Folosind plastifianți polimerici

Oyoo /

cauciucul și materialele plastice au devenit o parte integrantă a vieții moderne, fără de care oamenii nu pot trăi. Aceste materiale sunt utilizate în tălpi de pantofi, scaune de grădină, toate tipurile de filme, DVD-uri, CD-uri, tuburi, furtunuri, anvelope, ambalaje și o serie de multe alte produse.

urmărirea tehnologiei avansate a materialelor plastice înseamnă că indivizii ar trebui să fie familiarizați cu nume—cum ar fi polioximetilena, polipropilena, cauciucul nitrilic, poliuretanul etc.- asta îi poate lăsa foarte confuzi. Cu toate acestea, în majoritatea cazurilor, proprietățile excelente ale materialelor plastice valoroase utilizate în toate aceste aplicații eficiente nu sunt legate exclusiv de polimerii înșiși.

la fel ca un student strălucit care obține note bune la școală, materialele plastice au ajuns, de asemenea, în vârful clasei lor cu o ușoară cantitate de ajutor suplimentar. Și acest ajutor înseamnă, de obicei, doar combinarea aditivilor unici pentru a face polimeri moi, flexibili și rezistenți la impact și intemperii. În mare parte, aditivii sunt cei care fac plasticul ceea ce este.

plastifianții

plastifianții sunt tipuri unice de aditivi. De exemplu, fără plastifianți, PVC-ul ar fi fost extrem de fragil și fragil și nu ar fi cucerit piața uriașă așa cum se vede astăzi. Fără plastifianți, majoritatea compușilor de turnare prin injecție ar fi fost complet improprii în acest scop și anumite amestecuri de cauciuc nu ar fi fost produse deloc.

plastifianții fac plasticul elastic, extensibil, flexibil și plastic la temperaturi scăzute. În majoritatea cazurilor, produsele polimerice pot fi produse numai pe bază comercială prin integrarea unui plastifiant.

de fapt, invenția plastifianților a fost responsabilă în principal de dezvoltarea industriei materialelor plastice. Dacă nu ar fi fost pentru acest lucru, industria poate să nu se fi dezvoltat mult dincolo de stadiul în care a fost în zilele anterioare. Acest lucru se datorează faptului că primele materiale plastice, precum și polimerii naturali modificați, cum ar fi Galalitul sau nitroceluloza, erau fragili și duri și, prin urmare, nu puteau fi utilizați pentru aplicații zilnice.

cu siguranță, nu crește exact comercializarea unui material nou, dacă, de exemplu, oamenii trebuie să aibă grijă de pieptenii lor ca și cum ar fi făcuți din porțelan Meissen.

camfor

cu toate acestea, plastifianții au schimbat toate acestea. Camforul a fost primul utilizat în materiale plastice reale. Este o substanță incoloră, al cărei parfum amintește de multe remedii reci și conține cristale minuscule obținute din lemnul unui tufiș de laur chinezesc numit Cinnamomum camphora.

apoi, în 1869, un inventator numit John Wesley Hyatt și fratele său au făcut nitroceluloza mai maleabilă, amestecând camforul cu nitroceluloza.

alte uleiuri

Hyatt nu a fost prima persoană care a încercat să facă produsele fragile timpurii ale unui sector al materialelor plastice în evoluție mai ușor de manevrat prin utilizarea aditivilor. Un inventator la fel de ambițios pe nume Alexander Parkes încercase deja să obțină același efect folosind uleiuri vegetale sau gudron de lemn, de exemplu.

cu toate acestea, el s—a confruntat cu dificultăți în obținerea rețetei potrivite – „Parkesin” – ul său a fost moderat ușor de procesat, dar după doar câteva săptămâni, articole precum brățări pentru femei, Piepteni și cercei care fuseseră produse din acest produs specific s-ar deforma într-o asemenea măsură încât nu mai puteau fi folosite. Acest lucru a fost probabil pentru că uleiurile folosite de Parkes s-au evaporat prea repede.

