Plast kan enten være ‘syntetisk’ eller ‘biobaseret’. Syntetisk plast er afledt af råolie, naturgas eller kul. Mens biobaseret plast kommer fra vedvarende produkter såsom kulhydrater, stivelse, vegetabilske fedtstoffer og olier, bakterier og andre biologiske stoffer.
Langt størstedelen af plastik, der bruges i dag, er syntetisk på grund af den lette fremstillingsmetoder, der er involveret i forarbejdning af råolie. Den voksende efterspørgsel efter begrænsede oliereserver driver imidlertid et behov for nyere plast fra vedvarende ressourcer såsom biomasseaffald eller animalske affaldsprodukter fra industrien.
I Europa er kun en lille del (ca. 4 – 6 %) af vores olie- og gasreserver går til produktion af plast, mens resten bruges til transport, elektricitet, opvarmning og andre applikationer.
Det meste af den plast, der bruges i dag, stammer fra følgende trin:
1. Udvinding af råstoffer (hovedsageligt råolie og naturgas, men også kul) – det er en kompleks blanding af tusindvis af forbindelser, som derefter skal behandles.
2. Raffineringsprocesomdanner råolie til forskellige olieprodukter – disse omdannes til at give nyttige kemikalier, herunder “monomerer” (et molekyle, der er de grundlæggende byggesten i polymerer). I raffineringsprocessen opvarmes råolie i en ovn, som derefter sendes til destillationsenheden, hvor tung råolie udskilles i lettere komponenter kaldet fraktioner. En af disse, kaldet naphtha, er den afgørende forbindelse til at lave en stor mængde plastik. Der er dog andre midler, såsom at bruge gas.
3. Polymerisationer en proces i petroleumsindustrien, hvor lette olefingasser (benzin) såsom ethylen, propylen, butylen (dvs. monomerer) omdannes til kulbrinter med højere molekylvægt (polymerer). Dette sker, når monomerer er kemisk bundet til kæder. Der er to forskellige mekanismer til polymerisation:
- Additionspolymerisation
Additionspolymerisationsreaktionen er, når en monomer forbindes med den næste (dimer) og dimer til næste (trimer) og så videre. Dette opnås ved at indføre en katalysator, typisk et peroxid. Denne proces er kendt som kædevækstpolymerer – da den tilføjer en monomerenhed ad gangen. Almindelige eksempler på additionspolymerer er polyethylen, polystyren og polyvinylchlorid. - Kondensationspolymerisation
Kondensationspolymerisation omfatter sammenføjning af to eller flere forskellige monomerer, ved fjernelse af små molekyler som f.eks. vand. Det kræver også en katalysator for at reaktionen kan finde sted mellem tilstødende monomerer. Dette er kendt som trinvækst, fordi du for eksempel kan tilføje en eksisterende kæde til en anden kæde. Almindelige eksempler på kondensationspolymerer er polyester og nylon.
4. Sammensætning/forarbejdning
Ved sammensætning smelteblandes forskellige blandinger af materialer (blandes ved smeltning) for at fremstille formuleringer til plast. Generelt anvendes en ekstruder af en eller anden type til dette formål, som efterfølges af pelletisering af blandingen. Ekstrudering eller en anden støbeproces omdanner derefter disse pellets til et færdigt eller halvfærdigt produkt. Sammensætning forekommer ofte på en dobbeltskruet ekstruder, hvor pellets derefter forarbejdes til plastikobjekter af unikt design, forskellig størrelse, form, farve med nøjagtige egenskaber i henhold til de forudbestemte betingelser, der er indstillet i forarbejdningsmaskinen.
Mere detaljerede oplysninger om, hvordan plast fremstilles, findes i følgende afsnit nedenfor:
-
- Polymer vs. plastik
- Hvad er kulbrinter?
- Hvordan skabes syntetisk plast af råolie?
- Hvordan skabes plastik af naphtha?
- Hvad er hovedingrediensen i plastik?
- Hvilket var den første menneskeskabte plastik?
- Hvad blev brugt før plastik?
