)Экструзия. С помощью этого метода
оптимальным считается изготовление
так называемых профильных пластмассовых
изделий. Для примера, это могут
быть пластиковые трубы, ленты, профили
и др. Такие изделия из пластмассы
получают при помощи экструдеров
путем продавливания материала
через оформляющий поперечный
профиль инструмент.
)Экструзия с последующим раздувом.
Эта технология используется
для получения таких изделий из пластика,
как различные пластиковые емкости. Это
флаконы, бутылки, баночки с зауженным
горлышком и им подобные.
)Вакуумная формовка. Здесь можно
изготовить пластмассовые изделия
из листовых материалов. Например, таким
способом производятся одноразовая пластиковая
посуда или более толстостенное изделие
- ванна для детей и любые другие изделия,
которые имеют одинаковую толщину по всей
поверхности.
)Литье пластмасс под давлением.
С помощью данной технологии
можно получить абсолютно любые
изделия из пластмассы. Возможности
данной технологии ограничиваются
лишь Вашим воображением. Оптимальным
для данной технологии считается изготовление
изделий из пластмасс с высокими ежемесячными
потребностями. Дело в том, что данная
технология требует достаточно высоких
затрат на изготовление оснастки, но позволяет
изготавливать детали высокой точности
в любых количествах.[6]
Современные проблемы
влияния полимеров на окружающую среду
Нынешнее поколение людей убедилось
наконец в том, что окружающая нас среда
— земля, вода и воздух не обладают бесконечным
иммунитетом против химической эксплуатации.
И хотя сегодня еще проявляется беспечное
и неосторожное обращение с природой,
люди уже начали понимать и по-новому оценивать
катастрофические последствия этого.
Необходимые спутники цивилизации, такие,
как тепловые электростанции, построенные
в городах в относительно недавнем прошлом,
оставили нам опасное наследство. Сейчас
нам понятна потенциальная опасность
такого привычного продукта, как асбест,
который раньше считали не опасным и даже
полезным. Раньше неоправданно считали,
что природа способна служить резервуаром
для хранения огромных количеств вредных
продуктов. Соответственно широко использовали
методы захоронения в земле различных
отходов и считали, что это безопасно и
надежно. Теперь мы убеждаемся, что это
ложный путь, позволяющий лишь отсрочить
решение острых проблем и переложить их
на плечи последующих поколений.
К каким же последствиям приводит загрязнение,
например, земли? В первую очередь к прямому
сокращению естественной среды обитания
живых существ. Во-вторых, загрязнение
какого-то района создает опасность для
соседних с ним территорий из-за миграции
загрязнений, например, через подпочвенные
водоносные горизонты. В-третьих, загрязнение
воздуха вредными газами, включая метан
и двуокись углерода, создающую парниковый
эффект, может привести к глобальным изменениям
окружающей среды.
Современная стратегия в решении экологических
проблем, связанных с загрязнением земли,
заключается в восстановлении хозяйственной
деятельности на загрязненных территориях,
а не в непрерывном освоении все новых
чистых территорий. Экология — наука об
отношениях растительных и животных организмов
и их сообществ между собой и с окружающей
средой. В XX веке в связи с усилившимся
воздействием человека на природу экология
приобрела особое значение как научная
основа рационального природопользования
и охраны живых организмов. Даже если загрязненные
земли не могут по объективным причинам
использоваться для хозяйственной деятельности,
крайне важно, чтобы общество располагало
возможностями установить и количественно
оценить степень риска для живой природы
и здоровья людей, сопряженного с наличием
таких участков. В любом случае необходимо
создавать и совершенствовать безопасные,
эффективные и благоприятные для окружающей
среды технологии, предназначенные для
устранения опасности в момент ее возникновения
или для устранения ее последствий. При
этом не должно происходить перемещения
опасных загрязнений с одного места на
другое.
Очевидно, что развитие эффективных технологий
восстановления загрязненных земель,
рассчитанных на длительную перспективу,
зависит от сложного сочетания различных
факторов, таких, как законодательная
деятельность, политические инициативы,
общественное мнение и подходящие технологии.
Здесь мы коснемся технологического аспекта,
который предполагает объединение усилий
ученых различных областей, инженеров
и технологов.
