Презентация на тему «Полимеры и пластмассы»

Слайд 1. Полимеры и пластмассы

• Строение, способы получения, свойства и применение важнейшего класса материалов современной промышленности

Доклад: Здравствуйте! Тема моего выступления — «Полимеры и пластмассы». Речь пойдёт о классе материалов, который за одно столетие изменил облик техники, медицины, строительства и повседневного быта. Я расскажу, как устроены макромолекулы, откуда берутся пластмассы, какими свойствами они обладают и какую цену человечество платит за их удобство.

Слайд 2. Содержание

• Введение
• Ключевые понятия
• Классификация полимеров
• Хронология важнейших открытий
• Создатели полимерной науки
• Полимеризация и поликонденсация
• Строение макромолекул
• Термопласты и реактопласты
• Крупнотоннажные пластмассы
• Полиэтилен и полипропилен
• Инженерные пластики
• Физико-механические свойства
• Полимерные композиты
• Переработка полимеров в изделия
• Рост мирового производства
• Куда расходуются пластмассы
• Пластиковое загрязнение
• Жизненный цикл пластика
• Биоразлагаемые полимеры: за и против
• Выводы
• Список литературы

Доклад: Логика доклада простая: сначала разбираемся в понятиях и классификации, затем смотрим на историю и людей, стоявших за важнейшими открытиями. Дальше — химия получения, строение цепей и практические свойства материалов. Завершим разговором о производстве, экологии и путях замыкания жизненного цикла пластика.

Слайд 3. Введение

• Мировое производство пластмасс превысило 400 млн тонн в год и продолжает расти примерно на 3% ежегодно.
• Полимеры составляют основу упаковки, труб, автомобильных деталей, тканей, медицинских изделий и электронной техники.
• Понимание связи «строение — свойства — технология» необходимо химику, технологу и материаловеду.
• Обратная сторона массового применения — накопление трудноразлагаемых отходов, поэтому тема требует и экологического взгляда.

Доклад: Начну с масштаба явления. Сегодня в мире выпускают более четырёхсот миллионов тонн пластмасс в год, и объём продолжает расти примерно на три процента ежегодно. Полимеры окружают нас буквально повсюду — от упаковки продуктов до корпусов приборов и медицинских имплантатов. Поэтому специалисту важно понимать связку «строение — свойства — технология», а вместе с ней и экологические последствия массового применения этих материалов.

Слайд 4. Ключевые понятия

• Мономер — низкомолекулярное вещество, способное многократно присоединяться к себе подобным (этилен, стирол, винилхлорид).
• Полимер — вещество, макромолекулы которого построены из многократно повторяющихся элементарных звеньев.
• Степень полимеризации — число звеньев в макромолекуле; у полиэтилена она достигает 10 000–100 000.
• Молекулярная масса — от нескольких тысяч до нескольких миллионов; именно она даёт прочность и эластичность.
• Пластмасса — композиция на основе полимера с наполнителями, пластификаторами, стабилизаторами и красителями.

Доклад: Прежде чем идти дальше, договоримся о терминах. Мономер — это низкомолекулярное вещество вроде этилена или стирола, способное многократно присоединяться к себе подобным. Полимер образован макромолекулами из повторяющихся звеньев, и число этих звеньев у полиэтилена доходит до ста тысяч. Обратите внимание на разницу между полимером и пластмассой: пластмасса — это уже композиция, где к полимеру добавлены наполнители, пластификаторы и стабилизаторы.

Слайд 5. Классификация полимеров

• Полимеры делят сразу по нескольким независимым основаниям: по происхождению, по составу основной цепи и по поведению при нагревании. Один и тот же материал попадает в несколько групп одновременно.
• Природные
• Искусственные
• Синтетические
• Карбоцепные
• Гетероцепные
• Элементоорганические
• Термопласты
• Реактопласты
• Эластомеры

Доклад: Классифицировать полимеры можно сразу по нескольким независимым основаниям. По происхождению их делят на природные — целлюлозу, крахмал, белки; искусственные, полученные химической переработкой природных; и полностью синтетические. По составу главной цепи различают карбоцепные, гетероцепные и элементоорганические. А самое практичное деление — по поведению при нагревании: термопласты, реактопласты и эластомеры.

