18. tétel
A műanyagok és csoportjaik

A műanyagok mesterséges úton előállított, vagy átalakított óriásmolekulájú anyagok, szerves polimerek.
Ma már elképzelhetetlen nélkülük az élet. Jelen vannak mindenütt a háztartásokban, a járművekben, az egészségügyben, az elektronikában, az űrkutatásban, amerre nézünk mindenütt. Sokszor olyan helyeken is jelen vannak, ahol nem is gondolnánk (Például amit papírnak nevezünk, sokszor az is tartalmaz műanyag(oka)t, de általában műanyagok a festékek hordozói is. A 80% pamutot tartalmazó zokniban 20%-a műszál, a lakkok, ragasztók zöme szintén valamilyen műanyag.)
Számtalan különböző műanyagot gyártanak, némelyeket igen nagy mennyiségben.

Lexikonomban nagyon sok műanyaggal kapcsolatos információ érhető el a Szójegyzék kereső mezőjébe beírva a műanyag(ok) keresőszót.
Természetesen megtalálhatók "egyenként" is ugyanitt az adott műanyag nevét (pl. politetrafluoretilén), vagy rövidítését (pl. ptfe), vagy kereskedelmi nevét (pl. teflon) beírva.
Elérhetők továbbá a Kislexikon rész tartalomjegyzékéből, valamint a Kémia rész tartalomjegyzékéből a műanyagok címszó alatt, megfelelően csoportosítva.
Ebben a részben egy általános, összefoglaló áttekintés található.

Történeti áttekintés:

A műanyagok ősei az ókorban is ismertek voltak. Ezek a különböző természetes gyanták és a bitumen. Mesterséges úton nagytömegű műanyagot az 1900-as évszázad végén kezdtek előállítani.
Óriásmolekulájú vegyületeket sokszor véletlenül állítottak elő, műanyagként csak később alkalmazták őket. ( Pl.: polisztirolt már 1835-ben előállítottak, de műanyagként csak közel 100 év múlva kezdték alkalmazni. Teflont is előállítottak már 1936-ban és használták is már a II. Világháború alatt, de nálunk csak jóval később vált ismertté.)
A műanyagok nagyarányú termelése az 1930-as években indult meg.
1908-ban Baekeland belga tudós találmányával indult meg a nem természetes alapú, szintetikus felépítésű műanyagok gyártása. Backeland fenol, formaldehid kondenzációs alapú műgyantája tette lehetővé a bakelit sajtolóporok gyártását.
1921-ben Pollák osztrák tudós a karbamid-formaldehid alapú kondenzációs termékek - aminoplasztok - felfedezésével vitte előbbre a szintetikus műanyagipart. E kettőt követte gyors egymásutánban az anilin, a különféle alkidok, a ftálsavas glicerin, a vinilgyanták és présporok stb. gyártása egészen napjaink legújabban birtokba vett műanyag-szenzációkig.
De a fejlődés még egyáltalában nincs lezárva, mert az első műanyag felfedezésével a világ új nyersanyagforrás birtokába jutott.

A műanyagok nyersanyagai megtalálhatók a növény és állatvilágban. Természetes alapú műanyagok nyersanyagai cellulóz, furfurol és a növényi olajok, továbbá a kaucsuk a természetes gyanták és a bitumenek. 

Csoportosításuk:

A műanyagok sokféleképpen csoportosíthatók:

Eredet szerinti besorolás

Eredet szerint beszélhetünk természetes alapú és mesterséges úton előállított műanyagokról.

Természetes alapú műanyagok

* Cellulózszármazékok
Leggyakoribb cellulózból előállított műanyagok:
Vulkánfíber: erős, szívós anyag, amely megduzzasztva melegen könnyen formázható. Jól forgácsolható, szilárdsága nagy, fajsúlya kicsi.
Viszkóz: fonalat (műselyem - a képen), fóliát (cellofán), és szivacsot készítenek belőle.
Celluloid: átlátszó, igen tiszta, jól színezhető anyag.

