Трудове навчання (технічні види праці). 9 клас. Гащак

§ 2. Матеріали хімічного походження

  • 1. Пригадайте, які матеріали належать до композиційних.
  • 2. Чи існує альтернатива природним матеріалам?
  • 3. Що вам відомо про матеріали хімічного походження?

На ранній стадії розвитку суспільства для виготовлення знарядь праці, зокрема для обробітку ґрунту, а також мисливства, людина використовувала природні матеріали: камінь, деревину, кістки тварин. Згодом почали застосовувати метали, що траплялися у природі (у чистому вигляді), - залізо, мідь. Пізніше навчилися виплавляти бронзу і сталь. Ці матеріали відрізнялися від природних кращими механічними, технологічними та іншими властивостями, вони добре піддавались обробці, були довговічними та надійними в роботі.

Нині за допомогою технологічних процесів отримують багато інших сплавів: латунь, ніхром, мельхіор, дюралюміній тощо. Тому поруч із природними в сучасному виробництві широко використовуються матеріали хімічного походження. Це синтетичні та штучні матеріали. Матеріал, створений людиною і схожий на природний, називають штучним.

Учені постійно працюють над створенням нових штучних конструкційних матеріалів, що відповідали б певним технологічним, механічним, естетичним, екологічним вимогам і властивостям. Наприклад, матеріал кузова автомобіля повинен бути міцним і не сприйнятливим до корозії, а одяг - виготовленим з легкого матеріалу, що зберігає тепло. Для атомної енергетики й космічної техніки потрібні матеріали, які можуть витримувати високі температури й великі навантаження. Комп’ютерні технології стали можливими тільки з появою матеріалів з особливими фізичними властивостями.

Підприємства хімічної промисловості виробляють матеріали, які називають синтетичними. Це штучні матеріали, що утворюються з довгих ланцюгів молекул хімічних речовин, так званих полімерів.

Полімери - це високомолекулярні сполуки, що складаються з безлічі однакових структурних ланок. Без цих матеріалів людина вже не може обійтися. Виробами з них користуються всі - від дітей до людей похилого віку, від домогосподарок до фахівців багатьох галузей промисловості.

За походженням полімери поділяють на природні та синтетичні. Полімери природні - це, наприклад, натуральний каучук, крохмаль, целюлоза, білки, нуклеїнові кислоти. Без них неможливе життя на нашій планеті.

Синтетичні полімери - це численні пластмаси, волокна, каучуки. Вони відіграють важливу роль у розвитку всіх галузей промисловості, сільського господарства, транспорту, зв’язку. Як без природних полімерів неможливе життя, так без синтетичних полімерів немислима сучасна цивілізація.

Зазвичай полімери рідко використовують у чистому вигляді. Як правило, з них отримують полімерні матеріали. До останніх належать пластичні маси та волокна.

Пластичні маси (пластмаси) (мал. 9) - штучно створені матеріали на основі синтетичних або природних полімерів. Пластмаси формують за підвищеної температури, адже тоді вони мають високу пластичність. Сировиною для отримання полімерів є нафта, природний газ, кам’яне вугілля, сланці. Поширенню пластмас сприяють їх мала густина, що значно зменшує масу деталей, висока корозійна стійкість, широкий діапазон властивостей.

Мал. 9. Вироби з пластмаси

До складу пластмас входять: полімер (найважливіший компонент); барвники (надають матеріалу кольору); наповнювачі (забезпечують жорсткість пластмаси); пластифікатори (роблять матеріал більш еластичним, гнучким) та ін.

Полімер - основна частина пластмаси, що визначає її здатність формуватися і тверднути, надає певних фізичних і хімічних властивостей. Наповнювачі - порошкоподібні, волокнисті чи шаруваті неорганічні або органічні матеріали, які покращують міцність, жорсткість пластмас, їх тепло- й водостійкість, а також електроізоляційні властивості. Це можуть бути крейда, тальк, каолін, кварцевий пісок, волокна бавовни, азбест, папір, тканини.

Залежно від властивостей, смоли пластмаси поділяють на термопластичні й термореактивні.

