Главная страница «Первого сентября»Главная страница журнала «Химия»Содержание №13/2006

КОНКУРС "Я ИДУ НА УРОК"

 

Пластмассы

их строение, свойства, применение.
Термопластичные и термореактивные полимеры

Урок-исследование • 11 класс

Продолжение. Начало см. в № 11, 12/2006

Самостоятельное изучение теоретического материала
(работа в группах)

 

Инструктивная карточка № 4
(Экологический отдел)

1. Внимательно прочитайте теоретический материал.

2. Назовите основные аспекты негативного воздействия синтетических полимерных материалов на окружающую среду и здоровье человека.

3. Каковы пути решения данных экологических проблем? Что лично вы можете предложить по решению данного вопроса?

4. Продемонстрируйте с помощью имеющегося на вашем столе оборудования и материалов (тигельные щипцы, спиртовка, спички, универсальная индикаторная бумага, поливинилхлорид, стакан с водой), что при горении пластмасс выделяются различные токсичные вещества, в том числе и хлороводород (опыт проводить в вытяжном шкафу).

Теоретический материал
(Экологический отдел)

Сегодня в нашем распоряжении имеется широкая палитра полимеров, которые продолжают завоевывать мир. Однако при использовании полимерных материалов следует учитывать несколько весьма важных обстоятельств. По своему качественному составу большинство полимеров относится к органическим соединениям, содержащим атомы углерода и водорода, поэтому они горючи. Термическое разложение при горении полимеров часто сопровождается выделением таких токсичных газообразных соединений, как СО, НСN, СН2O, НСl и др. Именно этим обусловлены тяжелые последствия при пожарах на судах, в общественных зданиях и производственных помещениях, где используются полимеры в качестве конструкционных и облицовочных материалов. Выделение этих же газов происходит и при сжигании полимерных материалов на свалках, поэтому находиться вблизи таких мест небезопасно для здоровья. По неопытности некоторые люди могут подбросить в костер ненужные изделия из полимеров. Такой костер также становится источником ядовитых газов. Так, при горении поливинилхлорида или других хлорсодержащих высокомолекулярных веществ кроме НСl выделяются диоксины – соединения, известные своей канцерогенностью. Ученые установили, что часовое пребывание у подобных костров по ущербу для организма равнозначно пятичасовому пребыванию на городской автомагистрали.

Предпринимаются усилия по снижению горючести полимерных материалов, используемых в ряде отраслей – строительстве, электротехнике и др. Один из путей – прибавление к полимерам специальных веществ – антипиренов. Так, снижение горючести полиэтилена достигается прибавлением дипентабромфенилового эфира и триоксида сурьмы Sb2O3. Для этой же цели используют гидроксид алюминия, соединения бора, некоторые эфиры фосфорных кислот и др.

Важной экологической проблемой, связанной с внедрением полимерных материалов, является скопление твердых отходов, среди которых значительную часть составляют изделия из пластмасс, обладающих чрезвычайно высокой устойчивостью. В нашей стране, например, количество полимерных отходов сопоставимо с ежегодным объемом выпуска пластмасс. Только ничтожная часть этих синтетических и природных полимеров, аккумулирующих большое количество затраченной на их изготовление энергии, поступает на переработку. Остальное сжигают, закапывают, бросают. А ведь ликвидация этих отходов сжиганием небезопасна для окружающей среды, да и не всегда возможна.

В то же время среди полимеров есть и такие вещества, для которых в природе нет микроорганизмов, способных их разрушать. Результатом этого является накопление неразлагаемых веществ, некоторые из них со временем могут давать токсичные продукты или неразлагающиеся мутагенные вещества. Часть таких отходов сбрасывают в Мировой океан. Так, по данным Американского бюро технологической оценки, в океан ежегодно сбрасывается 233 млн штук пластиковых емкостей и около 26 тыс. т упаковочных материалов. Последствия этого – запутавшиеся в пластиковых сетях тюлени, задохнувшиеся в обрывках упаковки черепахи. Описаны случаи гибели тюленей вследствие удушения полиэтиленовыми пакетами, плававшими в воде, которые животные принимали, по-видимому, за медуз – свой излюбленный корм. Около миллиона морских птиц, сотни тысяч тюленей и китообразных погибают ежегодно таким образом.

