جستجو:

تجزیه ی شیمیایی پلاستیک ها

در سال های اخیر میزان تولید و مصرف مواد پلاستیکی رو به افزایش بوده و ما همواره با محصولات و ترکیبات جدیدی از پلاستیک ها در خانه، تجهیزات فنی و در کار مواجه می شویم. پلاستیک ها از موادی به حساب می آیند که ورود آن ها به محیط زیست می تواند خسارات فراوانی را به دنبال داشته باشد. در این مقاله سعی شده است تا به تفسیر راجع به تجزیه ی شیمیایی انواع پلاستیک ها و خواص آن ها بحث شود.

برای شناسایی مواد تشکیل دهنده ی محصولات سفالی، چوبی، فلزی ، سنگ و... ابتدا نمونه را حل می نمایند و با رسوب عناصر موجود و انجام  واکنش های تخصصی آن ها را شناسایی می کنند. از این نتایج ترکیب یک ماده و یا مخلوط به دست می آید.

در مورد پلاستیک ها و مواد پلیمری سنگین چنین طرز کاری فقط در مورد مقدار کمی از آن ها امکان پذیر است. تشخیص مواد پلاستیکی شامل آزمایشات ابتدایی، شناسایی عناصر، تعیین مقادیر مشخصه و بالاخره آزمایش های اختصاصی است.برای تشخیص دقیق این نکته قابل اهمیت است که ماده ی مورد نظر محصولی خالص و عاری از مواد اضافی مانند نرم کننده، پر کننده، رنگدانه و... باشد. زیرا چنین موادی می توانند تا حدودی به عنوان ناخالصی عمل کنند و در نتیجه در تشخیص تاثیر بگذارند.بنابراین ماده باید قبل از تجزیه خالص شود.که این عمل در اثر استخراج به کمک حلال انجام می شود .در ابتدا پلاستیک را به کمک حلال هایی که اغلب اتر است از بقیه ی مواد افزودنی جدا می کنیم،آنگاه با رسوب دادن پلاستیک و تبخیر حلال ،پلاستیک به صورت باقی مانده ای نامحلول در حلال باقی می ماند.حلال های به کار رفته متفاوت است و نمی توان روشی به خصوص  برای خالص سازی پلاستیک ها در نظر گرفت. در اخر همین مقاله به تفسیر راجع به همین موضوع بحث شده است.

به طور کلی به منظور تشخیص کامل ترکیبات پلاستیکی روش های زیر را انجام می دهند:

  • جداسازی پلاستیک از افزودنی های دیگر
  • تجزیه ی مقدماتی پلاستیک خالص شده
  • تعیین کمی پلاستیک با ابزار های آزمایشگاهی
  • بررسی کیفی و کمی افزودنی ها( نرم کننده ها، پر کننده ها، رنگدانه ها، پایدار کننده ها، امولوسیون کننده ها، روان کنندهد ها و عوامل محافظت کننده در مقابل نور و...

 

خواص فیزیکی مانند دانسیته ، انحلال پذیری ،نقطه ی ذوب و ضریب شکست و مشخصه های کمی مانند عدد صابونی شدن ارزش اسیدی و... غالبا اطلاعات با ارزشی در مورد نوع پلاستیک به دست می دهند. علاوه بر این نتایج مهمی را می توان از رفتار ماده در اثر گرما و اشتعال پذیری آن به دست آورد. در بعضی موارد به تنهایی و با انجام همین آزمایش ها می توان نمونه را تشخیص داد.

رفتار در اثر گرما و اشتعال:

بسیاری از پلاستیک ها هنگامی که به دقت گرم و مشتعل می شوند با رفتار خود تا حدودی شناسایی می گردند. این آزمایش باید با دقت و بر روی مقدار کمی از ماده انجام شود.زیرا چنانکه گرما بسیار زیاد و یا به سرعت اعمال شود، تجزیه روی می دهد و تغییرات مشخصه های پلاستیک را نمی توان مشاهده کرد. اگر مقادیر زیادی از ماده به کار رود ممکن است انفجار های ناگواری روی دهد .نیتروسلولز و پلاستیکهایی  که محتوی این ماده هستند (برای مثال سلولوئید) با انفجار شدید می سوزند و مواد دیگر مانند پلی وینیل کلرید یا فلوئوروهیدرو کربن ها با متصاعد کردن بخار های سمی یا محرک تجزیه می شوند.

