|
Arabic
Bengali
Chinese
English
French
German
Hebrew
Hindi
Italian
Japanese
Korean
Malay
Polish
Portuguese
Spanish
Turkish
Ukrainian
Vietnamese
HISTORIA TECHNOLOGII, TECHNOLOGII, OBIEKTÓW WOKÓŁ NAS
Tworzywa sztuczne. Historia wynalazku i produkcji
Katalog / Historia technologii, technologii, przedmiotów wokół nas Tworzywa sztuczne (masy plastyczne) lub tworzywa sztuczne to materiały organiczne na bazie syntetycznych lub naturalnych związków wielkocząsteczkowych (polimerów). Tworzywa sztuczne na bazie polimerów syntetycznych znalazły wyjątkowo szerokie zastosowanie. Nazwa „tworzywa sztuczne” oznacza, że materiały te pod wpływem ciepła i ciśnienia są zdolne do formowania i utrzymywania określonego kształtu po schłodzeniu lub utwardzeniu. Procesowi formowania towarzyszy przejście ze stanu plastycznie odkształcalnego (ciągliwego) w stan szklisty (stały).
Powszechne stosowanie tworzyw sztucznych jest jedną z cech charakterystycznych naszych czasów. Praktycznie wszystkie naturalne włókna, żywice i materiały mają teraz swoje sztuczne substytuty. Stworzono wiele innych substancji o właściwościach niespotykanych w naturze. A to, najwyraźniej, jest dopiero początkiem wielkiego przewrotu, równego wielkim rewolucjom materialnym z przeszłości - rozwojowi brązu i żelaza. Z reguły plastik jest złożonym związkiem organicznym, który zawiera kilka składników. Najważniejszym z nich, decydującym o podstawowych właściwościach materiału, jest sztuczna żywica. Produkcja dowolnego tworzywa sztucznego rozpoczyna się od przygotowania tej żywicy. Generalnie żywice zajmują pozycję pośrednią między substancjami stałymi i ciekłymi. Z jednej strony mają wiele cech brył, ale mają też dużą płynność, czyli zdolność do łatwej zmiany kształtu. Pod względem struktury wewnętrznej żywice również zajmują odrębną pozycję: nie mają sztywnej sieci krystalicznej, jak większość ciał stałych; nie mają określonej temperatury topnienia i po podgrzaniu stopniowo miękną, zamieniając się w lepką ciecz. Podobnie jak guma, której właściwości są bardzo zbliżone, żywice są polimerami, to znaczy ich cząsteczki składają się z ogromnej liczby identycznych (często bardzo prostych w budowie) jednostek. Żywice sztuczne (syntetyczne) można otrzymać w wyniku dwóch rodzajów reakcji chemicznych: reakcji kondensacji i reakcji polimeryzacji. Podczas reakcji kondensacji, gdy dwie lub więcej substancji wchodzą w interakcję, powstaje nowa substancja, a produkty uboczne (woda, amoniak i inne) są nadal uwalniane. Na przykład żywice fenolowe otrzymuje się z fenolu i formaldehydu: dwie cząsteczki fenolu są połączone ze sobą niejako mostkiem z grupą metylenową zawartą w formaldehydzie i uwalniana jest woda. Wtedy te, już podwójne, cząsteczki łączą się ze sobą. W końcu otrzymuje się dużą cząsteczkę o strukturze liniowej lub trójwymiarowej. W reakcji polimeryzacji wchodzą w interakcję cząsteczki tej samej substancji. Łącząc się ze sobą tworzą nową substancję - polimer bez wydzielania produktów ubocznych. Jak już zauważono w rozdziale o gumie, wszystkie substancje organiczne, które mają atomy węgla z podwójnym lub potrójnym wiązaniem w swojej cząsteczce, są zdolne do reakcji polimeryzacji. Żywica wiąże lub, jak to się czasem mówi, cementuje wszystkie części