Слайд 6. Хронология важнейших открытий

• Полимерная химия сложилась всего за столетие: от случайных находок к отлаженным промышленным технологиям.
• Почти каждое десятилетие XX века давало новый материал, менявший быт и технику.
• 1839 — вулканизация каучука Гудьиром
• 1907 — синтез бакелита Бакеландом
• 1920 — гипотеза макромолекул Штаудингера
• 1932 — первый в мире завод синтетического каучука
• 1935 — получение нейлона в лаборатории Карозерса
• 1953 — катализаторы Циглера — Натта

Доклад: История полимерной химии укладывается в неполные два столетия. В 1839 году Чарльз Гудьир открыл вулканизацию каучука, в 1907-м Лео Бакеланд получил бакелит — первый полностью синтетический пластик. В 1920-е годы Герман Штаудингер обосновал само существование гигантских молекул-цепей, а в 1930-е появились нейлон и промышленный синтетический каучук. Открытие катализаторов Циглера и Натта в 1953 году сделало производство полиолефинов дешёвым и массовым.

Слайд 7. Создатели полимерной науки

• Лео Бакеланд, 1863–1944, Бельгийско-американский химик, в 1907 году получил бакелит — первый полностью синтетический пластик
• Герман Штаудингер, 1881–1965, Обосновал существование гигантских молекул-цепей, Нобелевская премия по химии 1953 года
• Уоллес Карозерс, 1896–1937, Руководитель исследовательской лаборатории компании «Дюпон», создатель нейлона и неопрена
• Сергей Васильевич Лебедев, 1874–1934, Разработал промышленный способ получения синтетического каучука из этилового спирта

Доклад: За этими датами стоят конкретные люди. Лео Бакеланд превратил смолистый побочный продукт в материал, из которого делали телефоны, розетки и радиоприёмники. Герман Штаудингер получил Нобелевскую премию за идею макромолекулы, которую поначалу коллеги считали абсурдной. Уоллес Карозерс в лаборатории «Дюпон» создал нейлон и неопрен, а Сергей Васильевич Лебедев первым в мире наладил промышленный синтез каучука из этилового спирта.

Слайд 8. Полимеризация и поликонденсация

• Промышленность получает полимеры двумя принципиально разными реакциями. Они различаются механизмом роста цепи и тем, образуются ли побочные вещества.
• Мономеры соединяются за счёт раскрытия двойных и тройных связей
• Побочные продукты не образуются вообще
• Состав элементарного звена совпадает с составом мономера
• Так получают полиэтилен, полипропилен, полистирол, поливинилхлорид
• Взаимодействуют функциональные группы разных мономеров
• Выделяются низкомолекулярные вещества: вода, спирт, хлороводород
• Состав звена отличается от состава исходных мономеров
• Так получают полиамиды, полиэфиры, фенолоформальдегидные смолы

Доклад: Все пластмассы получают двумя основными реакциями. При полимеризации мономеры соединяются за счёт раскрытия кратных связей, побочных продуктов нет, а состав звена совпадает с составом мономера — так делают полиэтилен, полипропилен и полистирол. При поликонденсации реагируют функциональные группы, и обязательно выделяется низкомолекулярное вещество: вода, спирт или хлороводород. Этим путём получают полиамиды, полиэфиры и фенолоформальдегидные смолы.

Слайд 9. Строение макромолекул

• Линейные макромолекулы — длинные неразветвлённые цепи; такие полимеры плавятся и растворяются, из них получают волокна и плёнки.
• Разветвлённые цепи хуже упаковываются, поэтому материал легче, мягче и плавится при более низкой температуре.
• Сшитые макромолекулы образуют единую пространственную сетку: изделие не плавится и не растворяется, а при перегреве разлагается.
• Соотношение кристаллических и аморфных областей определяет прочность, прозрачность и теплостойкость готового материала.

Доклад: Свойства материала во многом определяет форма макромолекулы. Линейные цепи хорошо упаковываются, такой полимер плавится и растворяется — из него тянут волокна и льют плёнку. Разветвления мешают плотной упаковке, и материал становится мягче и легкоплавче. А если цепи сшиты поперечными мостиками в пространственную сетку, изделие уже не расплавить: при нагреве оно просто разлагается.

Слайд 10. Термопласты и реактопласты

• Поведение при нагревании — главный практический признак деления пластмасс.
• От него зависят и технология формования, и судьба изделия после использования.