 

 

تجزیه ی  انواع پلاستیک ها:

پلاستیک ها را می توان بر اساس مواد تشکیل دهنده، به صورت زیر طبقه بندی نمود.

  • فنولی

محصول تراکمی فنول ها و فرمالدهید هستند. این رزین ها به عنوان رزین های تجارتی،پودر های قالب گیری فشاری و محصولات سخت شده تجزیه می شوند. به سختی مشتعل می گردند .بخار آن خنثی و بویی شبیه فنول و فرمالدهید و در بعضی حالت ها شبیه آمونیاک دارد.

انحلال پذیری

رزین های فنولی در حلال های اتانول و استون حل می شوند.این نوع پلاستیک به مقدار جزیی در آنیلین ، در بتا-نفتول موجود در اتوکلاو و به مقدار زیاد در بنزیل آمین در دمای 200 درجه ی سانتی گراد حل می گردد.

آزمایش ایندوفنل گیبس برای تشخیص فنول

ماده ی خشک را در یک لوله ی آزمایش ریخته و آن را روی شعله حرارت می دهیم . دهانه ی لوله را با کاغذ صافی که در محلول اتری 2،6 دی برمو کینون و 4 –کلرو ایمید خیسانده و سپس خشک شده است می پوشانیم

 پس از اینکه ماده حداکثر به مدت یک دقیقه در اثر گرما تجزیه شد،کاغذ صافی را برداشته و در مجاورت  بخار آمونیاک قرار می دهیم.یا بهتر است که دو قطره محلول آمونیاک را به آن بیافزاییم تا مرطوب شود.تشکیل رنگ آبی مشخص کننده ی وجود فنول است.

  • رزین های کومارون و کومارون ایندن

کومارون و ایندن از تقطیر قطران زغال به دست می آیند. به صورت رزین های غیر قابل هیدرولیز پلیمری شده و با نرم کننده ها و رزین های دیگر مخلوط می گردند. این  رزین ها دارای نقطه ی نرم شدن 50 الی 170 درجه ی سانتی گراد هستند و به صورت مخلوط با فنول به صورت تجاری به کار می روند

انحلال پذیری

در اتر، نفت، بنزن، استرها و هیدروکربن های کلردار شده حل می شوند

آشکار سازی کیفی

رزین های کومارون معمولا قابل هیدرولیز نمی باشند . رزین های غیر قابل هیدرولیز را در لوله ی ازمایش و در دمای 300 درجه ی سانتی گراد پیرولیز می کنیم و بخار های حاصل را با کمک گلوله های پشم شیشه ای از دهانه ی لوله جمع آوری می نماییم. به پشم شیشه مقداری استیک انیدرید و 3 الی 2قطره سولوریک اسید 50 درصد می افزاییم.

رزین های کومارون رنگ قرمز معمولی و رزین های کومارون-ایندن رنگ نارنجی تا قهوه ای می دهند.

  • رزین های آمینی

این رزین ها محصولات تراکمی اوره، تیوره، دی سیان دی آمید یا ملامین  با فرمالدهید هستند. این رزین ها به صورت پودر های قالب گیری و محصولات سخت شده مانند قطعات قالب گیری شده و ورقه های تزیینی به کاربرده می شوند. پر کننده ها شامل خاک اره، پنبه نسوز، گرد سنگ، خمیر چوب و منسوجات است.

رفتار در اثر گرما و اشتعال

در اثر گرما، تجزیه و تیره شدن اتفاق می افتد. این رزین ها به سادگی با شعله ی کم شعله ور نمی شوند . بخار حاصله از حرارت دیدن آن ها قلیایی است و بویی شبیه آمونیاک و فرمالدهید دارد

انحلال پذیری

رزین های سخت نشده در آب حل می شوند. اما رزین های سخت شده از این ماده در حلال های معمولی حل نشده اما در آنیلین داغ حل می گردند.

آشکار سازی کیفی رزین اوره و تیوره

چند میلی گرم از ماده ی مورد آزمایش را با یک قطره هیدروکلریک اسید غلیظ ترکیب می کنیم و در دمای 110 درجه سانیت گراد تبخیر میکنیم تا خشک شود. باقی مانده را خنک می نماییم و با یک قطره فنیل هیدرازین ترکیب می کینم و در حمام روغن و در دمای 195 درجه ی سانتی گراد به مدت 5 دقیقه گرما می دهیم. پس از خنک شدن محلول را با 3 قطره محلول آمونیاک با نسبت 1:1 و 5 قطره محلول نیکل سولفات آبی 10 درصد مخلوط می کنیم و پس از افزودن 10 الی 12 قطره کلروفرم، محلول ساخته شده را هم می زنیم. تشکیل رنگ بنفش تا قرمز در لایه کلروفرم مشخص کننده ی وجود اوره یا تیواوره است.

