Identifiera plasten

Tillhör kategori: organisk kemi, kolföreningar

Författare: Maria Mäkitalo

Introduktion Riktlinjer Säkerhet Materiel Förarbete Utförande Förklaring Kemisk bakgrund Fördjupning Litteratur Fler experiment

  

Tid för förberedelse: 10 minuter

Tid för genomförande: 30 minuter

Antal tillfällen: 1

Säkerhetsfaktor: Utföres med normal varsamhet

Svårighetsgrad: Kräver viss labvana

Introduktion

Den totala produktionen av plast i världen är cirka 100 miljoner ton per år. Plastprodukter är i regel märkta med en triangel med ett nummer i mitten som säger vilken typ av plast det är. Det finns dock andra sätt att ta reda på vilken typ av plast en produkt är gjord av. Du kan här utföra några enkla experiment för att identifiera olika plaster.

Riktlinjer

Experimentet lämpar sig som elevförsök.

Säkerhet

Eftersom ohälsosamma, icke färdigoxiderade produkter kan bildas vid upphettning så måste experimentet utföras i dragskåp eller med annan god ventilation. Försiktighet krävs när man hanterar bunsenbrännaren. Plasterna hålls med en spatel (eller tång) under upphettningen.

Avfallet från experimentet kan kastas med vanligt avfall efter att man spolat vatten på plasterna för att hindra antändning.

Materiel

• 4-6 små plastbitar (numrerade)
• pH-papper
• Bägare
• Bunsenbrännare
• Spatel

Förarbete

Samla plaster av de olika typerna, som sedan klipps till i lämpliga bitar och märks upp med nummer. Några exempel på vad som kan användas:

• PET: Coca-cola flaska (polyetylentereftalat)
• PS: t.ex. plastbestick (polystyren)
• PVC: vattenflaska, t.ex. träningsflaska (polyvinylklorid)
• Nylon: t.ex. tandborstskaft, fiskelina (Nylon 6,6 och Nylon 6)
• PC: CD-skiva (OBS: har ett lager av aluminium och akryl). (polykarbonat)
• Bakelit: Gammal kontakt/ gammal telefon (bakelit)
• HDPE: Vitaminburk (polyeten, högdensitets)
• LDPE: Sex-pack flask-/burkring (polyeten, lågdensitets)
• PP: Vissa plastburkar för matförvaring (som tål hög temperatur i diskmaskin) (polypropen)

Utförande

• Ljudtest
  1. Släpp plasten ovanför en hård yta (laboratoriebänken går bra). Är klangen ljus eller dov?
• Flytprov
  1. Fyll bägaren ungefär till hälften med vatten.
  2. Doppa ner plasten under vattenytan och släpp.
  3. Sjunker den långsamt, snabbt eller flyter den upp?
• Antändnings- samt pH-värdetest
  1. Antänd brännaren i dragskåpet.
  2. Placera plasten på en spatel, för in den i lågan och notera om den ...
     • Brinner? Slocknar direkt när den tas bort från lågan eller fortsätter att brinna?
     • Färg på lågan och röken?
     • Pressa smält plast mot en kall yta och se om du med hjälp av spatel kan dra upp långa trådar.
     • Håll ett lackmuspapper över röken efter att plasten tagits bort från lågan. Lackmus färgas rött under sura förhållanden och blått under basiska (alkaliska) förhållanden.
• Kan du avgöra vilka plaster du har? Finns det något i tabellen som inte stämmer in med era resultat? Anteckna!

A: Materialet är svårantändligt och slocknar, sedan det tagits ut ur lågan.
Plast nummer	Densitet (kg/dm3)	Lågans karaktär	Rökens syra/bas-reaktion	Klang	Andra iakttagelser	Sannolikt material
	1,26	gul		dov		Fenolformaldehydharts (Bakelit)
	1,20-1,22	gul rykande		dov	smälter, förkolnar	Polykarbonat (PC)
B: Materialet brinner men slocknar, sedan det tagits ut ur lågan.
Plast nummer	Densitet (kg/dm3)	Lågans karaktär	Rökens syra/bas-reaktion	Klang	Andra iakttagelser	Sannolikt material
	1,30-1,58	gul med grön bas	sur	dov		Polyvinylklorid (PVC)
	1,14	blå med gul topp	basisk	dov	smälter plötsligt till en klar, lättflytande vätska, som kan dras till fiber	Polyamid (Nylon)
C: Materialet brinner och fortsätter brinna, sedan det tagits ut ur lågan.
Plast nummer	Densitet (kg/dm3)	Lågans karaktär	Rökens syra/bas-reaktion	Klang	Andra iakttagelser	Sannolikt material
	1,29 - 1,4	gul, rykande		dov	smälter plötsligt till en klar lättflytande vätska, som kan dras ut till fiber	Polyetentereftalat (PET, termoplastisk polyester)
	0,90-0,94	gul med blå bas		dov	blir mer transparent vid smältning	Polyeten(PE)eller Polypropen (PP)
	1,04-1,05	gul med blå bas, starkt sotande spets		metallisk	svart, sotflagor	Polystyren (PS)

