Так какие же массы являются пластичными?

Еще два столетия назад ученые многих стран вели изыскательские работы, направленные на создание материалов с заданными свойствами. Отметим, что такие работы продолжаются и в настоящее время. Но если сейчас одной из их целей является сокращение потребления естественных, природных ресурсов, то в ХІХ веке на фоне интенсивного развития промышленности велись поиски искусственных материалов, которые смогут заменить дерево, металлы (в производстве), а также, например, перламутр и слоновую кость – в декоративно-прикладном искусстве. Так, в 1830 годы появились первые образцы нитроцеллюлозы – материала, пришедшего на замену натуральной целлюлозе как сырью для легкой промышленности. Следующее десятилетие прошло под знаком вулканизации каучука и получения искусственной резины. 1855 год вошел в историю как дата получения первой искусственной пластмассы, названной ее создателем А. Парксом по своей фамилии паркезином (позднее была запатентована как торговая марка). После модификации камфарой эта пластмасса стала известна в мире под названием целлулоид.

Что же такое пластик? Это международно известное понятие переводится с английского как «пластичный, гибкий, пластический». После создания группы пластичных синтетических материалов одним из вариантов перевода стало «пластические массы» или сокращенно пластмассы, пластики. Сегодня этим термином называют объемную группу органических материалов, полученных на основе синтезированных или природных (реже) полимеров, и основным свойством которых является способность к изменению формы под действием нагревания (давления) с последующим переходом в твердое состояние. Таким образом, основными температурными характеристиками таких материалов являются температуры размягчения, плавления и разложения (в процессе нагрева), а также стеклования (в процессе охлаждения). Отметим, что диапазон температур разложения (деструкции), например составляет от 140⁰С для поливинилхлорида до 350⁰С для фторосодержащих пластмасс (фторлон, ПЭТ и др.). Физические же характеристики отражают затребованные свойства пластмасс – легкость, прочность, жесткость, упругость, параметры упругой и пластической деформации ) текучесть, вязкость, ряд других показателей. Среди других важных свойств пластмасс, которые важно упомянуть, – очень низкие тепло- и электропроводность, стойкость ко многим растворителям, действию кислот и оснований, облучению, влагоустойчивость, высокая инертность (при нормальных условиях, что делает их довольно безопасными для использования человеком), а также возможность практически неограниченного по разнообразию изменения свойств путем добавки различных элементов. Для их производства могут использоваться многие технологические процессы

Структурные формулы пластмасс могут быть как очень простыми (например, тефлон), так и довольно сложными, при этом все они являются полимерами, т. е. в них можно выделить структурную единицу, которая всегда содержит углерод, часто – водород и кислород, а также разные другие химические элементы – хлор, серу, фтор, азот, некоторые металлы (рис. 1). Для производства пластмасс используют различные реакции с приставкой «поли-» (или «много»), а именно полимеризации (-конденсации, -присоединения). Исходные реагенты – как правило, получаемые из органического сырья (нефти, угля, газа) низкомолекулярные вещества, которые в результате реакции превращаются в полимер (в каждой приведенной на рис. 1 формуле пластика буквой n обозначена степень полимеризации, число единичных звеньев в цепочке).

Рис. 1. Структурные формулы различных пластиков

Комплекс характеристик отдельных пластмасс определяется свойствами исходных материалов, их образующих. По признаку характера стеклования пластмассы группируют на термо- и реактопласты. Первые допускают неоднократный нагрев сверх температуры плавления с сохранением вязкотекучести, т.е. возвратом в прежнее состояние. Вторые же после расплавления меняют структуру молекул и их ориентацию в пространстве, теряя текучесть. Еще одной весомой для промышленности группой пластмасс являются эластомеры, характеризующиеся повышенным свойством эластичности (растяжение в процессе эксплуатации до размеров, в разы превышающие исходный образец с последующим возвратом в исходное состояние после снятия нагрузки). Отдельную группу составляю газонаполненные пластмассы (жесткие и эластичные, пенно- и поропласты).

Сегодня практически нет дома, в котором бы отсутствовали изделия из пластмасс. Кухонная утварь и санитарно-гигиеническое оборудование, бытовая техника, канцелярские изделия и оргтехника, широчайший ассортимент упаковки и изоляторов, спортивный инвентарь – далеко не полный перечень пластмассовых изделий (рис. 2). Обязательно упомянем автомобильные шины.