Доклад: Именно наличие или отсутствие сшивок делит пластмассы на две большие группы. Термопласты размягчаются при нагреве и могут формоваться многократно, поэтому их реально собирать и перерабатывать вторично. Реактопласты отверждаются один раз и навсегда: они прочнее и теплостойче, но переработке практически не поддаются. Таблица на слайде сводит эти различия воедино.

Слайд 11. Крупнотоннажные пластмассы

• 30% — Полиэтилен — Плёнка, пакеты, трубы, канистры, изоляция кабеля
• 19% — Полипропилен — Посуда, автомобильные детали, мешки, нетканые материалы
• 13% — Поливинилхлорид — Оконный профиль, линолеум, трубы, искусственная кожа
• 6% — Полиэтилентерефталат — Бутылки для напитков, плёнка, синтетическое волокно

Доклад: Основную массу рынка держат всего четыре полимера. Полиэтилен занимает около трети мирового выпуска, полипропилен — примерно пятую часть, поливинилхлорид — тринадцать процентов, полиэтилентерефталат — около шести. Вместе они дают больше двух третей всех пластмасс планеты. Остальное приходится на полистирол, полиуретаны и десятки специальных марок.

Слайд 12. Полиэтилен и полипропилен

• Полиэтилен высокой плотности жёсток и прочен: из него делают трубы, канистры, ящики и крышки.
• Полиэтилен низкой плотности мягкий и эластичный — это основа упаковочной плёнки и пакетов.
• Полипропилен выдерживает нагрев до 120–140 °C и стерилизацию кипятком, поэтому идёт на посуду и медицинские изделия.
• Оба полимера поставляются переработчикам в виде окрашенных гранул — универсального сырья для литья и экструзии.

Доклад: Разберём подробнее двух лидеров. Полиэтилен высокой плотности жёсткий и прочный — из него делают трубы, канистры и ящики, а полиэтилен низкой плотности мягкий и эластичный, это основа плёнки и пакетов. Полипропилен выдерживает нагрев до ста сорока градусов и стерилизацию кипятком, поэтому идёт на посуду и медицинские изделия. Оба полимера приходят на завод в виде окрашенных гранул, как на фотографии.

Слайд 13. Инженерные пластики

• Поликарбонат прозрачен, как силикатное стекло, но в сотни раз ударопрочнее: линзы, каски, светопрозрачные кровли.
• Полиамиды (капрон, нейлон) износостойки и самосмазывающиеся: шестерни, подшипники скольжения, волокна, лески.
• Фторопласт-4 работает от −269 до +260 °C, химически инертен и почти ничем не смачивается.
• Полиформальдегид сохраняет форму под длительной нагрузкой — точные детали механизмов и трубопроводная арматура.
• Полиэфирэфиркетон выдерживает 250 °C и заменяет металл в авиационных узлах и медицинских имплантатах.

Доклад: Отдельную нишу занимают инженерные пластики — материалы, работающие там, где раньше стоял только металл. Поликарбонат прозрачен, как стекло, но в сотни раз ударопрочнее; полиамиды износостойки и способны работать без смазки. Фторопласт-4 сохраняет свойства от минус двухсот шестидесяти девяти до плюс двухсот шестидесяти градусов. А полиэфирэфиркетон выдерживает четверть тысячи градусов и применяется в авиации и медицинских имплантатах.

Слайд 14. Физико-механические свойства

• Пластмассы ценят прежде всего за сочетание малой плотности с высокой удельной прочностью и стойкостью к коррозии.
• 0,9–1,4 — Плотность, г/см³ — В 5–8 раз легче стали
• 40–80 — Предел прочности, МПа — У армированных марок — свыше 200 МПа
• 0,2–0,4 — Теплопроводность, Вт/(м·К) — В сотни раз ниже, чем у металлов
• 60–120 — Рабочая температура, °C — Главное ограничение большинства пластмасс

Доклад: Почему пластмассы так востребованы, видно из цифр. Плотность около единицы означает, что материал в пять-восемь раз легче стали при вполне рабочей прочности в сорок-восемьдесят мегапаскалей. Низкая теплопроводность делает пластмассы хорошими теплоизоляторами, а высокое удельное сопротивление — прекрасными диэлектриками. Главное ограничение — рабочая температура: большинство массовых полимеров не переносит нагрева выше ста двадцати градусов.

