Plast er overalt rundt oss — i klær, mat, byggevarer, biler, helsevesen, elektronikk. Når man inkluderer alle bruksområder, produseres det ca. 350 millioner tonn plast hvert år på verdensbasis. Norge produserer rundt 700 000 tonn årlig.

Plasten har transformert moderne liv på godt og vondt. Den har gjort medisin tryggere, mat lengre holdbar og kommunikasjon billigere. Men plast er også et av de største miljøproblemene i vår tid.

I dette kapittelet ser vi på plastens kjemi: hvordan den lages, hva som påvirker egenskapene, og hvordan vi kan gjøre den mer bærekraftig.

1. Hva er plast?

Plast er kunstige (syntetiske) polymerer med tilsetningsstoffer. Selve polymeren utgjør grunnlaget, men den blandes ofte med andre stoffer for å gi ønskede egenskaper.

1.1 Polymer, monomer og repeterende enhet

Tre nøkkelbegreper:

Et eksempel: monomeren vinylklorid (CH₂=CHCl) blir til polymeren PVC (polyvinylklorid), der den repeterende enheten er –CH₂–CHCl–.

1.2 Bindinger i en polymer

I en polymer har vi to typer bindinger som spiller ulike roller:

• Innen kjeden: kovalente bindinger mellom atomene → svært sterke
• Mellom kjeder: dipolbindinger eller hydrogenbindinger → svake

Det er de svake bindingene mellom kjedene som ofte avgjør egenskapene til plastet.

2. Krystallinitet — hvordan kjedene pakker seg

Hvor tett polymerkjedene pakkes, bestemmer mange viktige egenskaper.

2.1 Krystallinske vs amorfe områder

De fleste plasttyper har begge deler. Andelen som er ordnet kalles krystalliniteten til polymeren. En plast med høy krystallinitet er hard og hvit. En plast med lav krystallinitet er myk og gjennomsiktig.

2.2 Hva styrer krystalliniteten?

2.3 Eksempel — to typer polyeten

PE-LD (lav tetthet) og PE-HD (høy tetthet) er begge polyeten, men har vidt forskjellige egenskaper:

3. Termoplast vs herdeplast

Den viktigste praktiske inndelingen av plast er etter hvordan den oppfører seg ved oppvarming.

3.1 Termoplast — kan formes på nytt

I termoplaster er det bare svake bindinger (dipolbindinger) mellom polymerkjedene. Ved oppvarming brytes disse, og plasten mykner. Når den kjøles ned igjen, hardner den i ny form.

Egenskaper:

• Kan formes om og om igjen
• Kan resirkuleres effektivt
• Mykner ved relativt lave temperaturer

Eksempler: PE, PP, PVC, PS, PET, nylon, akryl

3.2 Herdeplast — stivner permanent

I herdeplaster er det kovalente tverrbindinger mellom polymerkjedene. Disse brytes ikke ved oppvarming — plasten kan ikke formes på nytt.

Slik lages en herdeplast:

1. Bland polymermassen med en herder
2. Form den som ønsket
3. La den herde i ønsket form

Alternativt brukes monomerer med mer enn to funksjonelle grupper som danner tverrbindinger under polymeriseringen.

Eksempler:

• Bakelitt — den første herdeplasten (1907), brukt i el-utstyr
• Polyuretan — i skum, sko, isolasjon
• Epoxy — sterke limstoffer, beskyttende belegg
• Melamin — kjøkkenbenker, plastbestikk

3.3 Hvorfor er forskjellen viktig?

4. Tilsetningsstoffer — gir plasten egenskaper

Ren polymer er sjelden brukbar som den er. Den må modifiseres med tilsetningsstoffer.

4.1 Myknere — gjør plasten mer fleksibel

Mykneren binder seg til polymerkjedene og bryter en del av dipolbindingene mellom dem. Det gjør at kjedene lettere kan gli over hverandre.

Eksempel — PVC:

• Ren PVC er hard og lite formbar
• Med mye mykner: brukes i kabel-isolasjon og gulvbelegg
• Med lite mykner: brukes i veggkontakter og rør

Ftalater har vært den mest brukte gruppen myknere. Mange ftalater har imidlertid vist seg å være helseskadelige — de kan lekke ut av plasten over tid.

