по утилизации полимерного мусора.

Первый полностью синтетический полимер был получен в Бельгии Лео Бакеландом в 1908 г. Вместо видоизменения природных полимеров он синтезировал новый при помощи взаимодействия фенола с формальдегидом. Названный бакелитом, он широко применялся для изготовления декоративных деталей и в электротехнике.

Практически сразу же промышленное производство пошло в двух направлениях -путем переработки природных органических полимеров в искусственные полимерные материалы и путем получения синтетических полимеров из органических низкомолекулярных соединений.

В первом случае крупнотоннажное производство базируется на целлюлозе. Первый физический материал из физически модифицированной целлюлозы-целлулоид был получен в начале 20 века. И существует до настоящего времени. На их основе производят пленки, волокна, лакокрасочных материалах и загустители. Развитое кино и фотографии оказались возможными благодаря появлению прозрачной пленки из нитроцеллюлозы.

Производство синтетических полимеров началось когда Лео Бакеланд запатентовал бакелитовую смолу превращающуюся в трехмерный полимер. В течение десятилетий он применялся для изготовления электротехнических приборов, аккумуляторов, телевизоров, розеток и т.д

В настоящее время чаще используется как связующее и адгезивное вещество

Полимеры можно классифицировать по происхождению полимеры. Они делятся на природные (биополимеры) и синтетические. К биополимерам можно отнести белки, нуклеиновые кислоты, природные смолы, а к синтетическим полимерам - полиэтилен, полипропилен, феноло-формальдегидные смолы

Полимеры классифицируются еще и по расположению атомов в макромолекуле.

Атомы или атомные группы могут располагаться в макромолекуле в виде:

• открытой цепи или вытянутой в линию последовательности
• циклов (линейные полимеры, например каучук натуральный);
• цепи с разветвлением (разветвленные полимеры, например амилопектин), трехмерной сетки (сшитые полимеры, например отверждённые эпоксидные смолы).

Полимеры, молекулы которых состоят из одинаковых мономерных звеньев, называются гомополимерами (к ним относят: поливинилхлорид, поликапроамид, целлюлоза).

Полимеры, макромолекулы которых содержат несколько типов мономерных звеньев, называются сополимерами. Сополимеры, в которых звенья каждого типа образуют достаточно длинные непрерывные последовательности, сменяющие друг друга в пределах макромолекулы, называются блок-сополимерами. К внутренним (не концевым) звеньям макромолекулы одного химического строения могут быть присоединены одна или несколько цепей другого строения. Такие сополимеры называются привитыми

Макромолекулы одного и того же химического состава могут быть построены из звеньев различной пространственной конфигурации. Если макромолекулы состоят из одинаковых стереоизомеров или из различных стереоизомеров, чередующихся в цепи в определенной периодичности, полимеры называются стереорегулярными

По составу основной (главной) цепи полимеры, подразделяют на: гетероцепные, в основной цепи которых содержатся атомы различных элементов, чаще всего углерода, азота, кремния, фосфора, и гомоцепные, основные цепи которых построены из одинаковых атомов

Полимеры, в которых каждый или некоторые стереоизомеры звена образуют достаточно длинные непрерывные последовательности, сменяющие друг друга в пределах одной макромолекулы, называются стереоблоксополимерами

Из гомоцепных полимеров наиболее распространены карбоцепные полимеры, главные цепи которых состоят только из атомов углерода, например полиэтилен, полиметилметакрилат, политетрафторзтилен

Примеры гетероцепных полимеров - полиэфиры (полиэтилентерефталат, поликарбонаты), полиамиды, мочевино-формальдегидные смолы, белки, некоторые кремнийорганические полимеры. Полимеры, макромолекулы которых наряду с углеводородными группами содержат атомы неорганогенных элементов, называются элементоорганическими.

Отдельную группу полимеров образуют неорганические полимеры, например пластическая сера, полифосфонитрилхлорид.

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.

Целлюлоза - полимер с очень жесткими цепями, соединенными межмолекулярными водородными связями, вообще не может существовать в высокоэластичном состоянии до температуры ее разложения. Большие различия в свойствах полимеров могут наблюдаться даже в том случае, если различия в строении макромолекул на первый взгляд и невелики. Так, стереорегулярный полистирол - кристаллическое вещество с температурой плавления около 235 °С, а нестереорегулярный вообще не способен кристаллизоваться, и размягчается при температуре около 80 °С.