- Kan man lave plastik uden olie?
ol>
1. Polymer vs. plastik
Alt plast er i det væsentlige polymerer, men ikke alle polymerer er plast. Udtrykket polymer og monomer er afledt af græske ord: hvor ‘poly’ betyder ‘mange’, ‘mer’ betyder ‘gentagende enhed’ og ordet ‘mono’ betyder ‘en’. Dette betyder bogstaveligt talt, at en polymer er lavet af mange monomer-gentagende enheder. Polymerer er større molekyler dannet ved kovalent at forbinde mange monomer-enheder sammen i form af kæder som perler på en perlerække.
Ordet plast kommer fra ‘plasticus’ (latin for ‘i stand til at støbe’) og ‘plastikos’ (græsk for ‘egnet til støbning’). Når vi siger plast, refererer vi til organiske polymerer (syntetiske eller naturlige) med høj molekylvægt, som er blandet med andre stoffer.
Plast er højmolekylære organiske polymerer sammensat af forskellige elementer såsom kulstof, brint , oxygen, nitrogen, svovl og klor. De kan også fremstilles af siliciumatom (kendt som silikone) sammen med kulstof; et almindeligt eksempel er silikonebrystimplantater eller silikonehydrogel til optiske linser. Plast består af polymerharpiks, ofte blandet med andre stoffer, der kaldes tilsætningsstoffer.
‘Plasticitet’ er det udtryk, der bruges til at beskrive egenskaben, træk og egenskab af et materiale, der kan deformeres irreversibelt uden at gå i stykker. Plasticitet beskriver, om en polymer ville overleve temperaturen og trykket under støbeprocessen.
Kemi giver os mulighed for at variere forskellige parametre for at justere polymerernes egenskaber. Vi kan bruge forskellige grundstoffer, ændre typen af monomerer og omarrangere dem i forskellige mønstre for at ændre polymerens form, dens molekylvægt eller andre kemiske/fysiske egenskaber. Dette gør det muligt at designe plastik til at have de rigtige egenskaber til en specifik anvendelse.
2. Hvad er kulbrinter?
Det meste plastik, der bruges i dag, kommer fra kulbrinter, der stammer fra råolie, naturgas og kul – fossile brændstoffer.
Hvad er et kulbrinte?
Kulbrinter er organiske forbindelser (kan være alifatiske eller aromatiske) opbygget af kulstof og brint. Alifatiske kulbrinter har ingen cykliske benzenringe, mens aromaterne har benzenringe.
Carbon (C, atomnummer = 6) har en valens på fire, hvilket betyder, at det har fire elektroner i yderste skal. Det er i stand til at parre sig med fire andre elektroner fra et hvilket som helst element i det periodiske system for at danne kemiske bindinger (for kulbrinte vil det parre sig med brint). Hydrogen på den anden side (H, med atomnummer = 1) har kun én elektron i valensskallen, så fire af disse H-atomer er klar til at blive parret med C-atomet ved at danne en enkeltbinding for at give en C-H4 molekyle. CH4-molekyle kaldes methan, som er det enkleste kulbrinte og det første medlem af alkanfamilien. Tilsvarende, hvis to C-atomer ville binde sammen, kan de forbindes med op til seks H-atomer, hvoraf tre er på hvert C-atom for at give en kemisk formel CH3-CH3 (eller C2H6) kendt som ethan, og serien fortsætter som følger.
Alkanfamilie: Methan (CH4), ethan (CH3-CH3 eller C2H6), propan (CH3-CH2-CH3), butan (CH3-CH2-CH2- CH3), pentan (CH3-CH2-CH2-CH2-CH3), hexan, heptan, octan, nonan, dodecan, undecan og så videre.
Bemærk, at denne type binding med carbon og hydrogen er en mættet binding (sigmabinding betegnet som σ-binding). Der kan også være umættet binding, hvor en pi-binding (π-binding) er til stede sammen med sigma-binding, der giver carbon-carbon dobbeltbindinger (alkener) eller har to π-bindinger med en sigma, der giver carbon-carbon tripelbinding (alkyner), som afhænger meget af typen af hybridisering mellem grundstofferne.
Alkenfamilie: Ethylen (CH2=CH2 eller C2H4), propylen (CH2=CH-CH2), 1-butylen (CH2=CH-CH2-CH3), 2-butylen (CH3-CH=CH-CH3) og så videre. (Bemærk, at 1-butylen og 2-butylen er isomerer af butylen).