Variation

Man kan formulera problemet så att för att återvinna plaster måste kunna sortera dem på ett automatiskt sätt. Det enklaste sättet är att använda deras densitet!

För detta kan man använda vanligt koksalt i olika koncentrerade lösningar och på så vis få kvar problemet att skilja på PET och PVC och eventuellt nylon, som har nära lika densiteter.

Man startar med den mest koncentrerade saltlösningen och späder med vatten tills plasterna sjunker.

En variant på detta är att man kan ha olika lösningar som man vet densiteten på (vatten, metanol etc) och undersöka om plasten flyter eller sjunker. Man kan på så sätt bestämma densiteten på plasten mer noggrant.

Förklaring

Flytprov: Densiteten för vatten är 1,000 kg/dm³. Om provet flyter betyder det att densiteten är mindre än 1,000 kg/dm³. Densiteten för plaster varierar mellan 0,9 kg/dm³ (PELD, PP) och 1,38 kg/dm³ (PVC). Elaster väger 1,5 kg/dm³. Porösa produkter, till exempel cellplast, har lägre densitet. PE innehåller bara kol och väte. Dessa är relativt lätta. PVC innehåller kloridatomer som är tyngre än kol och väte och sjunker därmed i vatten.

Färgen på lågan: En grön lågfärg visar att plasten innehåller klor eller brom i någon form. Plaster som är uppbyggda av aromatringar brinner och avger svart rök.

pH-värde: Man använder pH-papper som en pH-indikator. pH är ett mått på surhet, det vill säga koncentrationen av vätejoner (H⁺) i en lösning (egentligen oxoniumjoner, H₃O⁺, en vattenmolekyl med en extra proton det vill säga en extra H⁺). Förbränning av PVC ger väteklorid som är surt.

Kemisk bakgrund

Polymerer

Plast består kemiskt av kedjor av kolväten, som bildar polymerer. Ordet polymer härstammar från grekiskan: poly betyder "många" och mer "delar", polymer således "många delar".

Man skiljer mellan två huvudtyper av polymerer - styva och elastiska, elastaner. Elastanerna kan indelas i termoelaster och gummi. Gummimaterial har stor elastisk återfjädring. De styva polymererna (plaster) kan indelas i termoplaster och härdplaster. Termoplaster består av linjära eller grenade polymerkedjor som smälter och tillverkas vid hög temperatur samt stelnar när den kyls. Härdplaster består av ett tätt tvärbundet nätverk av polymerkedjor, som stelnar vid tillverkningen.

Polymererna framställs genom att många små molekyler, monomerer, polymeriseras till långa polymerkedjor. Beroende på hur kedjorna är hopfogade och vilka andra kemiska grupper de kan binda till sig får plasterna olika egenskaper. Vid normal användning är polymerer så gott som helt luktfria. Vid tillverkning, bearbetning, skärning, höga temperaturer och förbränning eller annan extrem användning, kan råmaterial, tillsatsmedel, restprodukter eller lågmolekylära migrationsprodukter avge lukt.

Att plast är ett mångfacetterat begrepp speglas i de många olika användningsområdena - plastpåsar, burkar, flaskor, höljen till kameror och hushållsmaskiner, bildetaljer, kablar, rör, sportartiklar mm.

Trots att vissa polymerer klassas som svårantändliga eller självslocknande, kan de vara olämpliga ur brandsäkerhetssynpunkt om de används fel. De kan smälta eller förkolna vid brand, vilket kan ge heta droppar och sot eller leda till att belastade produkter mister sin bärförmåga. Brinnande material kan även avge giftiga eller korrosiva gaser och bidra till brandspridning.