uleiul de banane sau chiar uleiul de fusel—care se formează în timpul distilării whisky—ului-a fost folosit și de alți inventatori, dar fără prea mult succes, dacă lipsa înregistrărilor este ceva de trecut.

moale ca guma de mestecat, dar tare ca Cornul

noul plastic dezvoltat de Hyatt a fost mai bine echipat pentru a îndeplini provocările prezentate de afacerea recent emergentă cu materiale plastice. Pe baza cantității de camfor pe care a combinat—o cu collodion—o soluție de bumbac de armă, cunoscută chimic sub numele de nitroceluloză-a creat cu succes un plastic. Acest plastic era transparent, dar putea fi colorat. Era la fel de flexibil ca cauciucul brut, dar era la fel de dur ca cornul. Acest plastic era celuloid.

la o temperatura moderata cuprinsa intre 80 si 90, acest material maleabil poate fi produs in orice forma ceruta datorita formularii parfumate Hyatt. Una dintre primele utilizări ale acestui material a fost dinții falși. Cu toate acestea, a mirosit mai mult decât o cantitate mică de camfor și, ca urmare, nu a îndeplinit întotdeauna satisfacția completă a proprietarilor lor. Cu toate acestea, deoarece materialul ar putea fi creat într-o culoare adecvată, a existat o îmbunătățire semnificativă a plăcilor de cauciuc dure care au fost folosite până atunci. Ulterior, același material a devenit popular ca material de susținere perfect pentru filmele fotografice.

originea materialelor plastice moderne

este un fapt că, de ceva timp, celuloidul dezvoltat de Hyatt a trebuit să depășească numeroase provocări cauzate de asocierea sa strânsă cu bumbacul de armă. Explozii minuscule au avut loc atunci când bilele de biliard compuse din nitroceluloză s-au prăbușit între ele. Potrivit martorilor oculari, exploziile au fost atât de mari încât i-ar face pe cowboy să stea în jurul mesei de biliard pentru a ajunge la armele lor.

un articol din revistă citează și povestea unei doamne a cărei seară a devenit și mai interesantă atunci când butoanele de celuloid fixate pe rochia ei de seară s-au apropiat foarte mult de un șemineu și s-au aprins. Odată, o întreagă fabrică de celuloizi a explodat. Cu toate acestea, aceste incidente nu au ascuns faptul că Hyatt a dezvoltat primul termoplastic și că a fost un plastifiant esențial în conducerea materialelor plastice de astăzi.

dar chiar și după Hyatt, istoria materialelor plastice a continuat să fie strâns asociată cu cea a plastifianților săi. Apoi, în 1946, a fost urmărită o cerere pentru câteva sute de tone de plastic triacetat de celuloză fragilă. Acest plastic a fost utilizat, printre altele, la fabricarea ferestrelor aeronavelor.

plasticul zăcea nefolosit în terenul unei fabrici, atunci când un chimist Creativ a avut ideea de a integra materialul cu un plastifiant. Acest lucru a dus la un nou material de turnare prin injecție. În 1952, celula plastifiată recenta fost numită „Cellidor” și a fost întruchiparea perfectă a versatilității. În anii 1950, Cellidor a fost utilizat pentru a realiza carcase pentru piepteni, tablouri de bord, radiouri, rame de ochelari, mânere pentru șurubelnițe, diapozitive pentru păr etc.

plastifianți în cauciuc

industria cauciucului a folosit, de asemenea, plastifianți pentru a-și rafina produsele. Frământarea extinsă face ca cauciucul nevulcanizat să fie la fel de moale ca guma de mestecat, deoarece procesul de frământare descompune moleculele cu lanț lung ale polimerului. Dar aceasta înseamnă că alte caracteristici majore ale acestui material util sunt, de asemenea, pierdute.