Alkyncarbonhydrider: Ethyn (CH ≡ CH eller C2H2), propyn (CH≡C-CH3) ), 1-butyn (CH≡C-CH2-CH3), 2-butyn (CH3-CH≡CH-CH3) og så videre.
Hvad er fossile brændstoffer, og hvor kommer de fra?
Fossile brændstoffer er hovedsageligt råolie, naturgas og kul, der består af kulstof, brint, nitrogen, svovl, iltelementer og andre mineraler (Figur 1, ref). Den generelt accepterede teori er, at disse kulbrinter er dannet af resterne af levende organismer kaldet planktoner (små planter og dyr), der eksisterede i Jura-æraen. Planktonerne er blevet begravet dybere under de tunge lag af sedimenter i Jordens kappe på grund af kompression fra en enorm mængde varme og tryk. Døde organismer blev nedbrudt uden ilt, hvilket omdannede dem til små lommer af olie og gas. Råolie og gas trænger derefter ind i klipperne, der i sidste ende akkumuleres i reservoirer. Olie- og naturgasbrøndene findes på bunden af vores oceaner og nedenunder. Kul stammer hovedsageligt fra døde planter.
Forskere har også sat spørgsmålstegn ved denne teori. En nylig undersøgelse i Nature Geoscience fra Carnegie Institution i samarbejde med russiske og svenske kolleger afslørede, at det organiske stof muligvis ikke er kilden til tungt kulbrinte, og at de kan eksistere allerede dybt nede i Jorden. Eksperter opdagede, at ethan og andre tunge kulbrinter kunne fremstilles, hvis tryk-temperaturforholdene kan efterlignes med dem, der er til stede dybt inde i Jordens kerne. Det vil sige, at der kan laves kulbrinter i den øvre kappe, som er jordens lag mellem skorpen og kernen. De demonstrerer det ved at udsætte metan for laservarmebehandling i det øverste lag af Jorden, som derefter omdannes til brintmolekyle, ethan, propan, petroleumsether og grafit. Forskerne udsatte derefter ethan for de samme forhold, som reversibilitet producerede metan. Ovenstående resultater indikerer, at disse kulbrinter kan skabes naturligt uden rester af planter og dyr.
3. Hvordan skabes syntetisk plast af råolie?
Syntetisk plast kommer fra petrokemikalier. Når oliekilden under jordens overflade er identificeret, bores der huller gennem klipperne i jorden for at udvinde olie.
Udvinding af olie – Olie pumpes fra undergrunden til overfladen, hvor tankskibe bruges til at transportere olien til kysten. Olieboring kan også foregå under havet ved hjælp af støtte fra platforme. Forskellige størrelser pumper kan producere mellem 5 – 40 liter olie pr. slag.
Refinering af olie – Olie pumpes gennem en rørledning, der kan være tusindvis af kilometer lang og transporteres til en olieraffinaderi. Spild af olie fra rørledningen under overførsel kan have både umiddelbare og langsigtede miljømæssige konsekvenser, men sikkerhedsforanstaltninger er på plads for at forhindre og minimere denne risiko.
Destillation af råolie og produktion af petrokemikalier – Råolie er en blanding af hundredvis af kulbrinter, der også indeholder nogle faste stoffer og nogle gasformige kulbrinter opløst i det fra alkanfamilien (hovedsageligt er det CH4 og C2H6, men det kan være C3H8 eller C4H10). Råolie opvarmes først i en ovn, hvorefter den resulterende blanding tilføres som en damp til fraktionsdestillationstårnet. Den fraktionerede destillationskolonne adskiller blandingen i forskellige rum kaldet fraktioner. Der findes en temperaturgradient i destillationstårnet, hvor toppen er køligere end bunden. Blandingen af væske- og dampfraktioner adskilles i tårnet afhængigt af deres vægt og kogepunkt (kogepunktet er den temperatur, ved hvilken væskefasen ændres til gasformig). Når dampene fordamper og møder en flydende fraktion, hvis temperatur er under dampens kogepunkt, kondenserer den delvist. Disse dampe af fordampende råolie kondenserer ved forskellige temperaturer i tårnet. Dampe (gasser) af de letteste fraktioner (benzin og petroleumsgas), strømmer til toppen af tårnet, flydende fraktioner med mellemvægt (petroleum og dieseloliedestillater), dvæler i midten, tungere væsker (kaldet gasolier) adskilles længere nede. , mens de tungeste fraktioner (faste stoffer) med de højeste kogepunkter forbliver i bunden af tårnet. Hver fraktion i søjlen indeholder kulbrinter med et tilsvarende antal kulstofatomer, mindre molekyler er mod toppen og længere molekyler tættere på bunden af søjlen. På denne måde nedbrydes petroleum til petroleumsgas, benzin, paraffin (petroleum), naphtha, let olie, svær olie osv.