В масштабах планеты «пластиковая чума» представляет более серьезную опасность для морских животных и птиц, чем загрязнение моря нефтью или химическими веществами. Осознание этого стало причиной заключения международного соглашения, запрещающего сброс пластмассового мусора с кораблей. Это соглашение вступило в силу в начале 1989 г.

С отходами полимерных материалов природа часто не может справиться, и химия может прийти ей на помощь. Так, например, создаются полимерные материалы со специальными добавками. Отслужив свой век, эти материалы легко разлагаются под действием света, тепла или специальных бактерий. По сообщениям печати известно, что канадская фирма «Экопластик» приступила к изготовлению упаковочного материала, который разлагается за два месяца под действием солнечных лучей. Однако стоимость производства такого материала пока еще на 5–10% выше обычного, и не все готовы идти на затраты, с которыми связан переход к новым технологиям и материалам. Несомненно, экологическое производство со временем станет экономически выгодным.

Инструктивная карточка № 5
(Отдел технического контроля)

1. Внимательно прочитайте теоретический материал.

2. Изучите требования и принципы санитарно-гигиенической оценки качества изделий из пластмасс.

3. Определите по маркировкам пластмассовых изделий, имеющихся на вашем столе, из каких синтетических материалов они изготовлены.

4. Сделайте выводы о соответствии предложенных для исследования товаров народного потребления требованиям и принципам санитарно-гигиенической оценки качества изделий из пластмасс.

Теоретический материал
(Отдел технического контроля)

При оценке качества изделий очень важно правильно установить вид (природу) пластмасс, использованных для их изготовления. Установив вид пластмассы и зная ее свойства, можно составить достаточно подробное представление о свойствах изделия, условиях и возможностях его использования.

Номенклатура и качество исходных материалов (смол, пластификаторов и др.), а также правильность состава пластической массы регламентируются и гарантируются заводами-поставщиками. Последние обязаны подтверждать качество и основные характеристики пластмассы в соответствующих сертификатах, в частности, при поставке новых видов изделий и особенно пищевой посуды и тары.

В изделиях, состоящих из нескольких частей, эти части должны быть правильно подобраны по цвету и оттенку, хорошо пригнаны по размерам. Толщина сечений во всех частях изделия должна быть близкой, а переходы – плавными. Этим обеспечивается равномерность остывания и меньшая подверженность изделий короблению и растрескиванию. Наиболее рациональной толщиной прессованных изделий считается толщина от 1 до 5 мм, литых – от 0,5 до 4 мм.

Форма изделий должна быть по возможности обтекаемой, углы и грани закруглены, а гранения и рельефные рисунки – четкими и ясными. Овальная форма, закругленные углы и грани обеспечивают более высокую прочность изделия или его деталей. Наоборот, острые наружные углы легко подвергаются сколам, способствуют образованию трещин.

Прочность и надежность тонкостенных изделий повышают не увеличением толщины, а введением бортиков, кромок, ребер жесткости. Этим устраняют и возможности коробления под действием внутренних напряжений, особенно при периодических нагревах и охлаждениях (например, полиэтиленовых крышек). Коробление устраняется при замене больших плоских поверхностей сферическими. Конструкция пластмассовых изделий должна обеспечивать их устойчивость на плоской поверхности.

Пластмассовые изделия – настольная лампа и цветочные горшки
Пластмассовые изделия –
настольная лампа и цветочные горшки

В изделиях не допускаются следующие дефекты: трещины, недопрессовка, крупные инородные включения, вздутия, раковины, стыковые швы и сильные коробления. Кромки изделий должны быть ровными, гладкими, без острых граней, трещин и заусенцев. Места сочленения пресс-форм должны быть хорошо зачищены. Изделия, производимые механической обработкой, не должны иметь, кроме того, царапин от абразивных материалов и сколов, образующихся при обработке на станках (например, при просверливании отверстий в пуговицах).

