bg‑azure

Recykling odpadów

Jest to proces przekształcania odpadów (np. butelek z PET‑u) w nowe, przydatne materiały i/lub przedmioty. Stanowi obecnie jeden z najbardziej kluczowych aspektów operacji przemysłowych, który pozwala na osiągnięcie dużych zysków oraz wpływa na ochronę środowiska naturalnego. Stosowanie recyklingu jest konieczne do odpadów produkowanych z polimerówpolimerpolimerów, które nie ulegają biodegradacjibiodegradacjabiodegradacji. Polimery takie to wielkocząsteczkowe związki – do ich produkcji stosuje się petrochemikalia. Zasoby ropopochodne (petrochemikalia) stanowią źródła nieodnawialne, których światowe zasoby są na wyczerpaniu. Większość monomerówmonomermonomerów, stanowiących substraty syntezy polimerów do produkcji tworzyw sztucznych (np.: eten, propen, chloroeten, etenylobenzen i tereftalan etylenu), pochodzi z produktów petrochemicznych i nie jest podatna na biodegradację, co czyni je materiałami kandydującymi do recyklingu.

bg‑azure

Podział polimerów

Polimery, ze względu na budowę, dzielą się na organiczne i nieorganiczne (np. silikony). Wśród polimerów organicznych wyróżnia się: poliolefiny, polimery winylowe, polietery, poliamidy, poliuretany, poliwęglany, biopolimery (np. polipeptydy) oraz poliestrypoliestrypoliestry.

Poliestry to polimery, które posiadają wiązania estrowe w łańcuchach głównych.

Rj8BfdnkaBoBS
Grupa estrowa występująca w łańcuchach głównych poliestrów z zaznaczonym wiązaniem estrowym
Źródło: GroMar Sp. z o. o., licencja: CC BY-SA 3.0.

Wśród nich wyróżnia się:

RhtLY2PORnvbp
Poliestry alifatyczne (łańcuchowe) Najprostszym poliestrem alifatycznym jest poliglikolid (PGA), o wzorze C2H2O2n. Ilustracja przedstawiająca wzór poliglikolidu, który to znajduje się w nawiasie kwadratowym. Składa się on z atomu tlenu, od którego jedno z wiązań wychodzi poza nawias po lewej stronie, zaś drugie łączy go z grupą metylenową CH2, która to związana jest z atomem węgla połączonym za pomocą wiązania podwójnego z atomem tlenu. Jedno z wiązań odchodzi od omawianego atomu węgla poza nawias w prawą stronę. Względem nawiasu w indeksie dolnym znajduje się litera n. Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.
Przykładem zastosowania poliestrów alifatycznych jest wytwarzanie szwów. Zdjęcie przedstawiające poliestrową nić chirurgiczną. Źródło: commons.wikimedia.org, licencja: CC0 1.0, Poliestry aromatyczne (posiadające w budowie merów pierścienie aromatyczne) Przykładem poliestru aromatycznego jest poli(tereftalan etylenu) (PET), o wzorze C10H8O4n. Ilustracja przedstawiająca wzór poli(tereftalanu etylenu) (PET). W nawiasie kwadratowym struktura złożona z atomu tlenu, którego jedno z wiązań wychodzi poza nawias, drugie łączy go z atomem węgla, który to związany jest za pomocą wiązania podwójnego z atomem tlenu oraz za pomocą wiązania pojedynczego z grupą fenylową, czyli pierścieniem benzenu, który to, względem opisanego podstawnika posiada grupę składającą się z atomu węgla związanego za pomocą wiązania podwójnego z atomem tlenu oraz za pomocą wiązania pojedynczego z drugim atomem tlenu, który to łączy się z grupą metylenową CH2, ta z kolejną grupą metylenową CH2, której wiązanie wychodzi poza nawias. Względem nawiasu kwadratowego w indeksie dolnym znajduje się litera n. Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.
Przykładem zastosowania poliestrów aromatycznych jest produkcja włókien syntetycznych (dakron). Zdjęcie przedstawiające pięć szpulek z nawiniętymi nitkami, pierwsza z szarą, dalej z czerwoną, kolejno ze złotą, niebieską i białą. Źródło: Simon A. Eugster, licencja: CC BY 3.0 dostępny w Internecie: cs.wikipedia.org Z poliestrów aromatycznych wytwarzana jest również folia poliestrowa (mylar). Zdjęcie przedstawiające gwiazdkę wykonaną ze srebrnej folii, doczepianą często do prezentów. Źródło: www.pixnio.com, licencja: domena publiczna, Poliwęglany (poliestry kwasu węglowego) Wzór ogólny poliwęglanów zapisujemy następująco: Ilustracja przedstawiająca wzór poliestru kwasu węglowego. W nawiasie kwadratowym znajduje się atom tlenu, którego jedno z wiązań wychodzi poza nawias, zaś drugie łączy się z grupą fenylową, która to w pozycji czwartej łączy się z atomem węgla związanym z dwiema grupami metylowymi CH3 oraz grupą fenylową podstawioną w pozycji czwartej względem wspomnianego atomu węgla atomem tlenu związanym z atomem węgla, który to łączy się za pomocą wiązania podwójnego z atomem tlenu, zaś jedno wiązanie wychodzi poza nawias. Względem nawiasu kwadratowego w indeksie dolnym znajduje się litera n. Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.
Poliwęglany wykorzystuje się np. do produkcji płyt CD. Zdjęcie przedstawiające płytę CD wykonaną z poliwęglanu. Źródło: Luis Fernández García, licencja: CC BY-SA 2.1 dostępny w Internecie: pl.wikipedia.org, Poliakrylany (poliestry kwasów dikarboksylowych i difenoli) Wzór ogólny poliakrylanów zapisuje się następująco: Ilustracja przedstawiająca wzór ogólny poliakrylanów. Struktura znajduje się w nawiasie kwadratowym. Od grupy CH2 odchodzi wiązanie w lewo, poza nawias kwadratowy. W nawiasie grupa ta łączy się z grupą CH połączoną z atomem węgla, który to związany jest za pomocą wiązania podwójnego z atomem tlenu oraz za pomocą wiązania pojedynczego z grupą OR. Ponadto od grup CH jedno wiązanie odchodzi również poza nawias, w prawą stronę, względem tego nawiasu w indeksie dolnym znajduje się litera n. Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.
Przykładem poliakrylanu jest poli(metakrylan metylu), wykorzystywany do produkcji szkła akrylowego. Poliakrylany używane są również do tworzenia farb akrylowych. Zdjęcie przedstawiające opakowanie różnokolorowych farb akrylowych. Źródło: www.pexels.com, licencja: domena publiczna
bg‑azure