En översikt över polymera material ges i dessa två tabeller.

Elaster
Termoelaster TPE	Gummi
Amidbaserade Esterbaserade Olefinbaserade Uretanbaserade Styrenbaserade	Akrylgummi Butylgummi Epiklorhydringummi Etengummi Fluorgummi Kloroprengummi Klorsulfonerad polyeten Naturgummi Nitrilgummi Norborengummi Silikongummi Styrengummi Uretangummi

 

Plaster
Termoplaster	Härdplaster
ABS: poly-akrylnitril-butadien-styren PA: amidplast PC: karbonatplast PE: etenplast PEEK: polyeterketon PES: polyetersulfon PET: termoplastisk polyester PMMA: akrylplast POM: acetalplast PP: propenplast PPO: polyfenyloxid PPS: fenylsulfidplast PS: styrenplast PSU: sulfonplast PTFE: polytetrafluoretylen PVC: vinylkloridplast SAN: poly-styren-akrinitril SB: slagtålig polystyren	DAP: diallylftalat EP: epoxiplast Esterplaster MF: melaminplast PF: fenolplast PI: imidplast PUR: uretanplast SI: silikoner UF: ureaformaldehydplast

PET, polyetylentereftalat

PET-plast framställs med råolja och naturgas. Det är en delkristallin, termoplastisk polyester. Den har har god styvhet och hårdhet kombinerat med god utmattningshållfasthet och nötningsbeständighet. Detta gör att den kan användas till påfrestande konstruktioner tex kugghjul, tätningar, rör- och knådredskap, maskindelar och flaskor förstås.

Polyetylentereftalat (PET)

Bild: © Svante Åberg

PVC, polyvinylklorid

PVC som innehåller kloratomer på kedjorna är hård, mycket hård. Kloratomen är nämligen väldigt stor om man jämför med kol- och väteatomerna i polyeten.

PVC är avvisande mot eld och vatten. Den vattenavvisande egenskapen uttnyttjas genom att man använder PVC till att göra regnkläder och duschdraperier.

När man försöker bränna PVC så avges kloridatomer. Dessa skyddar mot att plasten fattar eld. PCV används även när man tillverkar linoleummattor till golv, samt till rör och vattenledningar i byggnader.

Polyvinylklorid (PVC)

Bild: © Maria Mäkitalo

PE, polyeten

Polyeten är den plast som används mest. Den finns i bl a schampoflaskor, plastpåsar och leksaker. Den har en väldigt enkel struktur, en lång kedja med kol- och väteatomer. Man skiljer på högdensitets-polyeten (HDPE) och lågdensitets-polyeten (LDPE) där den senare består av en grenad kolkejda istället för en ogrenad som ses på bilden.

Det går att rita polyetenmolekylen på två olika sätt.

Bild: © Maria Mäkitalo

PS, Polystyren

Polystyren är en relativt hård plast som används flitigt till tex leksaker, köksmaskiner, datorer och yoghurtburkar.

	Varje "ring" i polystyrenet innehåller sex kolatomer och fem väteatomer.
Bild: © Maria Mäkitalo

PP, polypropen

Polypropens höga smältpunkt, 160°C, utnyttjas genom att man använder den till plastförpackningar som tål att maskindiskas. Den tar heller inte upp vatten. Denna egenskap tas tillvara genom att man använder den i golvmattor.

	Metylgrupperna på kolvätekedjan kommer från den metylgrupp i monomeren propen som inte är dubbelbunden.
Bild: © Maria Mäkitalo

Nylon

Nylon får sin fiberlika struktur tack vare den polara amidgruppen samt den regelbundna symmetrin i kolkedjan. Den används i bl a nylonstrumpbyxor och andra kläder. Den används även till rep och fallskärmar samt som tandborsthandtag.

Nylon har en amidgrupp i kolkedjan. Detta är nylon 6,6 därför att amidgruppen finns mellan var sjätte kolatom.

Bild: © Maria Mäkitalo

Återvinning och miljö

Plaster kan återvinnas på olika sätt såsom materialåtervinning, energiåtervinning, nedbrytning eller återvinning till monomer.

