Hvordan Plastik Arbejde

{h1}

Plastik findes i en bred vifte af produkter. De er overalt. Find ud af, hvordan plast er lavet og lær om anvendelser til plast.

Plast er overalt. Mens du læser denne artikel, er der nok mange plastikprodukter inden for rækkevidde (din computer, din pen, din telefon). En plastik er noget materiale, der kan formes eller støbes i nogen form - nogle er naturligt forekommende, men de fleste er menneskeskabte.

Plast er lavet af olie. Olie er et kuldrigt råmateriale, og plast er store carbonholdige forbindelser. De kaldes store molekyler polymerer, som er sammensat af gentagende enheder af kortere carbonholdige forbindelser, der kaldes monomerer. Kemister kombinerer forskellige typer monomerer i mange forskellige arrangementer for at gøre en næsten uendelig række plastik med forskellige kemiske egenskaber. Mest plastik er kemisk inert og vil ikke reagere kemisk med andre stoffer - du kan opbevare alkohol, sæbe, vand, syre eller benzin i en plastbeholder uden at løse beholderen selv. Plast kan støbes i næsten uendelige forskellige former, så du kan finde den i legetøj, kopper, flasker, redskaber, ledninger, biler, selv i bobler. Plast har revolutioneret verden.

Fordi plast ikke reagerer kemisk med de fleste andre stoffer, forringes det ikke. Derfor udgør plastaffald et vanskeligt og signifikant miljøproblem. Plastik hænger rundt i miljøet i århundreder, så genanvendelse er den bedste metode til bortskaffelse. Der udvikles imidlertid nye teknologier til fremstilling af plastik fra biologiske stoffer som majsolie. Disse plasttyper ville være biologisk nedbrydelige og bedre for miljøet.

I denne artikel undersøger vi plastikets kemi, hvordan den er lavet, hvordan den bruges, og hvordan den bortskaffes og genanvendes. Vi vil også se på nogle nye biologisk baserede plastik og deres rolle i fremtiden for plastik.

Plasthistorie

En bakelit telefon i

En Bakelit telefon i "100 Years of Plastic" på Science Museum i London i 2007. Udstillingen var en fejring af plast timet til at falde sammen med 100-året for Leo Baekeland opfindelse af bakelit.

Inden opfindelsen af ​​plast var de eneste stoffer, der kunne støbes, ler (keramik) og glas. Hærdet ler og glas blev brugt til opbevaring, men de var tunge og sprøde. Nogle naturlige stoffer, som trægummi og gummi, var klæbrige og formbare. Gummi var ikke særlig nyttig til opbevaring, fordi det til sidst mistede sin evne til at hoppe tilbage i form og blev klæbrig ved opvarmning.

I 1839 opdagede Charles Goodyear ved en uhell en proces, hvor svovl reagerede med rå gummi ved opvarmning og derefter afkølet. Gummiet blev elastisk ved afkøling - det kunne strække sig, men det snappede tilbage til sin oprindelige form. Det bevarede også sin modstandsdygtighed ved opvarmning. Vi ved nu, at svovlet danner kemiske bindinger mellem tilstødende gummipolymerstrenger. Obligationerne krydser polymerens tråde, så de kan "snappe tilbage", når de strækkes. Charles Goodyear havde opdaget den proces, der nu hedder vulkanisering, hvilket gjorde gummi mere holdbart.

I 1846 opdagede Charles Schonbein, en schweizisk kemiker, ved et uheld en anden polymer, da han spildte en salpetersyre-svovlsyreblanding på nogle bomuld. En kemisk reaktion opstod, hvori hydroxylgrupperne af cellulosefibrene i bomulden blev omdannet til nitratgrupper katalyseret af svovlet. Den resulterende polymer, nitrocellulose, kunne bryde ind i en røgfri flamme og blev brugt af militæret i stedet for krydderier. I 1870 reagerede kemiker John Hyatt nitrocellulose med kamfer at gøre celluloid, en plastikpolymer, der blev brugt i fotografisk film, billardkugler, dentalplader og Ping-Pong-bolde.

