XX Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Определение безвредности синтетических полимерных веществ

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Карпов М.П. 1

---

1ГБОУ Лицей №179

Обуховская А.С. 1

---

1ГБОУ Лицей №179

Работа в формате PDF

207.1 KB

Автор работы награжден дипломом победителя III степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение

Актуальность

Наш современный мир невозможно представить без сложно-структурных веществ и соединений, которые называются полимерами. Они окружают нас повсюду, начиная от предметов быта (например полиэтилен, из которого изготавливаются пакеты и упаковки) и заканчивая промышленной сферой (например полиамиды, из которых производят синтетические волокна, ткани; или поливинилхлорид, который применяется в производстве натяжных потолков, оконных рам, искусственной кожи и многого другого; каучук). Из полимеров производятся строительные материалы, одежда, игрушки и даже контактные линзы. Ко всему прочему, и в нашем организме также встречаются полимеры – молекула ДНК и белков, синтезируемых самостоятельно организмом. [1]

Проблема

Итак, поскольку полимеры состоят из множества звеньев (фрагментов или мономеров), и сами по себе инертны, в них могут содержаться промежуточные вещества – различные технологические добавки, растворители, а также продукты химического распада, то есть они могут выделять различные вредные и токсичные вещества, например формальдегид и фенол, которые способны проникать в пищу и оказывать токсическое действие на человека. Причин для выделения таких опасных веществ много. Например, полимерные материалы подвержены старению, в результате чего и выделяются продукты разрушения. Различные виды пластика становятся токсичными при разных условиях – одни нельзя нагревать, другие мыть, третьи вступают во взаимодействие с пищей в результате неправильного хранения и т. п. [4]

В этом и заключается главная проблема использования таких высокотехнологичных элементов в промышленности, так как некоторые из них выделяют вышеуказанные вещества в определенных условиях (с повышением температуры или при контакте с другими веществами), а значит недопустимы для пользования человеком в своих целях. Так, например, некоторые респираторы изготавливаются из пластмассовых и резиновых компонентов (крепежи, клапаны), а это полимеры, и при работе в нем в условиях высокой температуры, может выделяться формальдегид, который является сильным раздражающим и прижигающим вещество и пары которого негативно влияют на слизистые оболочки глаз и дыхательных путей. Поэтому использование некоторых респираторов противопоказано в таких условиях, и для таких целей есть другие предназначения, например противогазы, которые эффективнее тех же респираторов. И все же предприятия стараются снизить выброс вредных веществ с этих полимеров, тем самым делая их безопасными для потребителя.

Цель: исследовать безвредность полимеров.

Задачи:

• Выявить содержание формальдегида, выделяющегося при взаимодействии водного раствора с хозяйственно-бытовыми продуктами (полимерных материалов (на примере губок)).

• Проанализировать полученные результаты.

• Актуализировать проблемы, связанные с загрязнением окружающей среды ввиду некорректной эксплуатации полимерных продуктов.

Объект: полимерные материалы

Предмет: содержание летучих веществ (в частности формальдегид) в губках

Теоретическая часть

Так что же такое полимеры? [2] С греческого язык полимеры переводятся как «множество частей», то есть полимеры - вещества, состоящие из «мономерных звеньев», соединенных в длинные макромолекулы химическими связями. Ими могут быть абсолютно любые вещества.

Мономерное звено, которое выделяют в строении полимера — повторяющийся структурный фрагмент, включающий несколько атомов. Полимеры состоят из большого числа повторяющихся группировок (звеньев) одинакового строения.

Количество мономерных звеньев (степень полимеризации) достаточно велико. Как правило, полимеры — вещества с молекулярной массой от нескольких тысяч до нескольких миллионов.

К полимерам относятся многочисленные природные соединения: белки, нуклеиновые кислоты, полисахариды, каучук и другие органические вещества. В большинстве случаев понятие относят к органическим соединениям, однако существует и множество неорганических полимеров.

Природные органические полимеры образуются в растительных и животных организмах. Важнейшими из них являются вышеперечисленные полисахариды, белки и нуклеиновые кислоты, из которых в значительной степени состоят тела растений и животных и которые обеспечивают само функционирование жизни на Земле.

Большое количество полимеров получают синтетическим путем из мономеров на основе простейших соединений элементов природного происхождения в результате реакций полимеризации, поликонденсации и химических преобразований.

Названия полимеров образуются из названия мономера с приставкой поли-: полиэтилен, полипропилен, поливинилацетат и т. п.

Так же полимеры бывают линейными, например целлюлоза; разветвленным, например, амилопектин; есть полимеры с трехмерными структурами.