Особые дополнительные требования предъявляются к качеству пластмассовых изделий пищевого и строительного назначения. Изделия пищевого назначения должны быть физиологически безвредными, а строительные материалы из пластмасс – пожаробезопасными.

Высокой прочностью, особенно к удару при падении, должны обладать такие изделия, как расчески, пуговицы, портсигары, мыльницы. Достаточной механической прочностью должны обладать глазки и ушки пуговиц. Футляры для очков и другие подобные изделия должны быть достаточно стойкими к сжатию при ношении в карманах и в сумках. Пепельницы и мундштуки должны быть негорючими и термостойкими (поэтому для их изготовления используют фенопласты и аминопласты).

Хозяйственные изделия из пластмасс должны быть стойкими к действию горячей воды и мыльных растворов. К пуговицам, пряжкам, бусам, изделиям из тканей с покрытиями предъявляются требования стойкости к различным атмосферным воздействиям (к действию мороза, солнечных лучей и пр.).

Проверку качества товаров осуществляют по их внешнему виду, цвету, форме и размерам, прочности к удару при падении, по состоянию декорированной поверхности, отмечают миграцию красителей (прочность окраски при трении), коробление и др.

Особо важное значение для оценки качества изделий из пластмасс имеют санитарно-гигиенические исследования и испытания.

Многие синтетические смолы и пластмассы физиологически безвредны, но содержащиеся в них остатки исходных мономеров (стирол, капролактам, формальдегид, фенол и др.), а также некоторые специально введенные пластификаторы, красящие вещества, катализаторы могут быть токсичными. Физиологически вредные вещества могут образовываться также под воздействием условий переработки пластмасс, эксплуатации изделий (особенно при повышенной температуре и под воздействием некоторых пищевых сред) и при пожаре.

Полиэтилен, например, безвреден для человеческого организма, однако в процессе его переработки в изделия экструзией, литьем под давлением, раздуванием он подвергается действию повышенных температур, вызывающих термоокислительную деструкцию его макромолекул. Образующиеся при этом низкомолекулярные кислородсодержащие соединения обладают неприятным запахом, который может передаваться пищевым продуктам. То же самое можно сказать о полипропилене, который также безвреден, но легко окисляется (из-за третичных углеродных атомов в молекуле). Чтобы предупредить или замедлить окислительные процессы, в него вводят специальные стабилизаторы, которые большей частью небезвредны. Полиэтилен низкого давления содержит обычно остатки катализаторов (соли и оксиды металлов Al, Ti, Mo и др.), которые также не должны попадать в пищу.

Такие пластмассы, как фенопласты и аминопласты, полиамиды и полистирол, всегда содержат небольшие остатки непрореагировавших исходных мономеров (фенол, формальдегид, капролактам, стирол), которые в той или иной степени токсичны. Фенол и формальдегид действуют на нервную систему человека. Капролактам при попадании в больших количествах в организм человека вызывает сосудистые неврозы и изменения функционального состояния печени. Стирол оказывает вредное воздействие на нервную, кровеносную системы и печень. Пластмассы, содержащие данные вещества, непригодны для изготовления пищевой посуды.

Летучие цианистые соединения и оксид углерода(II) образуются при горении азотсодержащих пластмасс (полиуретанов, полиакрилонитрила, аминопластов), но только при недостатке кислорода (при тлении). Возможность образования токсичных газов необходимо учитывать, в частности, при ликвидации «боя» пластмассовых изделий и остатков использованной и негодной упаковки (например, поролона).