تست شناسایی تیوره

ماده را می توان با جوشاندن به مدت چند دقیقه در آب یا جوشاندن به مدت بیشتری با محلول قلیایی غلیظ یا با گرما دادن با مقداری فسفریک اسید به مدت یک ساعت در آون با دمای 120 درجه ی سانتی گراد تجزیه نمود. محلول آبی را صاف می کنیم و مایع زیر صافی را با کوپروکلرید به اندازه ی سر اسپاتول به مدت 2 الی 3 دقیقه می جوشانیم و یک قطره از این محلول ساخته شده را روی کاغذ صافی آغشته به پتاسیم فری سیانید می ریزیم. تشکیل رنگ بنفش تا آبی مشخص کننده ی وجود تیوره است

  • پلی اولفین ها

در حوزه ی پلاستیک ها مهم ترین پلی اولفین ها عبارتند از پلی اتیلن، پلی پروپیلن، پلی ایزوبوتیلن.

این پلی اولفین ها به صورت پودر های قالب گیری تزریقی و پودر های قالب گیری روزن رانی (قطعات ساخته شده ی اسباب بازی ها ، لوله ها و...)دیده می شوند. پلی ایزوبوتیلن به ویژه در ورقه های بسته بندی به کار می رود . همچنین جز اصلی سازنده ی لاستیک بوتیل است.

رفتار در اثر گرما

پلی اولفین ها ذوب و به سهولت شعله ور می شوند و در اثر حذف شعله به سوختن ادامه می دهند. بخار آن خنثی است و بویی شبیه پارافین داغ دارد.

انحلال پذیری

در حلال های معمولی حل نمی شود ولی در دکا یا تترا هیدرو نفتالن حل می گردد.

این ماده عدد صابونی شدن<20 دارد.

آشکار سازی  کیفی

با کمک نقطه ی ذوب می توان به شناسایی کیفی این ماده پرداخت:

پلی اتیلن با دانسیته ی کم دارای نقطه ی ذوب 100-116 درجه ی سانتی گراد می باشد

پلی اتیلن با دانسیته ی زیاد دارای نقطه ی ذوب 125-135 می باشد

پروپیلن نقطه ی ذوب 160-170 در جه ی سانتی گراد دارد

  • پلی استیرن و کوپلیمرها

پلی استیرن به خصوص به صورت خالص و کوپلیمرها ( به ویژه با اکریلونیتریل و بوتادین) در قطعات الکتریکی، لوازم خانگی، و اسباب بازی موجود می باشد. پلی استیرن همچنین برای تهیه ی ورقه های عایق بندی به کار می رود

رفتار در اثر گرما و شعله:

پلی استیرن ها ذوب می شوند و همراه با متصاعد کردن بخار بی رنگ تا زرد تجزیه می گردند. این ماده به سهولت شعله ور می شود و با تولید دود فراوان به سوختن ادامه می دهد. بوی آن ها ناخوش و مشابه بوی گاز زغال سنگ است.

عدد صابونی این ماده <20 است

  •  پلی وینیل استات

پلی وینیل استات دسته ای دیگر از پلاستیک ها است که به عنوان جز سازنده ی کوپلیمر هایی مانند وینیل کلرید و اتیلن به کار می رود. این ماده به راحتی ذوب می شود و به رنگ قهوه ای در می آید. بخار آن اسیدی است و هنگام مشتعل شدن با حذف شعله همچنان به سوختن ادامه می دهد. این ماده با سوختن بویی شبیه استیک اسید از خود متساعد می کند

انحلال پذیری

پلی وینیل استات در بنزن، هیدروکربن های کلردار شده، کتون ها، استر ها و الکل ها حل می گردد.

تست شناسایی

مونو یا دی کلرو استیک اسید یا هر دو را ذوب می کنیم و به اندازه ی سر اسپاتول ماده ی مورد ازمایش را که کاملا ساییده شده است با آن مخلوط می کنیم و گرما می دهیم تا به مدت یک الی 2 دقیقه بجوشد. نوع پلیمر را می توان از رنگ تشکیل شده تعیین کرد.