Высокомолекулярные соединения, содержащие несколько типов повторяющихся группировок, называют сополимерами.

Свойства сополимеров

Гребнеобразные сополимеры можно образовывать с разными свойствами, что дает такому веществу абсолютно новые свойства, например, жидкокристаллические.

В блок-сополимерах, которые составлены из компонентов с разными свойствами, возникают суперрешетки, которые выстраиваются из блоков различной химической природы. Размеры блоков зависят от соотношения исходных мономеров. Например, полистиролу, который является хрупким веществом, добавляют устойчивость к растяжению путем сополимеризации с полибутадиеном в правильном соотношении, и получается ударопрочный полистирол. [2]

Особые свойства полимеров:

• эластичность — способность к высоким обратимым деформациям при относительно небольшой нагрузке (каучуки);

• малая хрупкость стеклообразных и кристаллических полимеров (пластмассы, органическое стекло);

• способность резко изменять свои физико-механические свойства под действием малых количеств реагента (вулканизация каучука, дубление кож)

• Особые свойства полимеров объясняются не только большой молекулярной массой, но и тем, что макромолекулы имеют цепное строение и обладают гибкостью.

Получение полимеров

Полимер образуется из мономеров в результате реакций полимеризации или поликонденсации.

Полимеризация — это процесс объединения множества небольших молекул (мономеров) в ковалентно связанную цепь. В этом процессе некоторые химические группы могут потеряться из каждого мономера.

Лабораторный синтез делятся на два типа: ступенчатая полимеризация и цепная полимеризация. Основное различие между ними в том, что при цепной полимеризации с ростом цепи мономеры добавляются в цепь только по одному, например, в полиэтилене; тогда как при ступенчатой полимеризации цепи мономеров могут соединяться друг с другом напрямую, например, в полиэстере.

Реакции синтетической полимеризации могут проводиться с катализатором или без него.

Для начала полимеризации применяются преимущественно химические способы: в случае полимеризации, протекающей по радикальному механизму, в мономер вводятся инициаторы; и катализаторы – если это ионная полимеризация.

Может использоваться и радиационный способ полимеризации, в случае которого инициирование процесса происходит за счет действия ионизирующих лучей.

Искусственные полимерные материалы

Человек давно использует природные полимерные материалы в своей жизни. Это кожа, мех, шерсть, шелк, хлопок и т. п., используемые для изготовления одежды, различные связующие (цемент, известь, глина), образующие при соответствующей обработке трехмерные полимерные тела, широко используемые как строительные материалы.

Производство искусственных полимерных материалов, путем переработки природных органических полимеров, базируется на целлюлозе. Так из простых и сложных эфиров целлюлозы производят пленки, волокна, лакокрасочные материалы и загустители.

Лео Бакеланд изобрел бакелитовую смолу - синтетических полимер — продукт конденсации фенола и формальдегида. Применялся для изготовления корпусов электротехнических приборов, аккумуляторов, розеток.

«Уникальные» полимеры, непременным атрибутом которых является наличие у них ароматических конденсированных структур, характерны сочетанием в себе прочности и термостойкости. К ним относятся ароматические полиамиды, полиэфиры.

Применение

Благодаря своим ценным свойствам полимеры применяются в текстильной промышленности, сельском хозяйстве, медицине, машиностроении, в быту (кожевенные изделия, посуда, клей и лаки, украшения). Также изготовляются резина, пластмассы, пленки и лакокрасочные покрытия. [2]

Все ткани живых организмов представляют высокомолекулярные соединения.

Эксперты уверены, что в будущем полимеры заполнят большинство сфер жизни человека, и с каждым годом они будут приобретать новые формы.
Чтобы уменьшить вред для окружающей среды от некоторых видов полимеров, ученые и производители продолжают искать способы снизить их токсичность. Одни уменьшают количество первичного пластика и делают ставку на вторичную переработку, другие - разрабатывают альтернативные варианты.
Сейчас некоторые производства используют компостируемый полиэтилен на основе крахмала, что является упаковкой на растительной основе. Упаковку из такого материала не нужно перерабатывать — процесс разложения займет не более трех лет. Со временем она распадается на природные элементы, такие как биомасса, вода, углекислый газ, метан. Еще одна альтернатива — полиэтилен из отходов сахарного тростника. Его можно использовать для крышек.
[3]

Практическая часть

Материалы: 6 образцов губок от разных производителей, отличающихся по составу и не поступившие на прилавки магазина (то есть исследование губок перед поступлением на массовое производство).

Губка хозяйственно-бытового назначения из эластичного пенополиуретана и абразивного полотна (образец 1 на фотографии ниже).