Незакристаллизованные полимеры могут находиться в трех физических состояниях: стекло-образном, 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.

Так, 1,4.-цисполибутадиен, построенный из гибких углеводородных цепей, при температуре около 20 °С - эластичный материал, который при температуре -60 °С переходит в стеклообразное состояние; полиметилметакрилат, построенный из более жестких цепей, при температуре около 20 °С - твердый стеклообразный продукт, переходящий в высокоэластичное состояние лишь при 100 °С.

Линейные полимеры обладают специфическим комплексом физико-химических и механических свойств.

Важнейшие из этих свойств:

• способность образовывать высокопрочные анизотропные высокоориентированные волокна и пленки , способность к большим, длительно развивающимся обратимым деформациям;
• способность в высокоэластичном состоянии набухать перед растворением;
• 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 нераство¬римы, неплавки и неспособны к высоко¬эластичным деформациям.

Полимеры могут вступать в следующие основные типы реакций: образование химических свя¬ей между макромолекулами (так называемое сшивание), например при вулканизации кау-чуков, дублении кожи; распад макромолекул на отдельные, более короткие фрагменты, реак-ции боковых функциональных групп полимеров с низкомолекулярными веществами, не затрагивающие основную цепь (так называемые полимераналогичные превращения); внутримолекулярные реакции, протекающие между функциональными группами одной макромолекулы, например внутримолекулярная циклизация. Сшивание часто протекает одно-временно с деструкцией.

Примером полимераналогичных превращений может служить омыление поливтилацетата, приводящее к образованию поливинилового спирта. Скорость реакций полимеров с низкомо-лекулярными веществами часто лимитируется скоростью диффузии последних в фазу полимера. Наиболее явно это проявляется в случае сшитых полимеров. Скорость взаимодействия макромолекул с низкомолекулярными веществами часто существенно зависит от природы и расположения соседних звеньев относительно реагирующего звена. Это же относится и к внутримолекулярным реакциям между функциональными группами, принадлежащими одной цепи

Некоторые свойства полимеров, например растворимость, способность к вязкому течению, стабильность, очень чувствительны к действию небольших количеств примесей или добавок, реагирующих с макромолекулами. Так, чтобы превратить линейный полимер из растворимого в полностью нерастворимый, достаточно образовать на одну макромолекулу 1-2 поперечные связи .

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 ничего удивительного в том, что эта отрасль - главный потребитель чуть ли не всех материалов, производимых в нашей стране, в том числе и полимеров.

Использование полимерных материалов в машиностроении растет такими темпами, какие не знают прецедента во всей человеческой истории. К примеру, в 1976 1. машиностроение нашей страны потребило 800000 т пласт масс, а в 1960 г . - всего 116 000 т. При этом интересно отметить, что еще десять лет назад в машиностроение направлялось 37—38% всех выпускающихся в нашей стране пластмасс, а 1980 г . доля машиностроения в использовании пластмасс снизилась до 28%.

И дело тут не в том, что могла бы снизится потребность, а в том, что другие отрасли народного хозяйства стали при-менять полимерные материалы в сельском хозяйстве, в строительстве, в легкой и пищевой промышленности еще более интенсивно

При этом уместно отметить, что в последние годы несколько изменилась и функция полимерных материалов в любой отрасли. Полимерам стали доверять все более и более ответственные задачи. Из полимеров стали изготавливать все больше относительно мелких, но конструктивно сложных и ответственных деталей машин и механизмов, и в то же время все чаще полимеры стали применяться в изготовлении крупногабаритных корпусных деталей машин и механизмов, несущих значительные нагрузки.

Ниже будет подробнее рассказано о применении полимеров в автомобильной и авиационной промышленности, здесь же упомянем лишь один примечательный факт: несколько лет назад по Москве ходил цельнопластмассовый трамвай. А вот другой факт: четверть всех мелких судов - катеров, шлюпок, лодок - теперь строится из пластических масс

До недавних пор широкому использованию полимерных материалов в машиностроении препятствовали два, казалось бы, общепризнанных недостатка полимеров: их низкая (по сравнению с марочными сталями) прочность и низкая теплостойкость. Рубеж прочностных свойств полимерных материалов удалось преодолеть переходом к композиционным материалам, главным образом стекло и углепластикам. Так что теперь выражение “пластмасса прочнее стали” звучит вполне обоснованно.