Идентификационная маркировка пластиков

В США популярны знаки в виде треугольника из трех замкнутых стрелок, внутри – цифра или латинские буквы. Сам знак означает замкнутый цикл (создание – применение – утилизация), а надписи определяют материал. Цифрами 1–19 обозначают пластики, 20–39 бумагу и картон, 40–49 металлы, 50–59 древесину, 60–69 ткани и текстиль, 70–79 стекло. В свою очередь для пластмасс, например, установлены такие обозначения: PETE – полиэтилен, PVA – поливинилацетат, LDPE – полиэтилен низкого давления, PP – полипропилен, PS – полистирол, HDPE – полиэтилен высокого давления, PAN – полиакрилонитрил.

Маркировка пластиков, принятая в США
Маркировка пластиков,
принятая в США

Однако маркировка, означающая «может быть повторно переработан», лишена смысла, если отсутствуют пункты переработки и доступ к ним потребителей. Так, полистирол в принципе годится для переработки, но реально практически все попадает в мусоросжигатели или на свалки. Для России, где раздельный сбор отходов и последующая переработка находятся в зачаточном состоянии, это особенно актуально.

Инструктивная карточка № 6
(Отдел рекламы готовой продукции)

1. Внимательно прочитайте теоретический материал.

2. Придумайте оригинальную рекламу выданным вам изделиям из пластмассы, используя данные цифры и факты.

Теоретический материал
(Отдел рекламы готовой продукции)

Основную массу используемых полимеров (около 2/3) составляют полученные более полувека назад полиэтилен, полипропилен, полистирол. Области использования этих полимеров весьма разнообразны – машиностроение, электротехника, транспорт, медицина, строительство, текстильная отрасль промышленности, товары бытового назначения и пр. По прогнозам, полиолефины и в будущем будут играть решающую роль. Этим материалам отдается предпочтение в связи с их дешевизной и легкостью переработки. Они превращаются в готовые изделия при повышенной температуре, когда при размягчении их можно перерабатывать методом литья, прессования или формовки, а при охлаждении они снова твердеют. Такие пластмассы называют термопластичными. Достоинства термопластичных пластмасс в том, что после употребления их можно подвергнуть повторной переработке.

Термореактивные полимеры в отличие от термопластичных при нагревании утрачивают пластичность, становятся неплавкими и нерастворимыми, т.к. вследствие химического взаимодействия между макромолекулами образуется полимерный каркас, и полимер приобретает пространственную структуру. Такие полимеры не годятся для повторной переработки, но они имеют свои достоинства – повышенную твердость, износостойкость, термическую устойчивость. Легкость переработки и широкий спектр использования обусловили в последние годы расширение производства термопластов: к 2000 г. их доля в мировом производстве достигла 80%.

Создание новых полимерных материалов с улучшенными и принципиально новыми свойствами продолжается. Если полвека назад в промышленности использовалось несколько десятков различных полимерных материалов, то теперь только в США их выпускается более 300 видов. Очень перспективными являются материалы, созданные на основе полимерных смесей и сплавов, сложных композиционных материалов, в основе которых лежит полимерная матрица. По мнению ученых, масштабы открывающихся при этом перспектив сравнимы с переходом металлургии от индивидуальных металлов к сплавам целевого назначения. Уже сейчас на основе синтетических волокнистых материалов созданы новые высокопрочные материалы – композиты. Жесткость и высокая удельная прочность предопределили области использования этих материалов – строительство, авиационная техника и т.д. Вот что дало, например, использование композитов в самолетостроении. В каждом транспортном самолете «Руслан» работает 5,5 т разнообразных композитов, что позволило сэкономить на каждой машине 15 т металла. Но это еще не все. Облегчение веса самолета в результате такой замены позволяет за время эксплуатации каждого самолета сэкономить по 18 000 т горючего.

Синтетические композиты используют в самолетостроении
Синтетические композиты используют
в самолетостроении

Новые полимерные материалы позволяют экономить энергоресурсы не только в воздухе, но и на земле. Теперь принято судить о качестве автомобиля при прочих равных условиях – надежности, экономичности, комфортабельности – по общей массе используемых в нем полимерных материалов. В отечественном автомобилестроении этот средний показатель достиг 45 кг на автомобиль, а для моделей ВАЗ-2108 – 76 кг. В мировом автомобилестроении средняя «пластмассоемкость» автомобиля составляет 75 кг, а в некоторых моделях доходит до 120 кг. А ведь применение 1 т пластмасс позволяет экономить 5–6 т металла, высвобождает до 25 м3 деловой древесины.