din acest motiv, anchetatorii de cauciuc au început devreme prin combinarea tuturor tipurilor de componente lichide în formulările lor negre—uleiuri, smoală, gudron de cărbune, parafină, terpene (cum ar fi camforul) și chiar vaselină. Acest lucru a însemnat că amestecul de cauciuc brut a fost suficient de lipicios pentru diferite ingrediente solide chiar și atunci când dimensiunea moleculelor de cauciuc nu este redusă considerabil. Negrul de fum este un exemplu de ingredient solid care poate fi frământat fără efort împreună în mixer.

acești factori demonstrează importanța acestor plastifianți discreți în ceea ce privește prelucrarea polimerilor—și modul în care pot transforma complet caracteristicile a ceea ce a fost inițial un material polimeric relativ neatractiv. Paradoxal, această putere extraordinară demonstrează, de asemenea, faptul că chiar și istoricii chimici eminenți consideră în prezent dificilă obținerea de informații cu privire la tehnologia plastifiantului.

plastifianții „potriviți” sunt semnificativi într-o asemenea măsură, încât informațiile colectate despre performanța plasticului de-a lungul anilor au dispărut în seifurile firmelor care utilizează polimeri. Odată cu trecerea timpului, acest lucru a însemnat că plastifianții au devenit substanțe utilitare relativ anonime.

descendenții moderni ai camforului

cu toate acestea, este cunoscut faptul că, în afară de Hyatt, alții au început să folosească camfor. Într-adevăr, două treimi din tot camforul sintetizat în întreaga lume este folosit pentru producerea celuloidului chiar și astăzi.

o enciclopedie de chimie din 1931 cu capitolul intitulat „plastifianți” enumera, de asemenea, terpena, pe lângă esterii glicerolului, ftalații și fosfații organici precum fosfatul tricresil.

acești compuși fac materialele plastice flexibile și, de asemenea, își îmbunătățesc potențialul ignifug într-o asemenea măsură încât acetatul de celuloză, un succesor al celuloidului, a reușit să depășească unul dintre principalele dezavantaje ale plasticului original. De exemplu, inflamabilitatea plasticului a fost prevenită după ce a fost elastificată cu o combinație de fosfați și camfor.

tehnologia avansată cunoaște aproximativ 400 de substanțe—adică substanțe exotice și „bătăi de lume”—care sunt utilizate ca plastifianți într-o formă sau alta. Aproximativ 100 dintre aceste substanțe au o valoare comercială majoră.

cantități de plastifianți

la mijlocul anilor 1990, au fost utilizate peste 4,2 milioane de tone metrice de plastifianți. Astăzi, aproximativ 90% din toți plastifianții sunt utilizați în PVC—un plastic care, în forma sa de bază, este practic la fel de fragil ca sticla și ar fi complet inutil pentru majoritatea aplicațiilor dacă plastifianții nu ar reprezenta aproximativ 55% din conținutul său. Chiar și PVC-ul rigid poate avea în jur de 12% plastifianți despre care se știe că îi sporesc procesabilitatea.

pe baza tipului de aplicare, alți polimeri utilizează plastifianți în cantități diferite. Hârtia conține aproximativ 5% plastifianți, materiale termoplastice până la 10% și elastomeri uneori până la 60%; anumite materiale plastice au, de asemenea, 95% din plastifianți.

cum funcționează plastifianții

în esență, toți plastifianții se bazează pe același principiu și unul care este practic auto-explicativ, cu condiția ca indivizii să poată înțelege din ce sunt compuse materialele plastice în interior. „Plasticul” conține invariabil molecule cu lanț foarte lung care apar ca fire lungi sub mărire extrem de mare. Un plastic devine flexibil atunci când aceste fire sunt împletite între ele.