4.2 Fargestoffer (pigmenter)

Pigmenter:

• Gir farge
• Beskytter mot UV-stråling fra sola (forhindrer at polymerkjedene brytes)
• Gjør plasten mer ugjennomsiktig

4.3 Fyllstoffer

Fyllstoffer er rimelige stoffer som blandes inn for å redusere kostnadene:

• Kalkpulver i avløpsrør av PVC
• Glassfiber for å gi styrke
• Trefibre i bygningsmaterialer

4.4 Andre tilsetningsstoffer

5. Addisjonspolymerisering

Den ene av de to hovedmetodene for å lage polymerer.

5.1 Hvordan virker det?

I addisjonspolymerisering har monomeren en dobbeltbinding (alkene). Denne åpnes, og monomerene knyttes sammen med kovalente enkeltbindinger.

Generell reaksjon:

CH₂=CHX + CH₂=CHX + CH₂=CHX +...

→ –CH₂–CHX–CH₂–CHX–CH₂–CHX–...

der X er en gruppe som er karakteristisk for monomeren.

Stor fordel: 100 % atomeffektivitet — alle atomene fra monomerene havner i polymeren. Ingen biprodukter dannes.

5.2 To måter — radikal vs katalysator

Friradikalreaksjon (høyt trykk)

Initiator brukes — et stoff som danner frie radikaler (R•). Et fritt radikal har et uparet elektron og er veldig reaktivt.

Steg 1 — initiering:

Det nydannede radikalet har det uparede elektronet i enden. Det reagerer videre med en ny monomer:

Kjeden vokser hurtig. På få sekunder kan det bygges opp en kjede med tusenvis av monomerer.

Avslutning skjer når to radikaler møtes og parer seg.

Bivirkning: kjedene kan «hoppe» — det uparede elektronet kan ta et H-atom fra et annet sted på kjeden, og en ny sidekjede vokser ut der. Dette gir plast med mange forgreninger og lav krystallinitet.

Katalysert reaksjon (lavt trykk)

Med en Ziegler-Natta katalysator (oppdaget på 1950-tallet, Nobelpris 1963) kan man styre polymeriseringen veldig presist:

• Få eller ingen forgreninger → høy krystallinitet
• Stereoregularitet — sidekjedene kan plasseres systematisk

5.3 Stereoregularitet — taktisitet

I polypropen kan metylgruppene være på samme side, motsatt side, eller tilfeldig fordelt:

5.4 De viktigste addisjonspolymerene

Polyeten (PE) — verdens mest produserte plast

Monomer: eten (CH₂=CH₂)

To typer:

• PE-LD: lav tetthet, gjennomsiktig, mykt — brukes i bæreposer, folie, søppelsekker
• PE-HD: høy tetthet, hvit, hard — brukes i såpeflasker, beholdere, bensintanker

Polypropen (PP)

Monomer: propen (CH₂=CHCH₃)

Brukes i matemballasje, vanntette belegg, tekstiler, bil-deler. Tåler oppvarming til 140 °C uten å mykne.

Polyvinylklorid (PVC)

Monomer: vinylklorid (CH₂=CHCl)

Et av de mest allsidige plasttypene — kan være alt fra hardt rør til mykt regntøy avhengig av mengden mykner.

Polystyren (PS)

Monomer: styren (CH₂=CHC₆H₅) — fenylgruppen er det som skiller den fra polyeten.

Brukes i plastbeger, leketøy, isolasjonsmateriale (isopor).

Isopor lages ved å løse heksan i polystyren under trykk. Ved oppvarming og trykkavlastning fordamper heksan, og polystyrenet eser opp. En isoporkule kan være 50 ganger større enn en kompakt kule av samme polystyren-mengde.

6. Kondensasjonspolymerisering

Den andre hovedmetoden for å lage polymerer.

6.1 Hvordan virker det?

I kondensasjonspolymerisering har hver monomer to funksjonelle grupper — én i hver ende. Når de reagerer, dannes en kovalent binding og et lite molekyl spaltes av — vanligvis vann.

Generell reaksjon:

A–X + Y–B → A–B + XY

der XY ofte er H₂O.

For å lage en polymer trenger vi at A og B kan reagere videre. Derfor har monomerene to funksjonelle grupper:

X–A–X + Y–B–Y + X–A–X + Y–B–Y +...

→ –A–B–A–B–A–B–...

med XY (vann) spaltet av i hver kobling.