В то же время полимеры сохранили свои позиции при массовом изготовлении огромного числа тех деталей, от которых не требуется особенно высокая прочность: заглушек, штуцеров, колпачков, рукояток, шкал и корпусов измерительных приборов. Еще одна область, специфическая именно для полимеров, где четче всего проявляются их преимущества перед любыми иными материалами, - это область внутренней и внешней отделки

То же самое можно сказать и о машиностроении. Почти три четверти внутренней отделки салонов легковых автомобилей, автобусов, самолетов, речных и морских судов и пассажирских вагонов выполняется ныне из декоративных пластиков, синтетических пленок, тканей, искусственной кожи. Более того, для многих машин и аппаратов только использование антикоррозионной отделки синтетическими материалами обеспечило их надежную, долговременную эксплуатацию.

К примеру, многократное использование изделия в экстремальных физико-технических условиях (космосе) обеспечивается, в частности, тем, что вся его внешняя поверхность покрыта синтетическими плитками, к тому же приклеенными синтетическим полиуретановым или полиэпоксидным клеем. А аппараты для химического производства? У них внутри бывают такие агрессивные среды, что никакая марочная сталь не выдержала бы. Единственный выход - сделать внутреннюю облицовку из платины или из пленки фторопласта. Гальванические ванны могут работать только при условии, что они сами и конструкции подвески покрыты синтетическими смолами и пластиками

Широко применяются полимерные материалы и в такой отрасли народного хозяйства, как приборостроение. Здесь получен самый высокий экономический эффект в среднем в 1,5-2,0 раза выше, чем в других отраслях машиностроения. Объясняется это, в частности тем, что большая часть полимеров перерабатывается в приборостроении самыми прогрессивными способами, что повышает уровень полезного использования (и безотходность отходность) термопластов, увеличивает коэффициент замены дорогостоящих материалов. Наряду с этим значительно снижаются затраты живого труда. Простейшим и весьма убедительным примером может служить изготовление печатных схем: процесс, не мыслимый без полимерных материалов, а с ними и полностью автоматизированный

Есть и другие подотрасли, где использование полимерных материалов обеспечивает и экономию материальных и энергетических ресурсов, и рост производительности труда. Почти полную автоматизацию обеспечило применение полимеров в производстве тормозных систем для транспорта.

Неспроста практически все функциональные детали тормозных систем для автомобилей и около 45% для железнодорожного подвижного состава делаются из синтетических пресс-материалов. Около 50% деталей вращения и зубчатых колес изготовляется из прочных конструкционных полимеров. В последнем случае можно отметить две различных тенденции. С одной стороны, все чаще появляются сообщения об изготовлении зубчатых колес для тракторов из капрона.

Обрывки отслуживших свое рыболовных сетей, старые чулки и путанку капроновых волокон переплавляют и формуют в шестерни. Эти шестерни могут работать почти без износа в контакте со стальными, вдобавок такая система не нуждается в смазке и почти бесшумна. Другая тенденция - полная замена металлических деталей в редукторах на детали из углепластиков. У них тоже отмечается резкое снижение механических потерь, долговременность срока службы

Еще одна область применения полимерных материалов в машиностроении, достойная отдельного упоминания, - изготовление металлорежущего инструмента. По мере расширения использования прочных сталей и сплавов все более жесткие требования предъявляются к об-рабатывающему инструменту. И здесь тоже на выручку инструментальщику и станочнику приходят пластмассы. Но не совсем обычные пластмассы сверхвысокой твердости, такие, которые смеют поспорить даже с алмазом.

Король твердости, алмаз, еще не свергнут со своего трона, но дело идет к тому. Некоторые окислы (например, из рода фианитов), нитриды, карбиды, уже сегодня демонстрируют не меньшую твердость, да к тому же и большую термостойкость. Вся беда в том, что они пока еще более дороги, чем природные и синтетические алмазы, да к тому же им свойствен “королевский порок” - они в большинстве своем хрупки. Вот и приходится, чтобы удержать их от растрескивания, каждое зернышко такого абразива окружать полимерной упаковкой чаще всего из фенолформальдегидных смол. Поэтому сегодня три четверти абразивного инструмента выпускается с применением синтетических смол

Первое место по темпам роста применения пластмасс занимает сейчас автомобильная промышленность. К концу 70-х годов число используемых видов пластмасс составляло более 30

Перечень деталей автомобиля, которые в наши дни изготовляют из полимеров, очень широк. Кузова и кабины, инструменты и электроизоляция, отделка салона и бамперы, радиаторы и подлокотники, шланги, сиденья, дверцы, капот

Несколько разных фирм за рубежом объявили о начале производства цельнопластмассовых автомобилей.

