Πλαστικά στα αυτοκίνητα: πολυμερισμός και ανακύκλωση Teach article

Μεταφρασμένο από την Παρασκευή Θάνου. Ποιοι τύποι πλαστικών χρησιμοποιούνται για να φτιαχτεί ένα αυτοκίνητο; Πώς συντίθενται και ανακυκλώνονται; Η Marlene Rau και ο…

Πολλοί έφηβοι ενδιαφέρονται για τα αυτοκίνητα, τα οποία περιέχουν πολλά διαφορετικά πλαστικά: πολυμερή που παράγονται από το αργό πετρέλαιο ή από ανανεώσιμα υλικά. Το ενδιαφέρον για τα αυτοκίνητα μπορεί να χρησιμοποιηθεί επομένως για μια εισαγωγή στο θέμα των πλαστικών και των πολυμερών, για παράδειγμα στα μαθήματα οργανικής χημείας.

Πάρτε τους μαθητές σας να δούνε μερικά αυτοκίνητα. Τι ξέρουν ήδη για τα πλαστικά που χρησιμοποιούνται για να φτιαχτούν τα αυτοκίνητα; Τι θα θέλανε να μάθουνε; Θα μπορούσαν να ταξινομήσουν τις ιδέες τους ανάλογα με τα διαφορετικά μέρη του αυτοκινήτου (βλ. Πίνακα 1, παρακάτω).

Πίνακας 1: Η χρήση των πλαστικών στα αυτοκίνητα

• Τα πλαστικά κάνουν ένα αυτοκίνητο πιο οικολογικό; (χαμηλότερη κατανάλωση καυσίμου, ανακύκλωση των πλαστικών μερών)
• Διαφανή εμπρόσθια και οπίσθια φώτα
• Θερινά και χειμερινά λάστιχα
• Ανθεκτικές ζώνες ασφαλείας
• Θερμοανθεκτικά πλαστικά κοντά στη μηχανή
• Αφρώδη υλικά στα καθίσματα του αυτοκινήτου

Το σημαντικό σημείο είναι ότι τα μέρη που αποτελούν ένα αυτοκίνητο έχουν συγκεκριμένες προδιαγραφές (π.χ. μια ζώνη ασφαλείας πρέπει να είναι ανθεκτική αλλά και ελαστική), το οποίο σημαίνει ότι τα συστατικά τους πρέπει να έχουν συγκεκριμένα χαρακτηριστικά (π.χ. το υλικό δεν πρέπει να σχίζεται), οπότε συγκεκριμένοι τύποι υλικών (π.χ. τερεφθαλικό πολυαιθυλένιο) πρέπει να χρησιμοποιηθούν. Αν οι μαθητές δε συνειδητοποιήσουν αυτές τις σχέσεις μόνοι τους, ρωτήστε τους γιατί μόνο ένα είδος πλαστικού δε θα επαρκούσε για να φτιαχτεί ένα αυτοκίνητο.

Οι δραστηριότητες σε αυτό το άρθρο παρουσιάζουν δύο από τα θέματα του Πίνακα 1: τα πλαστικά των οπισθίων φώτων και πώς τα πλαστικά από τα αυτοκίνητα ανακυκλώνονται. Κάθε δραστηριότητα αποτελείται από ένα φύλλο εργασίας και τις βασικές πληροφορίες. Οι δραστηριότητες είναι μέρος ενός μεγαλύτερου διδακτικού σχεδίου (βλ. πλαίσιο) κατάλληλο για μαθητές ηλικίας 16+, οι οποίοι θα πρέπει να δουλέψουν σε ομάδες των δύο ή τριών ατόμων. Επιτρέψτε ένα ή δύο 45-λεπτα μαθήματα για την κάθε δραστηριότητα.