* Fehérjeszármazékok
Más néven fehérje alapú műanyagok A fehérjék növényi vagy állati eredetű természetes óriásmolekulák, amelyek fő alkotóelemei az aminosavak.
A kazein (tej fehérje) 17 különböző aminosavmaradékból épül fel.
Kazeinalapú műanyag (műszaru): Erősen hasonló a természetes szaruhoz. Színezhető, polírozható, forgácsolható. Oldószere nincs. (A képen egy műszaruból készült szobor.)
Vérfehérje alapú műanyag: Szintén műszaru készíthető belőle. Meggyújtva szenesedik és igen kellemetlen szaga van.

* Kaucsukszármazékok
Klórkaucsuk: sárgásfehér színű szemcsés szagtalan por. Jó minőségű lakkalapanyag. Filmje korrózióálló. Ellenáll sósavnak, lugoknak.
Hidroklórkaucsuk: színtelen gyantaszerű termék.
Ciklokaucsuk: Vulkanizálással fémhez ragaszható, csak 60°C-ig alkalmazható.
Gumi: Régóta alkalmazott, rugalmas, természetes polimer.
Keménygumi (Ebonit): Savaknak, lugoknak sóknak ellenáll.
Ebonit akkumulátor ház.
Fekete színű szilárd anyag, felmelegítve jól hajlítható.

* Egyéb természetes alapú műanyagok
Bitumenek: Aszfalt alapú műanyagok.
Kátrányok: Desztillációs termékük a szurok.
Sellak: Cserjék, fák ágain pajzstetvek szúrásának hatására keletkezik. Hazája India. Hőre lágyuló plasztikus massza. Jó villamos szigetelő tulajdonságú.
Faktisz: A gumiipar legfontosabb adalékanyaga. Telítetlen növényi olajokból kénnel való melegítéssel előállított képlékeny műanyag.
Linóleum: Rugalmas, kopásálló. Jó minőségű hézagmentes bevonatok készíthetők belőle.

Mesterséges úton előállított műanyagok
Mesterséges úton, kis molekulákból állítanak elő óriásmolekulákat. Az alapmolekulák (monomerek) kapcsolódása szerint a következők lehetnek:

- Polikondenzációs műanyagok
Kémiailag eltérő felépítésű alapmolekulákból makromolekulák jönnek létre, melléktermék lekeletkezésével.
Polikondenzációs folyamat során a monomerek egyesülésekor a melléktermék általában víz.
A polikondenzációs műanyagok szerkezete lehet lineáris, fonal alakú és térhálós.

- Polimerizációs műanyagok
polimerizáció során az alapvegyület (monomer) molekulái melléktermék nélkül, a kettőskötések felbomlása útján kapcsolódnak egymáshoz.
A koncentráció növelése, a hőmérséklet, a nyomás és a fény gyorsítja a polimerizációt.
Úgynevezett módosítókkal szabályozható a molekulasúly és az alak.

Az egyik legelterjedtebb polimerizációs műanyag a polietilén. (Az egyes műanyagoknál számos alkalmazásról láthatók képek.)

- Poliaddíciós műanyagok
Kémiailag különböző molekulákból makromolekulák jönnek létre, melléktermék keletkezése nélkül.
Az óriásmolekulákat két vagy több funkciós alapvegyület kapcsolódásával kapják, melléktermék keletkezése nélkül.
Általában alacsony hőmérsékleten megy végbe, katalizátorra nincs szükség.
Ide tartoznak a (PUR) poliuretánok, polikarbamidok (PUK), epoxigyanták (EP). (A képen az ismert "purhab" alkalmazása.)

- Szervetlenláncú műanyagok
Ide tartoznak a különböző szilikonok, olyan nyílt láncú vagy gyűrűs polimerek, amely a -SiR₂O- ismétlődő egységeiből állnak.
Az egykomponensű szilikongyanták szobahőmérsékleten a levegő nedvességtartalmának hatására vulkanizálódó szilikongumik.
A kétkomponensű szilikongyanták használatosak levegőtől elzárt térben illetve vastagabb réteg előállítására.
Katalizátorral történő térhálósítás során gumiszerű termékké alakulnak.

