πλαστικές ύλες

Οργανικές ενώσεις με υψηλό μοριακό βάρος, αδιάλυτες στο νερό, στερεές στη συνηθισμένη θερμοκρασία, οι οποίες χαρακτηρίζονται ανάλογα με τη δυνατότητα επεξεργασίας τους με την τεχνική των εκμαγείων και της συμπίεσης. Οι πλαστικές ύλες μπορούν να παρασκευαστούν με χημικούς μετασχηματισμούς φυσικών οργανικών ουσιών, μεγάλου μοριακού βάρους (κελουλοΐτης και ρεγιόν από την κυτταρίνη, γαλάλιθος από την καζεΐνη κλπ.), ή με αντιδράσεις συμπύκνωσης ή πολυμερισμού οργανικών ενώσεων μικρού μοριακού βάρους. Τα τελευταία αυτά παράγωγα πήραν την κοινή ονομασία πλαστικές ύλες. Έτσι, η πρώτη πλαστική ύλη υπήρξε ο βακελίτης, τον οποίο παρασκεύασε ο Μπάκελαντ (1907-1909) με συμπύκνωση φαινόλης και φορμαλδεΰδης. Οι πρώτες προσπάθειες ανάγονται όμως στο 1838, όταν ο Ανρί-Βικτόρ Ρενιό πέτυχε το φυσικό πολυμερισμό του χλωριούχου βινυλίου, αφήνοντάς το εκτεθειμένο στον ήλιο, οπότε πήρε ένα προϊόν στερεό και πλαστικό. Το 1868, ο Τζ. Γ. Χάιατ κατόρθωσε να παραγάγει κελουλοΐτη με νίτρωση της κυτταρίνης και πλαστικοποίηση με καμφορά. Ακολούθως (1897) παρασκευάστηκε στη Γερμανία ο γαλάλιθος από την καζεΐνη και, το 1901 ο Σμιθ πέτυχε τις πρώτες αλκυδικές ρητίνες με επίδραση της γλυκερίνης στο φθαλικό ανυδρίτη. Η ταξινόμηση των πλαστικών υλών μπορεί να γίνει με διάφορα κριτήρια. Ανάλογα με τη χρησιμοποίηση τους, διαιρούνται σε ίνες κατάλληλες για ύφανση, σε ελαστομερή με αξιόλογες ελαστικές ιδιότητες και σε ρητίνες. Ανάλογα με τη συμπεριφορά τους έναντι της θερμοκρασίας, οι πλαστικές ύλες διακρίνονται σε θερμοπλαστικές (που μαλακώνουν με τη θέρμανση) και σε θερμοσκληρυνόμενες. Οι πρώτες υφίστανται κατεργασία με έκθλιψη, έγχυση και χύτευση, οι δεύτερες με τύπωση εν θερμώ. Όπως το ελαστικό κόμμι, οι θερμοσκληρυνόμενες ρητίνες περιέχουν ισχυρές εκατοστιαίες ποσότητες αδρανών ουσιών, όπως ασβέστη, σκόνη μαρμάρου, κλπ. Οι ιδιότητες των πλαστικών υλών εξαρτώνται από τη χημική τους σύσταση, από το μοριακό βάρος, από τη διάταξη στον χώρο των μοριακών αλυσίδων, από τις οποίες αποτελούνται. Ως προς τη χημική τους σύσταση, μεγάλη σημασία έχει η διάκριση μεταξύ μακρομοριακών, οι οποίες λαμβάνονται με πολυμερισμό ενός μόνο τύπου μορίου (και είναι τα πολυμερή ή ομοιοπολυμερή) και μακρομοριακών, που σχηματίζονται από διάφορα μόρια (συμπολυμερή). Για τον ίδιο τύπο πολυμερούς (ή συμπολυμερούς) οι φυσικές ιδιότητες και, επομένως, η χρησιμοποίηση διαφέρουν ανάλογα με το μοριακό βάρος. Είναι επομένως αναγκαίο να προσδιοριστεί αυτό με την εκλογή των καταλληλότερων συνθηκών της αντίδρασης, ώστε να επιτευχθεί ο βαθμός του πολυμερισμού και συνεπώς οι επιθυμητές μηχανικές ιδιότητες. Ένα παράδειγμα θα διευκρινήσει καλύτερα το θέμα: το πολυαιθυλένιο, (που λαμβάνεται με πολυμερισμό του αιθυλενίου), το οποίο έχει σύσταση λίπους σε μοριακό βάρος 1.000, παίρνει