składowe tworzywa, nadaje mu plastyczność i inne cenne właściwości - twardość, wodoodporność, właściwości izolacyjne mechaniczne i elektryczne. Oprócz żywicy w wielu rodzajach tworzyw sztucznych ważne miejsce (50-70% masy) zajmują tzw. wypełniacze, którymi mogą być zarówno substancje organiczne, jak i mineralne. Wśród wypełniaczy organicznych najważniejsza jest celuloza (stosowana w postaci papieru, tkaniny lub linteru - grzebienie bawełniane; są impregnowane roztworem żywicy, a następnie suszone i prasowane). Wypełniacze nieorganiczne to mika, łupek, talk, azbest, tkanina szklana i grafit. Z reguły wypełniacze są znacznie tańsze od żywic, a ich wprowadzenie, przy odpowiednim doborze, prawie nie pogarsza właściwości tworzyw sztucznych. Czasami wprowadzenie dobrze dobranego wypełniacza nawet poprawia jakość plastiku. Można go również ulepszyć za pomocą specjalnych dodatków i plastyfikatorów. Te pierwsze, przyjmowane nawet w niewielkich ilościach, nadają plastikowi nowe właściwości (na przykład dodanie metalu powoduje, że z dielektryka staje się przewodzące tworzywo sztuczne). A plastyfikatory, tworząc roztwór z żywicą, zmiękczają ją i nadają jej dodatkową plastyczność. Początek produkcji tworzyw sztucznych na bazie tworzyw sztucznych sięga pierwszej tercji XIX wieku. W 1830 r. wyprodukowano w Anglii jedno z pierwszych tworzyw sztucznych, camptulikon. Podstawą tego warstwowego materiału była tkanina jutowa, na którą nawinięto mieszankę gumy, pokruszonego korka i kilku innych elementów. Jednak ze względu na wysoką cenę gumy produkcja tego tworzywa nie jest powszechna. W 1863 roku Anglik Walton zastąpił gumę linoksyną i w ten sposób położył podwaliny pod produkcję linoleum. Do tej pory był powszechnie stosowany jako wykładzina podłogowa, ponieważ jest usuwany znacznie wolniej niż drewno, a nawet marmur. Wynalezienie celuloidu na bazie celulozy zapoczątkowało powszechne stosowanie tworzyw sztucznych. Celuloza lub włókno stanowi podstawę drewna i innych materiałów roślinnych; jego cząsteczka składa się z ogromnej liczby strukturalnie prostych jednostek; w postaci oczyszczonej jest substancją bezbarwną, nietopliwą i nierozpuszczalną. W 1845 r. stwierdzono, że gdy celuloza (wata) jest traktowana kwasem azotowym i siarkowym, powstaje ester kwasu azotowego, znany jako piroksylina. Materiał ten jest bardzo niebezpieczny i po wyschnięciu eksploduje z dużą siłą. Jednak później zauważono, że gdy jest mokry, wcale nie jest niebezpieczny. Powstało pytanie: jeśli woda pozbawia piroksylinę siły wybuchowej, to może istnieje inny sposób wpływania na jej właściwości. Okazało się, że mieszając mokrą nitrocelulozę z kamforą otrzymujemy plastik, który można obrabiać na rolkach, prasować i formować. W 1869 roku bracia Hayeth uzyskali w ten sposób celuloid, który zaczął być komercyjnie produkowany od 1872 roku. Celuloid miał dużą wytrzymałość, był piękny i można go było barwić na dowolny kolor lub stosować jako przezroczystą folię. Ten plastik szybko stał się powszechny. Zaczęli robić z niego zdjęcia - i filmy, grzebienie, pudełka, zabawki dla dzieci, guziki, paski. Celuloid miał jednak jedną istotną wadę – okazał się palny i bardzo łatwo się zapalał. W 1872 roku niemiecki chemik Bayer zsyntetyzował nową