Hővel szembeni viselkedés szerint

Hőre keményedő műanyagok
Ide tartoznak pl. a fenoplaszt gyanták, aminoplaszt gyanták, melamin-formaldehid gyanták, telítetlen poliésztergyanták és sajtolóanyagok, epoxigyanták és epoxi-sajtolóanyagok, szilikonok

Hőre lágyuló műanyagok
Ide tartozik pl. a (PE) polietilén, (PP) polipropilén, (PVC) poli(vinil-klorid), (PVAc) poli(vinil-acetát), (PTFE) poli(tetrafluor-etilén) (Teflon), (PS) polisztirol, (PMMA) poli(metil-metakrilát) (Plexi), (PA) poliamidok, polikarbonátok, cellulózacetát

Szerkezetük szerint

Fonalas
A fonal alakú makromolekulák egyik megjelenési alakjában a molekulaláncok rendezetlen gombolyag képét mutatják. Ebben az esetben amorf szerkezetről beszélünk. (Iyen fonalas szerkezetű műanyagok molekulaképei fentebb a polimerizációs műanyagoknál láthatók.)
A másik megjelenési alakjukban a molekulaláncok részben párhuzamosan rendezettek is lehetnek.
Közös tulajdonságuk hogy oldószerben oldhatók, és melegítéskor megolvadnak.
Ezek a hőre lágyuló műanyagok.

Térhálós
A térhálós molekulákban a molekularészek sokkal inkább rögzítettek, mint a nem térhálós molekulákban.
Szerves oldószerben nem oldódnak, és melegítéskor nem olvadnak meg.
Ezek a hőre keményedő műanyagok.

Polipropilén

A polipropilén (rövidítése PP, összegképlete (C₃H₆)_x) hőre lágyuló polimer, a vegyipar állítja elő és széles körben használják. Ezek közé tartozik a csomagolás, textilipar, írószerek, műanyag alkatrészek, laboratóriumi berendezések, hangfalak, autóipari alkatrészek.

A polipropilén egy addíciós polimer, amit propilén monomerből állítanak elő. Rendkívül ellenálló a legtöbb kémiai oldószerrel, lúgokkal savakkal szemben.

A polietilén és a PVC mellett a harmadik legelterjedtebb polimerizációs műanyag. 2007-ben a világon 45.1 millió tonna polipropilént állítottak elő, ami körülbelül 65 milliárd dolláros (47.4 milliárd eurós) összforgalmat generált.

Kémiai és fizikai tulajdonságok:

A kereskedelmbe kerülő polipropilén leggyakrabban izotaktikus. A PP általában kemény és rugalmas, különösen akkor, ha kopolimerizáljuk etilénnel. Ez teszi lehetővé a polipropilén számára, hogy mint műszaki műanyag versenyezzen akár az ABS-el is. Előállítható átlátszó formában is, viszont nem olyan könnyen, mint a polisztirol vagy egyéb műanyagok. Gyakran színezik, ez pigmentek hozzáadagolásával lehetséges.

A polipropilén olvadáspontja a DSC-s mérések alapján 160 °C körüli.

Három fő típúsa létezik: homopolimer, random kopolimer és blokk kopolimer. A komonomer általában etilén.

Degradáció

A polipropilén egyik nagy hátránya, hogy jelentősen képes a gyártás és felhasználás során degradálódni. UV sugárzás hatására (akár a napfény is elegendő) lánctördelődés indulhat meg, ami miatt külső alkalmazások esetén UV-elnyelő adalékanyagot kell alkalmazni (a korom is nyújt némi védelmet). Magas hőmérsékleten képes oxidálódni, ami egy gyakori probléma a gyártás (extruzió, fröccsöntés) során. Ezzel szemben antioxidánsok adagolásával szoktak védekezni.

Előállítása:

Polimerizációval tehát a víz és ammónia elpárologtatásával,nagy nyomáson és hőmérsékleten történik. Általában propénből katalizátorok (pl. TiCl₄) segítségével.