Слайд 15. Полимерные композиты

• Композит объединяет свойства матрицы и наполнителя, которых нет у каждого компонента по отдельности.
• Доля армирующего волокна в конструкционных композитах достигает 60–70% по массе.
• Стеклопластики и углепластики вытесняют металл в авиации, судостроении и ветроэнергетике.
• Полимерная матрица — связывает волокна и передаёт им нагрузку (эпоксидная или полиэфирная смола)
• Армирующий наполнитель — стеклянное, углеродное или арамидное волокно, задающее прочность
• Функциональные добавки — антипирены, пигменты, тепловые и световые стабилизаторы
• Композиционный материал — прочность на уровне стали при вчетверо меньшей массе

Доклад: Преодолеть это ограничение помогают композиты. Полимерная матрица связывает волокна и передаёт им нагрузку, армирующий наполнитель — стекло, углерод или арамид — задаёт прочность, а добавки отвечают за стойкость к огню и свету. В сумме получается материал с прочностью стали при вчетверо меньшей массе. Именно поэтому углепластики уверенно вытесняют металл в авиации, судостроении и ветроэнергетике.

Слайд 16. Переработка полимеров в изделия

• Выбор технологии определяется формой изделия, тиражом и типом полимера.
• Литьё под давлением даёт до нескольких тысяч мелких деталей в час.
• Экструзия работает непрерывно и выпускает трубы, профиль, плёнку и листы.
• Выдувное формование применяют для полых изделий — бутылок и канистр.
• Подготовка сырья — сушка гранул и дозирование добавок и красителей
• Плавление — расплав готовится в обогреваемом шнековом цилиндре
• Формование — литьё под давлением, экструзия, выдув или прессование
• Охлаждение — изделие затвердевает в форме или калибраторе
• Отделка — обрезка литников, маркировка и контроль качества

Доклад: Путь от гранулы до готового изделия проходит пять шагов. Сырьё сушат и дозируют вместе с красителями, затем расплавляют в обогреваемом шнековом цилиндре. Формование выбирают под задачу: литьё под давлением для мелких деталей большими тиражами, экструзию для труб и профиля, выдув для бутылок. После охлаждения изделие обрезают, маркируют и проверяют на соответствие требованиям.

Слайд 17. Рост мирового производства

• За семьдесят лет выпуск пластмасс вырос более чем в 250 раз.
• Около половины всего пластика, произведённого за историю, выпущено после 2000 года.

Доклад: График показывает, насколько стремительным был рост. В 1950 году мир выпускал около полутора миллионов тонн пластмасс, сегодня — свыше четырёхсот миллионов, то есть более чем в двести пятьдесят раз больше. Причём примерно половина всего пластика в истории человечества произведена уже после 2000 года. Кривая не выходит на плато, и это ключевой факт для понимания экологической проблемы.

Слайд 18. Куда расходуются пластмассы

• Упаковка — крупнейший потребитель и одновременно главный источник отходов.
• Срок службы упаковки измеряется неделями, строительных изделий — десятилетиями.

Доклад: Не менее важно, куда этот объём расходуется. Больше трети идёт на упаковку, около шестой части — на строительство, по десять-двенадцать процентов забирают автомобилестроение и производство техники. Разница в сроках службы огромна: упаковка живёт недели, а оконный профиль или труба — десятилетия. Именно короткоживущая упаковка и формирует основную массу отходов.

Слайд 19. Пластиковое загрязнение

• Ежегодно в Мировой океан попадает от 8 до 11 млн тонн полимерных отходов.
• Полиэтиленовый пакет сохраняется в природе 100–200 лет, бутылка из полиэтилентерефталата — до 450 лет.
• Микропластик размером менее 5 мм обнаружен в питьевой воде, морской соли и тканях человека.
• Переработано или сожжено с пользой менее пятой части всего когда-либо выпущенного пластика.

Доклад: Оборотная сторона удобства выглядит так, как на этом снимке. Ежегодно в Мировой океан попадает от восьми до одиннадцати миллионов тонн полимерных отходов, а полиэтиленовый пакет сохраняется в природе сто-двести лет. Частицы микропластика уже находят в питьевой воде, морской соли и тканях человека. При этом переработана или использована с пользой меньше пятой части всего когда-либо выпущенного пластика.

