Микропластик и наноматериалы в Тихом океане

МИНИСТЕРСТВО  НАУКИ И ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное автономное образовательное  учереждение высшего профессионального образование

ДАЛЬНЕВОСТОЧНЫЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

Профессиональный  коледж 
 

Ревуцкий  Артур Александрович 

МИКРОПЛАСТИК  И НАНОМАТЕРИАЛЫ  В ТИХОМ ОКЕАНЕ 
 
 

Научно- исследовательский проект

Научный руководитель (Проверил):

Цыганков В.Ю., преподаватель кафедры

Профессиональных  и 

Общеобразовательных дисциплин 
 
 
 
 
 
 
 
 

Владивосток 2011

ОГЛАВЛЕНИЕ

 Ведение……………………………………………………1

ГЛАВА 1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР

1. История пластмассы………………………………………………1
2. Свойства…………………………………………………………...2
3. Соединения………………………………………………………..3
4. Получение ………………………………………………………...9
5. Механическая обработка…………………………………………9
6. Применение пластмасс………………………………………….10
7. Заключение………………………………………………………12

ГЛАВА 2. НАНОМАТЕРИАЛЫ………………………………………….12

      2.1 Общие свойства………………………………………………….12

      2.2 Нанокластеры……………………………………………………16

ГЛАВА 3. Микропластик и наноматериалы в тихом океане…...17

      3.1 Великое тихоокеанское мусорное пятно………………………17

      3.2 Величайшая свалка планеты……………………………………20

ВЫВОДЫ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ………………………………………………….25

2.1 Введение

Пластма́ссы — органические материалы, основой которых являются синтетические или природные высокомолекулярные соединения (полимеры). Исключительно широкое применение получили пластмассы на основе синтетических полимеров.

Название «пластмассы» означает, что эти материалы под  действием нагревания и давления способны формироваться и сохранять  после охлаждения или отвердения заданную форму. Процесс формования сопровождается переходом пластически 

деформируемого (вязкотекучего) состояния в стеклообразное состояние.

Пластмассы представляют собой материалы на основе природных  или синтетических полимеров, способные  приобретать заданную форму при  нагревании и под давлением и  устойчиво сохранять ее после  охлаждения.

Органические  искусственные вещества – полимеры – построены, как известно, из макромолекул многочисленных малых основных молекул (мономеров). Процесс их образования  зависит от разных факторов – отсюда  широкие возможности варьирования и комбинирования, а следовательно и неисчерпаемые возможности получения продуктов с самыми разнообразными свойствами. Основные процессы образования макромолекул – это полимеризация, ступенчатая

Структурные формулы  некоторых распространенных полимеров. 

2.2 История

Первая пластмасса была получена английским металлургом  и изобретателем Александром  Парксом в 1855 году. Паркс назвал её паркезин (позже получило распространение  другое название — целлулоид). Паркезин был впервые представлен на Большой  Международной выставке в Лондоне  в 1862 году.

1

Развитие пластмасс  началось с использования природных  пластических материалов (например, жевательной  резинки, шеллака), затем продолжилось с использованием химически модифицированных природных материалов (таких, как  резина, нитроцеллюлоза, коллаген, галалит) и, наконец, пришло к полностью синтетическим  молекулам (бакелит, эпоксидная смола, поливинилхлорид, полиэтилен и другие).

      Паркезин являлся торговой маркой  первого искусственного пластика  и был сделан из целлюлозы,  обработанной азотной кислотой  и растворителем. Паркезин часто  называли искусственной слоновой  костью. В 1866 году Паркс создал  фирму Parkesine Company для массового производства материала. Однако, в 1868 году компания разорилась из-за плохого качества продукции, так как Паркс пытался сократить расходы на производство. Преемником паркезина стал ксилолит (другое название того же материала), производимый компанией Даниэля Спилла, бывшего сотрудника Парка, и целлулоид, производимый Джоном Весле Хайтом. 