Гигантские молекулы обеспечили новыми материалами не только промышленность, они помогли обуть и одеть человечество. Изделия из искусственных и синтетических волокон, меха, кожзаменителя стали неотъемлемой частью гардероба любого современного человека. В 2000 г. на каждого человека выпускалось 9–12 кг волокон, причем максимальная доля синтетики составила 70%. Сейчас по гигиеническим свойствам предпочтительны натуральные ткани, однако ученые стремятся, чтобы и по этим показателям синтетические материалы приблизились к природным.

Замена традиционных материалов новыми не должна восприниматься как подделка чего-то искусственного «под натуральное», хорошее, но имеющееся в недостаточном количестве. Напротив, новые материалы зачастую оказываются лучше старых, надежнее, долговечнее. Например, стальная труба может выйти из строя через 3–5 лет, а в особо жестких условиях эксплуатации – 1,5–2 года, в то же время пластмассовые трубы служат 20–30 лет.

На смену природному созданы разнообразные синтетические каучуки, обладающие совершенно уникальными свойствами. Так, силиконовый каучук, будучи физиологически совершенно безвредным, сохраняет свои свойства в широком интервале температур от –55 °С до 180 °С. Расширилась и область применения каучуков: от традиционных резинотехнических изделий до искусственного сердца. Из полиэфирных волокон с включенным в них титаном созданы ткани, способные выдерживать температуру 1200 °С. Очевидно, что из известных натуральных волокон создать такую ткань совершенно невозможно.

Развитие химии полимеров обеспечило снижение расхода древесины на нужды мебельной отрасли промышленности и строительства. Создание композиционных материалов на основе полимеров и древесины позволило использовать не только малоценные породы, но и отходы древесины, вплоть до опилок.

Развитие методов синтеза и модификации медицинских полимеров и сополимеров, взаимопроникновение идей и методов химии, биологии в медицину позволяют перейти к решению важнейших задач теоретической и практической медицины, осуществлению самых дерзновенных идей человечества.

В настоящее время широким фронтом ведутся работы по синтезу физиологически активных полимерных лекарственных веществ, полусинтетических гормонов и ферментов, синтетических генов. Большие успехи достигнуты в создании сополимерных заменителей плазмы человеческой крови. Сейчас уже не редкость, когда человеку в случае необходимости восполняют до 30% крови растворами медицинских сополимеров. Синтезированы и с хорошими результатами применяются в клинической практике эквиваленты различных тканей и органов человека: костей, суставов, зубов. Созданы протезы кровеносных сосудов, искусственные клапаны и желудочки сердца. Синтез полупроницаемых полимерных мембран и умелое использование разнообразных свойств сополимерных материалов привели к созданию аппаратов «искусственное сердце», «искусственное легкое» и «искусственная почка». Они позволяют временно заменить соответствующие органы человека, в частности проводить сложные хирургические операции на сердце и легких.

Медицинские полимеры и сополимеры используются для культивирования клеток и тканей, хранения и консервации крови, кроветворной ткани (костного мозга), консервации кожи и многих других органов. В терапии широко используются сополимеры – ионообменники (ионообменные смолы) для удаления из организма щелочных металлов, радиоактивных элементов, для введения в организм дополнительных количеств необходимых ионов металлов. Изучается возможность применения ионообменников для коррекции электролитного и кислотно-щелочного равновесия биологических сред при сердечной, печеночной и почечной недостаточности. На основе синтетических сополимеров создаются противовирусные вещества, пролонгаторы важнейших лекарственных средств, противораковые препараты.

Использование медицинских полимеров для изготовления хирургических инструментов и оборудования (шприцы и системы для переливания крови разового использования, бактерицидные пленки, нити, клетки) коренным образом изменило и усовершенствовало технику медицинского обслуживания.