I 1909 syntetiserede en kemiker ved navn Leo Baekeland Bakelit, den første virkelig syntetiske polymer, fra en blanding af phenol og formaldehyd. Kondensationsreaktionen mellem disse monomerer gør det muligt for formaldehyd at binde fenolringe i stive tredimensionale polymerer. Så kan Bakelite formes, når det er varmt og størknet i en hård plastik, der kan bruges til håndtag, telefoner, auto dele, møbler og lige smykker. Bakelit er hård, modstandsdygtig over for varme og elektricitet, og kan ikke let smeltes eller brændes, når den er afkølet. Opfindelsen af ​​bakelit førte til en hel klasse plast med lignende egenskaber, kendt som phenolharpikser.

I 1930'erne en Dupont kemiker ved navn Wallace Carruthers opfundet en plastik polymer fremstillet ved kondensation af adipinsyre og en bestemt type diaminohexan monomerer, kunne drages ud i stærke fibre, som silke. Denne plast blev kendt som nylon. Nylon er let, stærk og holdbar og blev grundlaget for mange typer tøj, belægninger (telt), bagage, tasker og tovværk.

Brugen af ​​disse tidlige polymerer blev udbredt efter Anden Verdenskrig og fortsætter i dag. De fører til skabelsen af ​​mange andre plastmaterialer, som Dacron, Styrofoam, polystyren, polyethylen og vinyl.

I de næste to afsnit lærer vi om plastikens kemi.

Plast Primer

Vi vil lære mere om alle disse punkter i dybden senere, men for nu er her et par nyttige kladder om plastikstrukturen.

  • Plast er polymerer, store molekyler fremstillet af gentagende enheder af mindre molekyler (monomerer), der er kemisk bundet sammen. En polymer er som en kæde, hvori hvert led er en monomer.
  • Alle plastik er lavet af kulstof. Kunstfremstillet plast anvender kulstof afledt af olie, mens biopolymerer eller bioplaster bruger kulstof stammende fra naturlige materialer.
  • Der er et par måder, hvorpå monomerer kombineres for at danne plasterne af plast. Den ene er en kondensationsreaktion, hvor to molekyler kombineres og et mindre molekyle - normalt vand, en alkohol eller en syre - går tabt.

Kemi af plastik

Hvordan Plastik Arbejde: eller

Alle plastmaterialer er polymerer, men ikke alle polymerer er plast. Nogle kendte nonplastic polymerer omfatter stivelser (sukkerpolymerer), proteiner (polymerer af aminosyrer) og DNA (polymerer af nukleotider - se hvordan DNA virker). Det forenklede diagram nedenfor viser forholdet mellem monomerer og polymerer. Identiske monomerer kan kombinere med hinanden for at danne homopolymerer, som kan være lige eller forgrenede kæder. Forskellige monomerer kan kombinere sammen for at danne copolymerer, som også kan være forgrenet eller lige.

De kemiske egenskaber af en polymer afhænger af:

  • Den type monomer eller monomerer der udgør polymeren. De kemiske egenskaber af homopolymer 1 er forskellige fra homopolymeren 2 eller copolymererne.
  • Arrangementet af monomerer inden i polymeren. De lige polymerers kemiske egenskaber er forskellige fra de forgrenede polymerers.

De monomerer, der findes i mange plastiske stoffer, omfatter organiske forbindelser som ethylen, propylen, styren, phenol, formaldehyd, ethylenglycol, vinylchlorid og acetonitril (vi undersøger mange af dem, når vi diskuterer forskellige plastmaterialer). Fordi der er så mange forskellige monomerer, der kan kombinere på mange forskellige måder, kan vi lave mange slags plast.

Kondensation og tilsætningsreaktioner

Hvordan Plastik Arbejde: plastik

Der er et par måder, hvorpå monomerer kombineres for at danne plasterne af plast. En metode er en type kemisk reaktion kaldet a kondensation reaktion. I en kondensationsreaktion kombineres to molekyler med tabet af et mindre molekyle, sædvanligvis vand, en alkohol eller en syre. For at forstå kondens reaktioner, lad os se på en anden hypotetisk polymer reaktion.