Губка санитарно-гигиенического назначения из эластичного пенополиуретана (образец 2 на фотографии ниже).

Губка хозяйственно-бытового назначения из целлюлозы и абразивного полотна (образец 3).

Губка хозяйственно-бытового назначения из эластичного пенополиуретана в оплетке из полимерной сетки (образец 4).

Губка хозяйственно-бытового назначения из ретикулированного поролона (образец 5).

Губка хозяйственно-бытового назначения из абразивного полотна (образец 6).

Методы исследования:

- Метод определения выделения формальдегида и других вредных летучих химических веществ в климатических камерах (методом периодического активного отбора проб (прокачки) воздуха))

- Спектрометрический

Исследования проводились в ФБУЗе - центр гигиены и эпидемиологии, Санкт-Петербург, Волховский проспект 77

Ниже представлено количество исследованных проб по санитарно-химическим показателям по материалам, контактирующими с пищевыми продуктами и средами с 2022 года по 2023 года.

Таблица 1.

Число исследуемых образцов за период с 2022 по 2023

Как можно заметить, всего проб материалов, контактирующих с пищевыми продуктами, было проведено в количестве 267 штук (267 исследований), 5 из которых не соответствуют санитарно-химическим показателям и 18 из которых я провел самостоятельно.

ГОСТ 30255 — 2014. МЕБЕЛЬ, ДРЕВЕСНЫЕ И ПОЛИМЕРНЫЕ МАТЕРИАЛЫ. Метод определения выделения формальдегида и других вредных летучих химических веществ в климатических камерах.

3. Сущность метода

3.1 Метод заключается в определении летучих органических веществ как стационарной концентрации определяемого вещества в воздухе испытательной камеры, в которой расположен образец в условиях, моделирующих условия его пользования.

Испытательная камера

3.3 Определение концентрации формальдегида проводят методом периодического активного отбора проб (прокачки) воздуха из рабочего объема испытательной камеры в поглотительные приборы, содержащие поглотительный раствор, с последующей обработкой и определением его плотности. Содержание формальдегида в поглотительном растворе определяют спектрометрическим методом с ацетилацетоном.

4 .2.1 Отбор образцов материала, проводят не ранее, чем через 3-е суток после его изготовления.

При отборе образцов требуемую общую площадь открытой выделяющей поверхности рассчитывают, как произведение величин рабочего объема испытательной камеры (м³) и насыщенности (м²/м³).

7.5 При определении выделения формальдегида объем жидкости в колбах дополняют поглотительным раствором до 25 см3 (до метки), содержимое колб перемешивают, затем колбы, включая холостую пробу, выдерживают в термостате при 60 °С — 65 °С в течение 10 мин. После этого в защищенном от света месте в течение одного часа колбы охлаждают до комнатной температуры. Ускоренное охлаждение колб не допускается.

термостат

Инструкция 880–71

Исследование изделий, предназначенных для контакта с пищевыми продуктами, имеющими влажность свыше 15%

Модельный раствор - искусственно приготовленный раствор, содержащий компоненты, имитирующее определенные условия и предназначенный для изучения качественных и количественных характеристик.

Исследуемый образец изделия подвергают обработке определенными модельными растворами, выбираемыми в зависимости от того, для контакта с какими пищевыми продуктами предназначается использовать данное изделие.

Обработка модельными растворами проводится при определенной экспозиции, температурном режиме и с учетом площади поверхности образца. Если исследуемый образец невелик по объему, его помещают в плотно закрывающуюся стеклянную емкость и заливают модельными растворами таким образом, чтобы образец был полностью погружен в них. Если образец велик, то модельные растворы наливают в него и плотно закрывают.

В том случае, когда образец полностью погружен в модельные растворы, рассчитывают площадь его внутренней и наружной поверхности. Если же модельные растворы контактируют лишь с внутренней поверхностью, то ведут расчет площади, покрытой жидкостью.

Площадь поверхности образца рассчитывают по обычным геометрическим формулам с известным приближением.

Полученные результаты анализа пересчитывают в мг/л с указанием площади, контактировавшей с модельным раствором (в см²), и количества модельного раствора, взятого для обработки изделия (в мл).

Полученные данные (в мг/л) сопоставляют с допустимыми количествами веществ, мигрирующих из изделий в модельные растворы.

Температурные режимы при исследовании изделий (некоторые из них):

а) Изделия, предназначенные для контакта с пищевыми продуктами при температуре окружающей среды, заливают модельными растворами комнатной температуры и выдерживают в течение вышеуказанного времени;

Продолжительность контакта изделия с модельными растворами устанавливается в зависимости от условий эксплуатации с надбавкой (некоторые из них):

г) если время контакта пищевого продукта с изделием свыше 2 суток, экспозиция при исследовании - 10 суток;

Результаты и их обсуждение

Формальдегид негативно влияет на общее состояние организма, приводит к тяжелым затруднениям в работе различных систем.