Felhasználása:

A vegyiparban a tulajdonságainak köszönhetően sok különböző területen alkalmazzák. Lúgoknak és savaknak szobahőmérsékleten nagyon jól ellenáll. Élelmiszeripari termékek tárolására, szállítására alkalmas. Nem oldódik ki belőle káros vegyület. Elsődlegesen beltéri használatra javasolják. Kültéri felhasználása korlátozott. Éghető anyag ezért égésgátló elasztomer hozzáadásával csökkenthetők az égési és csepegési tulajdonságai. Ezt az un.UL94-es amerikai égésügyi szabvány szabályozza. Könnyen festhető melyhez pigment dúsított anyagában színezett anyagazonos mesterkeveréket alkalmaznak. A nagy hőkülönbségre illetve orientáció irányú terhelésre /hajlítgatás,húzás/kifehéredik és ellágyul, reped és vetemedik. Fröccsöntési felhasználása elterjedt. Fröccsöntési felhasználási paraméterei:210-290 c. Nem viszkózus anyag tehát szárítása nem indokolt felhasználás előtt. Elsősorban fóliák – ezenkívül szállítótartályok, csövek, burkolatok készítéséhez alkalmazzák.

A polipropilén kristályos szerkezetű műanyag kristályossági foka kb. 60-70%. A PP krisztallitjainak olvadáspontja: 164-170°C. A kristályossági fok befolyásolja a fiziko-mechanikai tulajdonságokat: sűrűséget, oldhatóságot, gázáteresztő-képességet, hőállóságot, üvegesedési hőmérsékletet, és a mechanikai tulajdonságokat. A polipropilén ütésállóságára jellemző, hogy 0°C alatt csökken, (rideggé válik). A PP-t ezért nem célszerű alacsony hőmérsékleten alkalmazni olyan célokra, ahol nagyobb mértékű hajlékonyság szükséges (hideg állósága rossz). A PP hideg állóságát lágyítással, elasztomerek adagolásával és kopolimerizációval lehet javítani. A polipropilén - alkalmazástechnikai szempontból - lényeges termikus jellemzői a következők:

120-130°C-ig a legtöbb célra még biztonsággal alkalmazható. A polipropilén olvadási hőmérséklet-intervalluma - kristályos jellegénél fogva - szűk, általában 2-3°C. Terhelés nélkül közel a krisztallitok olvadáspontjáig formaállandó. (Tm: 164-170°C). A polipropilén a legjobban éghető műanyagok közé tartozik. A PP-t gyakran használják villamosszigetelési alkatrészek előállítására, viszont e területen fontos a csökkentett éghetőség, amelyet égésgátló adalék hozzáadásával érnek el. A polipropilén egyike a legjobb vegyszerállósággal rendelkező anyagoknak. A PP vízfelvétele kb. 0,2%, ezért mechanikai tulajdonságai gyakorlatilag függetlenek a környezet nedvességtartamától. Feszültségkorrózióra nem hajlamos, oxidálószerekre érzékenyebb, mint a polietilén.

Gyakorlati alkalmazások:

A polipropilént a polietilénhez hasonló területeken alkalmazzák. Előnyt jelent, hogy nagyobb szilárdsági és termikus követelményeknek is eleget tesz. Kristályos jellege következtében nyújtás hatására orientálódik, és szilárdsága megnő, így előnyösen alkalmazható fóliák, hártyák és műszaki célokra alkalmas szálak előállítására. A csomagolástechnikában a fóliákon kívül üreges testek (kanna, palack, ballon, hordó), doboz, láda, és egyéb csomagolóeszközök előállítására alkalmas. Sok közszükségleti cikk, játék, sportszer készül belőle, szilárdsága, vegyszer- és vízállósága (tisztíthatósága) miatt. A PP natúr színe tejfehér.

PVC

A PVC - Poli(Vinil-klorid) - egy hőre lágyuló, éghető, kémiailag ellenálló, kemény műanyag. Előállítása vinil-klorid polimerizációjával történik. Két fajtája a lágy és a kemény PVC. Felhasználása széles körű, mindkét fajtájából tárgyak sokaságát készítik. Lágy PVC-ből készül például az elektromos kábeleket bevonó réteg, vagy a kerti locsolótömlő. Kemény PVC-ből főleg a mindenki által ismert PVC-csöveket gyártják, de kiválóan alkalmas gépalkatrésznek is. Keménysége miatt jól bírja a mindennapi használatot. Égése során hidrogén-klorid, dioxin és egyéb környezet számára káros vegyületek keletkeznek klórtartalma miatt.