Otrzymywanie poliestrów

Poliestry można otrzymać w wyniku polikondensacjipolikondensacjapolikondensacji. Jest to reakcja, w której udział biorą monomery z przynajmniej dwoma grupami funkcyjnymi. Dzięki niej powstaje polimer i produkt uboczny, np. woda. Poliestry można otrzymać w wyniku kilku rodzajów polikondensacji: homopolikondensacji, heteropolikondensacji, polikondensacji w wyniku tranestryfikacji oraz polikondensacji na granicy faz. Dla dwóch różnych monomerów, posiadających dwie takie same grupy funkcyjne, możliwa jest heteropolikondensacja.

RJi1n4nrmHEVu1
Przykład reakcji heteropolikondensacji
Źródło: GroMar Sp. z o. o., licencja: CC BY-SA 3.0.

Natomiast o homopolikondensacji mowa jest wówczas, gdy reagują takie same monomery o dwóch różnych grupach funkcyjnych, np. hydroksykwasy:

R1Y27LaWR3qOV1
Przykład reakcji homopolikondensacji
Źródło: GroMar Sp. z o. o., licencja: CC BY-SA 3.0.
bg‑azure

Polikondensacja przez wymianę estrową

Proces ten przebiega w dwóch etapach. W pierwszym zachodzi transestryfikacja estru z alkoholem (obydwa te związki musza mieć przynajmniej dwie grupy funkcyjne – alkohol często stosuje się w nadmiarze w celu przesunięcia stanu równowagi w kierunku produktów). W drugim etapie następuje polikondensacja powstałego w pierwszym etapie estru, w efekcie czego tworzy się polimer. Alkohol stanowi produkt uboczny pierwszego i drugiego etapu. Przykład otrzymywania PET‑u w wyniku tego procesu został przedstawiony poniżej.

