Fysikrapport om Plast 1
Indholdsfortegnelse FYSIK RAPPORT OM PLAST... 3 FORSØG 1 UNDERSØG EGENSKABER AF HIGH DENSITY POLYETHYLEN (HDPE) OG LOW DENSITY POLYETHYLEN (LDPE)... 4 FORSØG 2- UNDERSØG PLASTMATERIALER MED POLYVINYLCHLORID (PVC)... 6 FORSØG 3 OGILBY S VANDBALLONER... 8 FORSØG 4 FREMSTILLING AF FLAMINGO... 9 FORSØG 5 KOPS-HASSAGER SPRINGVAND... 10 FORSØG 6 ENTROPISK FJEDER... 11 FORSØG 7 FORBUNDNE BALLONER... 12 FORSØG 8 PLASTFREMSTILLING AF EDDIKE OG MÆLK... 13 AFRUNDING AF PLASTIK... 15 2
Fysikrapport om Plast Plastik i vores hverdag Hvorfor har vi valgt emnet Plast i vores hverdag? Vi har valgt emnet Plast i vores hverdag fordi, at plastik er et meget brugt materiale i vores hverdag. Og fordi at plastik er ved at kunne erstatte andre materialer så som metal, træ og papir. Selvom det kræver olie at fremstille plastik, nedsætter det co2. Fordi f.eks. bilerne er blevet lettere, fordi man bruger dobbelt så meget plastik i forhold til for 20 år siden, i bilerne nu om dage. Og det svare til 30 millioner tons co2 der bliver sparet på et år, på vesteuropæisk plan. Det er svært at sætte årstal på målgruppen, da det er et bredt emne. Man kan sige at målgruppen er for alle fordi, alle små børn får jo at vide, at de ikke må smide affald på gaden. Men man skal være nok omkring 15 år for at forstå hvor meget det forurener, og skader naturen. Men også hvor meget det aflaster naturen, ved at tingene kan gøres lettere. Først har vi arbejdet med plast i fysik/kemi undervisning i ca. 2 måneder, derefter besøgte vi en plastfabrik: Neptun Plast A/S. Vi blev vist rundt af ejeren som fortalte lidt om hvor han sendte det plastik han produceret hen. F.eks. Lavede han stemmekasser til Afghanistan, de var lavet af en blanding af LD og HD termoplast. Han fortalte at de skulle være gennemsigte fordi, at afghanerne ikke stolede på at deres afstemningssedler kom ned i kasserne, med mindre at de kunne se, at den røg ned. Grunden til at kasserne er lavet af termoplast er fordi de skulle kunne holde til at falde ned fra et lad. Han producerede også fiskekugler, som holder et fiskenet op. Vi har arbejdet med plast både samfundsmæssigt, kemisk, historisk og biologisk. Vi bruger plast i så mange ting i hverdagen uden at tænke over det. Hvert år bruger vi ca. 9 millioner tons plast til bl.a. plastikposer, legetøj, elektroniskudstyr og tagrender. Plast er et organisk materiale, det vil sige, at der indgår carbon-forbindelser. Det er opbygget af makromolekyler, der opstår gennem bearbejdning af naturprodukter eller syntetisering af primærstoffer fra olie eller kul. Der findes ca. 8. millioner kendte molekyler med C-atomer. Der findes mange forskellige former for plast. Man definere dem efter deres holdbarhed og andre specielle egenskaber.. 1950- startede brugen af plast (under og lige efter 2. Verdenskrig) 1970- faldende plastproduktion pga. olie krise (økonomisk nedtur) 1980- enorm produktion af plast Plast kaldes også polymere, da det er sammensat af mange dele. Det er normalt fremstillet af naturgas eller olie, altså fossilbaserede polymere. Man kan også lave plast af kartoffelmel eller mælk, da det skal indeholde sukker, som skal kunne laves om til stivelse. Derudover kaldes 3
