Насколько экологично и безопасно использование пластиковой упаковки, конструктивных пластмасс и синтетических полимеров в повседневной жизни? Если все пластики делают из нефти, можно ли их использовать в строительстве и производстве? Чтобы разобраться в этом, нужно понять как и из чего делают пластмассы. На самом деле, их производство и использование значительно экологичнее, чем мы привыкли об этом думать.
Сырье для изготовления пластика
Первое, что нужно учесть – есть так называемые пластики биологического происхождения. Это небольшая группа, которая составляет около 1% от всего производства пластмассы в мире, но она существует. В эту группу входят полимеры из растений – из кукурузы, пшеницы, крахмала, сахарного тростника. Идея получения пластмасс из растений связана с заботой об окружающей среде.
Использование биополимеров связано, в первую очередь, не с утилизацией мусора. Отработанный биопластик может разлагаться как несколько месяцев, так и две сотни лет – прямо как пластики из нефти. Поиск альтернативного, природного сырья для производства пластмасс необходим, чтобы найти возобновляемый источник для производства. Ведь запасы полезных ископаемых ограничены. Поэтому ученые занимаются активным поиском нового сырья – в основном это растения, но и материалы животного происхождения тоже, например, при производстве биополимеров используют хитин, добытый из раковин ракообразных.
Однако львиная доля полимеров изготавливается из углеводородного сырья. Такие полезные ископаемые как нефть, газ и уголь – основа для производства пластиков. Углеводородное сырье оптимально подходит из-за строения своих молекул – они пригодны для полимеризации.
Изготовление пластика из газа или угля дороже, чем из нефти, поэтому чаще всего используют именно черное золото. И тут было бы уместно спросить – выгодно ли тратить нефть на пластик, если ее запасы постепенно уменьшаются? Тут начинается самое интересное. Для производства пластмасс используют не саму нефть, а нефтепродукты. Чаще всего в ход идет ПНГ – попутный нефтяной газ. Как понятно из названия, ПНГ является побочным продуктом нефтедобычи. Если бы его не собирали для дальнейшего производства пластмасс, то нефтяной газ просто сжигался бы на факелах, как ненужный отход.
Есть и сырье третьего типа – пластик после вторичной переработки. Это основное преимущество пластмасс, в сравнении с любыми другими материалами, – они полностью подвергаются переработке. Пластик можно использовать бесчисленное количество раз, что намного лучше для экологии в целом, чем материалы природного производства, но с ограниченным циклом использования.
Таким образом, сырье для пластиков бывает:
- Биологическим – растения, раковины ракообразных.
- Углеводородным – газ, уголь, нефть.
- Вторичным – пластик после переработки.
Этапы производства пластика из нефти
Так как нефть – самое распространенное и выгодное сырье для производства пластмасс, рассмотрим производственный цикл на его примере.
Этап 1: Подготовка сырья
Как мы уже упоминали, для производства пластика используется не сама нефть, а ее производные. Нефтепродукт для пластмассы можно получить двумя путями:
- Во время добычи нефти – тот самый попутный нефтяной газ.
- Во время нефтепереработки.
Рассмотрим, как добыть сырье для пластика на производстве. Сырая нефть, которая изначально имеет густую структуру, напоминающую патоку, подогревается в специальных печах. Подогрев запускает процесс разделения углеводородов на разные группы, в зависимости от молекулярной массы. В специальной трубе происходит процесс дистилляции: тяжелые частички опускаются на дно, а легкие – всплывают. По сути происходит разделение на тяжелый гудрон, дизель, керосин, бензин и газ. Где-то между бензином и керосином находится тонкая прослойка жидкости – нафты, другое название лигроин. Вот эта нафта и станет сырьем для производства пластика.
Как мы видим, все элементы распада нефти, все нефтепродукты находят свое практическое применение. Поэтому нельзя сказать, что производство пластмасс сильно сокращает общий объем нефти, так как используется только один из вторичных продуктов нефтепереработки.
В нафте есть такие углеводороды как этилен, бутилен, пропилен. Именно они являются молекулами, которые лучше всего связываются в полимерные цепочки и впоследствии позволяют изготовить наибольшее количество конструкционных пластиков и синтетических тканей, в том числе высокомолекулярный полиэтилен, полиамид, полиуретан, нейлон, капрон.