6.2 Polyestere — esterbindinger mellom kjedene

En ester dannes når en alkohol og en karboksylsyre reagerer:

For en polyester må monomerene ha to slike grupper:

• En dikarboksylsyre (HOOC–R–COOH)
• En dialkohol (HO–R'–OH)

PET — den mest kjente polyesteren

PET (polyetylentereftalat) lages av:

• Etan-1,2-diol (etylenglykol)
• Benzen-1,4-dikarboksylsyre (tereftalsyre)

Egenskaper:

• Lav krystallinitet → gjennomsiktig
• Tåler ikke aceton eller temperaturer mye over 100 °C
• Brukes i: brusflasker, vannflasker, fleecegensere, polyester-tøy

Når PET resirkuleres, lages det pelleter som kan smeltes og formes til nye produkter.

PLA — bionedbrytbar fra mais

PLA (polymelkesyre) lages fra melkesyre (2-hydroksypropansyre), som har både –OH og –COOH i samme molekyl.

Fordeler:

• Råmateriale fra fornybare kilder (mais, sukkerroer)
• Bionedbrytbar — bakterier bryter den ned
• Brukes i: drikkekopper, teposer, bionedbrytbare plastposer

Forskning på PLA i:

• Klær og tekstiler
• Bleier
• Medisinske implantater og piller som sakte løses opp

PLA blir myk over ca. 60 °C — en begrensning som forhindrer bruk i varme drikker.

6.3 Polyamider — amidbindinger mellom kjedene

I et polyamid finner vi atomgruppen –CO–NH–. Dette er samme binding som peptidbindingen i proteiner!

Amidbindingen dannes mellom:

• En karboksylsyre (–COOH)
• Et amin (–NH₂)

med vann spaltet av.

Nylon — det første polyamidet

Nylon-6,6 lages av:

• Heksan-1,6-disyre (HOOC–(CH₂)₄–COOH) — 6 C-atomer
• Heksan-1,6-diamin (H₂N–(CH₂)₆–NH₂) — 6 C-atomer

Tallene 6,6 viser antall C i hver av de to monomerene.

Andre nyloner:

• Nylon-6,10 — fra heksan-1,6-diamin og dekan-1,10-disyre
• Nylon-6 — fra én monomer (kaprolaktam)

Bruk: tau, klær, tannbørstebust, bil-deler.

6.4 Sammenligning av addisjon og kondensasjon

7. Plastsymboler og resirkulering

I trekantsymbolet på plastemballasje står et tall som forteller hvilken plasttype det er:

Tallene gjør det lettere å sortere plast for resirkulering — ulike plasttyper kan ikke blandes når de smeltes om.

8. Plastavfall — det store problemet

På verdensbasis havner ca. 8 millioner tonn plast i havene hvert år. En tredel av all plast som produseres havner ikke i et avfallssystem.

8.1 Mikroplast og nanoplast

Plast i naturen brytes svært sakte ned ved fysisk slitasje (UV, vann, vind). Underveis splittes den i stadig mindre biter:

Mikroplast finnes i:

• Hav og innsjøer — finnes i fordøyelsessystemet til de fleste marine arter
• Drikkevann — selv tappevann inneholder spor
• Mat — særlig sjømat
• Luft — særlig i byer
• Vårt eget blod — påvist i 75 % av forsøkspersoner i 2022

8.2 Hvorfor er det så vanskelig å rydde opp?

• Spredningen er enorm — plasten flyter i havstrømmer over hele kloden
• Størrelsen — nano- og mikroplast er for liten å filtrere
• Volumet — vi snakker om milliarder av tonn

9. Bionedbrytbar plast

Som svar på plastproblemet utvikles flere typer bionedbrytbar plast.

9.1 Hva betyr «bionedbrytbar»?

En plast er bionedbrytbar hvis den brytes ned av mikroorganismer (bakterier, sopper) til ufarlige stoffer som CO₂, vann og biomasse.

Tidsskala varierer:

• Vanlig plast: hundrevis av år
• PLA i industriell kompost: 90 dager
• PLA i havet: opptil 10 år
• Cellulose-basert plast: måneder

9.2 Eksempler på bionedbrytbar plast

9.3 Utfordringer

Selv om bionedbrytbar plast er attraktivt, er det utfordringer:

• Kostnad — ofte 2–3 ganger dyrere
• Egenskaper — kan ha dårligere holdbarhet, fuktbarriere
• Industriell kompostering — mange typer krever spesielle anlegg
• Konkurranse med matproduksjon — hvis råmaterialet er mat-grøder
• Ikke alltid raskt nedbrytbart i havet — varianter for hav-miljø er nødvendig

10. Eksamenstips for plast