Efter destillationstrinnet omdannes de opnåede langkædede kulbrinter til kulbrinter, der kan derefter omdannes til mange vigtige kemikalier, som vi bruger til fremstilling af en bred vifte af produkter, der er anvendelige fra plastik til lægemidler.
Krakning af kulbrinte er den vigtigste proces, der nedbryder blandingen af komplekse kulbrinter til enklere lav relativ molekylær masse alkener/alkaner (plus biprodukter) ved hjælp af høj temperatur og tryk.
Revner kan udføres på to måder: Dampkrakning og katalytisk krakning. dampkrakning bruger høj temperatur og tryk til at bryde kulbrinternes lange kæder uden en katalysator, mens katalytisk krakning tilføjer en katalysator, som tillader processen at finde sted ved lavere temperaturer og tryk.
Råmaterialet, der anvendes af den petrokemiske industri. er hovedsageligt nafta og naturgas fra olieraffinering i det petrokemiske råmateriale. Dampkrakning bruger råmaterialerne fra kulbrinteblandinger fra forskellige fraktioner såsom reaktantgasser (ethan, propan eller butan) fra naturgas eller væsker (naphtha eller gasolie).
(Naphtha er en blanding af C5 til C10-carbonhydrider opnået ved destillation af råolie).
For eksempel bliver decan-carbonhydrid revnet ned til produkter som propylen og heptan, hvor førstnævnte derefter bruges til at fremstille poly(propylen). Råmaterialemolekyler er omdannet til monomerer såsom ethylen, propylen og buten og andre. Alle disse monomerer omfatter dobbeltbindinger, så kulstofatomerne efterfølgende kan reagere og danne polymerer.
Polymerisering – kulbrintemonomerer bindes derefter sammen ved hjælp af en kemisk polymerisationsmekanisme for at producere polymerer. Polymerisationsprocessen genererer tykke, tyktflydende stoffer som harpiks, som bruges til at fremstille et plastikprodukt. Hvis vi ser på et tilfælde af ethylenmonomer her; ethylen er et gasformigt kulbrinte. Når det udsættes for varme, tryk og en bestemt katalysator, bindes det sammen til lange, gentagne kulstofkæder. Disse sammenføjede molekyler (polymer) er en plastharpiks kendt som polyethylen (PE).
Produktion af PE baseret plast –poly(ethylen) forarbejdes på en fabrik til fremstilling af plastpiller . Pellets hældes i en reaktor, smeltes til en tyk væske for at støbe i en form. Væsken køler ned for at hærde til en fast plast og producere et færdigt produkt. Forarbejdning af polymer omfatter også tilsætning af blødgøringsmidler, farvestoffer og flammehæmmende kemikalier.
Typer af polymerisationer
Syntetisk plast fremstilles ved en reaktion kendt som polymerisation, som kan udføres på to forskellige måder:
- Additionspolymerisation: Syntese omfatter sammenlægning af monomerer i en lang kæde. En monomer forbindes med den næste og så videre, når en katalysator introduceres, i en proces kendt som kædevækstpolymerer, hvor der tilføjes en monomerenhed ad gangen. Nogle additionspolymerisationsreaktioner anses for ikke at skabe nogen biprodukter, og reaktionen kan udføres i dampfasen (dvs. gasfasen) dispergeret i en væske. Eksempler: polyethylen, polypropylen, polyvinylchlorid og polystyren.