Рис. 2. Домашние изделия из пластмассы

Высокотехнологичное машиностроение, транспорт, медицина, строительство – сферы активного использования этих материалов. Среди элементов строительных конструкций мы найдем стекло-  и древесные пластики, оргстекло, пенопласты и другие материалы. Перечислить все виды пластиков практически невозможно. Так, группу каучуков составляют бутадиеновый, хлоропреновый (поли-2-хлорбутадиеновый), этилен-пропиленовый, фторкаучук, изопреновый, бутилкаучук, каучук-стирол, бутадиенстирольный, бутадиен-нитрильный, полифосфонитрилхлорид (вспененный каучук). Кроме того, есть пластики, имеющие общепринятое международное название; другие же, довольно распространенные, называются по-разному в каждой стране, поэтому сразу может быть непонятно, о каком именно материале идет речь. Известный у нас как оргстекло полиметилметакрилат также может быть назван плексом (плексигласом), акрилом и акриловым стеклом, лимакрилом, акрилексом, акриплайтом, карбоглассом и еще до дюжины названий.

Таким образом, от детских игрушек до космических аппаратов, где они могут составлять до половины общей массы, мы можем найти пластмассу (рис. 3).

Рис. 3. Примеры применения пластмасс

Если рассмотреть ситуацию с производством и использованием пластика в Украине, то ее сложно охарактеризовать однозначно и в целом. Период после кризиса 2008–2009 годов стал временем попыток украинских производителей стабилизировать показатели своей деятельности. При этом разные сегменты показывают отличающиеся тенденции динамики. Так, при общем росте объемов производства продукции в химической и нефтехимической промышленности в 2012 году выпуск пластмасс сократился на более чем 11%. При этом потребление, например, полистирола практически не изменилось (относительно результатов прошлого года), а экспортные поставки существенно (на четверть) выросли, а значит и увеличился импорт (прирост варьирует по маркам продукции от 4% до 17%). По такому известному пластику, как полиэтилен, сокращение показателей потребления в зависимости от вида составило 5–15%. Импортные поставки этого пластика поступали из Саудовской Аравии и Германии. В то же время более трех четвертей украинского полиэтилена производства калушского ООО «Карпатнефтьхим» уходит за пределы страны.

Анализируя ценовую ситуацию на рынке и ее перспективы на ближайшие годы, европейские специалисты отмечают грядущее подорожание изделий из пластмасс. Это затронет все сферы производства, поскольку доля сырьевой составляющей в цене полимерного изделия превышает 60%, а стоимость его выросла на 70–80%.

Наиболее серьезной проблемой, связанной с пластмассами, является их утилизация. В настоящее время пластмассовые мусорные отходы формируют целые острова в Мировом океане. Их принимают за пищу морские животные и птицы, что ведет к их гибели. В странах, уделяющих серьезное внимание экологическим аспектам деятельности человека, сбор пластмассового мусора поставлен на государственную основу. На международном уровне разработаны стандартные коды переработки основных групп пластмасс, которыми должны быть помечены все изделия. Маркировочный знак представляет собой треугольник, составленный из трех стрел, внутри которого проставлены цифры от единицы до семи (последней кодируются «другие» пластмассы). Развивающиеся же страны, по образной характеристике, тонут в море пластика – полиэтиленовых кульков, городских свалок бытовой техники, старых автомобилей и пр. Отходы пластика необходимо перерабатывать, потому что период его разложения измеряется столетиями, а непосредственное сжигание сопровождается выделением отравляющих веществ. Понятно, что поиск оптимального способа переработки продолжается в лабораториях многих стран. Одним из технологических прорывов уже этого десятилетия стало совершенствование технологии пиролиза. Полимеры в ходе происходящего анаэробно пиролиза при 500⁰С распадаются, а полученные мономеры далее перегоняются с получением продуктов (углерод, воск и др.), являющихся сырьем для химической промышленности. Дополнительными плюсами этой технологии (кроме экологического фактора) являются финансовые, обусловленные как рентабельностью благодаря возможности последующей реализации полученной продукции, так и экономией средств на строительство комплексов для захоронения отходов.