До складу пластмас уходять різні хімічні компоненти (елементи), отже, вони можуть мати властивості як твердого тіла, так і пластичного. Тому пластмаси й дістали свою назву. Залежно від компонентів, що входять до складу пластмаси, по-різному проявляються її технологічні властивості. Деякі, названі м’якими пластмасами, під час нагрівання до певної температури стають пластичними, а охолоджуючись до кімнатної температури, тверднуть і зберігають свою форму. Якщо м’які пластмаси нагрівати повторно, вони знову м’якшають, а якщо їх знову охолодити, - набувають потрібної форми. Такі пластмаси можна багаторазово використовувати для виготовлення нових виробів. Пластмаси із зазначеними технологічними властивостями називають термопластичними (термопластами).

Частина пластмас не плавиться навіть за високої температури. Такі пластмаси дістали назву термореактивних (реактопластів). Із них виготовляють електричну арматуру, інші вироби, що можуть піддаватися впливу високих температур. Із м’яких пластмас виготовляють штучну тканину, хутро, шкіру, фото- й кіноплівку тощо.

Гума - також штучний матеріал, який отримують із каучуку. З гуми виробляють різноманітні вироби. Головна перевага цього матеріалу - його еластичність, достатня міцність і стійкість до дії води, кислот і лугів (мал. 10).

Мал. 10. Властивості гуми: а - еластичність; б - розтяжність; в - ударна стійкість; г - зносостійкість; д - вологостійкість; е - електроізоляційність

Понад половину виробленої гуми витрачають на автомобільні шини. Крім шин, із гуми виробляють взуття, одяг, рукавички, труби, ластики, тенісні м’ячі, прокладки клапанів для герметизації трубопроводів і двигунів тощо.

Із синтетичної гуми - неопрену — виготовляють водонепроникні костюми, взуття, чохли, рукавиці, окуляри тощо (мал. 11), аз нейлону й акрилу - міцні дешеві тканини.

Мал. 11. Побутові вироби з неопрену

Такі пластмаси, як, наприклад, поліетилен, полівінілхлорид, полістирол, фенолформальдегідні смоли, тефлон, поліаміди широко застосовують у різних галузях промисловості, сільського господарства, у медицині, культурі та в побуті. Так, з тефлону виготовляють ізоляційні матеріали, електротехнічну апаратуру, ним покривають сковорідки й тканини (мал. 12).

Бакеліт - перша штучна пластмаса. Її створив у 1909 році бельгієць Лео Бекленд, хімік, винахідник, на честь якого й названо цей конструкційний матеріал. Бакеліт - поганий провідник тепла, добре чинить опір тиску, тертю та ударам. Добре піддається механічній обробці. Це твердий, міцний теплоізоляційний матеріал, що використовується як електроізолятор. Утворюється в результаті реакції фенолу з формальдегідом, що дає смолу, яка твердне після нагрівання. Вироби з бакеліту одержують у результаті формування - одночасного нагрівання і видавлювання у форму (мал. 13).

Мал. 12. Вироби з використанням тефлону: а - ізоляційні стрічки; б - сковорідки; в - форма для випічки

Мал. 13. Застосування бакеліту: а - прикраси; б - ручка посуду; в - корпус лампи

На основі полістиролу виготовляють пінополістирол (пінопласт). Це група матеріалів, що являють собою пластичні маси, зроблені шляхом піноутворення.

При нагріванні з виділенням газів полімер має вигляд застиглої піни.

Пінопласт - екологічно чистий матеріал, який не виділяє токсичних для людини або навколишнього середовища речовин. Ці властивості зумовили сферу використання пінополістиролу - житлове, промислове та адміністративне будівництво (мал. 14, а). Він є теплоізоляційним матеріалом, здатним значно зменшити енерговитрати, потрібні для обігрівання приміщень і підтримання в них житлової або технологічної температури.

З пінопласту виготовляють декоративні елементи, стельові плитки, розетки, плінтуси тощо (мал. 14, б). Також цей матеріал застосовують у виробництві холодильного устаткування, суднобудуванні для зведення плавучих пристаней, понтонів; з нього виготовляють упаковки побутових товарів, харчових продуктів тощо.

З метою безпечного та повторного використання, а також утилізації пластикових предметів у 1988 році Співтовариство пластикової індустрії запровадило систему з ідентифікаційними кодами для маркування всіх видів пластмас. Маркування містить три стрілки у формі трикутника, усередині якого поміщено цифру, що означає тип пластику, а під трикутником - абревіатуру його назви (мал. 15).