2.3 Свойства

Основные механические характеристики пластмасс те же, что  и для металлов.

Пластмассы характеризуются  малой плотностью (0,85—1,8 г/см³), чрезвычайно  низкими электрической и тепловой проводимостями, не очень большой  механической прочностью. При нагревании (часто с предварительным размягчением) они разлагаются. Не чувствительны к влажности, устойчивы к действию сильных кислот и оснований, отношение к органическим растворителям различное (в зависимости от химической природы полимера). Физиологически почти безвредны. Свойства пластмасс можно модифицировать методами сополимеризации или стереоспецифической полимеризации, путём сочетания различных

2

пластмасс друг с другом или с другими материалами, такими как стеклянное волокно, текстильная  ткань, введением наполнителей и  красителей, пластификаторов, тепло- и светостабилизаторов, облучения и др., а также варьированием сырья, например использование соответствующих полиолов и диизоцианатов при получении полиуретанов.

Твёрдость пластмасс  определяется по Бринеллю при нагрузках 50—250 кгс на шарик диаметром 5 мм.

Теплостойкость  по Мартенсу — температура, при которой  пластмассовый брусок с размерами 120 × 15 × 10 мм, изгибаемый при постоянном моменте, создающем наибольшее напряжение изгиба на гранях 120 × 15 мм, равное 50 кгс/см², разрушится или изогнётся так, что  укреплённый на конце образца  рычаг длиной 210 мм переместится на 6 мм.

Теплостойкость  по Вика — температура, при которой цилиндрический стержень диаметром 1,13 мм под действием груза массой 5 кг (для мягких пластмасс 1 кг) углубится в пластмассу на 1 мм.

Температура хрупкости (морозостойкость) — температура, при  которой пластичный или эластичный материал при ударе может разрушиться  хрупко.

Для придания особых свойств пластмассе в нее добавляют пластификаторы (силикон, дибутилфталат, ПЭГ и т. п.), антипирены (дифенилбутансульфокислота), антиоксиданты (трифенилфосфит, непредельные углеводороды) 

  2.4 соединения:

В зависимости  от числа атомов и их взаимного  расположения изменяются и свойства вещества. Например, чем больше атомов входит в соединение, тем менее  оно летучее.

3

Свойства соединений углерода в большой степени зависят  от характера связей между его  отдельными атомами. Способность атомов углерода образовывать цепочки, кольца или сложные решетки, в которые  вклинены другие элементы, обуславливает  существование свыше трех миллионов  известных в настоящее время  соединений углерода.

Благодаря изменению  структур молекул и их разнообразным  комбинациям ассортимент пластмасс  значительно расширяется за счет создания пластмасс с желаемыми  свойствами. Хорошим примером реализации таких возможностей являются АБС-полимеры. Их название образовано от начальных  групп трех основных мономеров: акрилонитрил

(CH₂=CH–CN) (А)

 вносит свою  долю в химическую устойчивость  продукта, бутадиен (Б) сообщает ему  сопротивление ударам, стирол (С)  делает материал твердым и  легко поддающимся термопластической  обработке. Получают АБС-полимеры  исключительно путем привитой  полимеризации. Привитая полимеризация  – процесс образования высокомолекулярных  соединений, в ходе которого на  основную цепь полимера прививаются  дополнительные боковые цепь  другого химического характера.  Варьируя доли отдельных мономеров  и условия полимеризации можно  изготовить продукты с различными  свойствами. Основное назначение  АБС-полимеров – замещать металлы  в конструкциях и аппаратах.

Помимо полимера в состав пластмасс часто входят различные добавки: наполнители, пластификаторы, стабилизаторы, красители и другие компоненты.

