CUPRINS

Introducere1. Noţiuni generale despre materiale organice .........................................................

1.1. Clasificarea materialelor organice...................................................................... 1.1.1. Clasificare în funcţie de origine.................................1.1.2. Clasificare în funcţie de structura catenei………………………1.1.3. Clasificare în funcţie de comportarea termică…………………1.1.4. Clasificare în funcţie de compoziţia monomerilor din materialul polimeric ......1.1.5. Clasificare în funcţie de mecanismul de polimerizare…………

1.2. Domenii de aplicaţie ale materialelor organice .............................................1.2.1. Materiale plastice (inclusiv filme şi foi).........................................1.2.2. Fibre sintetice şi semi-sintetice.....................................................1.2.3. Elastomeri (cauciucuri)..............................................................1.2.4. Adezivi şi materiale de acoperire.................................................

2. Materiale organice naturale ...........................................................................................2.1. Materiale biologice. Relaţii structură-proprietăţi .............................................. 2.2. Lemnul ............................................................................................................ 2.3. Cauciucul natural ............................................................................................. 2.4. Cărbunii naturali.............................................................................................2.5. Ţiţeiul ……………………………………………………………………..2.6. Gazele naturale……………………………………….

3. Materiale organice sintetice........................................................................................ 3.1. Materiale organice pe bază de polimeri termoreactivi...................................... 3.2. Materiale organice pe bază de polimeri termoplastici ...................................... 3.3. Materiale organice pe bază de elastomeri (cauciucuri).................................... 3.4. Fibre sintetice...................................................................................................

4. Noţiuni generale despre reciclarea materialelor organice..........................................4.1. Introducere....................................................................................................... 4.2. Procedee generale de sortare a deşeurilor polimerice.................................... 4.3. Reciclarea principalelor clase de materialele polimerice..................................

INTRODUCERE

Obiectul şi importanţa studiului materialelor organice

Materialele organice sunt de o deosebită importanţă practică astăzi. Industriile mari care beneficiază de pe urma materialelor organice sunt aeronautica, industria chimică, industria construcţiilor de maşini, industria materialelor de construcţii, industria electronică şi electrotehnică, industria materialelor sportive, industria bunurilor de larg consum, medicină, etc.

Cum ne-am putea închipui transporturile aeriene de astăzi fără aeronavele de mare capacitate construite din materiale compozite pe bază de matrici organice? Este relevant în acest sens că 75% din masa navetei spaţiale Appolo-11 a fost construită din materiale compozite organice în timp ce în cazul navetei de generaţie recentă Discovery acest procent a ajuns la 87% !

În cadrul industriei chimice toate conductele de transport de mare capacitate cât şi reactoarele ce operează în medii puternic corozive se fac astăzi din materiale organice cu rezistenţă chimică şi mecanică ridicate.

Motorizarea vieţii cotidiene a atins valori impresionante. O bună parte din construcţia autovehiculelor se realizează astăzi din materiale termoplastice care aduc beneficiul unei greutăţi reduse coroborate cu proprietăţi mecanice remarcabile.

Cum s-ar putea construi în zilele noastre clădiri confortabile termic fără izolaţia performantă din polistiren sau cum s-ar imagina folosirea adezivilor fără ca aceştia să includă şi un material organic?

Toţi folosim azi ca medii de stocare compact-discurile şi DVDurile, fără să ştim poate că dezvoltarea acestora a fost posibilă numai datorită chimiştilor care au sintetizat materialele termoplastice din care acestea sunt fabricate.

Materialele sportive ne fac să petrecem într-un mod foarte plăcut timpul liber, dacă luăm, de exemplu, în considerare mingile de fotbal, golf, polo, etc., ambarcaţiunile nautice, de wind-surfing, schiurile, etc., care sunt toate fabricate din materiale organice cu proprietăţi speciale.

Nu în cele din urmă, medicina este cea care a beneficiat semnificativ de progresul în domeniul materialelor organice (sisteme cu eliberare controlată a medicamentelor, implanturi osoase, craniene, mamare, oculare, cardiace, etc.).

1. NOŢIUNI GENERALE DESPRE MATERIALE ORGANICE

1.1. Clasificarea materialelor organice

Materialele organice au la bazǎ compuşi macromoleculari de tipul polimerilor dar şi alţi compuşi organici care pot îndeplini diverse roluri: aditivi, plastifianţi, coloranţi, etc. Compuşii macromoleculari (polimerii) se pot clasifica în funcţie de mai multe criterii.

1.1.1. Clasificare în funcţie de origine

Polimeri naturali (biopolimeri) sunt polimerii ce se regăsesc în corpul uman: proteine, polizaharide dar şi polimerii din regnul animal şi vegetal ca polizaharide de tipul celulozei şi amidonului, cauciucul natural, etc.