όψη κεριού σε μοριακό βάρος 4.000. Όταν το μοριακό βάρος είναι 10.000, αποκτά σύσταση στερεού και σημείο τήξης στους 100°C. Av διπλασιαστεί το μέσο μοριακό βάρος, λαβαίνεται ένα στερεό με σημείο τήξης. Διπλασιάζοντας ακόμα το μοριακό βάρος, το σημείο τήξης φτάνει στους 120°C. Εκτός από το μοριακό βάρος, οι μηχανικές ιδιότητες των πλαστικών υλών εξαρτώνται και από τη διάταξη του πολυμερούς στο χώρο. Πρακτικά, υπάρχουν πολυμερή γραμμικά, πολυμερή διακλαδωτά (δικτυωτά) ή δισδιάστατα και πολυμερή τρισδιάστατα ή στερεοδομικά. Χωρίς να εξετάσουμε τα χαρακτηριστικά των μονομερών, από τα οποία λαμβάνονται οι τρεις αυτές ομάδες των πολυμερών (για το θέμα αυτό: πολυμερή), είναι χρήσιμο να υπενθυμίσουμε ότι συνήθως τα γραμμικά και διακλαδωτά (δισδιάστατα) πολυμερή αποτελούν θερμοπλαστικές ύλες. Επιπλέον, ακόμα και με μεγάλα μοριακά βάρη, τα πολυμερή διαλύονται σε κατάλληλους διαλύτες, γεγονός που επιτρέπει την επεξεργασία τους σε λεπτές ταινίες, υφαντικές ίνες, και τη χρησιμοποίηση τους ως βερνικιών. Τα τρισδιάστατα πολυμερή είναι θερμοσκληρυνόμενα και γι’ αυτό το λόγο πρέπει να υφίστανται επεξεργασία με συμπίεση εν θερμώ πριν ολοκληρωθεί το φαινόμενο του πολυμερισμού (ή της πολυσυμπύκνωσης). Εφόσον σχηματιστεί η τελική μορφή, δεν είναι πλέον δυνατό να γίνει πάλι μαλακό και να υποστεί επεξεργασία με θέρμανση. Μερικές μηχανικές και οπτικές ιδιότητες εξαρτώνται επίσης κατά μεγάλο ποσοστό από το είδος του πολυμερισμού, ο οποίος μπορεί να γίνει σε μάζα, σε γαλάκτωμα, σε διάλυμα και σε εναιώρημα. Οι κυριότεροι σταθμοί της παραγωγής των πλαστικών υλών, οι οποίες κατέχουν σήμερα σημαντική θέση στην καθημερινή μας ζωή, διακρίνονται, εκτός από την παραγωγή του βακελίτη, στην παραγωγή του νάιλον, που υπήρξε η πρώτη ολοκληρωτικά συνθετική πλαστική ύλη, και στην παραγωγή των ισοτακτικών πολυμερών, που επιτεύχθηκαν με τις εργασίες του Νάτα. Η τελευταία αυτή ανακάλυψη είχε μεγάλη πρακτική σημασία, γιατί επέτρεψε όχι μόνο την παραγωγή προϊόντων με μηχανικές ιδιότητες πολύ ανώτερες από εκείνες τις οποίες διαθέτουν τα προϊόντα που λαμβάνονται χωρίς τους καταλύτες Τσίγκλερ-Νάτα, αλλά άνοιξε το δρόμο για την παραγωγή πλαστικών υλών με προκαθορισμένες ιδιότητες, κατάλληλες για διάφορες ανάγκες χρήσης. Για να δοθεί μια ιδέα της ποικιλίας των πλαστικών υλών και των διάφορων μεθόδων παραγωγής αναφέρουμε τις σπουδαιότερες ομάδες. Φαινοπλαστικά ή φαινολικές ρητίνες. Η φαινόλη, που λαμβάνεται από την κατεργασία της πίσσας των γαιανθράκων ή συνθετικά από το βενζόλιο (με σουλφώνωση και τήξη του βενζοσολφωνικού οξέος ή από το χλωροβενζόλιο) δίνει με συμπύκνωση με φορμαλδεΰδη(CH₂O) προϊόντα τα οποία, αν υποστούν περισσότερη επεξεργασία με διαλύτες σε κατάλληλο περιβάλλον, μετατρέπονται σε μια ένωση, το «ρητινοειδές», θεμελιώδες συστατικό των αντικειμένων