Rqy9VAIapGEqD1
I etap Transestryfikacja tereftalanu dimetylu (DMT) z glikolem etylenowym. Katalizatorami stosowanymi w tym procesie mogą być magnez, metanolan sodu (CH3ONa), związki kompleksowe czy sole cynku. Ilustracja przedstawiająca pierwszy etap transestryfikacji zachodzącej z udziałem tereftalanu dimetylu (DMT) oraz glikolu etylenowego. Cząsteczka tereftalanu dimetylu o strukturze zbudowanej z pierścienia fenylowego podstawionego w pozycji pierwszej i czwartej grupami COOMe. Grupę COOMe stanowi atom węgla związany z dwoma atomami tlenu, z pierwszym za pomocą wiązania podwójnego, zaś z drugim za pomocą wiązania pojedynczego. Ostatni wspomniany atom tlenu łączy się z grupą metylową CH3. Dodać dwie cząsteczki glikolu metylenowego o strukturze grupa hydroksylowa OH związana z grupą metylenową CH2, która to łączy się z drugą grupą metylenową CH2 związaną z kolejną grupą hydroksylową OH. Strzałka w prawo, strzałka w lewo, nad strzałkami zapis "katalizator". Za strzałkami cząsteczka o strukturze pierścień fenylowy podstawiony w pierwszej czwartej pozycji. Podstawnik stanowi atom węgla związany z dwoma atomami tlenu, z pierwszym za pomocą wiązania podwójnego, zaś z drugim za pomocą wiązania pojedynczego. Ostatni wspomniany atom tlenu związany jest z grupą metylenową CH2 związaną z kolejną grupą metylenową CH2, która to łączy się z grupą hydroksylową OH., II etap Transestryfikacja tereftalanu bis(2-hydroksyetylenowego). Katalizatorami stosowanymi w tym etapie mogą być: tlenek antymonu(III), sole metali ciężkich np. ołowiu, cynku, kadmu.Ilustracja przedstawiająca drugi etap, w którym transestryfikacji ulega cząsteczka tereftalanu bis(2-hydroksyetylenowego). Cząsteczka tereftalanu bis(2-hydroksyetylenowego) o strukturze pierścień fenylowy podstawiony w pierwszej czwartej pozycji. Podstawnik stanowi atom węgla związany z dwoma atomami tlenu, z pierwszym za pomocą wiązania podwójnego, zaś z drugim za pomocą wiązania pojedynczego. Ostatni wspomniany atom tlenu związany jest z grupą metylenową CH2 związaną z kolejną grupą metylenową CH2, która to łączy się z grupą hydroksylową OH. Strzałka w prawo, strzałka w lewo, nad strzałkami zapis "katalizator". Za strzałkami struktura w nawiasie kwadratowym atom węgla, którego jedno z wiązań wychodzi poza nawias związany z atomem tlenu za pomocą wiązania podwójnego oraz z pierścieniem fenylowym podstawionym względem wspomnianego atomu węgla w pozycji czwartej atomem węgla związanym z dwoma atomami węgla, z pierwszym za pomocą wiązania podwójnego, zaś z drugim za pomocą wiązania pojedynczego. Ostatni wspomniany atom tlenu łączy się z grupą metylenową CH2, która to łączy się z kolejną grupą metylenową CH2, a ta wiąże się z atomem tlenu, którego drugie wiązanie wychodzi poza nawias kwadratowy, względem którego w indeksie dolnym znajduje się litera n. Dodać n minus jeden cząsteczek glikolu etylenowego.
Źródło: GroMar Sp. z o. o., licencja: CC BY-SA 3.0.

Polikondensacja na granicy faz polega na prowadzeniu reakcji na granicy rozdziału dwóch niemieszających się ze sobą rozpuszczalników (np. wody i dichlorometanu). Metoda ta zakłada, że jeden z reagentów rozpuszcza się w wodzie, a drugi w rozpuszczalniku organicznym. Jest ona stosowana w przypadku monomerów lub polimerów ulegających rozkładowi w stanie stopionym. W jej wyniku małocząsteczkowe produkty uboczne, jak np. NaCl , przechodzą do warstwy wodnej, a polimer zostaje usuwany ze środowiska reakcji lub przechodzi do warstwy organicznej (jeśli jest w niej rozpuszczalny). Reakcja przebiega szybko, można prowadzić ją w niskiej temperaturze, a otrzymywane produkty stanowią polimery o dużym ciężarze cząsteczkowym.

R1bBYOaFOZa4v1
Międzyfazowe przędzenie nici poliamidu 6.10 na granicy faz z roztworów: woda‑diamina (heksano-1,6-diamina) i tetrachlorek węgla‑dichlorek kwasu sebacynowego
Źródło: GroMar Sp. z o. o., licencja: CC BY-SA 3.0.
1
Przykład 1

Otrzymywanie poliwęglanu z bisfenolanu A disodu i fosgenu.:

RMyffwzzzYfH31
Źródło: GroMar Sp. z o. o., licencja: CC BY-SA 3.0.

W celu przesunięcia położenia stanu równowagi, podczas przeprowadzania polikondensacji, usuwa się powstający produkt uboczny. Stosuje się w tym celu np.:

  • intensywne mieszanie;

  • przepływ gazu inertnego (np. N2);

  • obniżone ciśnienie, próżnię;

  • wysoką temperaturę.