cu toate acestea, în cazul majorității materialelor plastice, aceste fire tind să se întindă una peste alta, la fel ca spaghetele ambalate. De fapt, atunci când cineva aruncă ocazional spaghete într-o tigaie fără să-l agite în timp ce gătește, iar mai târziu îl sită, în afară de șuvițele de paste ușor încurcate, vor exista și zone în care șuvițele de paste sunt încă atașate împreună așa cum erau în pungă. Astfel de bulgări apar puțin mai greu decât restul, deși pastele în sine sunt complet gătite și moi.

un lucru similar apare în ceea ce privește moleculele de lanț ale materialelor plastice. O structură rigidă analogă cristalelor de compoziție strict regulate permite plasticului să pară rigid din partea exterioară. Atât în eprubetă, cât și în tigaie, regula este următoarea: structura rigidă este dură și încurcată este flexibilă.

Chimie

acesta este locul în care plastifianții au un rol de jucat. În majoritatea cazurilor, indiferent dacă se discută ulei mineral sau camfor, moleculele sunt relativ mai mici decât moleculele de lanț ale materialului polimeric. Ele sunt intercalate în structura lor asemănătoare spaghetelor atunci când procesează plasticul.

aceste molecule își împing ulterior drumul între firele vecine ale moleculelor de plastic și le separă una de cealaltă. Ele acționează în același mod ca uleiul pe o farfurie de spaghete, unde permite firelor de Paste să alunece unul pe celălalt. Acest lucru sugerează că este posibil să se producă o structură liberă și liberă—plasticul se dovedește a fi flexibil și atunci când se adaugă mai mult plastifiant, devine și mai flexibil. Această corelație simplă elucidează o întreagă gamă de produse care este esențială pentru munca unui chimist din materiale plastice.

într-o mare măsură, expertiza unui dezvoltator de materiale constă în a putea identifica substanțe care sunt potrivite pentru plasticul utilizat. Nu este posibilă interconectarea substanțelor hidrofile în molecule hidrofile, de exemplu, cele ale cauciucului nevulcanizat, deoarece ambele substanțe s-ar separa la fel ca uleiul și apa.

de asemenea, este crucial să alegeți un plastifiant care să ofere o potrivire ideală în ceea ce privește propria configurație moleculară și moleculele lanțului de plastic țintă. Moleculele de lanț nu sunt la fel de comparabile între ele ca firele de spaghete—anumiți polimeri pot semăna cu pastele plate, în timp ce alții par a fi un lanț de tuburi groase de neon legate între ele cu fire subțiri sau au un aspect în zig-zag. Cu toate acestea, altele par a fi coliere din perle grase extreme. Cu toate acestea, celuloidul lui Hyatt a fost cel care a obținut succesul pe care l-a avut. Acest lucru se datorează faptului că moleculele de camfor se potriveau destul de bine între moleculele de bumbac care erau modelate ca un colier de perle.

cu toate acestea, nu toți plastifianții sunt adecvați pentru fiecare polimer. Un alt fapt este că fiecare plastifiant are un impact diferit asupra „moleculei gazdă”.”În timp ce un plastifiant oferă un nivel mai mare de flexibilitate la temperaturi mai scăzute, altul este dezvoltat special pentru a preveni lichidarea materialelor plastice la temperaturi ridicate. Între timp, există și alți plastifianți care fac materialele plastice mai flexibile și, de asemenea, se comportă ca un fel de stingător integrat care poate stinge flăcările în stadiile lor inițiale. Plastifianții realizează acest lucru prin descompunerea în prezența căldurii pentru a crea substanțe rezistente la flăcări.

o problemă—multe soluții

de-a lungul anilor, cartea de comenzi pentru plastifianți din sectorul materialelor plastice s-a dezvoltat într-o aglomerare neorganizată de substanțe chimice. Cu toate acestea, este guvernat de mai multe „familii majore” de produse.

