10.6 Plast og polymerer

Kjeder så lange at de blir til ting

Se deg rundt et øyeblikk. Plastflasken, tastaturet, klærne dine, isoporen rundt en pakke -- alt sammen er polymerer, store molekyler bygget opp av mange like enheter kalt monomerer. Ideen er enkel og kan skrives slik:

$$n \text{ Monomer} \rightarrow \text{Polymer}$$

Men hvordan monomerene kobles sammen, gjør hele forskjellen. Det finnes to hovedmåter. Ved addisjonspolymerisering kobles monomerene direkte sammen uten at det dannes noe biprodukt. Ved kondensasjonspolymerisering kobles de sammen med tap av et lite molekyl, oftest vann ($\text{H}_2\text{O}$) eller hydrogenklorid (HCl). Dette skillet skal følge oss gjennom kapittelet, for det avgjør hvilke materialer vi kan lage. Til slutt skal vi se den andre siden: hvorfor disse fantastisk holdbare molekylene også er en av vår tids største miljøutfordringer.

Addisjonsplast: når dobbeltbindinger åpner seg

Addisjonspolymerer dannes fra umettede monomerer -- alkener med dobbeltbindinger. Når dobbeltbindingen åpner seg, kan monomerene gripe tak i hverandre og bygge en lang kjede helt uten å miste noe. Det klassiske eksempelet er polyetylen (PE), laget av eten:

$$n \,\text{CH}_2{=}\text{CH}_2 \rightarrow -(\text{CH}_2-\text{CH}_2)_n-$$

Polyetylen finnes i to varianter: LDPE med lav tetthet, som er mykt og brukes i plastposer, og HDPE med høy tetthet, som er stivere og brukes i flasker. Bytter vi monomer, får vi andre plasttyper. Polypropylen (PP) lages av propen ($\text{CH}_2{=}\text{CH-CH}_3$) og er stivere enn PE -- vi finner det i emballasje og møbler. PVC (polyvinylklorid) lages av vinylklorid ($\text{CH}_2{=}\text{CHCl}$) og er stivt uten mykgjørere -- typisk i rør og vindusrammer. Og polystyren (PS) lages av styren ($\text{CH}_2{=}\text{CH-C}_6\text{H}_5$); i ekspandert form er det isopor, brukt i emballasje og isolasjon. Felles for alle er at hele monomeren blir en del av kjeden -- ingenting går til spille.

Kondensasjonsplast: når noe må gis fra seg

Den andre veien til polymerer er kondensasjon, der monomerene mister et lite molekyl hver gang de kobles. Her trenger vi monomerer med to reaktive ender.

PET (polyetylentereftalat) dannes fra tereftalsyre (en dikarboksylsyre) og etandiol (en diol), med vann som biprodukt:

$$\text{HOOC-C}_6\text{H}_4\text{-COOH} + \text{HO-CH}_2\text{-CH}_2\text{-OH} \rightarrow \text{PET} + \text{H}_2\text{O}$$

PET er det vi finner i brusflasker og i polyestertekstiler. Nylon (polyamid) dannes fra en dikarboksylsyre og et diamin, og bindingene mellom enhetene er peptidbindinger ($-\text{CO-NH}-$) -- akkurat samme bindingstype som i proteiner. Nylon brukes i tekstiler, tau og tannbørster. Polyuretaner dannes fra diisocyanater og dioler, og brukes i skum, maling og lim. Det fine er at du gjenkjenner kjemien: esterbindinger og peptidbindinger fra tidligere kapitler dukker opp igjen, nå i industriell skala.

Når holdbarhet blir et problem

Det som gjør plast så praktisk -- at den varer nesten evig -- er også kjernen i miljøproblemet. Plast bruker typisk 100 til 1000 år på å brytes ned i naturen. Underveis smuldrer den opp til mikroplast som havner i havet og i næringskjeden. I tillegg krever produksjonen olje, og avfallshåndteringen er krevende.

Løsningene følger en kjent rekkefølge: redusere bruken av engangsplast, gjenbruke produkter, resirkulere mekanisk eller kjemisk, og utvikle bioplast som er biologisk nedbrytbar. For å sortere riktig har plast resirkuleringskoder. Kode 1 er PET og kode 2 er HDPE -- begge lette å resirkulere. Kode 4 (LDPE) og kode 5 (PP) er også resirkulerbare. Kode 3 (PVC) og kode 6 (PS) er derimot vanskelige å resirkulere.

En siste nøkkel til å forstå plast er hvordan de oppfører seg ved oppvarming. Termoplaster som PE, PP og PET smelter når de varmes, så de kan formes om igjen og igjen -- og dermed resirkuleres. Herdeplaster som epoksy og polyuretan har kryssbindinger og smelter ikke; de tåler varme, men kan ikke omformes. Og elastomerer, som gummi, er elastiske. Forstår du disse forskjellene, forstår du både hvorfor plast er så nyttig og hvorfor den er så vanskelig å bli kvitt.

Oppsummering

Vi har sett at polymerer bygges av mange monomerer på to ulike måter. Ved addisjonspolymerisering kobles umettede monomerer direkte uten biprodukt, slik PE, PP, PVC og PS lages. Ved kondensasjonspolymerisering mister monomerene et lite molekyl, oftest vann, slik PET (esterbindinger), nylon (peptidbindinger) og polyuretan dannes.

De samme egenskapene som gjør plast nyttig, gjør den til et miljøproblem: den brytes ned over 100-1000 år og danner mikroplast. Løsningene er å redusere, gjenbruke, resirkulere og utvikle bioplast, der resirkuleringskodene 1 (PET) og 2 (HDPE) er lettest å gjenvinne. Til slutt deler vi polymerene inn i termoplaster (smelter, kan omformes), herdeplaster (kryssbundet, smelter ikke) og elastomerer (elastiske som gummi) -- en inndeling som forklarer både plastens nytte og dens holdbarhet.