Однако этилен, бутилен и пропилен нельзя просто взять и связать в полимерные цепочки. Чтобы это сделать, их нужно разбить на мелкие частички. Для этого используются подогревающие установки с подачей давления. Под таким воздействием они расщепляются на мономеры – мельчайшие кирпичики для дальнейшей полимеризации.
Этап 2: Полимеризация
Полимеризация – это процесс получения длинных полимерных цепей из одиночных мономеров. Такие цепи очень прочные – именно этим объясняется устойчивость пластиков к воздействию. В результате такой реакции получаются синтетические полимеры, например, винипласт, капролон, полиацеталь.
Во время полимеризации важно, какие именно мономеры попадают в цепочки. Например, из этилена путем полимеризации получается полиэтилен, а из пропилена – полипропилен.
Полимеризация может осуществляться двумя способами:
- Аддитивная. В смесь добавляются катализаторы, которые запускают процесс полимеризации.
- Конденсационная. Напротив, из массы удаляются многие легкие вещества и излишки влаги, чтобы получить чистый нейлон или полиэстер.
Этап 3: Создание пластической массы
Из нефтяного сырья методом полимеризации получился синтетический полимер. Но чаще всего этого недостаточно. Чтобы получилась пластмасса, нужно добавить различные компоненты, например:
- красители – дают массе и готовому изделию оттенок, например, большой ассортимент цветов у цветного оргстекла;
- пластификаторы – они повышают гибкость пластика и снижают его хрупкость в условиях отрицательных температур;
- отвердители – ускоряют процесс застывания;
- просветители – нужны при производстве прозрачных пластмасс;
- наполнители – меняют технические характеристики итогового материала;
- антифоги– препятствуют запотеванию изделия;
- осушители – поглощают влагу;
- отбеливатели, например, диоксид титана;
- антипирены – повышают устойчивость к высокотемпературному воздействию;
- антиоксиданты – увеличивается устойчивость к термическому окислению;
- антисептики – необходимы для устранения любой патогенной микрофлоры, что особенно важно для пластиков, которые будут контактировать с продуктами питания.
Мы рассмотрели процесс производства пластика на основе нефти на примере полиэтилена и полипропилена, так как они одни из самых распространенных материалов. Однако все пластмассы, которые изготавливаются из синтетических полимеров, а это 99% из всего ассортимента пластиков на рынке, проходят такие же три этапа:
- Подготовка сырья: если это не нефтепродукты, то скорее всего природный газ или уголь. В любом случае нужно углеводородное сырье.
- Полимеризация – обязательный этап производства любой пластмассы. Иногда полимеры создаются из одного типа мономеров, иногда – в их комбинации.
- Создание пластической массы. Добавки могут быть самыми разными, они значительно меняют свойства пластиков. Если бы не добавки, то все синтетические полимеры были бы одинаковыми. Например, во фторопласте (тефлоне) большое количество фтора. Он добавляется как раз на третьем этапе производства пластмассы.
Также не забываем о том, что сырье может быть не только первичным, но и вторичным – та самая вторпереработка пластика. В таком случае этапы производства несколько отличаются.
Как производят пластик – технологии изготовления
Мы узнали, из чего делают пластмассы, какое сырье для этого нужно, теперь поговорим о том, что же делают дальше на заводах с полученной пластической массой. Есть несколько технологий производства пластмассы:
- Экструзия. Пластичный материал заполняется в аппарат, из которого он выходит под давлением через формующие головки.Так получаются готовые изделия, например, трубы. Чаще всего экструдер наполняется гранулированным пластиком. Например, используются гранулы капролона или гранулы полиамида.
- Экструзия с раздувом. Актуальна для изготовления емкостей из пластика, например, бутылок.
- Вакуумная формовка. Нужна, чтобы из пластической массы сделать заготовки для дальнейшего использования. Таким способом делают листы и стержни полиацеталя и других пластиков.
- Литье под давлением. Это наиболее точный метод для получения изделий из пластмассы со сложной конфигурацией.
Таким образом, изготовление пластмасс и пластиковых изделий – трудоемкий процесс, который происходит в несколько этапов. Однако сложность производства полностью компенсируется многообразием современных синтетических полимеров, их практичностью и долговечностью.