در صورتی که بعد از 2 دقیقه جوشیدن هیچکدام از رنگ های موجود در جدول دیده نشد احتمال وجود آن ماده منتفی است

پلاستیک

مونو کلرو استیک اسید

دی کلرو استیک اسید

پلی وینیل استات

سبز

آبی-بنفش

پلی وینیل کلرو استات

آبی-بنفش

آبی-بنفش

پلی وینیل کلرید

آبی

قرمز-بنفش

پلی وینیل کربازول

سبز روشن

آبی

ایزوپروپیل

آبی-سبز

سبز-آبی

ستیل (هگزا دسیل)

سبز

سبز-آبی

اکتا دسیل

سبز

سبز-آبی

 

پلی وینیل پیرولیدین، پلی وینیل اتر ها،،پلی آمید ها و... جز دیگر دسته های پلاستیک ها هستند که در این مقاله به آن ها پرداخته نشده است.

موا افزودنی و کمکی

مواد پلاستیکی غالبا محتوی مواد افزودنی هستند که خواص ماده ی خام را تغییر می دهند یا اینکه فرایند تولید آن را آسانتر می کنند.این افزودنی ها شامل، نرم کننده ها، پایدار کننده ها،پر کننده ها، رنگ ها و رنگدانه ها، روان کننده ها، جاذب های ماورا بنفش و... هستند.

برخی از دلایل وجود این افزودنی ها در زیر آمده است.

نرم کننده ها: افزودن نرم کننده ها به ترموپلاستیک های سخت مانند رزین های وینیل، مشتقات سلولزی و رزین های آکریلیک موجب نرم تر و انعطاف پذیری بیشتر آن ها می گردد.

پر کننده ها: پرکننده ها غالبا برای اصلاح خواص رزین ها و همچنین کاهش قیمت آن ها به کار برده می شوند.

رنگدانه ها: تعداد زیادی از پلاستیک ها را می توان به شکل های رنگی ، شفاف، مات یا رنگ آمیزی شده تولید کرد.

پایدار کننده ها و افزودنی های دیگر: نور و گرما می توانند سبب تجزیه ی مواد پلاستیکی به خصوص ترموپلاستیک ها مانند پلی وینیل کلرید و پلی اولفین ها شوند.این عمل را می توان با افزودن پایدار کننده ها جاذب های ماورا بنفش و ضد اکسنده ها متوقف ساخت.

تجزیه ی پلاستیک های حاوی افزودنی بی نهایت دشوار است. بنابراین لازم است که قبل از تجزیه، مواد افزودنی را از پلاستیک ها خارج نمود.

در جدول زیر به طور خلاصه به چگونگی جداسازی پلاستیک ها از این افزودنی ها پرداخته شده است.

 

هدف از جداسازی

روش کار

پلاستیک

پس از اسیدی کردن، اسید های چرب و رزین اسید ها می توانند به وسیله ی اتر استخراج شوند،لاتکس رسوب می کند

صابون به عنوان امولوسیون کننده به کار می رود، پراکندگی با اسیدی کردن شکسته می شود

لاستیک یا کوپلیمر های بوتادین

امولوسیون کننده، رزین های محلول در آب و نمک ها در محلول باقی می مانند، پلیمر رسوب می کند

محلول آن را با 20 برابر حجمش به هم میزنیم

استر های پلی اکریلیک اسید

پلیمر رسوب می کند و افزودنی ها در بنزن حل می گردند

در مقدار کافی بنزن حل می کنیم تا در اثر گرم شدن محصول شفافی به دست آید، سپس محلول را سرد می کنیم

پلی اتیلن

نرم کننده ها جداسازی می گردند

استخراج با محلول متانولی آبی یا پراکندگی با مخلوط پنتان اتر

پلی وینیل استات

پایدار کننده ها و نرم کننده ها جداسازی می گردند

ماده ی کاملا نرم شده ی آن را به طور پی در پی با کربن تترا کلرید، اتر، بنزن، متیلن کلرید و تترا هیدروفوران استخراج می کنیم

پلی وینیل کلرید

 منبع:

کتاب تجزیه ی شیمیایی پلاستیک ها، ا. کروس،ا. لانگ، ترجمه ی محمود محراب زاده