Πολυμερισμός: πλαστικό για τα φώτα του αυτοκινήτου

Τα φώτα των αυτοκινήτων έχουν πλαστικά καλύμματα για να διατηρούνται καθαρά και στεγνά, και – σε μερικές περιπτώσεις – για να παρέχουν ένα χρώμα (π.χ. κόκκινο για τα οπίσθια φώτα και πορτοκαλί για τα φώτα δείκτη αλλαγής κατεύθυνσης). Το υλικό που θα χρησιμοποιηθεί πρέπει να είναι διαφανές, ελαφρύ, εύπλαστο, να μπορεί να χρωματιστεί και να είναι αρκετά ανθεκτικό. Σε αυτή τη δραστηριότητα, συνθέτουμε το πλαστικό που χρησιμοποιείται, το πολυμερές μεθακρυλικού μεθυλεστέρα ή PMMA.

Ο πολυμεθακρυλικός μεθυλεστέρας είναι κοινώς γνωστός ως ακρυλικό γυαλί ή πλεξιγκλάς, και ανήκει σε μια ομάδα πλαστικών που ονομάζονται πολυμερή. Το κοινό τους χαρακτηριστικό είναι ότι το βασικό μονομερές τους περιέχει ένα ή δύο διπλούς δεσμούς. Υπό την επίδραση ελευθέρων ριζών (μόρια με ένα ασύζευκτο ηλεκτρόνιο), τα μονομερή υφίστανται πολυμερισμό ελευθέρων ριζών προς μακρομόρια μακριάς αλυσίδας.

Τα χαρακτηριστικά του μακρομορίου εξαρτώνται από τις πλευρικές του αλυσίδες, το οποίο με τη σειρά του εξαρτάται από το μονομερές που χρησιμοποιήθηκε. Χρησιμοποιώντας διαφορετικά μονομερή στο σχηματισμό των πολυμερών, μπορούμε να παρασκευάσουμε πλαστικά για διαφορετικές εφαρμογές στα αυτοκίνητα. Για παράδειγμα, οι ογκώδεις πλευρικές αλυσίδες του PMMA εμποδίζουν το πλαστικό να σχηματίσει κρυσταλλικές δομές καθώς στερεοποιείται, οι οποίες θα προκαλούσαν διάθλαση του φωτός. Αντίθετα, τέτοια άμορφα πλαστικά είναι διαφανή, πράγμα που τα κάνει χρήσιμα υποκατάστατα του γυαλιού: ελαφρύτερα, πιο εύπλαστα και λιγότερο επιρρεπή στη θραύση.

Μπορούμε να επεξηγήσουμε τον πολυμερισμό ελευθέρων ριζών με τη δεξαμενή καυσίμου του αυτοκινήτου, που είναι κατασκευασμένη από πολυαιθυλένιο. Το πολυαιθυλένιο σχηματίζεται από μονομερή αιθενίου (αιθυλένιο, C₂H₄) με μια αντίδραση που ξεκινάει από το διβενζοϋλυπεροξείδιο. Όταν θερμαίνεται στους 90°C, το διβενζοϋλυπεροξείδιο διασπάται σε δύο ρίζες. Αν μία από αυτές τις ρίζες δεσμευτεί σε ένα μόριο αιθενίου, ο διπλός δεσμός στο μόριο του αιθενίου σπάει και μια νέα, μεγαλύτερη ρίζα σχηματίζεται. Με αυτό τον τρόπο, ξεκινά μια αλυσιδωτή αντίδραση, η οποία τερματίζεται μόνο όταν δύο ρίζες αντιδράσουν μεταξύ τους.

Στο πείραμά μας, θα χρησιμοποιήσουμε διβενζοϋλυπεροξείδιο για να ξεκινήσουμε μια παρόμοια διαδικασία: αντί να χρησιμοποιήσουμε αιθένιο για να σχηματίσουμε πολυαιθένιο, θα χρησιμοποιήσουμε 2-μεθυλoπροπενικό μεθυλεστέρα για να παρασκευάσουμε πολυμεθακρυλικό μεθυλεστέρα.

