Jak to jest zrobione: tworzywa sztuczne – proces produkcji

Tworzywa sztuczne nie są jednym materiałem, lecz dużą rodziną polimerów o różnej budowie i właściwościach. Ich produkcja zaczyna się zwykle od ropy naftowej, gazu ziemnego albo surowców odnawialnych, a kończy na granulacie, który można stopić i uformować w opakowanie, rurę, element samochodu lub część urządzenia. O tym, jaki będzie gotowy produkt, decydują między innymi rodzaj polimeru, dodatki, długość łańcuchów cząsteczek oraz metoda przetwórstwa.

Skąd biorą się tworzywa sztuczne?

Najczęściej punktem wyjścia są ropa naftowa i gaz ziemny. Nie wykorzystuje się ich jednak bezpośrednio. Ropa jest mieszaniną wielu węglowodorów, dlatego w rafinerii poddaje się ją destylacji frakcyjnej. W tym procesie rozdziela się składniki o zbliżonych temperaturach wrzenia. Jedną z otrzymywanych frakcji jest nafta, nazywana także benzyną ciężką.

Nafta trafia następnie do instalacji krakingu. To ważne rozróżnienie: krakowanie rozbija większe cząsteczki węglowodorów na mniejsze, natomiast polimeryzacja, opisana niżej, łączy małe cząsteczki w długie łańcuchy. W wyniku krakowania powstają między innymi etylen, propylen i butylen, czyli związki wykorzystywane jako monomery.

Monomer można porównać do pojedynczej cegły, a polimer do muru zbudowanego z wielu takich elementów. Surowce do produkcji tworzyw mogą pochodzić także z węgla, celulozy, biomasy lub innych źródeł odnawialnych. Do podstawowych etapów przygotowania surowca należą:

• destylacja ropy i rozdzielenie jej na frakcje,
• wyodrębnienie nafty wykorzystywanej w przemyśle chemicznym,
• krakowanie cięższych węglowodorów,
• oczyszczanie i przygotowanie monomerów do dalszej reakcji.

Jak monomery zamieniają się w polimer?

Polimeryzacja to reakcja chemiczna, podczas której monomery łączą się w makrocząsteczki. Przebieg procesu zależy od rodzaju surowca, temperatury, ciśnienia, katalizatora oraz oczekiwanych właściwości materiału. W uproszczeniu droga od monomeru do granulatu wygląda następująco:

1. Dobór monomeru – wybiera się związek, który określi podstawowe właściwości przyszłego polimeru, na przykład elastyczność, sztywność lub odporność chemiczną.
2. Przygotowanie reakcji – monomer trafia do reaktora, gdzie kontroluje się temperaturę, ciśnienie i stężenie składników. Katalizator może przyspieszyć reakcję i wpłynąć na strukturę łańcuchów.
3. Polimeryzacja addycyjna albo kondensacyjna – w reakcji addycji monomery łączą się bez wydzielania małej cząsteczki ubocznej. W kondensacji przy łączeniu jednostek może powstawać na przykład woda lub alkohol.
4. Regulowanie struktury polimeru – kontroluje się długość łańcuchów, ich rozgałęzienie oraz sposób połączenia. Parametry te wpływają na późniejszą wytrzymałość i zachowanie materiału.
5. Dodawanie składników pomocniczych – do polimeru można wprowadzić barwniki, stabilizatory, plastyfikatory, środki zmniejszające palność lub napełniacze, takie jak włókno szklane.
6. Granulowanie – mieszaninę chłodzi się, tnie i formuje w niewielkie granulki. Granulat jest surowcem dla zakładów, które wykonują z niego konkretne wyroby.

Na tym etapie nie powstaje jeszcze butelka, rura ani obudowa urządzenia. Granulat można później podgrzać i przetłoczyć przez formę. Właściwości gotowego przedmiotu zależą więc nie tylko od chemii polimeru, lecz także od dodatków, temperatury obróbki i sposobu chłodzenia.

Jakie są główne rodzaje tworzyw sztucznych?

Podział na duromery, plastomery i elastomery opisuje zachowanie materiałów pod wpływem temperatury oraz sił mechanicznych.