Наполнители –  это вещества, служащие для придания пластмассе необходимых эксплуатационных свойств (например, высокой прочности, термостойкости и др.), облегчения переработки, снижения стоимости. В качестве наполнителей применяют опилки, сажу, графит,

4

стеклянные, асбестовые, химические волокна. В слоистых пластиках (пластмассы, упрочненные параллельно  расположенными слоями наполнителя) роль наполнителя выполняют бумага, ткани; в пенопластах газы, например азот. Применение наполнителей снижает стоимость  пластмассы. Ведь, как правило, наполнители  – это отходы различных производств, они значительно дешевле самого полимера.

Пластификаторы  вводят в состав пластмассы с целью  повышения пластичности или эластичности полимера и готовой пластмассы. В  качестве пластификаторов используют, главным образом, нелетучие, химически  инертные вещества, например дибутилфталат 

(C6H4(COOC4H9)₂),

 нефтяные  масла. Молекулы пластификатора, например глицерина ослабляют связи между макромолекулами полимера. Это облегчает процесс формования пластмассы, позволяет проводить его при меньшей температуре.

Стабилизаторы – вещества, тормозящие старение пластмассы, происходящее, как правило, в результате деструкции. Деструкция полимеров –  процесс разрушения их молекул под  действием тепла, кислорода, света  и др. В результате деструкции изменяются многие свойства полимеров и часто  они становятся непригодными для  использования. Стабилизаторы защищают полимеры от окисления (ароматические амины, фенолы), действия атмосферы, озона (воски), предохраняют полимеры от воздействия света (сажа) и ультрафиолетового света, защищают от разрушения под действием ионизирующих излучений (ароматические углеводороды, амины).

Нередко одно и  то же вещество в пластмассе может  выполнять одновременно несколько  функций. Так фосфаты удается использовать и как антипирены (вещества понижающие горючесть материалов

5

органического происхождения), и как пластификаторы. Наполнитель может «работать» и  как антиокислитель, и как пигмент, а также способствовать непроницаемости  материала.

Пластмассы различаются  по своим эксплуатационным свойствам (например, пластмассы с высоким  электрическим сопротивлением, атмосферо–, термо–, или огнестойкие), по природе наполнителя (например, стеклопластики, графитопласты, газонаполненные пластмассы), по способу расположения наполнителя в материале (слоистые пластики, волокниты – пластмассы, состоящие из рубленого волокна, пропитанного термореактивной синтетической смолой), а также по типу полимера (например, аминопласты, белковые пластики).

В зависимости  от характера превращений, происходящих с полимером при формовании, пластмассы подразделяются на реактопласты и термопласты. Реактопласты или термореактивные  пластмассы, подобно обожженной глине, не способны вернуть вновь пластичное состояние. Это связано с тем, что их переработка в изделие  сопровождается химическим взаимодействием  между макромолекулами и образованием пространственной структуры полимера. После такой переработки реактопласты утрачивают пластичность, становясь  неплавкими и нерастворимыми. Повторно переработать такой материал в новое  изделие уже невозможно. Обычно реактопласты – это фенольные, карбамидные  и полиэфирные смолы. Чаще всего  в исходном состоянии они представляют жидкости, которые при добавлении катализатора или нагревании необратимо затвердевают вследствие образования  сшитых молекул.

Термопласты при  нагревании вновь приобретают пластичность, их можно формовать многократно. Их легче превращать в готовые  изделия, можно рационально обрабатывать и перерабатывать методами литья  под давлением, вакуумной формовки или простой формовки.

6

К термопластам относятся полиэтилен, поливинилхлорид, полистирол и АБС-полимеры.

Пространство  между термопластами и реактопластами, как и между натуральными и  синтетическими продуктами, заполнено  сплошным спектром пластмасс, изготовленных  «по специальным заказам». Они  имеют порой необычные комбинации свойств. Так, разработаны термопласты  с обратимым образованием сшитых молекул. При температуре обработки  они могут быть термопластичными, а при температуре применения готового изделия, которая лежит  намного ниже, они становятся термореактивными.