Polimeri semi-sintetici sunt produşi macromoleculari de reacţie obţinuţi în urma reacţiilor aplicate pe biopolimeri. Exemplele cele mai cunoscute sunt esterii şi eterii celulozei sau cauciucul natural vulcanizat. De regulă aceste reacţii au loc la grupele laterale ale catenei de biopolimer şi lasǎ intactǎ catena macromolecularǎ principalǎ. Un caz special îl reprezintă celuloza regeneratǎ produsǎ prin procedeul vâscoză:

Reacţiile chimice cu substituenţi sau grupe laterale dintr-o catenǎ polimerǎ sunt numite reacţii polimer-analoage. Aceste reacţii pot fi folosite şi la modificarea polimerilor sintetici, un exemplu elocvent fiind producerea alcoolului polivinilic prin metanoliza poliacetatului de vinil:

Aceastǎ rutǎ de obţinere a alcoolului polivinilic este singura posibilǎ deoarece monomerul corespunzător, alcoolul vinilic este instabil şi izomerizeazǎ rapid la acetaldehidǎ.

Polimeri sintetici

Aceasta reprezintǎ cea mai importantǎ clasǎ de materiale organice care sunt adesea numite, simplu, polimeri. Aceste materiale sunt polidisperse, adică sunt formate din catene cu lungimi diferite. De aceea atunci când se discutǎ despre o moleculǎ de polimer se înţelege o structurǎ molecularǎ cu o masǎ molecularǎ medie.

Pe lângǎ polimerii organici existǎ şi polimeri anorganici a cǎror structurǎ implicǎ în catena principalǎ prezenţa şi a altor atomi în afarǎ de C, O şi N. Polimerii anorganici reali anumiţi silicaţi naturali şi derivaţi de polisiloxani:

1.1.2. Clasificare în funcţie de structura catenei

Structurile posibile ale catenelor polimere sunt urmǎtoarele: catene lineare

catene ramificate

puncte de ramificare reţele polimerice (tridimensionale sau plane)

polimeri tip scara (punţi de legǎturi covalente repetate între douǎ catene)

Dacǎ unitatea monomerǎ conţine grupe laterale, atunci polimerul rezultat nu va fi considerat unul ramificat, ci unul cu substituenţi de-a lungul catenei principale.

1.1.3. Clasificare în funcţie de comportarea termică

În momentul prelucrării materialelor organice comportarea termică a acestora este esenţială. Din punct de vedere al modului în care se comportă la variaţia temperaturii, materialele organice se împart în termoplastice şi termoreactive.

Materiale organice termoplastice

Acestea sunt polimeri care la încălzire se înmoaie şi devin fluizi şi pot fi apoi turnaţi în orice formă dorită în care prin răcire se întăresc şi iau această formă. Acest ciclu poate fi repetat şi permite reciclarea materialelor termoplastice. Posibilitatea de recuperare şi reciclare a materialelor termoplastice constituie principalul avantaj faţă de cele termoreactive, motiv pentru care, în prezent, circa 90% din polimerii prelucraţi în obiecte finite, pe întreg globul sunt polimerii termoplastici. Un alt avantaj major al obiectelor din materiale termoplastice este faptul ca fabricarea acestora nu implică nici-o reacţie chimică, astfel încât procesul este uşor de controlat şi are loc cu costuri relativ scăzute.

Materiale organice termoreactive

Aceste materiale (numite adesea „răşini” datorită aspectului lor) sunt constituite dintr-un amestec de polimer şi compus micmolecular, între care, la temperatură şi/sau în prezenţa unui catalizator are loc o reacţie chimică de întărire a polimerului (numită şi reacţie de reticulare) care conduce la obţinerea unui material rigid, total insolubil şi infuzibil (nu se topeşte). Rezistenţa mecanică ridicată a materialului astfel obţinut este datorată punţilor de legături covalente formate între catenele polimerului, cu obţinerea unor reţele polimerice. Aceasta înseamnă că, spre deosebire de materialele termoplaste, materialele termoreactive nu pot fi reciclate.

O categorie aparte o reprezintă cauciucul vulcanizat şi elastomerii sintetici care au punţi de reticulare slabe între catene (pentru a conserva caracterul elastic şi a nu deveni prea rigizi), aceştia fiind însă insolubili şi infuzibili. De fapt aceste materiale pot fi considerate ca termoplaste înainte de reticulare şi termoreactive după ce reticularea a avut loc.