По химической структуре, первые места по объему занимают стирольные пластики, поливинилхлорид и полиолефины. Их активно догоняют полиуретаны, полиэфиры, акрилаты и другие полимеры. Наиболее характерные тенденции в применении пластмасс для автомобилестроения:

Во-первых, это экономия материалов: безотходное или малоотходное формование больших блоков и узлов

Во-вторых, благодаря использованию легких и облегченных полимерных материалов снижается общий вес автомобиля, а значит, будет экономиться горючее при его эксплуатации

В-третьих, выполненные как единое целое, блоки пластмассовых деталей суще¬ственно упрощают сборку и позволяют экономить живой труд

Полимерные материалы очень широко применяются в авиационной про¬мышленности. К примеру: замена алюминиевого сплава графитопластиком, при изготовлении предкрылка кры¬ла самолета, сокращает количество деталей с 47 до 14. Крепеж упрощается - с 1464 до 8 болтов, вес снижается на 22%, а стоимость - на 25%. При этом запас прочности изделия составляет 178%

Лопатки вентиляторов реактивных двигателей, лопасти вертолета рекомендуется делать из поликонденсационных смол, наполненных алюмосиликатными волокнами. Это позволяет снизить вес самолета при сохранении прочности и надежности

При проектировании первого сверхзвукового пассажирского самолета “Конкорд” перед англо-французскими конструкторами стояла непростая задача: при трении об атмосферу внешняя поверхность самолета будет разогреваться до 120-150 °С. При таком разогреве требовалось, чтобы поверхность не поддавалась эрозии в течение, по меньшей мере, 20000 часов. Довольно оригинальное решение проблемы было найдено с помощью покрытия поверхностного слоя обшивки самолета тончайшей пленкой фторопласта.

По английскому патенту № 2047188 покрытие несущих поверхностей самолетов или лопастей роторов вертолетов слоем полиуретана толщиной всего 0,65 мм в 1,5-2 раза повышает их стойкость к дождевой эрозии

Пластиковые бутылки были впервые использованы в коммерческих целях в 1947 году, но оставались относительно дорогими до начала 1960-х, когда были изготовлены из полиэтилена высокой плотности (PEHD / HDPE).

Они быстро стали популярными, как у производителей, так и у потребителей из-за их простоты применения и сравнительно низких затрат на производство по сравнению со стеклянными бутылками. В пищевой промышленности практически полностью заменено стекло пластиковыми бутылками, а вино и пиво, как и ранее, широко продается в стеклянных бутылках.

Полиэтилен высокой плотности (HDPE): наиболее широко используемое сырьё для пластиковых бутылок. Этот материал является экономичным, ударопрочным, и обеспечивает хороший барьер проницаемости влаги. HDPE совместим с широким спектром продуктов, включая кислоты и щёлочи, но не совместим с растворителями. HDPE естественно прозрачный и гибкий. Хотя HDPE обеспечивает хорошую защиту при температуре ниже точки замерзания, он не может быть использован с продуктами нагретыми выше чем на 88°С (190 °F) или продуктами, которые требуют герметичной (вакуумной) упаковки.

Полиэтилен низкой плотности(LDPE): Менее жесткий и в целом менее химически устойчив, чем HDPE, но является более прозрачным. LDPE значительно дороже, чем HDPE.

Полиэтилентерефталат : терефталат (PET, PETE или полиэстер) обычно используется для газированных напитков и воды. Хорошая химическая стойкость (хотя ацетон и кетоны разрушают ПЭТ, а кислоты и щёлочи делают его непрозрачным и хрупким) и высокая степень ударопрочности и прочности на разрыв. Этот материал не обеспечивает устойчивость к высоким температурам, максимальная температура 71°С.

Поливинилхлорид (ПВХ): имеет очень хорошую стойкость к маслам, и имеет очень низкий уровень передачи кислорода. Этот материал обеспечивает бутылке отличный барьер для большинства газов, хорошую ударную вязкость. Материал химически устойчив, но уязвим для воздействия растворителей. ПВХ экспонаты имеют слабую устойчивость к высоким температурам и будет деформироваться при 71°С, что делает такую бутылку непригодной для заполнения горячими продуктами.