Φύλλο εργασίας μαθητή 1: συνθέτοντας ένα διαφανές πολυμερές

Υλικά

• 2-Μεθυλοπροπενικός μεθυλεστέρας (επίσης γνωστός ως μεθακρυλικός μεθυλεστέρας, C₅H₈O₂)
• Διβενζοϋλυπεροξείδιο (C₁₄H₁₀O₄)
• Χρωστική Sudan Red
• Νερό
• Ακετόνη (προπανόνη, C₃H₆O)

Εξοπλισμός ανά ομάδα

• Μια ζυγαριά
• Μια θερμαντική πλάκα
• Ένας δοκιμαστικός σωλήνας
• Ένα ποτήρι ζέσεως
• Μια ύαλος ωρολογίου
• Μια σπάτουλα
• Μια πιπέτα

• Το αλουμινένιο στήριγμα από ένα κεράκι ρεσώ

 

Σημείωση ασφαλείας

Χρησιμοποιήστε γάντια, προστατευτικά γυαλιά και εργαστείτε στον απαγωγό. Ο 2-μεθυλοπροπενικός μεθυλεστέρας, το διβενζοϋλυπεροξείδιο και η ακετόνη είναι εύφλεκτα. Η ακετόνη προκαλεί επίσης ερεθισμό. Και τα τρία πρέπει να χρησιμοποιηθούν με προσοχή. Η εναπομείνουσα χρωστική Sudan Red δεν πρέπει να πεταχτεί στην αποχέτευση.

Δείτε επίσης τη γενική σημείωση ασφαλείας.

Διαδικασία

1. Ζυγίστε 0,2 g διβενζοϋλυπεροξειδίου σε ένα δοκιμαστικό σωλήνα.
2. στε 10 ml 2-μεθυλοπροπενικού μεθυλεστέρα.
3. Για να χρωματίσετε το παραγόμενο πλαστικό, προσθέστε λίγη χρωστική Sudan Red (τόση ώστε να καλύψετε την άκρη της σπάτουλας).
4. Τοποθετήστε το σωλήνα μέσα σε ένα ποτήρι ζέσεως που είναι γεμάτο με νερό στους 90 °C και τοποθετήστε το πάνω στη θερμαντική πλάκα, βλ. Εικόνα 3, παρακάτω.

Η αντίδραση θα διαρκέσει περίπου 20 λεπτά, μετά τα οποία το μίγμα θα είναι ορατά κολλώδες. Στο μεταξύ, διαβάστε τις πληροφορίες κάτω από την επικεφαλίδα “Πολυμερισμός: πλαστικά για τα φώτα των αυτοκινήτων” και βρείτε το μηχανισμό της αντίδρασης για τον πολυμερισμό ελευθέρων ριζών του 2-μεθυλοπροπενικού μεθυλεστέρα.

5. Αποχύστε το διάλυμα στο αλουμινένιο στήριγμα από κεράκι ρεσώ.

Αν το πλαστικό αρχίσει να στερεοποιείται στο δοκιμαστικό σωλήνα, μπορείτε να το διαλύσετε ξανά σε ακετόνη. Μπορείτε τότε να συνεχίσετε το πείραμα όπως περιγράφεται, αφήνοντας περισσότερο χρόνο για να εξατμιστεί η ακετόνη.

6. Καλύψτε την αλουμινένια βάση με μια ύαλο ωρολογίου για να διατηρήσετε θερμό το πλαστικό και αφήστε το να σκληρύνει ταχύτερα.
7. Αφήστε τον πολυμεθακρυλικό μεθυλεστέρα να στερεοποιηθεί για 24 ώρες και στη συνέχεια αφαιρέστε τον από την αλουμινένια βάση.