- Kondensationspolymerisation: I dette tilfælde kombineres to monomerer og danner en dimer (to enheder) ved at frigive et biprodukt. Dimerer kan derefter slutte sig til tetramere (fire enheder) og så videre. Disse biprodukter er nødvendige for at blive fjernet for at lykkes med reaktionen. Det mest almindelige biprodukt er vand, som let behandles og bortskaffes. Biprodukter kan også være værdifulde råvarer, der genanvendes tilbage til fødestrømmen. Eksempler: Nylon (polyamid), polyester og polyurethan.
4. Hvordan skabes plast af nafta?
Plast fremstilles ofte af nafta. Ethylen og propylen er for eksempel det vigtigste råmateriale til oliebaseret plast, der kommer fra nafta.
Hvad er nafta?
Der findes forskellige typer nafta. Det er et udtryk, der bruges til at beskrive en gruppe af flygtige blandinger af flydende kulbrinter, opnået ved destillation af råolie. Det er en blanding af C5 til C10 carbonhydrider.
Naphtha nedbrydes termisk ved høj temperatur (~800 °C) i en dampkrakker i nærværelse af vanddamp, hvor den spaltes til lette carbonhydrider, kendt som store mellemled. Disse er olefiner og aromater. Blandt olefinerne er der C2 (ethylen), C3 (propylen), C4 (butan og butadien). Aromaterne består af benzen, toluen og xylen. Disse små molekyler er forbundet med hinanden i lange molekylære kæder kaldet polymerer. Når en polymer kommer ud af den kemiske fabrik, er den stadig ikke i form af plastik – de er i form af granulat eller pulver (eller væsker). Før de kan blive en almindelig plastik, skal de gennemgå en række transformationer. De æltes, opvarmes, smeltes og afkøles til genstande af forskellig form, størrelse farve med præcise egenskaber i henhold til forarbejdningsrørene.
For eksempel, til polymerisation af ethylen til polyethylen (PE), tilsættes initiatorer for at starte kædereaktionen, først efter dannelsen af PE, sendes den til behandling ved tilsætning af nogle kemikalier (antioxidanter og stabilisatorer). Hvorefter en ekstruder omdanner PE til strenge, hvorefter kværne omdanner det til PE-piller. Fabrikker smelter dem derefter til slutprodukter.
5. Hvad er hovedingrediensen i plastik?
Hovedingrediensen i de fleste plastmaterialer er et derivat fra råolie og naturgas. Der findes mange forskellige typer plastik – klar, uklar, ensfarvet, fleksibel, stiv, blød osv.
Plastprodukter er ofte en polymerharpiks, som derefter blandes med en blanding af tilsætningsstoffer (se polymer). vs plastik). Tilsætningsstofferne er vigtige, da de hver især bruges til at give plastik målrettede optimale egenskaber såsom sejhed, fleksibilitet, elasticitet, farve eller for at gøre dem mere sikre og hygiejniske at bruge til en bestemt anvendelse.
Hvilken type plast, et produkt er lavet af, kan nogle gange identificeres ved at se på nummeret i bunden af plastikbeholdere. Nogle af hovedtyperne af plast og modermonomeren er angivet. Denne tabel viser plasttyperne og de monomerer, der udgør plastikken.
*Monomeren, der bruges i LDPE og HDPE er ethylen, men der er forskel i graden af forgrening.
6. Hvilken var den første menneskeskabte plastik?
Mesoamerikanske kulturer (Olmec, Maya, Aztecs, 1500 BCE) brugte naturlig latex og gummi til at gøre beholdere og tøj vandafvisende. Alexander Parkes (UK, 1856) patenterede den første menneskeskabte bioplast, kaldet Parkesine, fremstillet af cellulosenitrat. Parkesine var en hård, fleksibel og gennemsigtig plast. John Wesley Hyatt (USA, 1860’erne) tjente en formue med Parkes’ opfindelse. Hyatt-brødrene forbedrede plastens formbarhed af cellulosenitrat ved at tilføje kamfer og omdøbte plasten til Celluloid. Målet var at producere billardkugler, som indtil da var lavet af elfenben. Opfindelsen betragtes af mange som det tidligste eksempel på menneskeskabt bioplast.