Почему имеет смысл обсуждать эти проблемы
охраны окружающей среды в связи с производством
и применением полимеров? По крайней мере
по двум серьезным причинам. Во-первых,
объемы производства полимеров во всем
мире огромны, а отслужившие свой срок
изделия из полимеров попросту выбрасываются
и представляют собой угрозу для окружающей
среды. Во-вторых, сегодня специально синтезируют
и производят полимеры, которые практически
незаменимы как исключительно эффективные
средства для решения разнообразных проблем,
связанных с экологией.
Масштабы первой из проблем, связанной
с опасностью полимеров для окружающей
среды, можно представить, если принять
во внимание, что мировое производство
одного из наиболее распространенных
и доступных полимеров — полиэтилена
достигает сегодня десятков миллионов
тонн в год. Гигантские молекулы этого
полимера, называемые макромолекулами,
построены из метиленовых —CH2- групп: объединенных в линейные
цепи.
Число фрагментов —CH2— CH2—, называемых мономерными звеньями,
изменяется для промышленно производимых
полимеров этилена от 1000 до 10000. Значительное
количество полиэтилена перерабатывается
в пленочные материалы, с которыми мы встречаемся
в быту на каждом шагу. В первую очередь
это упаковочные материалы — пакеты и
сумки для продуктов. Это также различные
контейнеры для хранения разнообразных
жидкостей — от воды до минеральных масел,
например для моторных масел, или смесей
воды и этиленгликоля, используемых в
качестве охлаждающих и незамерзающих
жидкостей в современных автомобилях.
Отслужившие свой срок, выполнившие свои
функции загрязненные пакеты и контейнеры
выбрасываются. Каждый из нас практически
ежедневно видит эти выброшенные и ставшие
бесполезными вещи в своем доме, на улице,
за городом, например в лесу. Они не только
создают неудобства в обыденной жизни,
но и наносят вред окружающей природе,
замусоривая землю и препятствуя росту
растений из-за нарушения воздухо- и влагообмена
в почве.
При указанных масштабах производства
только полиэтилена, производимого за
год, вполне хватило бы, чтобы покрыть
пленкой толщиной 50 микрометров, 0,05 мм
(это типичная пленка), территорию, равную
Франции, а если учесть накопленные за
последние 5 лет отходы, то и всю Европу.
Если же добавить сюда и другие крупнотоннажные
полимеры, такие, как полипропилен, поливинилхлорид,
полистирол, полиамиды общей формулы,
полиэфиры, например полиэтилентерефталат
известный в нашей стране как лавсан, каучуки
и резины и многие другие, то общее количество
отходов индустрии полимеров многократно
возрастет.
Проблема усугубляется тем, что промышленные
синтетические полимеры, получаемые полимеризацией
реакционноспособных соединений — мономеров,
от названий которых происходят названия
большинства полимеров, являются весьма
устойчивыми химическими соединениями.
Многие из них, такие, как полиэтилен, способны
выдерживать воздействие солнечного излучения
и кислорода воздуха в совокупности с
воздействием тепла и влаги в природных
условиях в течение десятков лет без заметного
химического разрушения. Другие, например
полипропилен, подвергаются разрушению.
Его легко заметить по ухудшению механической
прочности пленки, которая после пребывания
на воздухе в течение лета растрескивается.
Тем не менее фрагменты изделий из этого
полимера также сохраняются в окружающей
среде и загрязняют ее в течение многих
лет.[1]
Направление решения
проблемы
Какие же подходы используют
для борьбы с загрязнением
природы, связанным с производством
полимеров? Во-первых, это уничтожение
отработавших и выброшенных полимеров.
Казалось бы, что самым естественным могло
бы быть окисление этих органических веществ
при высоких температурах или попросту
их сжигание. Однако при этом уничтожаются
в принципе ценные вещества и материалы.
Продуктами сжигания в лучшем случае являются
вода и углекислый газ, а это значит, что
не удается вернуть даже исходных мономеров,
полимеризацией которых получали уничтожаемые
полимеры. Кроме того, как уже говорилось
выше, выделение в атмосферу больших количеств
углекислого газа CO2приводит к глобальным нежелательным
эффектам, в частности к парниковому эффекту.
Но еще хуже, что при сжигании образуются
вредные летучие вещества, которые загрязняют
воздух и, соответственно, воду и землю.
