塑料是如何制造的？

塑料可以是“合成的”或“生物基的”。合成塑料来源于原油、天然气或煤。而生物基塑料来自可再生产品，如碳水化合物、淀粉、植物油脂、细菌和其他生物物质。

今天使用的绝大多数塑料是合成的，因为 原油加工过程中的制造方法很容易。然而，对有限石油储量不断增长的需求正在推动对来自可再生资源的新型塑料的需求，例如来自该行业的废弃生物质或动物废物产品。

石油和天然气储量中只有一小部分（约 4-6%）用于生产塑料，其余用于运输、电力、供暖和其他应用（参考）

今天使用的大多数塑料都是通过以下步骤获得的：

1. 原材料（主要是原油和天然气，还有煤）的提取——这些是数千种化合物的复杂混合物，需要进行加工。

2. 精炼 将原油转化为不同的石油产品——这些产品被转化为有用的化学品，包括“单体”（一种分子，是聚合物的基本组成部分）。在精炼过程中，原油在熔炉中被加热，然后被送到蒸馏装置，在那里重质原油分离成称为馏分的较轻组分。其中一种叫做石脑油，是制造大量塑料的关键化合物。但是，还有其他方法，例如使用气体。 

3. 聚合是石油工业中的一个过程，其中轻质烯烃气体（汽油）如乙烯、丙烯、丁烯（即单体）被转化为更高分子量的碳氢化合物（聚合物）。当单体化学键合成链时，就会发生这种情况。聚合有两种不同的机制：

A加聚

加聚反应是一种单体连接到下一个单体（二聚体），二聚体连接到下一个单体（三聚体），依此类推。这是通过引入催化剂，通常是过氧化物来实现的。这个过程被称为链增长聚合物——因为它一次添加一个单体单元。加成聚合物的常见例子是聚乙烯、聚苯乙烯和聚氯乙烯。

B 缩聚

缩聚包括通过去除小分子如水来连接两种或多种不同的单体。它还需要催化剂以使相邻单体之间发生反应。这被称为阶梯式增长，因为您可以将现有链添加到另一个链。缩聚物的常见例子是聚酯和尼龙。

4. 复合/加工

在复合过程中，各种材料的混合物被熔融混合（通过熔融混合）以制成塑料配方。通常，为此目的使用某种类型的挤出机，然后将混合物造粒。然后，挤出或不同的成型工艺将这些颗粒转化为成品或半成品。复合通常发生在双螺杆挤出机上，然后根据加工机器中设定的预定条件将颗粒加工成具有独特设计、各种尺寸、形状、颜色和准确性能的塑料制品。

1. 聚合物与塑料

所有塑料本质上都是聚合物，但并非所有聚合物都是塑料。

术语聚合物和单体源自希腊语：其中“poly”的意思是“许多”，“mer”的意思是“重复单元”，“mono”的意思是“一个”。这字面意思是聚合物由许多单体重复单元制成。聚合物是较大的分子，通过将许多单体单元以链的形式共价连接在一起，就像一串珍珠上的珍珠一样。

塑料一词来自“plasticus”（拉丁语为“能够成型”）和“plastikos”（希腊语为“适合成型”）。当我们说塑料时，我们指的是与其他物质混合的高分子量有机聚合物（合成或天然）。

塑料是由碳、氢、氧、氮、硫和氯等多种元素组成的高分子量有机聚合物。它们也可以由硅原子（称为硅）和碳制成；一个常见的例子是用于光学镜片的硅胶乳房植入物或硅胶水凝胶。塑料由聚合树脂制成，通常与其他称为添加剂的物质混合。

“可塑性”是用来描述材料的特性、特征和属性的术语，该材料可以不可逆地变形而不会断裂。可塑性描述了聚合物在成型过程中是否能够承受温度和压力。

化学允许我们改变不同的参数来调整聚合物的特性。我们可以使用不同的元素，改变单体的类型，并以不同的模式重新排列它们，以改变聚合物的形状、分子量或其他化学/物理性质。这允许塑料被设计成具有适合特定应用的正确性能。

2. 什么是碳氢化合物？

今天使用的大多数塑料来自从原油、天然气和煤中提取的碳氢化合物——化石燃料。

什么是碳氢化合物？

碳氢化合物是由碳和氢组成的有机化合物（可以是脂肪族或芳香族）。脂肪烃没有环状苯环，而芳烃有苯环。

碳（C，原子序数 = 6）的化合价为四，这意味着它在最外层有四个电子。它能够与元素周期表中任何元素的其他四个电子配对以形成化学键（对于碳氢化合物，它将与氢配对）。另一方面，氢（H，原子序数 = 1）在价壳中只有一个电子，因此这些 H 原子中的四个已准备好通过形成单键与 C 原子配对以产生 CH 4分子. CH 4分子称为甲烷，是最简单的碳氢化合物，是烷烃家族的第一个成员。类似地，如果两个 C 原子键合在一起，它们最多可以连接六个 H 原子，每个 C 原子上有三个，从而给出 CH 的化学式3 -CH 3（或C 2 H 6）称为乙烷，系列如下。