Den første ægte syntetiske plastik var bakelit lavet af phenol og formaldehydharpiks. Leo Baekeland (Belgien, 1906) opfandt Bakelit, der blev opfundet som et ‘nationalt historisk kemisk vartegn, da det fuldstændig revolutionerede enhver industri, der var til stede i det moderne liv. Det har egenskaben af høj modstandsdygtighed over for elektricitet, varme og kemikalier. Den har ikke-ledende egenskaber, hvilket er ekstremt vigtigt, når man designer elektroniske enheder såsom radio- og telefonkabinetter.
7. Hvad blev brugt før plastik?
Før plastikkens fødsel brugte vi træ, metal, glas og keramik og animalske materialer som horn, ben og læder. Til opbevaringsformål blev der brugt formbart ler (keramik) blandet med glas, hvilket betød, at beholderne ofte var tunge og skrøbelige.
Naturlige materialer fra gummitræets bark – gummi (latexharpiks) opstod, blandingen var klæbrig og formbar, men ikke brugbar til opbevaring. I 1700-tallet opdagede Charles Goodyear ved et uheld gummi – han tilføjede
I 1700-tallet opdagede Charles Goodyear ved et uheld gummi – han tilføjede svovl til varm rågummi, der reagerede og gjorde gummi elastisk, som ved afkøling blev elastisk dvs. , havde den egenskaben til at snappe tilbage i sin oprindelige form.
8. Kan man lave plastik uden olie?
Ja, det er muligt at lave plastik fra andre kilder end olie. Selvom råolie er den vigtigste kulstofkilde til moderne plastik, fremstilles en række varianter af vedvarende materialer. Plast fremstillet uden olie markedsføres som biobaseret plast eller bioplast. Disse er fremstillet af vedvarende biomasse såsom:
- Lignin, cellulose og hemicellulose,
- Terpener,
- Vetabilske fedtstoffer og olier,
- Kulhydrater (sukker fra sukkerrør osv.)
- Genbrugt madaffald
- Bakterier
Det skal dog bemærkes, at bioplast ikke er automatisk et mere bæredygtigt alternativ i alle tilfælde. Bioplast adskiller sig i forhold til den måde, de nedbrydes på, og bioplast kræver også, som ethvert materiale, ressourcer i deres produktion.
Bioplast, såsom PLA, repræsenterer for eksempel et biologisk nedbrydeligt materiale, der vil nedbrydes i visse miljømæssige forhold, men må ikke nedbrydes biologisk i alle slags klimaer. Derfor kræves en spildstrøm af PLA-baseret plast. I tilfælde af PLA er det en følsom polyester, der begynder at nedbrydes under genbrugsproceduren og kan ende med at forurene den eksisterende plastgenvindingsstrøm. Men bioplast kan have mange anvendelsesmuligheder, når det er designet med en ordentlig affaldsstrøm i tankerne.
Bioplast er potentielle materialer til fremstilling af engangsplastik, som det, der kræves til fremstilling af bionedbrydelige flasker og emballagefilm. For eksempel skabte en forsker fra University of Sussex i 2019 en gennemsigtig plastikfilm af fiskeskindsaffald og alger; kaldet MarinaTex. Biopolymerer er også blevet undersøgt til medicinske anvendelser, såsom kontrolleret lægemiddelfrigivelse, lægemiddelpakning og absorberbare kirurgiske suturer.
Maurice Lemoigne (Frankrig, 1926) opdagede den første bioplast fremstillet af bakterier, polyhydroxybutyrat (PHB), fra bakterien Bacillus megaterium. Da bakterier indtager sukker, vil de producere polymererne. Betydningen af Lemoignes opfindelse blev overset, indtil oliekrisen ramte i midten af 1970’erne ansporede interessen for at opdage erstatninger for oliebaserede produkter.
Henry Ford (USA, 1940) brugte bioplast fremstillet af sojabønner til nogle biler. Ford stoppede brugen af sojaplast efter Anden Verdenskrig på grund af den overskydende billige olieforsyning.
Udviklingen inden for stofskifte- og genteknologi har udvidet forskningen i bioplast, og anvendelsen af adskillige typer bioplast er blevet etableret især PHB og polyhydroxyalkanoat (PHA), selvom der er mange andre interessante udviklinger, der sker hele tiden.