Πώς θα δοκιμάζατε τις ιδιότητες του πλαστικού σας και θα τις συγκρίνατε με αυτές του γυαλιού;

Ανακύκλωση των πλαστικών από τα αυτοκίνητα

Σε αυτή τη δραστηριότητα, οι μαθητές μαθαίνουν πρώτα πώς μπορούν να ανακυκλωθούν τα πλαστικά από τα αυτοκίνητα, ενώ στη συνέχεια δοκιμάζουν μόνοι τους την ανακύκλωση: μετατρέπουν μια πλαστική φιάλη σε ένα κομμάτι μορφοποιημένου πλαστικού.

Τι συμβαίνει όταν έχουμε τελειώσει με το αυτοκίνητο; Μπορούμε να σκεφτούμε σωρούς σκουριασμένων αυτοκινήτων και παλιών ελαστικών, προορισμένων για χώρους ταφής απορριμάτων, αλλά στην πραγματικότητα πολλά μέρη των αυτοκινήτων ανακυκλώνονται για να επανακτήσουμε σημαντικές πρώτες ύλες, κυρίως μέταλλα.

Τα πλαστικά σε ένα αυτοκίνητο μπορούν επίσης να ανακυκλωθούν με τρεις τρόπους: ως μέρη,χημικά συστατικά ή καύσιμα.

1. Τα αυτοκίνητα μπορούν να επισκευαστούν χρησιμοποιώντας παλιά πλαστικά μέρη, όπως είναι οι προφυλακτήρες. Ωστόσο, καθώς τα μέρη φθείρονται με το χρόνο, τα χαρακτηριστικά τους αλλάζουν, καθιστώντας τα ακατάλληλα για επαναχρησιμοποίηση: η ηλιακή ακτινοβολία, για παράδειγμα, κάνει τα περισσότερα πλαστικά να είναι εύθραυστα. Ευτυχώς, μερικά πλαστικά μέρη μπορούν να υγροποιηθούν και να επαναμορφοποιηθούν σε κομμάτια για τα οποία οι απαιτήσεις είναι λιγότερες, όπως τα κάγκελα και τα παγκάκια.
2. Μέσω χημικών διεργασιών, μερικά πολυμερή μπορούν να διασπαστούν στα μονομερή τους, τα οποία τότε είναι διαθέσιμα για νέες συνθέσεις. Τα πλαστικά μπορούν επίσης να χρησιμοποιηθούν για να παράγουν άλλους πόρους της χημικής βιομηχανίας, για παράδειγμα, ένας τόνος συγκεκριμένων τύπων χρησιμοποιημένου πλαστικού δίνει περίπου 600 kg μεθανόλης, που είναι μια σημαντική πρώτη ύλη για τη βιομηχανία των πλαστικών, αλλά χρησιμοποιείται επίσης και στις κυψέλες καυσίμων για να απελευθερώσει ενέργεια.
3. Τα τεμαχισμένα πλαστικά μπορούν να χρησιμοποιηθούν απευθείας ως καύσιμα, υποκαθιστώντας το πετρέλαιο και το γαιάνθρακα, για παράδειγμα στις εγκαταστάσεις παραγωγής ενέργειας από απορρίμματα. Μπορούν επίσης να αντικαταστήσουν το κοκ που χρησιμοποιείται στους κλίβανους στην παραγωγή σιδήρου (βλ. Εικόνα 4).

Φύλλο εργασίας μαθητή 2: ανακυκλώνοντας πλαστικό στην τάξη

Σε αυτή τη δραστηριότητα θα ανακυκλώσετε πλαστικό από μία φιάλη σε μορφοποιημένα κομμάτια πλαστικού. Το τι θα τα κάνετε αυτά περιορίζεται μόνο από τη φαντασία σας: μπρελόκ, κρεμαστά κοσμήματα, διακοσμητικά για το χριστουγεννιάτικο δέντρο.