В случае поливинилхлорида — это разнообразные
низкомолекулярные хлорированные органические
вещества, отличающиеся высокой токсичностью,
в том числе канцерогенностью, то есть
способностью вызывать онкологические
заболевания. Образуется и газообразный
хлористый водород, который, растворяясь
в воде, дает соляную кислоту. В этом любой
убеждается на собственном опыте, когда
в костер попадает кусок пленки из этого
полимера или пустая пластиковая бутылка,
например из-под растительного масла.
При этом у окружающих першит в горле,
а во рту ощущается кислый привкус. Даже
сжигание полиэтилена, макромолекулы
которого состоят из атомов углерода и
водорода, продуктами сжигания которого
являются вода и углекислый газ, совсем
небезопасно. Не говоря уже о многочисленных
добавках, в том числе красителей и пигментов,
в окружающую среду выделяются разнообразные
соединения, включающие тяжелые металлы,
используемые в качестве катализаторов
при синтезе полиэтилена, крайне вредные
для здоровья людей. Конечно, отходы полимеров,
несмотря на это, отчасти уничтожают сжиганием,
улавливая образующиеся летучие вредные
вещества. Однако это сильно удорожает
их уничтожение. Именно это обстоятельство
приводит к удорожанию и самих полимеров,
в стоимость которых включают и затраты
на их уничтожение.
Значительно более перспективным и разумным
способом снижения загрязнения окружающей
среды полимерами является вторичная
переработка отслуживших свой срок полимеров
и изделий из них. Проблема эта, однако,
не столь проста, как может показаться
на первый взгляд, хотя бы уже потому, что
мы имеем дело, как правило, с грязными
отходами, которые включают, например,
частицы песка. Это исключает возможность
применения высокопроизводительного
и высокотехнологичного оборудования,
используемого при первичной переработке
исходных полимеров. Это оборудование
просто быстро вышло бы из строя из-за
абразивного воздействия твердых частиц
минерального происхождения. Но даже при
переработке, если она возможна в принципе,
получаются "грязные" изделия, товарный
вид и потребительские свойства которых
не могут конкурировать с первичными изделиями.
Здесь, правда, есть возможность использовать
продукты вторичной переработки по другому
назначению, предполагающему существенно
пониженные требования. В частности, загрязненные
изделия из полиэтилена могут быть переработаны
в пластины толщиной в несколько миллиметров
для применения в качестве кровельного
материала, имеющего ряд неоспоримых преимуществ
перед традиционными, таких, как низкая
плотность, а значит, малый вес, гибкость
и коррозионная стойкость, а также низкая
теплопроводность, а значит, хорошие теплоизолирующие
свойства.
Наибольшие успехи в этом достигнуты
при вторичной переработке крупнотоннажных
изделий из каучуков, например шин, в том
числе автомобильных. Их приготавливают
из вулканизированных каучуков, наполненных
сажей, содержание которой в шинах, имеющих
из-за этого черный цвет, достигает 40% по
весу. По истечении срока эксплуатации
такие шины не выбрасывают, а дробят, получая
крошку. Дробление при помощи недорогого
оборудования позволяет получить крупные
частицы, размеры которых достигают одного
миллиметра и более. Эти крупные частицы
добавляют в материалы для покрытия дорог,
что значительно улучшает их механические
характеристики и долговечность. Специальные
машины позволяют получать тонкие дисперсии,
частицы которых имеют размер около 0,01
миллиметра. Эту крошку добавляют в каучуки
при производстве новых шин, значительно
экономя сырье. При этом качество полученных
таким образом шин практически не уступает
исходным. Такой подход позволяет одновременно
заметно снизить вред для окружающей среды
из-за ее замусоривания бесполезными изделиями
и в то же время значительно экономить
расход каучуков, получаемых либо полимеризацией
продуктов переработки нефти, либо из
латексного сока деревьев гевеи.
В последние годы возникли и начали практически
реализовываться новые идеи синтеза "экологически
чистых" полимеров и изделий из них.
Речь идет о полимерах и материалах из
них, способных более или менее быстро
разлагаться в природных условиях. Заметим
при этом, что все биологические полимеры,
то есть полимеры, синтезируемые растениями
и живыми организмами, к числу которых
относятся в первую очередь белки и полисахариды,
в той или иной степени подвержены разрушению,
катализаторами которого являются ферменты.