Слайд 20. Жизненный цикл пластика

• Замкнутый цикл превращает отходы в сырьё и снижает нагрузку на природу.
• Маркировка треугольником с цифрой от 1 до 7 указывает вид полимера и облегчает сортировку.
• Вторичный полиэтилентерефталат идёт на волокно, упаковочную ленту и новые бутылки.
• Переработка экономит до 60–70% энергии по сравнению с синтезом полимера из нефти.
• Синтез полимера
• Производство изделия
• Использование
• Сбор и сортировка
• Вторичная переработка

Доклад: Выход — в замыкании жизненного цикла. Схема на слайде показывает путь от синтеза полимера через производство и использование к сбору, сортировке и возврату сырья в производство. Маркировка треугольником с цифрой от одного до семи как раз и нужна, чтобы отходы можно было разделить по видам полимера. Переработка экономит до семидесяти процентов энергии по сравнению с синтезом полимера из нефти.

Слайд 21. Биоразлагаемые полимеры: за и против

• Материалы на основе крахмала и полимолочной кислоты предлагают как замену традиционным пластмассам.
• Оценивать их следует по всему жизненному циклу, а не по одному лишь слову «биоразлагаемый».
• За — разлагаются за месяцы, а не столетия; сырьё возобновляемое (кукуруза, сахарный тростник); снижают углеродный след производства
• Против — распадаются только при промышленном компостировании при 55–60 °C; дороже обычных в 2–4 раза; отнимают пахотные земли

Доклад: Часто панацеей называют биоразлагаемые полимеры на основе крахмала и полимолочной кислоты. Аргументы «за» весомы: разложение за месяцы вместо столетий, возобновляемое сырьё, меньший углеродный след. Но есть и обратная сторона — распад идёт только в промышленных компостерах при пятидесяти пяти-шестидесяти градусах, материал дороже обычного в два-четыре раза и требует пахотных земель. Оценивать такие материалы нужно по всему жизненному циклу.

Слайд 22. Выводы

• Полимер — вещество с макромолекулами, пластмасса — композиция на его основе с наполнителями и добавками.
• Строение цепи и наличие поперечных сшивок определяют, будет материал термопластом, реактопластом или эластомером.
• Полимеризация и поликонденсация обеспечивают промышленный синтез всей номенклатуры пластмасс.
• Малая плотность, химическая стойкость и дешевизна сделали пластмассы материалом номер один в технике и быту.
• Главный вызов отрасли — замкнуть цикл: собирать, сортировать и возвращать полимерные отходы в производство.

Доклад: Подведём итоги. Полимер — это вещество с макромолекулами, а пластмасса — уже композиция на его основе; строение цепи и наличие сшивок определяют весь набор свойств. Полимеризация и поликонденсация обеспечивают промышленный синтез всей номенклатуры материалов, а малая плотность и химическая стойкость сделали пластмассы материалом номер один. Главный вызов отрасли сегодня — не отказ от пластика, а замыкание его цикла.

Слайд 23. Список литературы

• Крыжановский, В. К. Технические свойства полимерных материалов : учебно-справочное пособие / В. К. Крыжановский. — Санкт-Петербург : Профессия, 2005. — 248 с.
• Кулезнёв, В. Н. Химия и физика полимеров : учебник / В. Н. Кулезнёв, В. А. Шершнев. — Москва : КолосС, 2007. — 367 с.
• Семчиков, Ю. Д. Высокомолекулярные соединения : учебник / Ю. Д. Семчиков. — Москва : Академия, 2003. — 368 с.
• Тагер, А. А. Физико-химия полимеров : учебное пособие / А. А. Тагер. — Москва : Научный мир, 2007. — 576 с.
• Шур, А. М. Высокомолекулярные соединения : учебник / А. М. Шур. — Москва : Высшая школа, 1981. — 656 с.

Доклад: В списке литературы — базовые учебники по химии и физике высокомолекулярных соединений: работы Крыжановского, Кулезнёва и Шершнева, Семчикова, Тагер и Шура. Они дают и теоретическую основу, и справочные данные по техническим свойствам полимерных материалов. Рекомендую начинать с Кулезнёва как наиболее современного и наглядного изложения.

Слайд 24. Спасибо за внимание!

Доклад: На этом моё выступление завершено. Полимеры и пластмассы — прекрасный пример того, как фундаментальная химическая идея о макромолекуле за столетие превратилась в отрасль с оборотом в сотни миллионов тонн. Спасибо за внимание, готов ответить на ваши вопросы.