Ponadto poliestry alifatyczne otrzymuje się w wyniku polimeryzacji z otwarciem pierścienia (ROP). Jest to metatetyczna polimeryzacja np. cyklicznych diestrów (laktydów), laktonów.

RCQ1yGmpBRqm3
Polimeryzacja glikolidu (ROP – Ring Opening Polymerization)
Źródło: GroMar Sp. z o. o., licencja: CC BY-SA 3.0.

Jednym z poliestrów, produkowanych na szeroką skalę, jest PET – poli(tereftalan etylenu). Polimer ten został opatentowany w 1941 roku przez British Calico Printers. W głównej mierze stosowany jest do produkcji włókien, które z kolei używane są przy wyrobie różnych rodzajów tekstyliów. Symbol na metkach materiałów „poliester” oznacza, że zostały one wyprodukowane z PET‑u.

R1XWaeFn4BmwP
Metka tkaniny składającej się z poliestru
Źródło: dostępny w internecie: www.pixabay.com, domena publiczna.

Po za tym polimer ten znajduje zastosowanie przy produkcji butelek, opakowań, obudów, worków, woreczków, folii, filmów fotograficznych, taśm i różnych kształtek.

Ciekawostka
RN3uFZ9AiU7jR1
Dom futuro w Monachium
Źródło: dostępny w internecie: www.de.m.wikipedia.org, licencja: CC BY-SA 2.0.

Dom Futuro to okrągły dom przypominający latający spodek, zaprojektowany przez Matti Suuronen (lata 60.70. XX wieku). Czy wiesz, ze ta ceniona przez kolekcjonerów ciekawostka mieszkalna jest zbudowana wyłącznie z polimerów? Dokładnie z trzech jego rodzajów: poliestru wzmocnionego włóknem szklanym, poliuretanów i poli(metakrylanu metylu).

Słownik

polimeryzacja
polimeryzacja

reakcja łączenia się małych cząsteczek, zawierających wiązania podwójne‑monomerów, w duże związki‑polimery (łańcuchowe lub sieciowe), które posiadają wielokrotnie większe masy cząsteczkowe; do jej przeprowadzenia stosuje się katalizatory i czasem także wysokie ciśnienie

polikondensacja
polikondensacja

reakcja, której ulegają monomery z przynajmniej dwoma grupami funkcyjnymi; przebiega stopniowo, a w wyniku jej przebiegu powstaje polimer oraz produkt uboczny (np. woda, metanol, glikol)

mer
mer

najmniejszy powtarzający się w polimerze fragment jego łańcucha

monomer
monomer

(gr. mónos „jedyny”, méros „część”) związek, którego cząsteczki mogą ulegać polimeryzacji

oligomer
oligomer

jednostka strukturalna, przejściowa (przed polimerem właściwym), złożona z jednakowych merów w liczbie od 1000 do l0000

polimer
polimer

związek wielkocząsteczkowy, w postaci łańcucha lub sieci powtarzających się merów, w liczbie od l0000 do l000000 i więcej

poliestry
poliestry

polimery, które posiadają wiązania estrowe w łańcuchach głównych

biodegradacja
biodegradacja

biochemiczny rozkład związków organicznych na proste związki nieorganiczne, na skutek działania saprobiontów (np. bakterii, grzybów)

Bibliografia

Dudek‑Różycki K., Płotek M., Wichur T., Węglowodory. Repetytorium i zadania, Kraków 2020.

Dudek‑Różycki K., Płotek M., Wichur T., Związki organiczne zawierające azot oraz wielofunkcyjne pochodne węglowodorów. Repetytorium i zadania, Kraków 2021.

Dudek‑Różycki K., Płotek M., Wichur T., Kompendium terminologii oraz nazewnictwa związków organicznych. Poradnik dla nauczycieli i uczniów, Kraków 2020.

Rabek J., Współczesna wiedza o polimerach, Warszawa 2013.

orkowska‑Lelek U., Polimery, online: http://www.chemia.odlew.agh.edu.pl/dydaktyka/Dokumenty/ChO_IMiR/Lab_niestacjonarne/polimery_teoria.pdf, dostęp: 27.07.2021.

Białk W., POLIESTRY NASYCONE poliestry alifatyczne, są polimerami o niewielkim znaczeniu praktycznym i technologicznym, poliestry aromatycne, w przeciwieństwie, online: https://slideplayer.pl/slide/59220/, dostęp: 27.07.2021.

Gawdzik B., Polimery – czyli wszystko, co nas otacza..., online: http://www.polimery.umcs.lublin.pl/HTML/akt/prezentacja2010.pdf, dostęp: 27.07.2021.