Plasty

Polyadice a polykondenzace
Rozdělení chemických reakcí vzniku plastů je velmi mnoho a jsou často hodně složité. Pro představu nám bohatě poslouží rozdělení na vznik adicí a kondenzací.Tento systém dělí vznik polymerů na polyadici a polykondenzaci
Polyadiční polymerace je, když se monomery pospojují a bezezbytku vytvoří velkou molekulu. Té se říká makromolekula. Naproti tomu polykondenzace znamená spojení monomerů v polymer za vyloučení určité látky. Tato látka bývá nejčastěji nějaká malá molekula, většinou voda, ale může to být třeba i chlorovodík. Pojďme se raději podívat na nějaké příklady k lepšímu pochopení:

Když je propylen (obrázek nalevo) polymerizován na polypropylen (PP), každý atom propylenu se stane součástí polypropylenu. Monomer je přidán (anglicky Add, z toho adice) k nově vznikajícímu polymeru. Polyadice by se dala přirovnat k dobrému kamarádovi, který vás bere celého. S dobrými i špatnými vlastnostmi.

Ale polykondenzace je spíš jako povýšený spolek, který tvrdí "Jistě, že se můžeš připojit, ale musíš se zbavit svých starých přátel". Jak vidíte níže, v polykondenzaci některé atomy monomeru neskončí v polymeru. Nylon 6,6 (ano, je to ten normální, „obyčejný“ nylon) se dá vyrábět z hexadiové kyseliny a hexamethylendiaminu. OH skupina se sloučí s atomem vodíku a spolu s polymerem vzniká obyčejná voda.
Protože vzniklého polymeru je méně než původních polymerů (podle množství atomů a váhy), tak s ohledem na monomery tvrdíme, že polymer zkondenzoval. Vedlejší produkt,ať již to voda, či něco jiného, je nazýván kondensát.

Výroba polyvinylchloridu (PVC)

Polyvinylchlorid (obr. vlevo) je nejvíce vyráběným plastem na světě a je snad nejčastějším polymerem vůbec. Příprava monomeru i polymeru je důkladně prozkoumána a polyvinylchlorid patří k látkám, které se nejrychleji rozvíjejí. Vinylchlorid (obr. vpravo) se připravuje reakcí ethenu a chloru.
Polyvinyl chlorid se vyrábí nejlépe kontinuální emulzní polymeraci, při níž se používá soustava autoklávů (silnostěnná komora pro práci za vysokých tlaků a teplot), kterými polymerizovaná směs postupně prochází. Tím dochází k maximální výtěžnosti. Reakční doba bývá kolem několika hodin. Čistý polyvinylchlorid se z výsledné směsi (tj. nezreagovaný vinylchlorid a pomocné látky jako iniciátory a katalyzátory) izoluje odpařováním.
Polyvinylchlorid je bílý prášek nebo zrnitá hmota. Polymerují se spíše do řetězců, jen částečně se rozvětvujících. Není rozpustný ve vodě, v olejích i v koncentrovaných anorganických kyselinách a zásadách. Měkne při teplotách okolo 85 – 170 °C, při vyšších teplotách se rozkládá na jedovatý chlorovodík a uhlovodíkový zbytek. PVC má dobré elektroizolační vlastnosti.
Samotný polymer se nezpracovává, mísí se jen s různými přísadami. Například se používají rozdílná změkčovadla. Potom rozlišujeme polyvinylchlorid neměkčený a měkčený, který obsahuje až 50 % změkčovadel. Měkčené PVC je poddajné, částečně elastické a jeho mechanické vlastnosti se mění s obsahem přísad. Z tohoto materiálu se vyrábějí zejména fólie a igelitové tašky (igelit je jen jeho obchodním názvem). Neměkčený polyvinylchlorid se užívá především na technické výrobky, trubky, tyče, profily, výlisky, desky a nádoby. Mají uplatnění prakticky všude a navíc tam, kde je vyžadována dobrá chemická odolnost. Výrobky se navíc velmi dobře obrábějí.