Monomerer 1 og 2 har begge hydrogen (H) og hydroxylgrupper (OH) bundet til dem. Når de kommer sammen med en passende katalysator (et atom eller et molekyle, som fremskynder den kemiske reaktion uden at blive brugt op i det), mister en monomer et hydrogen, mens den anden taber en hydroxylgruppe. Hydrogen- og hydroxylgrupperne kombineres for at danne vand (H2O), og de resterende elektroner danner en kovalent kemisk binding mellem monomererne. Den resulterende forbindelse er den basiske underenhed af copolymerer 1 og 2. Denne reaktion opstår igen og igen, indtil du får en lang kæde af copolymerer 1 og 2.

En anden måde, som monomerer kan kombinere til dannelse af polymerer, er igennem additionsreaktioner. Additionsreaktioner involverer omlejring af elektroner af de dobbelte bindinger i en monomer til dannelse af enkeltbindinger med andre molekyler. Forestil dig, at to mennesker (hver en monomer) står tæt sammen, og hver person har sine arme foldet (dobbeltbinding). Så udfolder de deres arme og holder hænder (enkeltbinding). De to mennesker laver nu en polymer, og processen kan gentages.

Forskellige polymerkæder kan interagere og krydsbinde ved at danne stærke eller svage bindinger mellem monomerer på forskellige polymerkæder. Denne interaktion mellem polymerkæder bidrager til egenskaberne af specifik plast (blød / hård, stræk / stiv, klar / uigennemsigtig, kemisk inert).

Nu lærer vi om de forskellige plasttyper.

Typer af plastik

Styrofoam kopper er gode isolatorer til varme væsker.

Styrofoam kopper er gode isolatorer til varme væsker.

Plast kan opdeles i to hovedkategorier:

1. Termohærdende eller termohærdende plast. Når de er afkølet og hærdet, beholder disse plastik deres former og kan ikke vende tilbage til deres oprindelige form. De er hårde og holdbare. Termosæt kan bruges til auto dele, flydele og dæk. Eksempler indbefatter polyurethaner, polyestere, epoxyharpikser og phenolharpikser.

2. Termoplast. Mindre stive end termoflader, kan termoplasterne blødgøre ved opvarmning og vende tilbage til deres oprindelige form. De er let støbt og ekstruderet til film, fibre og emballage. Eksempler indbefatter polyethylen (PE), polypropylen (PP) og polyvinylchlorid (PVC).

Lad os se på nogle almindelige plastik.

Polyethylenterephthalat (PET eller PETE): John Rex Whinfield opfandt en ny polymer i 1941, da han kondenserede ethylenglycol med terephthalsyre. Kondensatet var polyethylenterephthalat (PET eller PETE). PET er en termoplast, der kan trækkes i fibre (som Dacron) og film (som Mylar). Det er den vigtigste plast i ziplock mad opbevaring poser.

Polystyren (Styrofoam): Polystyren dannes af styrenmolekyler. Dobbeltbindingen mellem CH2- og CH-delene af molekylet omlejrer til dannelse af en binding med tilstødende styrenmolekyler, hvorved der produceres polystyren. Det kan danne en hård slagfast plast til møbler, skabe (til computerskærme og tv), briller og redskaber. Når polystyren opvarmes og luft blæser gennem blandingen, dannes det Styrofoam. Styrofoam er letvægts, formbar og en fremragende isolator.

Polyvinylchlorid (PVC): PVC er en termoplast, der dannes, når vinylchlorid (CH2 = CH-Cl) polymeriserer. Når den er lavet, er den skør, så producenter tilføjer en blødgøringsvæske for at gøre den blød og formbar. PVC anvendes almindeligvis til rør og VVS, fordi det er holdbart, kan ikke korroderes og er billigere end metalrør. Over lange perioder kan blødgøreren dog udvaskes ud af den, hvilket gør den skør og knuselig.

Polytetrafluorethylen (Teflon): Teflon blev lavet i 1938 af DuPont. Det er skabt ved polymerisering af tetrafluorethylenmolekyler (CF2 = CF2). Polymeren er stabil, varmebestandig, stærk, resistent over for mange kemikalier og har en næsten friktionsfri overflade.Teflon bruges i VVS-tape, køkkengrej, slanger, vandtæt belægning, film og lejer.