Широкое применение в различных областях техники и медицины нашел полиэтилентерефталат:

Эти волокна являются основой для изготовления протезов кровеносных сосудов. Современные протезы кровеносных сосудов получают на текстильных производствах в виде гофрированных трубок различного диаметра. Важнейшей их характеристикой является пористость боковой стенки сосуда. Наличие небольших отверстий в этой стенке позволяет естественным тканям кровеносных сосудов прорастать в них, обеспечивая тем самым вживление и функционирование протеза. Биологическая пористость оценивается количеством крови, проходящей через единицу боковой поверхности протеза за минуту. Протезы из полиэфирных волокон вот уже более 20 лет с успехом используются для замены пораженных участков сосудистой системы.

Таким образом, сегодня в нашем распоряжении имеется широкая палитра полимеров, которые продолжают завоевывать мир.

Тест
(один из вариантов)

1. Группа атомов (–СН2–СН2–) является структурным звеном:

а) полиэтилена;

б) полипропилена;

в) поливинилхлорида.

2. Многие пластмассы имеют плотность (г/см3):

а) меньше 0,9;

б) больше 2;

в) в диапазоне от 0,9 до 2,0.

3. Свойство тел изменять форму в нагретом состоянии и сохранять ее после охлаждения называют:

а) термопластичностью;

б) термореактивностью;

в) теплоемкостью.

4. Ненужные, старые пластмассовые изделия я всегда буду:

а) сжигать;

б) закапывать в землю или бросать в воду;

в) сдавать в пункты переработки, когда они появятся в нашей стране, а до этого выбрасывать мусор в отведенное для него место.

5. Пластмассы нашли широкое применение в быту и в промышленности благодаря тому, что они:

а) легкие, прочные, эластичные, дешевые;

б) не растворяются в кислотах и щелочах, являются диэлектриками;

в) все перечисленное выше.

(Ответы. 1 – а, 2 – в, 3 – а, 4 – в, 5 – в.)

Рефлексия

Каждому ученику в классе выдается незаконченный рисунок – мордашка человечка. Необходимо дорисовать недостающую деталь – рот, выразив при этом свое отношение к прошедшему уроку и своей роли в нем: улыбка – я узнал много интересной и полезной информации на сегодняшнем уроке; гримаса презрения – было неинтересно, ничего нового и полезного я не узнал; рот – прямая линия – мне безразлично, чем вы здесь сегодня занимались.

Заключительное слово учителя

Сейчас прозвенит долгожданный звонок,
Увы, но... к концу подошел наш урок.
Прошу – уберите рабочее место.
Давайте без слов и, пожалуй, без жестов.

А я благодарность вам всем объявляю,
Проверив работы, в журнал выставляю
Отметки все ваши, надеюсь привычно,
Что будут они «хорошо» и «отлично».

Большое спасибо я вам говорю.
Мы цели достигли. Благодарю!

Литература

Брейгер Л.М. Химия. 11 класс (поурочные планы). Волгоград: Учитель, 2001;
Гузей Л.С., Суровцева Р.П., Лысова Г.Г. Химия-11. М.: Дрофа, 2002, 240 с.;
Кузьменок Н.М., Стрельцов Е.А., Кумачев А.И. Экология на уроках химии. Минск: Красико-принт, 1996, 208 с.;
Кутянин Г.И. Пластические массы и бытовые химические товары. Учебник для вузов. М.: Экономика, 1988, 207 с.;
Романенко Т.В. Учение как сотворение. Химия (ИД «Первое сентября»), 2002, № 10;
Рудзитис Г.Е., Фельдман Ф.Г. Химия-11. М.: Просвещение, 2002, 160 с.;
Шустов С.Б., Шустова Л.В. Химические основы экологии. М.: Просвещение, 1994, 239 с.

И.П.Филинова,
учитель химии и экологии
школы № 172
(пос. Архара, Амурская обл.)