substancję żywiczną, łącząc fenol z formaldehydem w obecności kwasu solnego. Ze względu na brak w tym czasie taniego formaldehydu odkrycie to nie znalazło zastosowania przemysłowego. Dopiero na początku XX wieku zaczęto zakładać fabryczną produkcję żywic fenolowo-formaldehydowych, zwłaszcza po tym, jak angielski badacz Baekeland w 1908 roku znalazł sposób na wytwarzanie tworzyw fenolowych z tych samych surowców, które mają zdolność do stania się nietopliwym i nierozpuszczalnym po podgrzaniu. Nabrały dużego znaczenia technicznego. Tworzywa sztuczne oparte na tych żywicach zostały nazwane na cześć ich wynalazcy bakelitu. Surowcami do żywic fenolowo-formaldehydowych są fenol (kwas karbolowy) i formalina (formalina to roztwór gazowego formaldehydu w wodzie; formaldehyd otrzymuje się sztucznie poprzez utlenianie alkoholu metylowego tlenem atmosferycznym w temperaturze 500-600 stopni). Przede wszystkim żywice te zaczęto stosować jako substytut żywicy naturalnej – szelak do izolacji elektrycznej. Szybko jednak okazało się, że mają one wiele właściwości, których nie mają ani szelak, ani inne naturalne żywice. Fenoplasty szybko zaczęły zdobywać dla siebie ogromne obszary zastosowań i przez długi czas zajmowały wiodącą pozycję wśród tworzyw sztucznych. Produkty z nich wykonane wyróżniały się odpornością na ciepło, wodoodpornością, bardzo wysoką wytrzymałością mechaniczną oraz dobrymi właściwościami izolacyjnymi. Były szeroko stosowane do produkcji wtyczek, gniazd, wkładów i innych elementów wyposażenia elektrycznego, a także w przemyśle chemicznym jako materiał na kadzie, zbiorniki i rury stosowane w środowiskach agresywnych. Wypełniaczem w tych tworzywach była zwykle mączka drzewna. Później, na bazie żywic fenolowych, zaczęto pozyskiwać tak szeroko stosowane w inżynierii mechanicznej tworzywa sztuczne jak getinaki, tekstolit i inne. Produkty z nich uzyskuje się poprzez prasowanie na gorąco tkaniny, papieru lub sklejki impregnowanej żywicą. W ten sposób można wykonać bardzo mocne i lekkie części (np. koła zębate czy łożyska), które z powodzeniem zastępują metalowe. Co więcej, w przeciwieństwie do tych ostatnich, części te pracują cicho i nie są podatne na destrukcyjne działanie olejów smarowych. Tak, a ich wykonanie jest znacznie łatwiejsze i tańsze niż części metalowe. Jeśli jednak jako wypełniacz stosuje się nici szklane, powstają tworzywa sztuczne o zwiększonej wytrzymałości. Inną powszechną odmianą tworzyw sztucznych stały się tworzywa karbamidowe. Głównym surowcem wyjściowym do produkcji żywic mocznikowych jest mocznik. Mocznik był pierwszą w historii substancją organiczną, która została sztucznie zsyntetyzowana; niemiecki chemik Wöhler otrzymał ją w 1828 roku z cyjanku potasu, siarczanu i amonu, ale praktyczne zastosowanie znalazła dopiero sto lat później. W 1918 roku czeski chemik John opatentował metodę wytwarzania nowej żywicy z mocznika i formaldehydu. Żywica ta miała wiele niezwykłych właściwości: była bezbarwna, trwała, trudnopalna, żaroodporna, doskonale przepuszczała nie tylko światło, ale także promienie ultrafioletowe (którego zwykłe szkło nie przepuszcza) i łatwo barwiła się na dowolny kolor. Jednocześnie miał jednak jedną istotną wadę – wchłaniał wilgoć. Wkrótce rozpoczęła się