Vid materialåtervinning sorteras plasten först av användaren för att sedan insamlas och grovsorteras. Efter det sker fraktionering, finsortering, tvättning och torkning av plasten. Plasten kan därefter bearbetas på nytt. Huvudsakligen plastförpackningar materialåtervinns.

Vid energiåtervinning förbränns plasten varvid man utvinner elkraft och värme för uppvärmning. Förpackningsmaterial är konstruerade för en kort livslängd medan byggplaster är konstruerade för att fungera upp till 100 år, beroende på produkten. Energiåtervinning av byggplaster är då ett alternativ. Energiinnehållet i plast är ungefär lika stort som i olja.

En plast som är nedbrytbart är polyhydroxybutyrat (PHB). Den tillverkas genom jäsning av kolhydrater med hjälp av en mikroorganism kallad Alcaligenes eutrophus. Denna process är ganska dyr så därför är inte nedbrytningsbara plaster så vanliga.

Återvinning till monomerer sker genom en process som kallas pyrolys och innebär att polymeren delas upp i monomerer genom syrefri upphettning. Sverige har ingen pyrolysanläggning så plasten måste transporteras till en anläggning i Holland. De flesta plaster kan pyrolyseras.

Fördjupning

Densitetsmätningar

Densitet är ett mått på vikten per volymsenhet. Enheten kan vara till exempel kg/dm³, vilket är samma sak som kg/liter. Den kan också vara g/cm³, vilket är samma sak som g/ml.

Att bestämma densiteten hos ett fast föremål

För att bestämma densiteten, så behöver man alltså dels veta vikten, dels volymen för föremålet.

Vikten kan mätas med dynamometer

Det är lätt att ta reda på vikten, eftersom man helt enkelt väger det föremål man vill bestämma. Använd en dynamometer (fjädervåg) och häng upp föremålet i en tunn tråd.

För att mäta föremålets vikt (m_luft; enhet g), låter du föremålet hänga fritt i luften. Avläs vikten på dynamometern.

Volymen kan bestämmas med Arkimedes princip

Ett trick är att använda sig av Arkimedes princip, att ett föremål som sänks ned i en vätska påverkas av en lyftkraft lika stor som tyngde av den undanträngda vätska. En lämplig vätska är vatten. Vatten väger nästan exakt 1 g per ml, vilket gör det enkelt att räkna.

För att mäta volymen av det undanträngda vattnet så sänker du ned föremålet i vatten helt och hållet, men fortfarande hängande i dynamometern. Avläst vikten när föremålet är helt nedsänkt i vatten (m_vatten; enhet g).

Den avlästa vikten minskar när föremålet sänkt i vatten. Varje gram av viktminskningen motsvarar 1,000 ml vatten. Volymen (V; enhet ml) kan beräknas med formeln
V = [m_luft – m_vatten] (enhet ml)

Beräkna densiteten hos vätskan

Sedan beräknar du densiteten som vikten genom volymen och får densiteten ρ med formeln
ρ = m_luft/V (enhet g/ml)

Kommentar: Man kan också hoppa över steget att beräkna volymen och beräkna densiteten direkt med formeln
ρ = m_luft/[m_luft – m_vatten] (enhet g/ml)

Att bestämma densiteten hos en vätska

Det är enkelt både att mäta vikt och volym hos en vätska. Du behöver en vanlig våg och ett mätglas.

Ställ ett tomt mätglas på vågen. Nollställ vågen, om den har en sådan funktion. I annat fall noterar du vikten för mätglaset.

Fyll sedan på vätska till den önskade volymen.

Bestäm vikten hos vätskan

Väg på nytt och notera hur mycket vikten har ökat. Om vågen var nollställd vid start, så kan får du vikten av vätska direkt på vågen. I annat fall måste du beräkna skillnaden i vikt för mätglaset med och utan vätska.

Bestäm volymen hos vätskan

När du har ett mätglas, så använder du graderingen på mätglaset för att se volymen. Då bör du tänka på att en vätskeyta brukar vara böjd. Ofta stiger vätskan lite i kontakten med glaset. Den nivå du ska avläsa är vätskeytan i mitten av mätglaset. Tänk på hålla ögat i samma nivå som vätskeytan, så att du inte avläser skalan snett.

Beräkna densiteten hos vätskan

Sedan beräknar du densiteten som vikten genom volymen och får densiteten ρ med formeln
ρ = m_luft/V (enhet g/ml)