από παρόμοιες ρητίνες, τα οποία μορφοποιούνται με συμπίεση σε καλούπια. Οι ρητίνες αυτές αποτελούν μεγάλο μέρος των πλαστικών υλών που χρησιμοποιούνται σε πάρα πολλούς βιομηχανικούς κλάδους, κυρίως ως μονωτικά. Είναι ύλες αδιαφανείς εξαιτίας των συστατικών τους και επειδή υπάρχουν ξένες ουσίες κυμαίνονται από το κίτρινο ως το καστανό, και επομένως δεν μπορούν να χρησιμοποιηθούν για λευκά ή για ανοιχτόχρωμα αντικείμενα. Οι φαινολικές ρητίνες είναι οι σπουδαιότερες για κατασκευές ειδών με την τεχνική της συμπίεσης με καλούπια. Πολυακριλικές ρητίνες. Λαμβάνονται με πολυμερισμό των μεθυλικών και βουτυλικών εστέρων του ακρυλικού και μεθακρυλικού οξέος, και επομένως υποδιαιρούνται σε πολυακριλικές και πολυμεθακρυλικές. Το ακρυλικό μεθύλιο παρασκευάζεται από το ακετυλένιο με επίδραση ανθρακικού νικελίου, παρουσία υδροχλωρικού οξέος και εστεροποίηση με μεθυλική αλκοόλη:  ενώ το μεθακρυλικό λαμβάνεται από ακετόνη με υδροκυάνιο:  Οι πολυακρυλικές ρητίνες έχουν εξαίρετη διαφάνεια και είναι πολύ σταθερές στην επίδραση του χρόνου και στις διάφορες συνθήκες. Τα πολυμεθακρυλικά έχουν καλύτερες μηχανικές ιδιότητες και η επεξεργασία τους γίνεται με έγχυση και συμπίεση. Ένα μείγμα πολυμεθακρυλικού κυκλοεξυλίου και πολυστυρολίου χρησιμοποιείται για την κατασκευή αχρωματικών φακών για φωτογραφικές μηχανές και για ειδικά οπτικά όργανα. Πολυστυρολικές ρητίνες. Λαβαίνονται με πολυστερισμό του στυρολίου (C₆H₅CH = CH₂) που προέρχεται από το πετρέλαιο ή με διοχέτευση αιθυλενίου σε βενζόλιο 70°C, με παρουσία χλωριούχου αλουμινίου ως καταλύτη και αφυδρογόνωση του παραγόμενου αιθυλενβενζολίου. Για να επιτευχθούν καλές οπτικές ιδιότητες, πολυμερίζεται κατά μάζα και υπό μέτριες συνθήκες ή πολυμερίζεται σε φάση γαλακτώματος με συνεχείς αντιδράσεις. Οι πολυστυρολικές ρητίνες είναι πολύ εύφλεκτες διαφανείς, εύθραυστες και μαλακώνουν στους 95°C περίπου. Αν χρησιμοποιηθεί κατά ένα μέρος χλωριούχο στυρόλιο, λαμβάνονται ρητίνεςάφλεκτες. Έχουν μεγάλη βιομηχανική εφαρμογή, ιδίως στην ηλεκτροτεχνία για τις διηλεκτρικές τους ιδιότητες. Αμινοπλαστικές ρητίνες. Λαμβάνονται αν υποβληθούν σε αντίδραση ουσίες που περιέχουν ομάδες –ΝΗ₂, όπως η ουρία [CO(HN₂)₂], η ανιλίνη και άλλες, με η φορμαλδεΰδη. Με συμπύκνωση παράγονται μακρομοριακά προϊόντα με θερμοπλαστικές ιδιότητες, διαφανή και σε απαλούς χρωματισμούς. Με πολυμερισμό και με την προσθήκη ειδικών διαλυτών και καταλυτών λαβαίνονται επίσης βερνίκια και συγκολλητικά. Οι ρητίνες ουρίας-φορμαλδεΰδης χρησιμοποιούνται ευρύτατα στην υφαντουργία, κυρίως για υφάσματα που δεν τσαλακώνονται. Οι μιλαμινικές ρητίνες, που παρασκευάζονται με συμπύκνωση της μιλαμίνης με φορμαλδεΰδη, έχουν μεγάλη σκληρότητα και αντιστέκονται στις υψηλές θερμοκρασίες. Επειδή έχουν την ιδιότητα να μην απορροφούν οσμές, χρησιμοποιούνται πολύ για σκεύη κουζίνας, ενώ η σκληρότητα τους τις κάνει κατάλληλες για βερνίκια και για την κατασκευή πλαστικών φύλλων. Πολυαμιδικές ρητίνες. Σπουδαιότερο είναι το νάιλον, τεχνητή ίνα, της οποίας η δομή, με μόρια σε γραμμική διάταξη, μοιάζει περισσότερο από κάθε άλλη με τη δομή της πρωτεΐνης του μεταξιού. Πρώτη ύλη είναι η φαινόλη, από την υδρογόνωση της οποίας, με καταλύτες με βάση το χαλκό και το νικέλιο, προκύπτει η κυκλοεξανόλη, η οποία οξειδούμενη με νιτρικό οξύ δίνει το αδιπικό οξύ· τούτο, όταν συμπυκνωθεί με εξαμεθυλοδιαμίνη, δίνει το νάιλον: HOOC – (CH₂)nCO – NH(CH₂)n – ΝΗ₂. Πολυβινυλικές ρητίνες. Παράγονται με πολυμερισμό του χλωριούχου βινυλίου (CH₂ = CHCl). Κατά τα τελευταία χρόνια έχουν μεγάλη ανάπτυξη για τις πολλαπλές χρήσεις τους, γιατί παρουσιάζουν μεγάλη αντοχή στα οξέα και είναι αρκετά οικονομικές. Από πολυβινυλικές ρητίνες (vipla, PVC κλπ.) κατασκευάζονται σωλήνες, πλάκες, επενδύσεις βυτίων, επενδύσεις ηλεκτρικών καλωδίων, δοχείων διάφορων τύπων κλπ. Το χλωριούχο βινύλιο παράγεται από το ακετυλένιο και υδροχλωρικό οξύ ή από την τετραλίνη ή τέλος από το αιθυλένιο και χλώριο, με καταλύτες άλατα του υδραργύρου· σε αυτή την τελευταία μέθοδο, το χλωριούχο βινύλιο διαχωρίζεται με απόσταξη από τα άλλα χλωριούχα υποπαράγωγα. Η ρητίνη παράγεται με πολυμερισμό σε φάση γαλακτώματος σε μορφή σκόνης που στη συνέχεια πλαστικοποιείται. Το σημείο τήξης εξαρτάται από την περιεκτικότητα σε χλώριο, από 80°C (53-55% χλώριο) σε 140°C (68% χλώριο). To PVC, που μπορεί να απορροφήσει έως 70% του πλαστικογενούς, επεξεργάζεται σε καλούπια ή σε κυλίνδρους ή με τη μέθοδο της εκβολής. Το οξικό βινύλιο επίσης υφίσταται πολυμερισμό, δίνοντας προϊόντα αδιάβροχα στο νερό και μη συγκολλούμενα μεταξύ τους (vinavil)· όπως το χλωρικό, έτσι και το οξικό βινύλιο δίνει συμπολυμερή, από τα οποία αρχίζει η βάση της βιομηχανίας των υφαντικών ινών. Γλυκεροφθαλικές ρητίνες. Είναι προϊόντα της συμπύκνωσης της γλυκερίνης με το φθαλικό ανυδρίτη. Η αντίδραση πετυχαίνεται υπό ειδικές συνθήκες θερμοκρασίας και με καταλύτες με βάση τον υδράργυρο. Χρησιμοποιούνται για βερνίκια, χρώματα κλπ. Μηλεϊνικές ρητίνες. Παράγωγα συμπύκνωσης του μηλεϊνικού οξέος και της γλυκερίνης (ρητίνες θερμοσκληρυνόμενες) ή παράγωγα του (μηλεϊνικού οξέος με γλυκόλη (ρητίνες θερμοπλαστικές). Μπορούν να συμπιεστούν σε χαμηλές θερμοκρασίες (40-50°C) και χαμηλή πίεση και έτσι είναι δυνατή η κατασκευή αντικειμένων μεγάλων διαστάσεων. Συγκόλληση χλωριούχου πολυβινύλιου με τη μέθοδο του ηλεκτρομαγνητικού πεδίου. Πλαστικές ύλες. Δοκιμή διηλεκτρικής ανθεκτικότητας του ισοτακτικού πολυπροπυλενίου (moplen). Κυλίνδρωση του χλωριούχου πολυβινύλιου (vipla): η πλαστική ουσία περνάει ανάμεσα σε δύο κυλίνδρους, όπου συμπιέζεται και λειαίνεται και βγαίνει με τη μορφή λεπτού ομογενούς φύλλου.