3.9 Műanyagok és polimerek

Műanyag: eredet, kötés és hőhatás

Természetes alapú és szintetikusan előállított polimereket különítünk el. A hőre lágyuló polimer ismételt melegítéskor alakíthatóbbá válhat, a térhálós hőre keményedő anyag nem olvad meg ugyanígy. Az itt tanult addíciós polimerizációban telítetlen monomerek kapcsolódnak kis molekulájú melléktermék nélkül; polikondenzációban a kapcsolódással együtt kis molekula is távozik.

A műanyag késztermék több összetevőből állhat

A polimer sok egységből felépülő makromolekulákból álló anyag. A műanyagban a polimer mellett lehet lágyító, töltőanyag, színezék, stabilizátor és más adalék. Ezért azonos polimernév mellett eltérő hajlékonyságú, színű és szilárdságú termékeket is találhatsz.

Az eredet, az előállítás módja, a lánc összetétele és a feldolgozás négy külön osztályozási szempont. Egy poliészter például lehet szintetikus és hőre lágyuló egyszerre; a polikondenzáció nem jelent automatikusan térhálót. A térhálóhoz megfelelően többirányú kapcsolódás kell.

A hőre lágyuló anyagban a láncok közötti kölcsönhatások és rendeződés változása engedi az alakítást; a gerinc kovalens kötéseit nem kell ehhez rendszeresen felbontani. Túl erős vagy túl hosszú hevítés azonban a hőre lágyuló anyagot is bomlaszthatja.

Természetes makromolekulákból előállított anyagok

PE, PVC, PTFE és polikondenzációs anyagok

Eténből polietilén (PE), vinil-kloridból PVC, tetrafluor-eténből PTFE készül. Poliészter és poliamid esetén az észter-, illetve amidjellegű kapcsolat fontos; a nejlon poliamid, a terilén poliészter. Fenoplasztok és aminoplasztok jellemzően térhálós szerkezetet adhatnak. A monomerek tulajdonságát ne tulajdonítsd automatikusan a polimernek.

Miért illik az anyag a felhasználásához?

A PE apoláris szénhidrogénláncú anyag, vízzel rosszul kölcsönható, könnyű csomagolóanyag lehet. Rövidebb oldalláncok és elágazások csökkenthetik a láncok rendezett illeszkedését; a kevésbé elágazó HDPE rendszerint sűrűbb és merevebb a jobban elágazó LDPE-nél. A sűrűség nem pusztán egyetlen lánc moláris tömegéből következik.

A PVC gerincében C–C-kötések vannak, a klór oldalcsoport. Adalék nélkül merevebb termék, megfelelő lágyítóval hajlékony burkolat is készülhet belőle. A vinil-klorid monomer gázállapota és veszélyei nem azonosak a polimer késztermék tulajdonságaival.

A PTFE –CF₂–CF₂– egységeket tartalmaz, ezért nem rajzoljuk a PVC képletébe egyszerűen klór helyett fluorral. Erős C–F-kötései és sajátos felületi kölcsönhatásai hozzájárulnak vegyszerállóságához és kis tapadásához. Alkalmazási hőmérséklete korlátozott, a „hőálló” nem korlátlan hevítést jelent.

Természetes kaucsuk és vulkanizált gumi

A kaucsuk izoprénből épülő természetes polimer. Kénes vulkanizálással a láncok közé hidak kerülnek, emiatt a gumi alakját jobban visszanyeri és kevésbé ragad. A túl sok keresztkötés kemény, ebonitszerű anyagot eredményezhet. A mechanikai tulajdonság tehát a láncok közötti kapcsolatoktól is függ.

A rugalmas láncszakasz és a keresztkötés együtt szükséges

Nyújtáskor a hosszú, eredetileg szabálytalanabbul feltekeredett láncszakaszok rendezettebbé válhatnak. A kéntartalmú keresztkötések korlátozzák a tartós elcsúszást, ezért a terhelés megszűnése után az alak visszatérhet. A gumi megfelelő körülmények között rugalmas háló, nem merev rács.

A természetes kaucsuk cisz kapcsolódása a lánc téralakját befolyásolja. A vulkanizálás nem egyszerűen a maradék összes C=C hidrogénezése: láncok közötti kapcsolatok is keletkeznek. Nagyon sűrű hálónál kisebb a láncszakaszok mozgási lehetősége, így kemény ebonitszerű anyag képződhet.

Polimerek és környezet

A tartósság használat közben előny, hulladékként felhalmozódást okozhat. Újrahasználat, anyagában újrahasznosítás és szabályozott energetikai hasznosítás különböző lehetőségek; a gyűjtés és az anyagösszetétel számít. Égéskor a polimer összetételétől és a körülményektől függően káros anyagok is keletkezhetnek. A szintetikus anyagok biológiai vagy allergén hatása nem minden polimernél azonos.

Mit jelent az anyag felhasználás utáni kezelése?

Az égéstermékhez az elemi összetételt is nézd

Szén- és hidrogéntartalmú anyag elegendő oxigén mellett CO₂-t és vizet adhat; nem tökéletes égésben CO és korom is keletkezhet. PVC hőbomlásakor és égésekor klórtartalmú bomlástermékek, például HCl is felléphetnek. Ezért az anyagösszetétel és a füstgázkezelés fontos.

A savas ülepedés fontos előanyagai a SO₂ és nitrogén-oxidok; a légkörben kénsav- és salétromsavjellegű összetevők képződnek. Nem minden műanyag tartalmaz ként vagy nitrogént, ezért nem helyes minden műanyag égését ugyanazzal az egyszerű egyenlettel a savas eső kizárólagos okának nevezni.

A műanyaghulladék aprózódhat úgy is, hogy a polimer kémiailag nem bomlik le teljesen. A kisebb darab nem ugyanaz, mint a vízzé, CO₂-vé és más, biológiai folyamatban keletkező végtermékké alakulás.

Allergén hatásnál az összetevő számít

A természetes kaucsuk latexében levő fehérjék allergiás reakciót válthatnak ki. Egyes feldolgozási adalékok szintén okozhatnak érzékenységi reakciót; ez nem a szénhidrogén-polimer minden példányára és minden emberre automatikusan érvényes tulajdonság.

Az allergiás hatás, a monomer mérgező hatása, a késztermék használati tulajdonsága és az égéstermék veszélye négy külön kérdés. Az általános „műanyag” szó alapján ezek egyikét sem lehet minden anyagra azonos módon eldönteni.

Szerkezet és téralak

A polimer képletében a zárójelnek azokat a kötéseket kell átmetszenie, amelyeken a lánc folytatódik. PE esetén [–CH₂–CH₂–]_n, cellulóznál β(1→4)-kapcsolt glükózegységek ismétlődnek; a két rendszer kötéstípusa és lebontása különbözik.

Fontos összefüggés

A PET és a poliamid kondenzációs példáiban a távozó víz mennyiségét a megkötött funkciós csoportok és a láncvégek alapján kell ellenőrizni. Véges láncnál az egyszerű n-szeres képlet csak közelítő leírás lehet.

Az érettségin használható kapcsolatok

• A polimer sok ismétlődő egységből álló makromolekula, a monomer a kiindulási kis molekula. Az ismétlődő egység nem mindig azonos a monomer változatlan képletével.
• Addíciós polimerizációban telítetlen monomerek kapcsolódnak kis molekula kilépése nélkül. A C=C π-kötése felnyílik, a szénvázon új σ-kötések alakulnak ki.
• Kondenzációs polimerizációban legalább két funkciós csoportú monomerek kapcsolódnak, közben kis molekula — gyakran víz — lép ki. Poliészterben észter-, poliamidban amidkötés van.
• Hőre lágyuló műanyag láncai között nincs kiterjedt kovalens térháló, ezért újraformázható. Hőre keményedő anyag és gumi térhálósítása tartósabb alakot ad.
• A polimer tulajdonságát a lánchossz, elágazás, kristályosság, térhálósítás és adalékok szabják meg. Ugyanaz a polimernév többféle anyagminőséget takarhat.
• Újrahasznosításkor az anyagtisztaság, adalékok és lebomlás korlátozó tényező. A biológiai eredet nem azonos a biológiai lebonthatósággal, és a lebontható műanyag sem tűnik el minden környezetben.

Három ismert polimer: szerkezet és felhasználás

Tankönyvi kapcsolódás

Oktatási Hivatal: Kémia 9–10., II. kötet, 34–37, 178–181. nyomtatott oldal; 44, 89. lecke. A PDF-ben a nyomtatott oldalszámhoz 1-et adj hozzá.

A magyarázatok, hasonlatok és feladatok önálló feldolgozások. A közép- és emelt szintű követelmények ellenőrzésének alapja az Oktatási Hivatal részletes követelményrendszere.