Előállítása:

Acetilénből vízmentes hidrogén-klorid addíciójával keletkezik a vinil-klorid:

C₂H₂+HCl → C₂H₃Cl

A vinil-klorid polimerizációjával pedig a Poli(vinil-klorid) keletkezik:

n C₂H₃Cl → [ C₂H₃Cl ]_n

Története:

Az 1912-ben német vegyészeknek sikerült először előállítani PVC-t vinil-kloridból. Ez azonban még rideg és törékeny volt, nehezen formázható. Ahogy megoldották a rugalmasság problémáját, megindult a PVC tömegtermelése. 1943-ra a PVC már a legfontosabb műanyag. Ma már lágyító anyagok segítségével különböző keménységű PVC-t lehet előállítani.

Polietilén

A polietilén (IUPAC név: polietilén vagy poli (metilén)) a legszélesebb körben használt műanyag, éves termelése mintegy 80 millió tonna. Legnagyobb felhasználója a csomagolóipar (műanyag szatyrok).
A javasolt tudományos nevét szisztematikusan a monomer egység után kapja. A név rövidítése a PE hasonló módon az egyéb polimerekéhez, mint például a polipropilén és polisztirol, aminek a rövidítése ugyanezen logika alapján PP és PS. Az etilén molekula (C₂H₄) két CH₂ csoport egy kettős kötéssel egymáshoz kapcsolva CH₂=CH₂:

 A polietilén az etilén polimerizációjaként jön létre. A polimerizáció végbemehet gyökösen, anionosan és kationosan is, mivel az etilénnek nincsen semmilyen szubsztituens csoportja, amely negatívan befolyásolná a láncnövekedést.

Osztályozás:

A polietilénből készült termék mechanikai tulajdonságát a molekulatömeg, a kristályosság, az elágazottság mértéke és típusa (rövid vagy hosszú láncú elágazások) nagyban befolyásolják, emiatt a polietilént a sűrűsége és a polimer láncok elágazottsága alapján több kategóriába szokták sorolni. A legnagyobb három csoport:

• Nagy sűrűségű polietilén (HDPE)
• Közepes sűrűségű polietilén (MDPE)
• Kis sűrűségű polietilén (LDPE)

HDPE sűrűsége legalább 0,941 g/cm³. A HDPE-ben kevesebb az elágazás, így erősebb intermolekuláris kölcsönhatások tudnak létrejönni, a szakítószilárdsága magasabb. A HDPE-t króm/szilícium-dioxid, Ziegler-Natta vagy metallocén katalizátorokkal szokták előállítani. A HDPE-t leggyakrabban termékek csomagolására, italos palackok, tisztítószeres flakonok, margarinos dobozok, szemetes konténerek és vízvezetékek előállítására szokták használni.

MDPE sűrűsége 0,926 g/cm³ és 0,940 g/cm³ közötti. A HDPE-hez hasonló módon ezt a polietilént is króm/szilícium-dioxid, Ziegler-Natta vagy metallocén katalizátorokkal szokták előállítani. A HDPE-nél ütésállóbb és kevésbé repedezik. Az MDPE-ből leggyakrabban gázvezeték, szerelvény, zsák, zsugorfólia, csomagolási fólia és hordtáska készül.

LDPE sűrűsége 0,910 g/cm³ és 0,940 g/cm³ közé esik. Az LDPE-nél a polimer láncoknak magas az elágazottsága (átlagosan a szénatomok 2%-án található elágazás), ennek köszönhetően az intermolekuláris kölcsönhatások gyengébbek, leginkább csak pillanatnyi dipól vagy indukált dipól kölcsönhatások jelentkeznek. Ez okozza, hogy az LDPE-nek kisebb a szakítószilárdsága, viszont a hajlékonysága magasabb. Az LDPE-t szabadgyökös polimerizációval állítják elő. Az LDPE-t leggyakrabban fóliának és műanyag zacskónak szokták használni.

Kopolimerek:

Az etilént széles körben lehet kopolimerizálni, leggyakrabban alfa-olefinekkel, viszont számos egyéb monomerrel és olyan ionos rendszerekkel is, amelyek képesek ionizált szabad gyökök létrehozására. Gyakori kopolimerimerek pl. az etilén-vinil-acetát (EVA) és számos akrilát-etilén kopolimer.