Здесь соблюдается принцип: что создает
природа, то она способна разрушить. Если
бы этот принцип не срабатывал, то те же
полимеры, в огромных количествах производимые
микроорганизмами, растениями и животными,
после их гибели оставались бы на земле.
Такое трудно даже себе представить, ибо
это была бы фантастическая мировая свалка
трупов всех существовавших на земле организмов.
К счастью, этого не происходит, и высокоэффективные
биологические катализаторы — ферменты
— делают свое дело и успешно справляются
с этой задачей.
Рассмотрим подробнее производство и
применение наиболее проблемных полимеров
на примере поливинилхлорида и полиэтилена. [4]
Смола поливинилхлоридная
(ПВХ)
- универсальный термопластичный полимер,
получаемый из продукта нефтехимии (этилена)
и хлорида натрия (поваренной соли) путем
полимеризации винилхлорида. Производство
поливинилхлорида самое сложное и наукоемкое,
требующее новейших технологии и качественного
оборудования.
Как было сказано, поливинилхлоридная
смола получается в результате полимеризации
- процесса, при котором молекулы мономера
(низкомолекулярного соединения - хлористого
винила или винилхлорида) объединяются,
образуя, таким образом, высокомолекулярное
соединение - полимер. [5]
Химическая формула поливинилхлорида:
[-CH2-CHCl-]n. Международное обозначение - PVC.
Структурная формула представлена на
рис.1.
Рис.1
- структурная формула ПВХ
При производстве поливинилхлорида,
его переработке в изделия, эксплуатации
изделий и сжигании отходов выделяются
токсичные соединения, опасные для здоровья
человека. В связи с тем, что изделия из
поливинилхлорида широко применяются
в народном хозяйстве, и в частности медицинской
и пищевой промышленности, сведения о
степени их токсичности, способах ее снижения
и методах контроля должны быть известны
производителям поливинилхлорида и его
потребителям.
Для уменьшения опасного воздействия
винилхлорида к 1976 г. в различных странах
были разработаны и утверждены предельно
допустимые значения содержания винилхлорида
в атмосфере установки по производству
поливинилхлорида, в самом поливинилхлориде
и в упаковках для пищевых продуктов. Так,
содержание винилхлорида в атмосфере
поливинилхлорида установки не должно
превышать от 2 до 5 мг/м3, в упаковках из
поливинилхлорида - 1 ppm, в напитках, хранящихся
в таре из поливинилхлорида - 0.005 ppm.
Мономер винилхлорид попадает в атмосферу
в результате выброса из труб или реакторов
в промежутке между загрузками, а также
выделяется из сточной воды и поливинилхлорида.
Все зарубежные установки по производству
поливинилхлорида характеризуются средним
показателем мономера от 2 до 5 мг/м3, который
был достигнут за счет усовершенствования
технологии процесса - разработки более
эффективных методов дегазации; использования
струи воды, подаваемой под большим давлением
для очистки реакторов; разработки эффективных
добавок, препятствующих коркообразованию,
для уменьшения числа чисток реакторов;
автоматизации процесса и применения
ЭВМ; создания реакторов большого размера;
применения респираторов и дистанционного
управления реакторами и т.д.
Для измерения малых количеств винилхлорид
в рабочей зоне, атмосфере, в твердых веществах
и жидкостях необходимы очень чувствительные
и избирательные методы анализа. Нельзя
автоматически переносить методы определения
макроколичеств на микроколичества. Поэтому
представляется нецелесообразным использовать
метод определения винилхлорида окислением
до формальдегида, который до сих пор применяется
на отечественных санэпидемстанциях.
Для определения содержания винилхлорида
могут быть рекомендованы методы ИК-спектроскопии,
фотоионизации, масс-спектроскопии, причем
наиболее доступным, удобным и избирательным
методом является газовая хроматография.
Однако при определении малых количеств
винилхлорида и наличии органических
соединений неизвестного состава даже
к результатам газовой хроматографии
следует относится осторожно. Поэтому
перед проведением измерений (особенно
в воздухе населенных мест) необходима
идентификация токсичных соединений.
В противном случае возможны ошибки в
сторону завышения либо занижения опасности.