plast et designermateriale. Det betyder, at de råmaterialer der bruges til fremstillingen af plast kan blive til forskellige typer plast, alt efter hvordan det bliver bearbejdet. Der findes 3 hovedgrupper polymere. Termoplast, hærdeplast og elastomerer. Termoplast: de beholder deres termoplastiskeegenskaber. Når materialet opvarmes brydes kæderne og materialet kan bevæge sig og antage ny form. Polymeren består af molekyler uden tværbindinger. Hærdeplast: deres form kan ikke ændres ved opvarmning pga. stærke tværbindinger (3- dimensionelle molekyler). Tværbindinger gør plast stærk. De kan ikke omformes, med mindre bindingerne bliver nedbrudt. Elastomerer: deres opbygning med store afstande mellem tværbindingerne gør at de kan vende tilbage til deres oprindelige form, selv efter store omformninger. Generelt gælder det, at plast er molekyler opbygget af lange kæder som indeholder kulstof (carbon) og brint (hydrogen). Men nogle plasttyper kan bl.a. indeholde chlor eller svovl. H H H H H H H -- C ---- C ---- C ---- C ---- C ---- C -- H H H H H H H Et Ethylen (monomere) består af 2C+4H. De deler om to elektroner i den yderste skalle, så de får 8 elektroner tilsammen i den yderste skal. Forsøg 1 Undersøg egenskaber af High Density Polyethylen (HDPE) og Low Density Polyethylen (LDPE) Find ud af hvor holdbar HDPE og LDPE er på tværs, på langs og med hårdt træk og forskellige bredder. 4
- Forskellige plastposer (LDPE og HDPE) - Saks Tag to forskellige plastikposer, en HDPE og en LDPE. Klip stykker på tværs og på langs (10x2 cm). Træk dem ud indtil de ikke kan strækkes mere. Derefter træk hårdt i stykket (10x2 cm) og find ud af holdbarheden og hårdheden af de to plasttyper. Derudover klip stykker af forskellige bredder og ryk hårdt og mål hårdheden og holdbarheden High Density Polyethylen Low Density Polyethylen På langs (10*2) 11 cm 41 cm På tværs(10*2) 11 cm 44 cm Hårdt Ingen ændring 14 cm På langs (10*2) Hårdt Ingen ændring 41 cm På tværs (10*2) Hårdt Ingen ændring 11 cm På langs (10*4) Hårdt 11 cm 20 cm På tværs (10*4) Hårdt Ingen ændring Ingen ændring På langs (10*6) Hårdt Ingen ændring Ingen ændring På tværs (10*6) Lange strimler Er nemmere at rive hårdt i pga. bedre håndtag og derfor hives de letter over og strækkes ikke Resultater Ved dette forsøg kan det konkluderes, at LDPE er meget mere fleksibel og smidig end HDPE. Det skyldes dens struktur, der er opbygget af forgrenede Carbon forbindelser med Hydrogen. Derfor kan det ikke pakkes så tæt og vægten falder. Vi kan også ud fra denne undersøgelse se, at på tværs er poserne mere fleksible. Et blødt træk gør at poserne kan trækkes mere ud uden at knække da belastningen øges lidt efter lidt. Der kan nemt opstå fejl, da poserne kan have forskellige tykkelser, som man ikke kan mærke eller se forskel på. En anden fejlkilde ved forsøgene er, at de ikke er blevet lavet mange gange. Forsøget skal laves enormt mange gange for, at man kan være sikker på, at den er pålidelig. 5
High Density Polyethylen: Denne plast bruges ofte til legetøj eller andre hårde materialer. Den har en god holdbarhed og er stærk. Den molekylærer struktur er bygget op af linære rækker, som gør at molekylerne kan pakkes tættere og dermed opnå større vægt og robusthed. Det vil sige, den har en stor massefylde, altså vægt pr cm 3. Polymeren kan holde ned til 50 C og op til + 70C (nogle helt op til 100C). Low Density Polyethylen: Denne plast bruges mest til plastikposer. Dens struktur er forgrenet, derfor kan den ikke pakkes så tæt sammen og opnår dermed ikke så høje vægte. På den måde bliver den blødere og mere fleksibel. I modsætning til HDPE har LDPE en lav massefylde. Low Density Polyethylen kan holde ned til 50 C og op til + 60C. Tilfælles for disse to plastikformer er: - En termoplast (fremstilles ved tilførsel af varme) - Begge er mælkehvid som naturfarve - God slidstyrke - Gode bakterieegenskaber - Resistens overfor de fleste kemikalier under 60C - Let antændelige og brændbart - Velegnede til kontakt med fødevarer. Forsøg 2- Undersøg plastmaterialer med Polyvinylchlorid (PVC) Undersøge plast om det indeholder PVC, der frembringer grønne klorflammer. - Nedløbsrør, et gammelt kreditkort, sort sæk, frysepose, viskelæder, plastikglas, taske m. Print, CD, computermus, sko, folie, lineal - Bunsenbrænder - Metaltråd Tag forskellige plastmaterialer. Opvarm en kobbertråd over bunsenbrænderen og smelt noget af plastikken og hold det ind over flammerne. Hvis flammerne skifter farve til grøn, betyder det at der er klorforbindelser i, altså polyvinylchlorid. Hårdt PVC anvendes ofte til byggematerialer fx tagrender og vandløbsrør. Blødt PVC anvendes til regntøj og tekstiler samt medicinske artikler. Den er opbygget således: 6
