plastics

Tworzywa sztuczne to materiały polimerowe, potocznie nazywane plastikami. Ich podstawowym składnikiem jest polimer, czyli związek wielkocząsteczkowy zbudowany z wielu powtarzających się jednostek strukturalnych – merów. W praktyce tworzywo sztuczne nie jest zwykle „czystym” polimerem: może zawierać dodatki modyfikujące właściwości, takie jak stabilizatory, barwniki, pigmenty, napełniacze, środki smarne, plastyfikatory, środki porujące lub koncentraty barwiące.

Polimery wykorzystywane w tworzywach mogą być syntetyczne, naturalne albo modyfikowane. Otrzymuje się je m.in. w procesach polimeryzacji, polikondensacji oraz przez chemiczną modyfikację polimerów naturalnych i syntetycznych. Przykładem przemysłowej metody wytwarzania polimerów jest polimeryzacja emulsyjna, stosowana m.in. przy produkcji PVC, polistyrenu, PMMA, kauczuków syntetycznych, lateksów i dyspersji polimerowych.

Właściwości i znaczenie

Tworzywa sztuczne są jedną z najbardziej zróżnicowanych grup materiałów. Ich popularność wynika z połączenia cech, które można dobierać do zastosowania: małej masy, odporności chemicznej, odporności na korozję, właściwości izolacyjnych, łatwości kształtowania, możliwości barwienia oraz modyfikowania parametrów mechanicznych, cieplnych i użytkowych. W wielu zastosowaniach umożliwiają zastępowanie metali, szkła, ceramiki, drewna lub betonu.

Właściwości tworzywa zależą nie tylko od rodzaju polimeru, lecz także od jego budowy, masy cząsteczkowej, stopnia krystaliczności, obecności dodatków, sposobu przetworzenia oraz warunków użytkowania. Przykładowo tworzywa amorficzne, takie jak PS, PC, PMMA czy ABS, mają nieuporządkowaną strukturę makrocząsteczek i zwykle miękną stopniowo w zakresie temperatur związanych z przejściem szklistym. Zachowują się więc inaczej niż polimery częściowo krystaliczne, dla których istotne są krystalizacja, topnienie fazy krystalicznej i skurcz przetwórczy.

Przetwórstwo

Tworzywa sztuczne przetwarza się wieloma technologiami, dobieranymi do rodzaju polimeru i wyrobu. Do najważniejszych należą formowanie wtryskowe, wytłaczanie, rozdmuch, termoformowanie, kalandrowanie, spienianie, zgrzewanie i spawanie tworzyw. Wytłaczanie jest procesem ciągłym, w którym materiał – najczęściej granulat, proszek, płatki, przemiał lub przygotowana mieszanka – zostaje uplastyczniony w wytłaczarce i przetłoczony przez głowicę nadającą mu kształt. Metodą tą wytwarza się m.in. rury, profile, folie, płyty, taśmy, izolacje przewodów, granulaty, regranulaty, kompozyty i masterbacze.

W przetwórstwie duże znaczenie ma przygotowanie surowca. Zawartość wilgoci w granulkach polimerowych powinna być kontrolowana, ponieważ nadmierna wilgoć może powodować wady wyrobów, zmiany lepkości stopu, pogorszenie właściwości mechanicznych, pęcherze, przebarwienia, kruchość oraz problemy wymiarowe. Szczególnie wrażliwe na wilgoć są m.in. PET, PBT i poliamidy; w wielu przypadkach konieczne jest suszenie materiału oraz właściwe przechowywanie otwartych opakowań.

Zastosowania

Tworzywa sztuczne są wykorzystywane w opakowaniach, budownictwie, motoryzacji, elektronice i elektrotechnice, medycynie, rolnictwie, gospodarstwach domowych, tekstyliach, transporcie, kablach, systemach rurowych i wielu produktach konsumpcyjnych. W systemach wodno-kanalizacyjnych cenione są m.in. za odporność chemiczną, odporność na korozję, niską chropowatość, elastyczność i trwałość eksploatacyjną. W motoryzacji i elektromobilności istotne są ich mała masa, możliwość integracji wielu funkcji w jednym elemencie oraz swoboda projektowania powierzchni, uchwytów, elementów wnętrza, oświetlenia, czujników i komponentów konstrukcyjnych.

W zastosowaniach technicznych właściwości tworzyw mogą być dodatkowo poprawiane przez modyfikację. Przykładem jest sieciowanie radiacyjne, które może zwiększać odporność termiczną i chemiczną, odporność na pełzanie oraz zużycie. Dzięki temu standardowe tworzywa konstrukcyjne lub masowe mogą w wybranych zastosowaniach zastępować droższe polimery wysokowydajne albo elementy metalowe.

Tworzywa biodegradowalne i biopochodne

Osobną grupą są tworzywa biodegradowalne, czyli materiały polimerowe zdolne do biologicznego rozkładu pod wpływem mikroorganizmów. Biodegradowalności nie należy utożsamiać z biopochodzeniem ani z kompostowalnością: materiał może pochodzić z surowców odnawialnych, ale nie być biodegradowalny, a tworzywo biodegradowalne może wymagać ściśle określonych warunków, np. kompostowania przemysłowego. Do przykładów należą PLA, PHA, tworzywa skrobiowe, PCL, PBAT i PBS.

Recykling i gospodarka o obiegu zamkniętym

Ograniczanie wpływu tworzyw na środowisko wymaga odpowiedniego projektowania wyrobów, selektywnej zbiórki, sortowania, recyklingu oraz zapobiegania zaśmiecaniu. Dla różnych strumieni odpadów stosuje się różne metody: recykling mechaniczny, recykling z użyciem rozpuszczalników, depolimeryzację, pirolizę, zgazowanie, a w ostatniej kolejności odzysk energii. Recykling mechaniczny jest energooszczędny i dobrze sprawdza się dla względnie czystych, jednorodnych strumieni, ale tworzywa techniczne i wielomateriałowe wyroby często wymagają technologii dostosowanych do konkretnego polimeru i składu odpadu.

W przypadku tworzyw usieciowanych radiacyjnie recykling materiałowy może być możliwy w określonych granicach, np. przez rozdrobnienie i domieszkowanie regranulatu, ale dopuszczalny udział zależy od materiału i stopnia usieciowania. Gdy recykling materiałowy nie jest właściwy, rozważa się recykling surowcowy lub energetyczny.