Рассмотрим основные методы переработки пластических масс в готовые изделия.

Основные методы переработки термопластов – литье  под давлением, экструзия, вакуумформование, пневмоформование; реактопластов –  прессование и литье под давлением.

Литье под давлением  – способ получения отливок в  форме, в которую расплавленная  пластмасса поступает под давлением, а после затвердевания в результате остывания или отверждения приобретает  конфигурацию внутри полости формы. Этот метод применяется главным  образом для получения сложных  изделий с высокой точностью.

Экструзия –  это способ изготовления профилированных  изделий большой длины. Заключается  в непрерывном выдавливании размягченной пластмассы через отверстие определенного  сечения. Применяется в производстве труб, пленок, при наложении электрической  изоляции на провода.

Вакуумформование  – метод производства изделий  из листовых термопластов.  
 

7

Изделие требуемой  конфигурации получают за счет

разности давлений, возникающей вследствие разрежения в полости формы, над которой  закреплен лист. Применяется, например, в производстве емкостей, деталей  холодильников, корпусов приборов.

Пневмоформование  – это, как и вакуумформование, способ изготовления изделий из листовых термопластов. Изделие оформляется  под действием сжатого воздуха  на лист, закрепленный над полостью формы. Применяется, например, в производстве ванн, раковин, деталей остекления самолетов.

Прессование –  это способ производства изделий  из пластмасс в пресс-формах, заключающийся в размягчении материала при нагревании и фиксации формы изделия в результате выдержки под давлением. При прямом (компрессионном) прессовании материал нагревают в пресс-форме, при литьевом (трансферном) прессовании – в камере, из которой продавливается в пресс-форму по так называемым литниковым каналам.

Рассмотрим подробнее  два метода переработки пластмасс  – горячее прессование и литье  под давлением.

При горячем  прессовании смесь полимера с  добавками засыпают в горячую  пресс-форму. Пресс-форма (см. рис.) состоит из неподвижной подставки, форма которой соответствует форме прессуемых изделий и подвижного поршня – пуансона. После загрузки смеси пресс-форму закрывают и давят на смесь пуансоном, который постепенно входит в подставку. Благодаря нагреванию смесь становится пластичной и под действием давления заполняет все каналы в пресс-форме. Если формуется реактопласт, то нагретая масса через некоторое время затвердевает, и готовое изделие вынимают из пресс-формы. Если же формуется термопласт, то пресс-форму надо охлаждать, иначе изделие растечется и потеряет нужные очертания. Это замедляет и удорожает процесс формования. Поэтому термопласты перерабатывают литьем под давлением. Здесь пластмасса размягчается при нагревании в отдельной

8

камере, а затем  уже с помощью насоса под давлением  подается в холодную пресс-форму. Пластмасса заполняет ее и, охладившись, быстро затвердевает. Горячее прессование  и литье под давлением позволяют  изготовлять детали различной формы. 

2.2 Получение

     Производство  синтетических пластмасс основано на реакциях полимеризации, поликонденсации  или полиприсоединения низкомолекулярных  исходных веществ, выделяемых из угля, нефти или природного газа. При  этом образуются высокомолекулярные связи  с большим числом исходных молекул (приставка «поли-» от греческого «много», например этилен-полиэтилен). 

2.6 Механическая обработка

     Пластические  массы, по сравнению с металлами, обладают повышенной упругой деформацией, вследствие чего при обработке пластмасс  применяют более высокие давления, чем при обработке металлов. Применять  какую-либо смазку, как правило, не рекомендуют; только в некоторых случаях при  окончательной обработке допускают  применение минерального масла. Охлаждать  изделие и инструмент следует  струей воздуха.