C H C H Monomer af Poly-chlorethen også kaldet polyvinylchlorid. H Cl Resultater Type + klor/ grønne flammer klor Indeholder PVC Nedløbsrør X X Kreditkort X X Sort sæk Frysepose Viskelæder Plastikglas Nylontaske X X CD Computermus X X Sko Folie Lineal Der kan opstå fejl, hvis noget overskydende plastik sidder på metaltråden. Derved vil flammen vise en anden farve end den burde. Alle stoffer har bestemte bølgelængder altså bestemt lys. De har bestemte egenskaber til en bestemt bølgelængde. Når man holder plast over en flamme vil energien medføre, at atomets energiområder bliver spredt ud. Kernen prøver så at omsætte sin egen tyngdekraft til energi, som den prøver at trække områderne tilbage igen. Der kommer altså et overskud af energi, der sendes ud som lys. Flammefarven grøn indikerer, at der er klorforbindelser (polyvinylchlorid). Kobbertråden bliver oxideret og danner kobberchlorid, der gør, at vi ved det er polyvinylchlorid. Den grønne flammefarve har vakuumbølgelængden 520-565 nm og dermed en frekvens på 580-530 Hz. e P+ N+ N+ P+ e e Energioverskud 7
Forsøg 3 Ogilby s vandballoner Undersøge hvordan babyolie påvirker polymeren i kondomet og se om de reagere på hinanden pga. deres lighed. - En stor balje - Stativ med tværstænger til ophæng af balloner - Sejlgarn - Balloner/kondomer - Babyolie Hæng de to kondomer op i et stativ med ca. 1 liter vand i hver. Hæld derefter babyolie ud over den ene og læg mærke til hvad der sker. Efter noget tid sprang kondomet med babyolien på. Resultat Ballonen med olien sprænger efter noget tid, da olien opløser gummiet. For tykke balloner vil ikke reagerer med babyolien, brug enten kondomer eller vandballoner (de er tyndere). Babyolie (propylene glycol + parafin) hedder på kemisprog C 3 H 8 0 2 +C n H n +2. Det er kemisk fremstillet produkt. Gummiet har næsten samme molekylestruktur og derfor reagere de hurtigt på hinanden. Når kondomet strækker danner det krystallinske områder dvs. at molekylerne sættes sammen som et gitter. Olien kan trænge ind i polymeren og opløse disse gitre og derfor sprænges kondomet. Dette kan relateres til Environmental stress craking (ESC), der betyder at omgivelser og materialer, der enkeltvis er stabile, vil svække hinanden. Når man designer materialer, skal man altid tage højde for miljøbetingede spændingskorrosion. Hvis man bygger en bro i Danmark, der holder fint, kan det ske at den falder sammen i Norge pga. lavere temperaturer. 8
Forsøg 4 Fremstilling af Flamingo At fremstille flamingo ved hjælp af polystyrenkugler og kogende vand. - stort bægerglas - Porcelænsdigel med låg - Trefod med keramisk net - Bunsenbrænder - Stativklemme - Polystyrenkugler (storypor) Fyld et bægerglas 1/3 op med vand og kog det. Fyld 1/3 af porcelænsdiglen op med polystyrenkugler og sæt den ned i vandet. Lad den koge i 20 minutter og porcelænsdiglen vil være fyldt med flamingo. Resultater Polystyrenkugler er hule og inden i centrum er en letfordampelig væske. Da vandet bliver opvarmet fordamper væsken og udvider kuglerne. Det er også det der bobler. Samtidig smelter kuglerne sammen til en flamingoenhed pga. høje temperaturer. Husk kog det lang tid nok ellers vil kuglerne ikke sidde sammen og hele diglen skal være under vand. Skumplast også kaldet flamingo er en anden form for plastik man