Υλικά ανά ομάδα

• Λύχνος Bunsen
• Ένας τρίποδας με συρμάτινο πλέγμα
• Κόφτες για κουλουράκια σε διάφορα σχήματα
• Αλουμινόφυλλο
• Ένα μαχαίρι
• Πλαστικά απορρίμματα (κατά προτίμηση φιάλες PET για μεταλλικό νερό)
• Μια επιλογή από χρωστικές

 

Σημείωση ασφαλείας

Χρησιμοποιήστε προστατευτικά γυαλιά και εργαστείτε στον απαγωγό. Μην αφήσετε τη φλόγα να έρθει σε άμεση επαφή με το πλαστικό. Προσέξτε να μην κοπείτε.

Δείτε επίσης τη γενική σημείωση ασφαλείας.

Διαδικασία

1. Χρησιμοποιήστε το μαχαίρι για να τεμαχίσετε το πλαστικό όσο περισσότερο είναι δυνατό.
2. Καλύψτε με αλουμινόφυλλο τον πάτο και τις πλευρές στους κόφτες και γεμίστε τους σε βάθος περίπου 0,5 cm με το τεμαχισμένο πλαστικό. Αν θέλετε, δοκιμάστε να προσθέσετε μια μικρή ποσότητα χρωστικής στο πλαστικό.
3. Τοποθετήστε τους κόφτες στο συρμάτινο πλέγμα πάνω από το λύχνο Bunsen και θερμάνετε αργά, μέχρι να λιώσει το πλαστικό.
4. Μόλις κρυώσει, βγάλτε το πλαστικό και αφαιρέστε το αλουμινόφυλλο.

Συγκρίνετε τα χαρακτηριστικά του πλαστικού πριν και μετά την ανακύκλωση. Τι συμπέρασμα μπορείτε να βγάλετε σχετικά με την ανακύκλωση των πλαστικών;

Με την ομάδα σας συζητήστε για τις τρεις μεθόδους ανακύκλωσης που περιγράφονται κάτω από την επικεφαλίδα “Ανακυκλώνοντας το πλαστικό από τα αυτοκίνητα” και συγκρίνετε τις πιθανές εφαρμογές. Σκεφτείτε το πείραμα που κάνατε: ποιες είναι οι πιθανές εφαρμογές του πλαστικού που φτιάξατε;

Μελετώντας τα πλαστικά με ακτίνες Χ

Στο European Synchrotron Radiation Facility (ESRF)^w2, ίνες υψηλής απόδοσης, όπως το πλαστικό Kevlar^®, έχουν μελετηθεί για παραπάνω από μια δεκαετία. Πέντε φορές πιο ανθεκτικό από το ατσάλι, ίσου βάρους, το Kevlar χρησιμοποιείται για ελαστικά των ποδηλάτων και εξοπλισμό σώματος, υφάσματα ιστιοπλοΐας και σχοινιά αγκυροβολίου.

Ένα μεγάλος μέρος της εργασίας του ESRF στις ίνες υψηλής απόδοσης εμπλέκεται με τη μορφολογία επιφάνειας-πυρήνα: τις διαφορές στη δομή μεταξύ των εξωτερικών στιβάδων της ίνας και του πυρήνα της. Αυτές οι διαφορές μπορούν να επηρεάσουν τις μηχανικές ιδιότητες της ίνας, ώστε κατανοώντας τη μορφολογία επιφάνειας-πυρήνα, μπορεί να καταστεί δυνατή η ρύθμιση των ιδιοτήτων των ινών κατά την παραγωγική διαδικασία.

Οι δέσμες ακτίνων Χ μικροεστίασης του ESRF χρησιμοποιούνται για νέες μελέτες αυτών των αξιοσημείωτων υλικών, τόσο για ακαδημαϊκή όσο και για βιομηχανική έρευνα. Αυτό συμβαίνει, γιατί καμιά άλλη τεχνική δεν παρέχει παρόμοιες πληροφορίες, χωρίς να τεμαχίσει την ίνα και να αλλάξει πιθανόν την εσωτερική της δομή σε μικροκλίμακα. Για περισσότερες πληροφορίες, δείτε Capellas Espuny, 2009.

Το ESRF είναι μέλος του EIROforum^w3, του εκδότη του Science in School.

Download

Download this article as a PDF