Полипропилен: в основном используется для банок с отличным барьером влаги. Одно из главных преимуществ полипропилена — это его стабильность при высоких температурах до 93 °C (200 °F). Полипропилен подвергается автоклавированию и стерилизации паром, пригодный для заполнения горячими продуктами. Полипропилен имеет отличную химическую стойкость, но имеет низкую ударостойкость при низких температурах.

Полистирол: Бутылка обычно используется с сухими продуктами, включая витамины, специи и др.. Стирол не обеспечивает хорошие барьерные свойства и демонстрирует плохую ударопрочность.

PCR является смесью вторично переработанных HDPE (в основном емкости из-под молока и воды) с первичным HDPE. Переработанный материал очищается и перерабатывается в единые гранулы вместе с первичным материалом, что специально проводится для создания сопротивления к растрескиванию. PCR не имеет запаха, но имеет незначительный жёлтый оттенок в его естественном состоянии. Этот оттенок может быть скрыто за счет добавления цвета. PCR легко обрабатывается и недорогой. Тем не менее, он не может вступать в прямой контакт с пищевой или фармацевтической продукцией. PCR может выпускаться с различным содержанием продуктов переработки (до 100 %).

Целлофан был изобретён Жаком Эдвином Бранденбергером, швейцарским текстильным инженером, между 1908 и 1911 годами. Он намеревался создать влагонепроницаемое покрытие для скатертей, спасающее их от пятен. В ходе экспериментов он покрыл ткань жидкой вискозой, но получившийся в результате материал был слишком жёстким для использования как скатерть.

Однако покрытие хорошо отделялось от тканевой основы, и Бранденбергер понял, что ему найдется другое применение. Он сконструировал машину, производившую плёнку, которая была выпущена на рынок под маркой Cellophan. В 1913 году во Франции началось промышленное производство целлофана. После некоторых доработок целлофан стал первой в мире относительно устойчивой к воде гибкой упаковкой.

После разработки новых видов полимерных материалов в 1950-е годы роль целлофана существенно снизилась — он был практически полностью вытеснен полиэтиленом, полипропиленом и лавсаном.

Однако значительно бо́льшая экологическая безопасность целлофана благодаря высокой скорости его биологического разложения и отсутствию вредных пластификаторов (глицерин физиологически и экологически безвреден) способствует возрождению интереса к этому упаковочному материалу.

Исследования по полиэтилентерефталату были начаты в 1935 г. в Великобритании Уинфилдом (англ.) (англ. John Rex Whinfield) и Диксоном (англ. James Tennant Dickson), в фирме Calico Printers Association Ltd. Заявки на патенты по синтезу волокнообразующего полиэтилентерефталата были поданы и зарегистрированы 29 июля 1941 года и 23 августа 1943 года. Опубликованы в 1946 году.

В СССР был впервые получен в Лабораториях Института Высокомолекулярных Соединений Академии наук СССР (отсюда — лавсан) в 1949 году.

ПЭТ-бутылка была запатентована в 1973 году. А в 1977 году началась промышленная переработка использованной ПЭТ-тары. Распространению бутылок из ПЭТ способствовала их сравнительная дешевизна и практичность. Переработке ПЭТ-бутылок уделяют особое внимание, во мн

Как мы уже выяснили, словом «пластик» называют самые разные материалы. В последние годы появляется все больше данных о том, что некоторые материалы при определенных условиях могут вредить здоровью людей. Например, в поликарбонатных пластиках содержится биологически активное химическое вещество — бисфенол А (BPA), которое может выделяться при нагревании от 150 °С.

Но вообще измерить комплексное воздействие пластиковых предметов на здоровье очень сложно, так как эти химические вещества находятся вокруг нас постоянно. При этом в большинстве случаев пластиковые товары могут считаться безопасными, если имеют сертификаты от фирмы-производителя. Особенно жесткие требования предъявляются для медицинских, детских товаров и пластиков, контактирующих с пищей.

Поэтому стоит следить, чтобы маркировка пластика соответствовала назначению товара. Если сертификатов нет, то этот товар контрафактный, а значит, его производители могут использовать некачественное сырье. Один из возможных индикаторов «неправильного» пластика — резкий неприятный запах. Такие товары лучше не использовать. Их собирают отдельно от других бытовых отходов

Практика:

1. Создание продукта – листовки:

2. Создание презентации

Для написания данной работы были использованы ресурсы Сети Интернет.