kan lave, som celleplast (porøs plast) kaldes det EPS (ekspanderet polystyren). Det hedder polystyren, altså mange styrenmolekyler. Formlen for polystyren er C 6 H 5 sat sammen med C 2 H 4 (ethen). Polystyren har forkortelsen PS. Polystyren har to former: den hårde form (medicinske redskaber, drikkebægre mm.) og skumformen (flamingo og styropor). Det er hårdt, stift og let og det smelter først ved 160-170C. Det anses for at være det fjerdevigtigste termoplast med 10 mio. ton i år 2007. Polystyren er varme- og elektrisk isolererende samt stødabsorberende og er let opløseligt (i bl.a. acetone). H C H H C C 6 H 6 Polystyren ligner meget polyethylen 9
Når man ligger polystyren ned i acetone kollapser gitterstrukturen og frigiver luften, der er i flamingoen. Da selve polymerdelen ikke fylder særlig meget, kan en stor mængde flamingo proppes ned i acetonen. Ved fremstilling, forarbejdning og bortskaffelse af polystyren er der risiko for at der frigives giftige gasser. De er kræftfremkaldende og kan gøre, at man ikke kan få børn. Ved forbrænding frigives CO 2 og vand. Det er altså miljøbelastende og sundhedsskadeligt. Flamingo kan kun i få tilfælde genbruges, og kun i store rene mængder. Forsøg 5 Kops-Hassager springvand At vise hvordan temperaturen gør at plastikken skrumper og at der dannes et springvand. - stor spand - elkedel - glastragt og papirklips - havehandsker - 1,5 liter sodavandsflaske med låg (med lille hul i) - knust is Sæt flasken ned i spanden med koldt vand og knust is. Hæld det kogende vand ned i flasken via glastragten og skru låget hurtigt på. Flasken sættes ned på gulvet og der vil efter kort tid blive presset kogende vand ud af det lille hul i låget. En god ide er at lave forsøget igen bare uden det kolde vand og se hvad der sker. Her vil der ikke blive presset vand ud. Resultater Når flasken er nede i vandet smelter den ikke. der hældes altså 1,5 liter kogende vand ned i den. Så snart den tages op af vandet begynder den at smelte og krymper. Den smeltede flaske har egentlig kun plads til 1 liter vand, så der skabes et tryk, som sender den tynde stråle af kogende vand ud. Når man hælder kogende vand ned i en flaske uden den er i isvand, vil den krympe med det samme. Den når kun at få 1 liter vand ned i sig og der er altså ikke overskydende vand, som den bliver nødt til at sende ud som et springvand. Hvis hullet i låget laves for stort kan trykket ikke blive stort nok til, at vandet vil lave et fint springvand. Derimod vil vandet bare løbe ned ad siden. 10
Plastik har en bestemt glastemperatur dvs. sammenhængen mellem temperaturen og relaksationstid (søge imod ligevægt). Plast er opbygget af gitterområder (krystalinitet) og amorfeområder (viklede). Når temperaturen kommer op over 75 C vil de amorfiske dele blive bløde. Derfor skal man sætte flasken i isvand for at holde dem hårde. Plastflasken blev produceret ved blæsestøbning, og når temperaturen kommer over glastemperaturen, vil den prøve at finde tilbage til sin oprindelige form, ved at molekylerne trækker sig sammen. På den måde bliver der mindre plads og vandet kommer ud som springvand. Sodavandsflasken vil krympe med ca. 20 % af den oprindelige form. Forsøg 6 Entropisk fjeder At undersøge gummimembranens styrke, altså dens fjeder-egenskaber. Vi vil undersøge om varme gør fjederen bedre eller dårligere og hvordan metalfjedrer reagerer på varme. - 3-fod med arm - tynd naturgummimembran (kondom) - varmepistol - vægt Kondomet skal hænges op i 3-foden under belastning af vægten. Ophængningen skal lige røre underlaget uden at kondomet bliver slapt. Gummimembranen skal derefter varmes op, mens positionen af vægten observeres. Resultater Gummimembranen trækker sig sammen og bliver dermed kortere, når temperaturen stiger. Dette skyldes, at gummi er entropi-drevet. Elasticiteten stiger når temperaturen stiger, fordi polymerkæderne bliver kortere, og herved trækker materialet sig sammen. Da vi lavede forsøget var varmepistolen ikke varm nok, derfor fik vi det resultat at gummiet ikke skiftede form og elasticitet. En anden fejlkilde kan være vægtbelastningen, da den ikke må belaste kondomet for meget. 11