Duromery po utwardzeniu nie nadają się do ponownego przetopu, ponieważ ich cząsteczki są połączone przestrzenną siecią. Plastomery, nazywane także termoplastami, stanowią dużą część tworzyw używanych w opakowaniach, budownictwie, elektronice i motoryzacji. Polietylen (PE) służy między innymi do produkcji folii, butelek i nakrętek, polipropylen (PP) do pojemników i elementów technicznych, a politereftalan etylenu (PET) do butelek i włókien.

Elastomerów nie należy utożsamiać z plastomerami tylko dlatego, że oba materiały mogą być podgrzewane i kształtowane. O ich odmienności decyduje przede wszystkim zachowanie pod obciążeniem. W praktyce wybór tworzywa zależy od wymaganej sztywności, odporności cieplnej, odporności chemicznej, elastyczności oraz planowanej metody produkcji.

Jak granulat staje się gotowym przedmiotem?

Granulat trafia do urządzenia, w którym jest ogrzewany do temperatury umożliwiającej płynięcie. Następnie materiał kieruje się do formy albo przez specjalnie ukształtowaną dyszę. Do najczęściej stosowanych metod należą:

W motoryzacji wykorzystuje się między innymi PP, ABS, poliamidy, poliuretan oraz poliwęglan. Z tych materiałów powstają zderzaki, obudowy lusterek, elementy desek rozdzielczych, kratki wentylacyjne i osłony podwozia. Tworzywa pozwalają zmniejszyć masę części, a ich formowalność ułatwia wykonywanie skomplikowanych kształtów.

Co dzieje się z tworzywem po użyciu?

Najczęściej stosowanym sposobem odzysku jest recykling mechaniczny. Odpady są sortowane według rodzaju materiału, rozdrabniane, myte i suszone. Następnie przemiał topi się w wytłaczarce i tnie na regranulat, który może stać się dodatkiem do nowej mieszanki. Jakość odzyskanego surowca zależy od czystości odpadów, ich wymieszania oraz liczby wcześniejszych cykli przetwarzania.

Recykling chemiczny działa inaczej. W jego trakcie polimer rozkłada się na mniejsze związki, a w niektórych technologiach także na monomery. Otrzymane surowce można następnie wykorzystać do produkcji materiału o właściwościach zbliżonych do tworzywa pierwotnego. Proces ten jest jednak bardziej złożony energetycznie i technologicznie. Jego zastosowanie zależy od rodzaju odpadu, dostępnej instalacji i opłacalności. Nie każda technologia jest na tym samym etapie rozwoju, dlatego nie należy traktować recyklingu chemicznego jako uniwersalnego zamiennika mechanicznego.

Najważniejsze różnice między obiema metodami są następujące:

• Recykling mechaniczny zachowuje strukturę polimeru, lecz wymaga względnie czystego i dobrze posortowanego strumienia odpadów.
• Recykling chemiczny rozkłada polimer na prostsze składniki, dlatego może być przydatny przy wybranych odpadach wielomateriałowych lub silnie zanieczyszczonych.
• Recyklat mechaniczny może mieć stopniowo słabsze właściwości po kolejnych cyklach ogrzewania i przetwarzania.
• Obie metody wymagają właściwego przygotowania odpadu i kontroli jakości odzyskanego surowca.

Osobną kwestią są bioplastiki. Ten termin może oznaczać tworzywo wykonane z surowców odnawialnych, tworzywo biodegradowalne albo materiał spełniający oba warunki. Nie jest więc równoznaczny z biodegradowalnością. Polietylen wytwarzany z etanolu pochodzącego z trzciny cukrowej może mieć źródło odnawialne, ale zachowuje właściwości zwykłego polietylenu i nie musi szybko rozkładać się biologicznie. Z kolei niektóre materiały biodegradowalne mogą być produkowane z surowców kopalnych.

Trwałość tworzyw ułatwia ich wieloletnie użytkowanie, lecz utrudnia naturalny rozkład. Dlatego o rzeczywistym obiegu materiału decydują nie tylko właściwości samego polimeru, ale też możliwość sortowania, czystość odpadu, dostępna technologia i projekt produktu z myślą o późniejszym odzysku.

Droga od ropy, gazu lub biomasy do gotowego wyrobu obejmuje kilka odmiennych etapów: rafinację, krakowanie, polimeryzację, granulowanie i formowanie. Zrozumienie tej kolejności wyjaśnia, dlaczego „plastik” nie jest jednym materiałem, lecz grupą tworzyw dobieranych do konkretnego zastosowania.