Přísady do plastů
Všechny přírodní a syntetické kaučuky a některé plasty nemají takové vlastnosti, aby se mohly zpracovávat rovnou na výrobky. Vyžadují tekuté nebo tuhé přísady, které jednak usnadňují jejich zpracování, jednak upravují jejich vlastnosti dle požadavků. Kaučuky vyžadují větší množství přísad, naproti tomu plasty se většinou zpracovávají „čerstvé“ a jejich vlastnosti jsou dány podmínkami polymerace. Do mnoha plastů se ale přidávají také různá plniva.
Vulkanizace
Přírodní i syntetické kaučuky se vulkanizují přidáním síry v rozdílném množství podle potřeby za zvýšené teploty. Používá se 20 až 300 gramů síry na kg kaučuku. Čím víc síry se přidá, tím bude výrobek tvrdší a houževnatější. K urychlení vulkanizace se používají i různé urychlovače, některé urychlovače vyžadují další látky, tzv. aktivátory. Ke zpomalení vulkanizace slouží retardéry. Využití mají při používaní rychlých urychlovačů, které jsou vynuceny technologií zpracování. Dalšími sloučeninami užívanými v gumárenském průmyslu jsou změkčovadla, které usnadňují zpracování kaučuku.
Antidegradanty
Antidegradanty jsou sloučeniny, které potlačují samovolnou degradaci (stárnutí, snížení kvality) polymerů, vyvolanou vnějšími, především atmosférickými, vlivy. Používají se do nezvulkanizovaných kaučuků, pryže, ale i do plastů. Podle účinku se označují jako antiozonanty, antioxidanty nebo stabilizátory. Ačkoli stárnutí materiálu nemůže být nijak zastaveno, pomocí těchto přísad může být výrazně zpomaleno. Existuje (a používá se) mnoho sloučenin, které jsou či mohou být použity jako antidegradanty.
Plniva
Plniva se přidávají do směsí kaučuků (ztužující plniva, a některých plastů. Ve výrobcích z gumy jsou často zcela nepostradatelné, nevoť zásadním způsobem mění vlastnosti materiálu. U plastů buďto jen zlevňují výrobek, nebo upravují některé mechanické vlastnosti, jako například pevnost v tahu, rázovou pevnost, odolnost vůči kyselinám a teplotě, nebo je možno použít lehká plniva pro snížení hmotnosti.
Pigmenty
Pigmenty se používají k barvení kaučuku a gumy i plastových výrobků. Dobrá barva se musí dobře mísit a snášet s polymerem, musí mít dobrou světelnou a tepelnou stabilitu, aby odstín neslábl, nesvětlal či úplně nemizel. Navíc nesmějí být vyluhovatelné vodou. Existují pigmenty organické a anorganické.Anorganické barvy mají zpravidla malou kryvost, nedávají jasné barvy a nelze s nimi dosáhnout jemných odstínů. Na druhou stranu jsou výrazně levnější než organická barviva. Nenahraditelné jsou bílé anorganické pigmenty (např. oxid titaničitý). Organické barvy mají většinou dobrou kryvost, směs dobře vybarvují i v malém množství, a umožňují získat jasné pastelové barvy. Některé z nich však nesnášejí podmínky vulkanizace. Jsou drahé, a jejich složení výrobci tají.