Polyvinylidinchlorid (Saran): Dow fremstiller saranharpikser, som syntetiseres ved polymerisation af vinylidinchloridmolekyler (CH2 = CCl2). Polymeren kan trækkes i film og indpakninger, der er uigennemtrængelige for madlukt. Saran wrap er en populær plast til emballage fødevarer.

Polyethylen, LDPE og HDPE: Den mest almindelige polymer i plast er polyethylen, der er fremstillet af ethylenmonomerer (CH2 = CH2). Den første polyethylen blev fremstillet i 1934. I dag kalder vi den lavdensitetspolyethylen (LDPE) fordi den flyder i en blanding af alkohol og vand. I LDPE er polymerstrengene indviklet og løst organiseret, så det er blødt og fleksibelt. Det blev først brugt til at isolere elektriske ledninger, men i dag bruges det i film, wraps, flasker, engangshandsker og skraldespand.

I 1950'erne polymeriserede Karl Ziegler ethylen i nærværelse af forskellige metaller. Den resulterende polyethylenpolymer var sammensat af for det meste lineære polymerer. Denne lineære form producerede tættere, tættere og mere organiserede strukturer og kaldes nu højdensitetspolyethylen (HDPE). HDPE er en hårdere plast med et højere smeltepunkt end LDPE, og det synker i en alkohol-vand blanding. HDPE blev først introduceret i hula hoop, men i dag bruges det mest i containere.

Polypropylen (PP): I 1953 fremstillede Karl Ziegler og Giulio Natta selvstændigt polypropylen fra propylenmonomerer (CH2 = CHCH3) og modtog nobelprisen i kemi i 1963. De forskellige former for polypropylen har forskellige smeltepunkter og hårdheder. Polypropylen anvendes i bilbeklædning, batterikasser, flasker, rør, filamenter og poser.

Nu hvor vi har diskuteret de forskellige plasttyper, lad os se på, hvordan plast er lavet.

Making Plastics

Man-made plastik som disse er afledt af olie.

Man-made plastik som disse er afledt af olie.

Til fremstilling af plast skal kemikere og kemiske ingeniører gøre følgende i industriel skala:

  1. Forbered råvarer og monomerer
  2. Udfør polymeriseringsreaktioner
  3. Bearbejd polymererne i finalen polymerharpikser
  4. Fremstil færdige produkter

For det første skal de starte med forskellige råmaterialer, der udgør monomererne. Ethylen og propylen kommer f.eks. Fra råolie, som indeholder de carbonhydrider, der udgør monomererne. Kolbrinteråmaterialerne opnås ved "krakningsprocessen", der anvendes til raffinering af olie og naturgas (se Hvordan olieaffineringsarbejder). Når forskellige carbonhydrider opnås ved krakning, behandles de kemisk for at fremstille carbonhydridmonomerer og andre carbonmonomerer (såsom styren, vinylchlorid, acrylonitril) anvendt i plast.

Dernæst gennemfører monomererne polymerisationsreaktioner i store polymeriseringsanlæg. Reaktionerne frembringer polymerharpikser, som opsamles og viderebehandles. Behandling kan omfatte tilsætning af blødgørere, farvestoffer og flammehæmmende kemikalier. De endelige polymerharpikser er sædvanligvis i form af pellets eller perler.

Endelig forarbejdes polymerharpikserne til færdige plastprodukter. Generelt opvarmes de, formes og lades afkøles. Der er flere processer involveret i dette trin afhængigt af typen af ​​produkt.

Ekstrudering: Pellets opvarmes og blandes mekanisk i et langt kammer, tvunget gennem en lille åbning og afkølet med luft eller vand. Denne metode bruges til at lave plastikfilm.

Sprøjtestøbning: Harpikspelletserne opvarmes og blandes mekanisk i et kammer og presses derefter under højt tryk i en afkølet form. Denne proces anvendes til beholdere som smør og yoghurtpulver. (Custompart.net har en god lektion om sprøjtestøbning.)

Blæsestøbning: Denne teknik anvendes i forbindelse med ekstrudering eller sprøjtestøbning. Harpikspillerne opvarmes og komprimeres i et væskeformet rør, som tandpasta. Harpiksen går ind i den afkølede form, og trykluft bliver blæst ind i harpiksrøret. Luften udvider harpiksen mod formens vægge. Denne proces bruges til at gøre plastflasker.