Пластические  массы более хрупки, чем металлы, поэтому при обработке пластмасс  режущими инструментами надо применить  высокие скорости резания и уменьшать  подачу. Износ инструмента при  обработке пластмасс значительно  больше, чем при обработке металлов, почему необходимо применять инструмент из высокоуглеродистой или быстрорежущей  стали или же из твердых сплавов. Лезвия режущих инструментов надо затачивать, по возможности, более остро, пользуясь  для этого мелкозернистыми кругами.

9

Пластмасса может  быть обработана на токарном станке, может  фрезероваться. Для распиливания может  применяться ленточные пилы, дисковые пилы и карборундовые круги.

2.7 Применение пластмасс.

     Около двух третей всего мирового производства пластмасс составляют массовые продукты: полиэтилен, поливинилхлорид и полистирол. Основные области их применения –  это строительство, упаковка, машиностроение, электротехника, транспорт. Причиной их широкого распространения служат главным  образом относительно низкая цена и  легкость переработки и лишь во вторую очередь свойства, которые во многом уступают свойствам более дорогих  специальных веществ. В оставшейся трети преобладают полиэфирные  смолы, полиуретаны, поливинилацетат, аминопласты, фенопласты, полиакрилаты и полиметакрилаты. Так называемые специальные пластмассы, например, полиформальдегид, поликарбонаты, фторполимеры, силиконы, полиамиды и эпоксидные смолы, все вместе составляют около 2%.

Пластмассы в  строительстве.

     Пластмассы  в строительстве могут принести огромную пользу, если их правильно  использовать. Прозрачные цветные стекла из ударопрочного поливинилхлорида или бесшовно облицованные поливинилхлоридом  деревянные профили не только красивы, но и устойчивы к действию агрессивной  промышленной атмосферы и совершенно не нуждаются в уходе. Краска не выцветает, окна не разрушаются, рамы не разбухают  и не желтеют. В некоторых странах  изготавливают доски из вспененного  сополимерацетата (этиленпропиленового  каучука с полистиролом) и других пластиков. Поскольку они устойчивы к атмосферным воздействиям, их можно применять не только в интерьерах, но и для наружных строительных деталей (например, как ворота для гаражей, для

10

облицовки балконов и т.п.). Трудновоспламеняющееся, погодоустойчивое акриловое стекло (акрилглас) годится  для изготовления световых панелей  и куполов. Ими можно застеклять большие поверхности, срок службы которых  продолжителен.

Все большее  значение приобретают пластмассы в  строительстве трубопроводов, поскольку  в этом случае не возникает проблем  коррозии. Усиленные стекловолокном трубопроводы пригодны для доставки газов под давлением 15 бар и  для транспортировки химических веществ, способных вызвать коррозию. Для этих целей применяют поливинилхлорид, полиэфиры, полибутилен, полиэтилен и  полипропилен.

     В качестве уплотнителей швов между бетонными  деталями в строительстве можно  использовать полиуретаны, силиконы, акрилаты, комбинации эпоксидных соединений (их часто называют эпоксидными смолами, хотя термин «смолы» несколько устарел), все большее значение приобретают  для этих целей термопласты. Ими  можно не только уплотнять швы  на фасадах зданий из стали и легких металлов, но и «склеивать» мосты, а также скреплять части сооружений, полностью находящихся под водой (например, в плавательных бассейнах). Хорошие перспективы для использования  в этой области имеют эпоксидные смолы. Они характеризуются наличием так называемых эпоксигрупп и гидроксильных групп. Присутствие этих групп придает эпоксидным соединениям ценные для использования в строительстве свойства. Эпоксидные смолы прочно сцепляются с поверхностью бетона и устойчивы к атмосферным воздействиям. Их можно наносить на влажные поверхности бетона, так как эпоксидные..