Výroba polyethylenu (PE)
Polyethylen je znám již od roku 1935, ale až do roku 1953 byl málo rozšířen, protože se do té doby vyráběl jen obtížnou polymerací za vysokého tlaku. Vylepšením technologie se polyethylen stal snad nejrozšířenějším plastem po PVC (polyvinylchlorid). Samotný ethylen (CH2=CH2) se získává z ethenu(CH3=CH3), ropy, zemního plynu a odpadu ze zpracování uhlí. Ethylen je bezbarvý nasládlý plyn s mírným narkotickým účinkem. Je dosti reaktivní a jeho bod varu je kolem –100 °C. Polymerace ethylenu vyžaduje buď mimořádné podmínky, nebo účinné katalyzátory.
Polymerace ethylenu za vysokého tlaku byla zavedena nejdříve a přesto se stále používá. Při této polymeraci se pracuje s vysokými tlaky 50 – 300 MPa (megaPascal, 1 atmosféra je asi 10 MPa) při teplotě kolem 300 °C. Při této reakci se uvolňuje velké množství tepla a kdyby nebyl reaktor účinně chlazen, došlo by k explozi. Jako katalyzátor se zde užívá chlorid hlinitý (AlCl3). Nejběžnější je polymerace v plynné fázi. Trubky, užívané jako reaktor, jsou silně chlazeny a přivádí se do nich stlačený ethylen s malým množstvím kyslíku jako iniciátoru (iniciuje, nastartuje reakci). Většina ethylenu zpolymeruje relativně rychle, ale reakce se nechává běžet i několik hodin. Obrázek aparatury užívané k výrobě vidíte vedle. Konečný produkt polymerace má olejovitý charakter. Zpracovaný produkt se buď do forem vstřikuje nebo se do nich vytlačuje.
Z polyethylenu jsou například tašky, mikroten, láhve na saponáty, mísy apod. Rozlišuje se polyethylen HD (High density, vysoká hustota, mery jsou v řetězci) a LD (Low density, nízká hustota, mery jsou navzájem zesíťované). Polypropylen HD je méně rozpustný, pružnější a transparentní, s rostoucím zesíťováním tvrdne a křehne. Polyethylen se dá snadno upravovat například ozářením (kdy dochází k výše zmíněnému síťování), chlorováním (plast změkne, zohební), chlorsulfováním (Polyethylen se chloruje v přítommnosti oxidu siřičitého. Takto upravený je lepivý, podobný kaučuku. Ten se může dále upravovat a dokonce vulkanizovat vodou. Vyrábějí se z něho materiály odolné kyselinám a žáru) atd. Každá z těchto úprav mění zásadním způsobem vlastnosti polyethylenu.

Výroba polystyrenu (PS)
Polystyren (obr. dole) patří k nejlépe prozkoumaným polymerům, protože příprava monomeru styrenu (obr. vlevo) je snadná a jeho polymerace tepelnou iniciací umožnila výzkum radikálové polymerace. Styren se získává reakcí benzenu a ethenu.
Nejpoužívanější metodou polymerace je polymerace bloková kontinuální. Při této polymeraci se používají vysoké hliníkové věže, do nichž se přivede předpolymer styrenu (viskózní roztok polystyrenu ve zbývajícím styrenu, tedy styren, který ještě zcela nezpolymeroval). Věž má pásma vyhřívaná na určitou teplotu a při průchodu jimi styren postupně polymeruje. Teploty jsou rozděleny tak, aby se rychlost reakce příliš nezvyšovala a nedocházelo k přehřívání jednotlivých pásem. Polymer spolu se zbytkem nezreagovaného monomeru stékají do spodní části, kde má věž teplotu kolem 180 °C. Roztavený polystyren spolu s nezreagovaným styrenem(kterého je tam okolo 10 %) se odtahují rovnou do granulovacího stroje, který taveninu rozseká na malé granule. Ty jsou připraveny pro další zpracování.
Polystyren je čistá, tvrdá a lesklá hmota, málo houževnatá, při nárazu praská, měkne v rozmezí 80 – 100 °C a rozpadá se při teplotách nad 25 °C. Je odolný vůči vodě, anorganickým kyselinám a zásadám. Rozpouští se v aromatických uhlovodících. Polystyren je jedním z nejlepších elektroizolantů. Z polystyrenu se vyrábí velké množství předmětů. Jsou to různé obaly, audiokazety, krabice na různé přístroje, tenké vrstvy mohou být průhledné a nahrazují mnohde slídu, velmi dobře se barví. Velké využití má jako termoizolant pro chladicí techniku. Nevýhodou je jeho hořlavost.
Normální polystyren nevyhovuje, pokud jde o rázovou houževnatost (odborný termín pro pevnost v nárazech) a pevnost v tahu. Proto se připravuje takzvaný houževnatý polystyren, který se připravuje tím, že se do roztaveného polymeru přidá elastická složka (např. polybutadien).