Rotationsstøbning: Harpikspellets opvarmes og afkøles i en form, som kan roteres i tre dimensioner. Rotationen fordeler jævnt plasten langs formens vægge. Denne teknik bruges til at lave store, hule plastartikler (legetøj, møbler, sportsudstyr, septiktanke, skraldespande og kajakker).

På næste side lærer vi om nye innovationer i plastik og hvordan de genbruges.

Biopolymerer og genbrug

Pioneer elektronikforsker Tasuo Hosoda viser en prototype model af en Blu-ray disk lavet af majsstivelsespolymer. Til højre er majsstivelsespolymerpellets.

Pioneer elektronikforsker Tasuo Hosoda viser en prototype model af en Blu-ray disk lavet af majsstivelsespolymer. Til højre er majsstivelsespolymerpellets.

Som vi nævnte tidligere, er der andre polymerer udover plast. Naturligt forekommende polymerer, såsom stivelser, cellulose, sojaprotein, vegetabilsk olie, triglycerider og bakteriepolyestere kan ekstraheres fra afgrøder og bakterier. Desuden kan planter og mikroorganismer producere stoffer som mælkesyre, som kan polymeriseres i bioplast (f.eks. polymælkesyre). Der er to strategier til fremstilling af bioplaster.

gæring: Bakterier eller andre mikroorganismer masseproducerer biopolymererne i bioreaktorer (fermentationstanke). Biopolymererne (mælkesyre, polyestere) ekstraheres fra bioreaktorerne og behandles kemisk i plast.

Genetiske anlæg som bioreaktorer: Bioteknologier indfører bakteriegener i planter. Disse gener koder for enzymerne at lave bakteriel plast. Planterne dyrkes og høstes, og plasten ekstraheres fra plantematerialet.

I 1997 fremstillede Cargille Dow en klar plast (polylactid) fra majs.Polylactidfibrene blev vævet ind i sportstøj, polstringstove og bioplastiske wraps.

Bioplaster har den fordel, at de produceres fra vedvarende ressourcer (bakterier, planter) i stedet for ikke-genanvendelige ressourcer (olie, naturgas). Desuden er bioplaster biologisk nedbrydelige - de kan bryde ned i miljøet (se Hvordan deponering fungerer). Bioplastik er en potentielt vigtig industri. Med den nuværende teknologi kan bioplaster være dyrere at producere, men bioteknologi vokser hurtigt og produktionen kan blive mere økonomisk i fremtiden.

Genbrugsprodukter

Oliebaseret plast ikke nedbrydes, men mange typer (herunder PP, LDPE, HDPE, PET og PVC) kan genbruges. Hver type har en kode og et identifikationsnummer, men noget plast er ikke så økonomisk muligt at genbruge. Så det er vigtigt at tjekke med din recycler eller kommune om hvilke typer plastik der vil blive accepteret.

Når først opsamlet, går plast gennem følgende trin

  • Inspektion til udrydning af forureninger og uhensigtsmæssige plasttyper
  • Strimling og vask
  • Separation baseret på densitet
  • Tørring
  • Melting
  • Tømning gennem fine skærme for at fjerne flere forurenende stoffer
  • Afkøling og makulering i pellets
  • Sælger tilbage til plastikvirksomheder

Opdagelsen af ​​plast revolutionerede vores samfund ved at introducere et stort udvalg af lette, stærke og fleksible produkter med mange anvendelser. Selv om plast udgør deponeringsproblemer, er genbrug altid en mulighed. Desuden kan ny forskning i biopolymerer producere nye bioplastprodukter fra vedvarende ressourcer, der er biologisk nedbrydelige og lettere i vores miljø.

For at lære mere om plast, skal du tjekke linkene på næste side.


Video Supplement: Sådan forsker Plastic Change på åbent hav.




DA.WordsSideKick.com
All Rights Reserved!
Reproduktion Af Materialer Tilladt Kun Prostanovkoy Aktivt Link Til Webstedet DA.WordsSideKick.com

© 2005–2019 DA.WordsSideKick.com