ftalații sunt folosiți în folii și cabluri din PVC, adezivi celulozici și acoperiri. Cu dicarbonați, PVC flexibil devine elastic la temperaturi scăzute. Fosfații sunt utilizați atât ca fluid hidraulic, cât și ca ignifug. Esterii acizilor grași—rudele îndepărtate ale margarinei—sunt utilizați pentru plastifierea pardoselilor din cauciuc și rășină de vinil. Pentru unele aplicații, tehnologii din materiale plastice apelează, de asemenea, la esteri ai acidului tartric și ai acidului citric.

pericole

cu siguranță, trebuie amintit că, în ciuda efectului benefic al plastifianților asupra tehnologiei materialelor plastice, aceștia au și dezavantajele lor. În trecutul recent, sa suspectat că ftalații sunt dăunători sănătății. În timp ce dovezi concludente nu sunt încă obținute, studiile sunt în curs de desfășurare.

din fericire, indiferent de rezultatul acestei discuții, în niciun caz nu implică condamnarea tuturor plastifianților: la urma urmei, un singur plastifiant nu este același cu următorul, așa cum demonstrează camforul, care se întâmplă să fie un produs natural.

Alternative

între timp, unele produse extrem de utile au fost create, care servește ca un substitut pentru ftalați. Produse ca acestea iau forma unei serii de substanțe ai căror membri sunt numiți „sulfonați de alchil.”Se știa de mult timp că sulfonații de alchil nu au efecte adverse și au fost aprobați ca fiind siguri pentru utilizarea alimentară în majoritatea țărilor.

sulfonații de alchil, care sunt deja utilizați în locul ftalaților controversați în mănuși, figurine de jucărie, păpuși și membrane pentru paturile de apă, pot fi găsiți în etanșanții din sectorul construcțiilor și sunt utilizați în cizme wellington și ajutoare pentru înot. În plus, materialul oferă o gamă completă de beneficii suplimentare—de exemplu, este diferit de mulți alți plastifianți și nu este atacat de apă și elemente și, de asemenea, are ca rezultat produse care favorizează imprimarea. Acesta este un factor semnificativ atunci când vine vorba de crearea de piscine pentru copii colorate viu, produse din folie din PVC, printre altele.

forma brută a PVC-ului este un plastic fragil, practic asemănător sticlei, care ar fi aproape inutil dacă nu ar fi plastifianți. Sulfonații de alchil fac PVC-ul elastic și rezistent la saponificare și intemperii.

molecule de plastifiant în derivă

recent, cercetătorii din industrie au venit cu o soluție la problema moleculelor de plastifiant în derivă. Particulele minuscule de plastifianți deținute în materialele plastice sunt incredibil de mobile. În circumstanțe specifice, particulele se mișcă la fel ca mierea într-un burete. În interiorul plasticului, mișcarea anumitor molecule de plastifiant se termină mai devreme sau mai târziu când ajung la suprafață și creează un film gras neatractiv.

gospodinele nu sunt singurele care cunosc acest fapt. Plastifianții unici care au fost instruiți să rămână într—un singur loc în interiorul polimerului-de exemplu, oferindu—le molecule cu lanț lung-pot împiedica cauciucul și plasticul să dezvolte o suprafață grasă sau tocită.

mai mult, cercetătorii au creat plastifianți fără halogen pentru plăci de circuite electronice, astfel încât plasticul fragil folosit pentru a le produce să nu se rupă atunci când plăcile sunt găurite, perforate și lipite.

creșterea și dezvoltarea industriei

sectorul plastifiant este implicat în mare parte cu produse convenționale. Deși este destul de neobișnuit să dedici atât de mult efort dezvoltării produselor, cu siguranță se plătește.