11

Заключение

В настоящее  время пластмассы получили широчайшей распространение. Причиной такого распространения  являются их низкая цена и легкость переработки, а также свойства, которые  в некоторых случаях уникальны. Пластмассы применяют в электротехнике, авиастроении, ракетной и космической  технике, машиностроении, производстве мебели, легкой и пищевой промышленности, в медицине и строительстве, –  в общем, пластмассы используются практически  во всех отраслях народного хозяйства. Пожалуй, единственная область, где  использование пластмасс пока ограничено – это техника высоких температур. Но в скором времени они проникнут  и сюда: уже получены пластмассы, выдерживающие температуры 2000–2500°C. Развитие химических технологий, помогающих создавать вещества с заданными свойствами, позволяет сказать, что пластмассы один из важнейших материалов будущего. 

Наноматериалы.

2.1 Общие свойства

     Фуллерены, как новая форма существования  углерода в природе наряду с давно  известными алмазом и графитом, были открыты в 1985 г. при попытках астрофизиков объяснить спектры межзвездной  пыли. Оказалось, что атомы углерода могут образовать высокосимметричную молекулу С60. Такая молекула состоит  из 60 атомов углерода, расположенных  на сфере с диаметром приблизительно в один нанометр и напоминает футбольный мяч (рис. 6). В соответствии с теоремой Л. Эйлера, атомы углерода образуют 12 правильных пятиугольников и 20 правильных шестиугольников.                                                                    12

     Молекула  названа в честь архитектора  Р. Фуллера, построившего дом из пятиугольников и шестиугольников. Первоначально  С60 получали в небольших количествах, а затем, в 1990г., была открыта технология их крупномасштабного производства.

         Фуллериты. Молекулы С60 , в свою  очередь, могут образовать кристалл  фуллерит с гранецентрированной  кубической решеткой и достаточно  слабыми межмолекулярными связями . В этом кристалле имеются октаэдрические и тетраэдри-ческие полости, в которых могут находиться посторонние атомы. Если октаэдрические полости заполнены ионами щелочных металлов (¦ = К (калий), Rb (рубидий), Cs (цезий)), то при температурах ниже комнатной структура этих веществ перестраивается и образуется новый полимерный материал ¦1С60 . Если заполнить также и тетраэдрические полости, то образуется сверхпроводящий материал ¦зС60 с критической температурой 20-40 К. Изучение сверхпроводящих фуллери-тов проводится, в частности, в Институте им. Макса Планка в Штутгарте. Существуют фуллериты и с другими присадками, дающими материалу уникальные свойства. Например, С60-этилен имеет ферромагнитные свойства. Высокая активность в новой области химии привела к тому, что уже к 1997 г. насчитывалось более 9000 фуллереновых соединений.

         Углеродные нанотрубки. Из углерода  можно получить молекулы с  гигантским числом атомов. Такая  молекула, например С=1000000, может представлять собой однослойную трубку с диаметром около нанометра и длиной в несколько десятков микрон (рис. 7). На поверхности трубки атомы углерода расположены в вершинах правильных шестиугольников. Концы трубки закрыты с помощью шести правильных пятиугольников. Следует отметить роль числа сторон правильных многоугольников в формировании двухмерных поверхностей, состоящих из

13 

Рис. 7. Нехиральные  нанотрубки: а - С(n', n) - металл;

Ь-С(n, 0):mod (n, 3) = 0 - полуметалл

mod (n, 3)!= 0 - полупроводник.

Рис. 8. Изогнутая  трубка

атомов углерода, в трехмерном пространстве. Правильные шестиугольники являются ячейкой в  плоском графитовом листе, который  можно свернуть в трубки различной  хиральности (m, n)3 . Правильные пятиугольники (семиугольники) являются локальными дефектами в графитовом листе, позволяющими получить его положительную (отрицательную) кривизну. Таким образом, комбинации правильных пяти-, шести- и семиугольников позволяют получать разнообразные формы углеродных поверхностей в трехмерном пространстве (рис. 8). Геометрия этих наноконструкций определяет их уникальные физические и химические свойства и, следовательно, возможность существования принципиально новых материалов и технологий их производства.