В ходе исследования были получены следующие результаты:

По гигиеническому нормативу (ГН) 2.1.6.3492-17: предельно допустимая концентрация (ПДК) - концентрация, не оказывающая в течение всей жизни прямого или косвенного неблагоприятного действия человека; лимитирующий показатель - рефлекторно-резорбтивный (рефл.-рез), то есть это означает, что рефлекторное действие — реакция со стороны рецепторов верхних дыхательных путей. (лежит в основе максимально разовой концентрации), а под резорбтивным действием понимают возможность развития общетоксических, мутагенных и др. эффектов, также зависящих от длительности ингаляции (лежит в основе среднесуточной концентрации).

Класс опасности 2 – высокоопасные вещества.

По ГОСТу 30255–2014: Верхний предел определения формальдегида — 3,0 мг/м³, а нижний — 0,003 мг/м³.

Гигиенический норматив (ГН) 2.1.6.3492— 17, содержит в себе информацию о предельно допустимых концентраций вредных летучих веществ в атмосферном воздухе, то есть максимально разовая концентрация формальдегида в АТМОСФЕРНОМ воздухе не должна превышать 0,05 мг/м³, для нормального функционирования организма, а среднесуточная – 0,01 мг/м³.

Таблица 2

Результаты исследуемых проб полимерных материалов

Как можно заметить, в третьем и четвертом образце (а именно губка хозяйственно-бытового назначения из целлюлозы и абразивного полотна - (образец 3) и губка хозяйственно-бытового назначения из эластичного пенополиуретана в оплетке из полимерной сетки - (образец 4)) выявленное выделение формальдегида хоть и не на много, но превышает среднесуточную ПДК, но меньше максимально разовой. Поскольку этот показатель относится к содержанию формальдегида в атмосфере в целом, он не представляет собой угрозы для человека. И все же повышенная концентрация формальдегида способна вызывать серьезные проблемы в жизнедеятельности организма.

Далее, в первом, втором, пятом и шестом образцах результат ниже предела обнаружения, что является отличным показателем, так как формальдегид - бесцветный газ, несколько тяжелее воздуха с резким удушающим запахом, способный раздражать слизистые оболочки и оседать на дыхательных путях.

Поэтому его влияние на человеческое тело крайне неблагоприятное: оно может вызвать сильнейшее отравление. Под воздействием его паров страдает мозг, так как он разрушает нервные ткани, дыхательная система, слизистые поверхности, кровеносная система, так как он вступает в реакцию с белками крови и синтезируется в муравьиную кислоту, которая тяжело выводится из внутренних органов.

Но самое опасное заключается в тяжелой интоксикации внутренних органов.

Наиболее интенсивно оседает в поджелудочной железе; слизистых поверхностях кишечной системы; лимфе.

Также формальдегид является сильным канцерогенном в особенности воздействует на плод, приводя к мутации клеток.

Вывод

Содержание формальдегида в исследуемых пробах соответствует гигиеническим нормативам.

Практическая значимость

Просветительская работа для школьников

Формирование экологического мировоззрения и привитие значимости охраны окружающей среды

Список использованной литературы

[1] https://vc.ru/future/610841-sustavy-pishchevaya-plenka-i-rakety-4-sfery-primeneniya-polimerov-budushchego?ysclid=lljcm08n1r715808710

[2] https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9F%D0%BE%D0%BB%D0%B8%D0%BC%D0%B5%D1%80%D1%8B

[3] https://trends.rbc.ru/trends/innovation/621d65569a7947b826978348

[4] http://elenaknsp.com/raznyie-raznosti/kak-vliyayut-na-organizm-polimernye-materialy-mery-bezopasnosti.html?ysclid=llie62awa8769312752

ГОСТ 30255— 2014 МЕБЕЛЬ, ДРЕВЕСНЫЕ И ПОЛИМЕРНЫЕ МАТЕРИАЛЫ. Метод определения выделения формальдегида и других вредных летучих химических веществ в климатических камерах

ГН 2.2.5.3532-18 «Предельно допустимые концентрации (ПДК) вредных веществ в воздухе рабочей зоны»

Гигиенический норматив 2.1.6.3492— 17

Инструкция 880-71. Инструкция по санитарно-химическому исследованию изделий, изготовленных из полимерных и других синтетических материалов, предназначенных для контакта с пищевыми продуктами