în ultimii doi ani, piața materialelor plastice a înregistrat o creștere de doar 4%, dar, în ciuda acestui fapt, vânzările anumitor plastifianți specialiști au crescut cu aproximativ 15%, în aceeași perioadă. Numai această cifră este suficientă pentru a arăta că ultimul capitol din lunga istorie a plastifianților nu a fost încă scris: materialele plastice inovatoare și cele mai recente cerințe impuse produselor care sunt fabricate în mod constant din ele au nevoie de soluții noi. Aici, numai puterea intelectuală colectivă a experților în materiale plastice le poate face dreptate.

plastifianți naturali

cu toate acestea, revenind la plastifianți, substanțele chimice plastifiante care apar din creuzete și baloane din sectorul chimic nu sunt singurele care apar în lume în general. Deoarece natura conține, de asemenea, parțial polimeri, are nevoie și de substanțe pentru a se asigura că acești polimeri continuă să fie flexibili.

amidonul, ADN-ul, proteinele, lemnul și chiar pietrele conțin în esență molecule de lanț lungi și uneori interconectate spațial. Natura folosește apa ca plastifiant principal. Fibrele naturale precum bumbacul, lâna sau mătasea vor fi fragile fără conținutul lor de apă.

mai mult, excesul de apă menține proteinele musculare flexibile. La vârsta înaintată, conținutul de apă se reduce, în timp ce grăsimile joacă mai mult sau mai puțin rolul unui plastifiant cu succes. Industria materialelor plastice nu este singura care se bazează pe plastifianți, dar nici mama natură nu se poate descurca fără ei. Fibrele musculare sunt compuse din molecule de lanț similare cu cele găsite în materiale plastice. La fel ca polimerii contemporani, fibrele musculare conțin plastifianți proprii sub formă de molecule de grăsime și apă.

de asemenea, apa poate fi folosită pentru a înmuia cuarțul, despre care se știe că este un material foarte dur—în timp ce cuarțul dur, natural, conține doar 0,01% apă, din motive tehnice, cuarțul artificial conține aproximativ 10 ori această cantitate. Cuarțul Artificial poate fi modelat similar cu tencuiala la 400 centimetric C—o temperatură care poate fi ușor tolerată de minerale-în timp ce cuarțul natural „uscat” rămâne în mod clar „solid” până la o temperatură de 1000 centimetric C.

acesta este un exemplu excelent al faptului că utilizarea plastifianților în tehnologie nu se limitează neapărat la materiale plastice. Persoanele care se gândesc din greu la mânerul curbat al umbrelelor lor ar ști că un fel de procedură este folosită pentru a face lemnul flexibil.

vaporii de apă caldă pot fi într-adevăr folosiți pentru a înmuia lemnul, dar amoniacul lichid, atunci când este amestecat cu solvenți organici precum tetrahidrofuran, dimetil sulfoxid sau polietilen glicol, face treaba și mai bine. O formulare specifică ca aceasta permite chiar persoanelor să lege noduri în bastoane. După evaporarea amoniacului, lemnul revine la starea inițială—adică starea sa proaspăt tăiată.

provenind din Evul Mediu al plasticului

cu peste o sută de ani în urmă, plasticul a ajuns să fie cunoscut prin invenția lui Hyatt. Prin urmare, nu este surprinzător faptul că profesiile care până acum au fost asociate cu conservarea pigmenților antici se împacă acum cu problemele plastifiantului. De exemplu, restauratorii se luptă în prezent pentru a susține costumele spațiale care au fost purtate de astronauții Apollo pe lună și au venit pe Pământ nedeteriorate.

aceste costume spațiale conțineau tuburi din PVC care fuseseră plastifiate cu ajutorul unui ftalat. După ce a petrecut peste trei decenii într-un muzeu, această substanță lichidă s-a difuzat din polimer, într-un mod tipic tuturor plastifianților în derivă. Ca urmare, tuburile de alimentare au devenit fragile. Ceea ce se credea cândva a fi punctul culminant al tehnologiei costumelor spațiale a devenit acum mai puțin durabil în comparație cu hamurile cavalerilor care au sute de ani. Privind lucrurile din acest punct de vedere, se poate concluziona astfel că oamenii se află încă în așa-numitul Evul Mediu al tehnologiei materialelor plastice.