Мал. 14. Застосування пінопласту

Мал. 15. Маркування пластмас

Поліетилентерефталат (РЕТЕ/РЕТ) - найпоширеніший вид пластмас. У пляшки, що виготовляють з поліетилентерефталату, розливають різні напої, соняшникову олію, кетчупи, майонези, косметичні засоби.

Із поліетилену високої щільності (HDPE) виготовляють флакони для шампунів, косметичних та мийних засобів, каністри для моторних мастил, одноразовий посуд, контейнери та ємності для продуктів харчування, контейнери для заморожування продуктів, іграшки тощо.

Полівінілхлорид (PVC/V), або ПВХ, вініл, застосовується для виготовлення лінолеуму, віконних профілів, кромки меблів, упаковки побутової техніки, штучної шкіри, плівки для натяжних стель, а також деяких іграшок.

З поліетилену низької щільності (LDPE) виготовляють різні пакувальні матеріали, пакети для супермаркетів, CD, DVD-диски.

З поліпропілену (РР) виготовляють відра, посуд для гарячих страв, одноразові шприци, мішки для цукру, контейнери для заморожування продуктів, кришки для більшості видів пляшок, маслянки, упаковку деяких продуктів харчування, труби, у будівництві цей матеріал використовують для шумоізоляції.

Полістирол (PS) є матеріалом для виготовлення одноразового посуду, контейнерів для харчових продуктів, стаканчиків для йогурту, дитячих іграшок, теплоізоляційних плит, сендвіч-панелей (будівельного матеріалу, що має тришарову структуру), пакувальних таць для продуктів харчування в супермаркетах.

У групу OTHER, або О - інші, уходять інші види пластмас, використання яких у побуті може бути пов’язане з небезпекою для здоров’я людини та довкілля.

Більша частина хімічних речовин - відходи різних виробництв - надходить у навколишнє середовище у вигляді газів, рідин, твердих хімічних сполук та забруднює його. Значне місце серед них займає пластик, який є досить інертним матеріалом. Навіть у найвіддаленіших і занедбаних місцях завжди можна побачити залишки поліетиленових пакетів і викинуті пластикові пляшки. Відходи цього матеріалу становлять серйозну екологічну проблему (мал. 16).

Мал. 16. Екологічні проблеми: а - забруднення водойм сміттям; б - викид шкідливих газів у атмосферу

Забруднення - внесення надмірної кількості хімічних елементів та їхніх сполук у природне середовище (мал. 17).

Усі речовини, що забруднюють атмосферне повітря, більшою чи меншою мірою впливають на здоров’я людини. Вони потрапляють у наш організм переважно через систему дихання. Органи дихання страждають від забруднення безпосередньо, оскільки близько 50 % часток домішок радіусом 0,01...0,1 мкм, що проникають у легені, осідають у них. Ці частки викликають токсичний ефект, тому що вони токсичні (отруйні) за своєю хімічною чи фізичною природою, слугують перешкодою для одного чи декількох механізмів, за допомогою яких нормально очищується респіраторний (дихальний) тракт, а також є носієм поглиненої організмом отруйної речовини.

Токсичність - це ступінь фізіологічної активності шкідливої речовини.

Також шкідливі речовини можуть потрапляти в організм людини через шкіру в разі контакту рідини з руками, а також у випадках високих концентрацій токсичних парів і газів у повітрі на робочих місцях. Розчиняючись у шкіряному жирі та потових залозах, речовини можуть потрапити у кров.

Украй негативні наслідки спричинює вплив отруйних речовин на живі організми, повітря, ґрунт, воду тощо. Наявність у них таких речовин призводить до критичного стану навколишнього середовища. Вони згубно впливають не тільки на здоров’я та працездатність сучасних людей, а й на здоров’я майбутніх поколінь.

Без сумніву, катастрофічними є наслідки потрапляння хімічних речовин у довкілля. Як ви знаєте, черепахи харчуються медузами. Ковтаючи поліетиленові пакети, помилково вважаючи їх за медуз, тварини гинуть від нестачі повітря (мал. 17, а). Те саме трапляється з лебедями, лелеками та іншими птахами (мал. 17, б).