1.1.4. Clasificare în funcţie de compoziţia monomerilor din materialul polimeric

Acest criteriu are în vedere compoziţia chimică a catenelor polimere. Homopolimeri (catenele polimere sunt formate numai dintr-un singur tip de

monomer)

Copolimeri alternanţi (catenele polimere sunt formate din două tipuri de monomeri care alternează)

Copolimeri bloc (catenele polimere sunt formate din două tipuri de monomeri care sunt dispuse compact sub formă de blocuri)

Copolimeri statistici (catenele polimere sunt formate din două tipuri de monomeri care sunt dispuşi la întâmplare)

Copolimeri grefaţi (catena polimeră principală este formată dintr-un singur tip de monomer dar există catene laterale formate dintr-un al doilea tip de monomer)

Toţi copolimerii menţionaţi până în acest moment sunt consideraţi copolimeri binari, fiind formaţi din două tipuri de monomeri)

Copolimeri ternari statistici (catenele principale sunt formate din trei tipuri de monomeri dispuşi la întâmplare)

1.1.5. Clasificare în funcţie de mecanismul de polimerizare

În funcţie de mecanismul de reacţie prin care se obţin polimerii se pot distinge următoarele categorii: policondensare, poliadiţie şi polimerizare cu deschidere de ciclu.

Policondensarea (numită şi polimerizare pas cu pas)

În acest caz formarea polimerului cu masă moleculară mare are loc gradual, lent, prin acte elementare de condensare între grupele terminale ale unităţilor monomere, dimere, trimere, etc., de fiecare dată eliminându-se un compus cu moleculă mică (de regulăapa). Pentru a starta reacţia nu este neapărat necesară prezenţa unui iniţiator iar masa moleculară creşte continuu fără a exista reacţii de terminare.

Un exemplu elocvent al mecanismului de policondensare este reacţia de formare a nylonului 6 din acid ε-aminocapronic:

Poliadiţia (numită şi polimerizare înlănţuită)

În acest caz pentru a începe reacţia de polimerizare este absolut necesară prezenţa unui iniţiator, iar catene cu masă moleculară mare se formează încă de la începutul reacţiei.Creşterea catenei polimere este foarte rapidă şi are loc prin acte elementare de adiţie fără a se elimina un compus mic-molecular. La timpi mai mari de reacţie se formează mai

multe catene polimere dar gradul global de polimerizare scade datorită reacţiilor de terminare.Exemplul clasic de poliadiţie este formarea policlorurii de vinil (PVC), un polimer termoplastic de mare tonaj:

Polimerizarea cu deschidere de ciclu

Acest tip de polimerizare reprezintă un caz special. De exemplu la polimerizarea cu deschidere de ciclu a ε-caprolactamei nu se elimină molecule de apă în timp ce creşterea catenei se realizează prin adiţii succesive ale ciclurilor monomerice deschise la capătul catenei. Astfel structura polimerului obţinut în final este corespunzătoare nylonului 6 (un polimer de condensare), deşi mecansimul de creştere a catenei are mai multe puncte în comun cu poliadiţia.

Prin urmare cazul polimerizării cu deschidere de ciclu se poate considera unul intermediar între poliadiţie şi policondensare.

1.2. Domenii majore de aplicaţii

Din punct de vedere al domeniilor mari de aplicaţii, materialele polimerice sintetice şi semi-sintetice se pot clasifica în 4 mari grupe.

1.2 1. Materiale plastice (inclusiv filme şi foi)

Cei mai importanţi reprezentanţi sunt:

1.2.2. Fibre sintetice şi semi-sintetice

1.2.3. Elastomeri (cauciucuri)

Toate structurile de elastomeri prezentate mai sus conţin legături duble C=C în catena principală care permit reacţii de reticulare (procesul de vulcanizare) cu obţinerea unor reţele polimerice elastice. De asemenea a fost dezvoltată o nouă clasă de elastomeri, numiţi elastomeri termoplastici în care prin asocierea blocurilor rigide de catene au loc reticulări prin forţe de natură fizică, ce rezultă în domenii mici cu temperatură de înmuiere foarte ridicată. Un exemplu în acest sens este cauciucul SBS care constă în catene de copolimer cu trei blocuri :

Acest tip de elastomer este reciclabil întrucât blocurile de polistiren pot fi uşor disociate prin încălzire la fel ca în cazul oricărui material termoplastic.

1.2.4. Adezivi şi materiale de acoperire

În această categorie intră toate materialele organice folosite astăzi ca adezivi în industria materialelor de construcţii, electrotehnică, etc., dar şi gama materialelor de acoperire (grunduri, lacuri, vopsele, etc.). De regulă pentru aceste materiale se preferă polimeri lineari, cum ar fi :

De asemenea, la fel de importante pentru această categorie sunt răşinile alchidice.