Gummi trækker sig sammen, fordi det vil tilbage til sin oprindelige form. Entropi er et begreb for kaos. Det er et mål for grader af uorden i et system, der indeholder energi. Entropi er i fysikken en størrelse som øges, når mængden af tilgængelig energi (dvs. den energi som kan omformes til arbejde) bliver mindre. Når en metalfjeder bliver opvarmet, bliver den mindre elastisk og altså en dårligere fjeder. Dette skyldes at ikke vil tilbage til sin oprindelig form. Den smelter og forbliver slap. Forsøg 7 Forbundne balloner At demonstrerer overfladespænding for balloner. - 2 balloner - plastikrør Pust to balloner op: den ene skal være stor, den anden skal være lille. Når ballonerne sættes på røret skal man klemme om plastikrørets midte for at sikre at processen ikke går i gang inden begge balloner er sat på. Derefter slippes så røret er lige og man vil kunne se hvordan den lille ballon vil blive mindre. Hvis man har en ventil, kan den også bruges til aflukning i mellem de to balloner. Resultater Der er 4 mulige reaktionsmønstre: Enten sker der ikke noget, den lille bliver større og den store mindre. Ellers bliver den lille mindre og den store større eller måske fordeler luften sig og de bliver lige store. Resultatet bliver, at den lille ballon bliver mindre pga. overfladespændingen er størst for små balloner. Den store ballon vokser og den lille ballon bliver altså mindre. Der skal være stor forskel på ballonernes størrelse, så overfladespændingen er så forskellig så mulig, for at tydeliggøre processen. Den lille ballon må ikke have været pustet op før. Dens elasticitet vil da være ændret. Den vil også være nemmere at puste op igen, så vil dens overfladespændingen været blevet mindre. 12
Dette resultat skyldes overfladespændingen for små balloner er størst. Jo større ballonen er jo tyndere er ballongummiet fordi det strækkes ud. Når ballonen er lille er ballongummiet tykkest og de første pust vil fordoble dens radius. Mens en stor ballon kun vil blive nogle brøkdele større. Gummiet udvider sig altså mest i starten. Den er også sværest at puste op i begyndelsen og først senere bliver den lettere. Dette skyldes også overfladespænding. Når ballonen er lille, er de elastiskekræfter samlede på en mindre areal, og derfor har den flere kræfter til at trykke luften ud. Man kan regne ballonens overfladespænding ved at finde forskellen mellem trykket inden i ballonen og omgivelsernes tryk som funktion af ballonens radius. Denne formel er ens for alle balloner. Det er radiussen, der bestemmer forholdet. Formlen viser hvordan trykket ændres, når ballonen pustes op. Denne graf viser, at trykket er størst, altså modstanden ved at puste den op, når ballonen er lille. Man kan se hvordan trykket falder jo større radius. Et andet forsøg med overfladespænding og ballon kan laves ved at stikke en nål i ballonens top. I toppen er gummiet tykkere og den sprænges ikke når nålen prikkes ind. Dette skyldes at spændingen er svagere i toppen og i enden fordi molekylerne ikke er udstrakt i samme grad, som resten af ballonen. Det samme gør sig gældende med hensyn til lungernes funktion under vejrtrækning. Når babyer skal tage deres første vejrtrækning, kræver det mange kræfter, og derefter bliver det lettere. Kroppen danner i lungerne et protein, der nedsætter overfladespændingen. Det gør, at det er lettere at trække vejret. Forsøg 8 Plastfremstilling af eddike og mælk At fremstille bioplast af eddike og mælk. - Gummihandsker - ½ liter mælk - 1-2 spsk. Eddike - Bunsenbrænder - Termometer - Nylonstrømpe - Stort glasbæger Opvarm mælken til 60C, derefter tilsæt eddiken og efter nogle minutter vil mælkens fedt og protein fælde ud til klumper. Filtrer vallen fra og ælt klumpen til en figur. Brug gummihandsker pga. høje temperaturer. 13