Мал. 17. Забруднення довкілля

Час утилізації окремих матеріалів надзвичайно тривалий. Зокрема, пластмаси у вигляді відходів природним шляхом розкладаються дуже повільно (100...200 років) або взагалі не розкладаються. Спроба спалити їх також не дає потрібного результату - відбувається дуже інтенсивне забруднення атмосфери, наприклад, діоксинами, бензпіренами. У світі утилізується лише невелика частина із 80 млн т пластмас, що випускаються щороку. Найбільш ефективними засобами запобігання накопиченню пластмасових відходів є їх повторна переробка (рециклінг) і впровадження біодеградальних (тобто таких, що самі руйнуються в природі) полімерних матеріалів. Тому для попередження негативного впливу виробництва на навколишнє середовище на багатьох підприємствах установлюють спеціальні пристрої, які очищують відходи, переробляють їх на інші, не шкідливі для організму людини матеріали, що використовуються в подальшому для виробництва корисних речей. Такі виробництва називають безвідходними.

У багатьох країнах найбільш дієвими засобами боротьби із забрудненням атмосфери є економічні. Наприклад, у Франції, Швеції, Швейцарії діє система заохочувальних і заборонних заходів, що допомагають уникнути забруднень. Фірми, які впроваджують безвідходні технології, найновіші системи очищення, мають істотні податкові пільги, що дає їм перевагу над конкурентами. Водночас фірми і підприємства, які забруднюють атмосферу, змушені платити дуже великі податки й штрафи. У низці країн світу, крім державних санітарно-епідеміологічних служб, за станом атмосфери слідкують також численні громадські організації («зелені» товариства). У Швейцарії, наприклад, власник фабрики може одержати таке повідомлення: «Ваша фабрика забруднює повітря понад встановлену норму. Вам потрібно встановити системи очищення. Якщо Ви не встановите їх, екологічна організація розпочне в пресі кампанію проти Вашої продукції». Як правило, такі попередження діють дуже ефективно, тому що для будь-якої фірми ярлик забруднювача навколишнього середовища рівноцінний швидкому економічному краху.

Важливу роль в охороні навколишнього природного середовища в Україні відіграють законодавчі акти. Вони базуються на засадах Конституції України, у статті 49 якої записано: «Держава... забезпечує санітарно-епідемічне благополуччя». Закон України «Про забезпечення санітарного та епідемічного благополуччя населення» визначає обов’язки підприємств, установ, організацій та громадян щодо охорони навколишнього середовища. Важливе значення в охороні довкілля відіграють учнівські загони під назвою «Зелені патрулі», які працюють під керівництвом Українського товариства охорони природи. Вони беруть активну участь в озелененні території населеного пункту, зокрема школи, висаджуванні алей, парків, лісових масивів та догляді за ними тощо. Активну участь у роботі таких загонів можете узяти й ви. Спробуйте приєднатися до них або станьте їх організаторами.

Для найдопитливіших

  • У 1953 році засновник компанії Beuchat International Жорж Бюша винайшов перший у світі костюм на основі спіненої гуми. Існує безліч різних варіантів застосування неопрену у водолазній справі й підводному плаванні. Для гідрокостюмів мокрого типу використовується звичайний, або пористий, неопрен (тобто неопрен у своєму первісному вигляді).
  • Нещодавно неопрен став популярним матеріалом для виготовлення домашніх і побутових аксесуарів, включаючи чохли та підкладки для ноутбуків, планшетів та айпадів (планшетних комп’ютерів), покриття пультів дистанційного керування та велосипедних сідел.
  • У Тихому океані дрейфує величезний «сміттєвий острів», що складається з пластику. Його маса перевищує 3,5 млн т. Нині населення планети використовує один трильйон поліетиленових пакетів на рік, зокрема 80 % - у Західній Європі та США.

Полімери, термопласт, реактопласт, пластифікатор, наповнювач, неопрен, бакеліт.

Неопрен - синтетичний хлоропреновий каучук (спінена гума).

Пластмаси - матеріали, отримані на основі полімерів, що здатні набувати заданої форми під час виготовлення виробів і зберігати її в процесі експлуатації.

Рециклінг - повторна переробка старих матеріалів на нові продукти з метою запобігання надмірному видобуванню сировини, створенню відходів і забрудненню довкілля.

  • 1. Які матеріали називають штучними?
  • 2. Які матеріали належать до синтетичних?
  • 3. Назвіть переваги та недоліки виробів із пластмас.
  • 4. Як отримують штучні речовини хімічного походження?
  • 5. Якої шкоди довкіллю може завдати виготовлення штучних матеріалів?
  • 6. Як можна запобігти забрудненню довкілля в результаті виготовлення синтетичних матеріалів?