produkcja tworzyw mocznikowych. Stały się szeroko rozpowszechnione jako doskonały materiał wykończeniowy i dekoracyjny. Do rodziny tych tworzyw należy również Mipor, który ma doskonałe właściwości izolacji cieplnej i akustycznej. W kolejnych latach zsyntetyzowano wiele nowych tworzyw sztucznych. Mocne przezroczyste tworzywa sztuczne stały się szeroko rozpowszechnione w technologii, z powodzeniem zastępując kruche szkło. Najbardziej odpowiedni do tych celów był polimetakrylan metylu otrzymywany z acetonu, kwasu cyjanowodorowego i alkoholu metylowego. Służy do produkcji trwałego i lekkiego szkła organicznego. Polistyren (pozyskiwany z etylenu i benzenu) stał się niezbędnym materiałem do izolacji wysokiej częstotliwości. W 1940 r. niemiecki chemik Müller i niezależnie od niego radziecki naukowiec Andrianow uzyskali pierwsze silikonowe tworzywa sztuczne. Cząsteczki tych tworzyw sztucznych, wraz z węglem, zawierają krzem. Daje to nowemu rodzajowi tworzyw bardzo cenne właściwości: są bardzo odporne na ciepło (wytrzymują temperatury do 400-500 stopni), odporne na wodę, kwasy i rozpuszczalniki organiczne. Wszystko to zapewniło im szeroki wachlarz zastosowań. Przez długi czas chemikom nie udało się polimeryzować etylenu. (Etylen jest gazem lekkim o wzorze CH2=CH2.) Dopiero w 1937 roku problem ten został częściowo rozwiązany: pod ogromnym ciśnieniem 1200 atm etylen upłynnił się, podczas gdy wiązanie podwójne w jego cząsteczce zostało zerwane i nastąpiła reakcja polimeryzacji zaczął się. (Wynikiem była cząsteczka [-CH2-CH2-]n.) Po zsyntetyzowaniu 10-30% polietylenu rozpuszczono w nim etylen i reakcję zatrzymano. Gdy ciśnienie obniżono, etylen odparował i został następnie użyty w nowym cyklu reakcyjnym. Ta metoda była bardzo kosztowna, więc polietylen nie mógł wówczas uzyskać znaczącego zastosowania. W 1953 Zingler opracował prostszą metodę produkcji polietylenu: pod znacznie niższym ciśnieniem etylen rozpuszczono w benzynie, następnie pod ciśnieniem 10 atmosfer i w obecności katalizatora (alkilowanego trichlorku tytanu) rozpoczęła się reakcja polimeryzacji . Dzięki aprobacie tej metody produkcji polietylen (doskonały izolator, odporny na działanie kwasów) stał się jednym z najczęściej stosowanych tworzyw sztucznych. Autor: Ryzhov K.V.
▪ LED
Nowy sposób kontrolowania i manipulowania sygnałami optycznymi
05.05.2024 Klawiatura Primium Seneca
05.05.2024 Otwarto najwyższe obserwatorium astronomiczne na świecie
04.05.2024
▪ Pływający robot do eksploracji wulkanu po erupcji ▪ Niejądrowa łódź podwodna Taigei ▪ Śpiewający ludzie czują to samo co ptaki ▪ Mózg ptaków reaguje na pola magnetyczne
▪ sekcja serwisu Cywilna komunikacja radiowa. Wybór artykułów ▪ artykuł Nikołaj Pirogow. Biografia naukowca ▪ artykuł Czy twoje włosy siwieją ze strachu? Szczegółowa odpowiedź ▪ artykuł Burnet officinalis. Legendy, uprawa, metody aplikacji ▪ artykuł Uniwersalne urządzenie powiadamiające. Encyklopedia elektroniki radiowej i elektrotechniki ▪ artykuł Stopiony węzeł. Sekret ostrości
Strona główna | biblioteka | Artykuły | Mapa stony | Recenzje witryn
www.diagram.com.ua |
Polecamy ciekawe artykuły Sekcja 
Zobacz inne artykuły Sekcja 
Najnowsze wiadomości o nauce i technologii, nowa elektronika:
Wszystkie języki tej strony