Resultater Mælk består af proteiner, fedtpartikler og kalcium, der bruges til opbyggelsen af knogler. Proteinet i mælk kaldes kasein. Kaseinproteinerne er klumpet sammen og de bryder lyset. Derfor opfatter vi mælken som hvidlig. Disse kaseinmolekyler er negativt ladede, så de frastøder hinanden. Normalt har mælk en ph-værdi på 7 (neutralt), men når man tilsætter eddike vil blandingen blive sur (under 7). Dette gør at kaseinpartiklerne bliver neutralt ladede. Det punkt hvor partiklerne er helt neutrale kaldes det isoelektriske punkt. Det er ved ca. ph 4,6. Hvis det bliver endnu mere surt bliver kaseinpartiklerne positivt ladet. Når kaseinpartiklerne bliver neutrale tiltrækker de hinanden og klumper sammen. Det er det der er plastikken som fældes ud. I dagligdagen bruger vi også denne proces til at lave oste, youhurt og andre syrnede mælkeprodukter. Det samme sker i gammel mælk, men her er det skadelige bakterier der fremstiller syren. Man kan derfor lugte, at det bliver surt. Man laver på den måde en biopolymer, der er CO 2 frit. Dette er også en hærdeplast, da den ikke kan omstøbes. Mælken skal opvarmes for at fældningen sker hurtigere. Varme sætter gang i molekylerne og får dem til at reagere hurtigere. Hvis man hælder for meget eddike i vil proteinet kasein blive positivt ladet og de vil frastøde hinanden. Dermed vil de klumpe sammen og udfælde. Bioplast er naturligt fremstillet plast. Derfor er mælke og eddike blandingen en biopolymere. Bioplymerer er mange forskellige slags polymere. Deres fælles egenskab er, at de er bionedbrydelige (naturen kan nedbryde dem). Derfor har de ikke en speciel molekyle struktur. I planteceller findes biopolymerer, der kaldes cellulose. Det er en slags stivelse, som udfylder cellen mellem cellekernen og cellevæggen. Nogle fordele ved bioplymerer: - bionedbrydelige - kan sprøjtestøbes og forarbejdes til næsten alle former - flot overfladeglans Nogle ulemperne ved biopolymerer: - absorberer vand - biopolymerer er dyre at fremstille (5-30 gange højere and for PE) - dårlige leveringsmuligheder Biopolymerer bruges til bl.a. emballage, tekstil og medicinsk udstyr samt bilindustrien. Stor prisstigning af råolie og en markant udvikling af nye teknologier til udvinding og forarbejdning har resulteret i voksende markedsmuligheder inden for biopolymerer. Mange lande fra Europa (Tyskland, Schweiz, Østrig, Holland og Belgium) støtter anvendelsen af biopolymere. Dette kan være en mulighed for at sænke olieforbruget yderligere og nedsætte affaldsproblemer. 14
Afrunding af plastik Plastik i vores hverdag har gjort, at vi har opnået enorme udviklinger. Plast spiller en central rolle i udviklingen af nye produkter, der øger levestandarden, sundheden og uddannelsesniveauet. Det er en billig løsning, som hvis den gøres bæredygtig og miljøvenlig kan give store besparelser. Både fordi den er oliemæssig billig og nem at transportere og fordi plastik kan genanvendes. Plastik er altså et skridt mod en renere verden. Kilder: http://da.wikibooks.org/wiki/scienceshow/vejledninger/mælkebold http://rudar.ruc.dk/bitstream/1800/2946/1/root.pdf http://www.netleksikon.dk/e/en/entropi.shtml http://www.fysikbasen.dk/referencemateriale/ref-overfladespaending.htm http://www.plastcenter.dk/defaults.asp?id=6&uid=0&sid=26 http://www.holm-holm.dk/ps.htm 15