烷烃族：甲烷（CH 4）、乙烷（CH 3 -CH 3或C 2 H 6）、丙烷（CH 3 -CH 2 -CH 3）、丁烷（CH 3 -CH 2 -CH 2 -CH 3）、戊烷（CH 3 -CH 2 -CH 2 - CH 2 -CH 3）、己烷、庚烷、辛烷、壬烷、十二烷、十一烷等。

请注意，这种与碳和氢的键是饱和键（σ键表示为σ键）。也可以存在不饱和键，其中 pi 键 (π-bond) 与 sigma 键一起存在，产生碳-碳双键 (烯烃)，或者有两个 π-键与 sigma 产生碳-碳三键 (炔烃)，其很大程度上取决于元素之间的杂交类型。

烯烃族：乙烯（CH 2 =CH 2或C 2 H 4）、丙烯（CH 2 =CH-CH 2）、1-丁烯（CH 2 =CH-CH 2 -CH 3）、2-丁烯（CH 3 -CH=CH-CH 3 ) 等等。（注意1-丁烯和2-丁烯是丁烯的异构体）。

炔烃：乙炔（CH≡CH或C 2 H 2）、丙炔（CH≡C-CH 3）、1-丁炔（CH≡C-CH 2 -CH 3）、2-丁炔（CH 3 -CH≡CH -CH 3 ) 等等。

什么是化石燃料，它们来自哪里？

化石燃料主要是由碳、氢、氮、硫、氧元素和其他矿物组成的原油、天然气和煤（图 1，参考文献）。普遍接受的理论是，这些碳氢化合物是由侏罗纪时期存在的称为浮游生物（微小植物和动物）的生物残骸形成的。由于巨大的热量和压力的压缩，浮游生物被埋在地幔厚重的沉积层之下更深。死亡的有机体在没有氧气的情况下分解，将它们转化为微小的石油和天然气。然后原油和天然气渗入岩石中，最终积聚在储层中。石油和天然气井位于我们的海洋底部和下方。煤主要来自死植物（参考文献）。

图 2. 化石燃料的元素组成（参考）。

科学家们也对这一理论提出了质疑。自然地球科学最近的一项研究  卡内基研究所与俄罗斯和瑞典同事合作发现，有机物可能不是重碳氢化合物的来源，它们可能已经存在于地球深处。专家们发现，如果可以模拟地核深处的压力-温度条件，就可以制造乙烷和其他重碳氢化合物。这就是说，碳氢化合物可以在地壳和地核之间的地球上层地幔中制造。他们通过在地球上层对甲烷进行激光热处理来证明这一点，然后将甲烷转化为氢分子、乙烷、丙烷、石油醚和石墨。然后，科学家们将乙烷暴露在可逆性产生甲烷的相同条件下。参考）。

3. 合成塑料是如何从原油中制成的？

合成塑料来自石化产品。当确定地球表面下的石油来源时，会在地下的岩石中钻孔以提取石油。

石油开采- 石油从地下泵送到地面，油轮用于将石油运输到岸上。石油钻探也可以使用平台的支持在海底进行。不同尺寸的泵每冲程可生产 5 - 40 升油（图 1）。

石油精炼- 石油通过一条长达数千英里的管道输送到炼油厂（图 1）。在输送过程中从管道中溢出的石油可能会产生直接和长期的环境后果，但已采取安全措施来防止和最大限度地减少这种风险。

图 3：原油的分馏

原油蒸馏和石化产品生产- 原油是数百种碳氢化合物的混合物，其中还含有一些来自烷烃家族的固体和一些溶解在其中的气态碳氢化合物（主要是 CH 4和 C 2 H 6，但也可以是C 3 H 8或 C 4 H 10）。首先将原油加热到炉中，然后将所得混合物以蒸气形式送入分馏塔。分馏塔将混合物分离成不同的隔室，称为馏分。蒸馏塔中存在温度梯度，顶部比底部冷。液体和蒸气馏分的混合物在塔中根据它们的重量和沸点（沸点是液相变为气态的温度）在塔中分离。当蒸气蒸发并遇到温度低于蒸气沸点的液体部分时，它会部分冷凝。这些蒸发的原油蒸气在塔内以不同的温度冷凝。最轻馏分（汽油和石油气）的蒸气（气体）流向塔顶，中等重量的液体馏分（煤油和柴油馏出物）停留在中间，较重的液体（称为瓦斯油）向下分离，而沸点最高的最重馏分（固体）则留在塔底。柱子中的每个馏分都含有碳原子数相似的烃，较小的分子朝向顶部，较长的分子靠近柱子底部（参考）。这样，石油被分解成石油气、汽油、石蜡（煤油）、石脑油、轻油、重油等。

在蒸馏步骤之后，获得的长链碳氢化合物被转化为碳氢化合物，然后可以转化为许多重要的化学品，我们用于制备从塑料到药品的各种产品。

烃类裂解是通过高温高压将复杂烃类混合物分解为更简单的低相对分子质量烯烃/烷烃（加上副产物）的主要过程。

裂化可分为两种方式：蒸汽裂化和催化裂化。

蒸汽裂化利用高温和高压在没有催化剂的情况下打破碳氢化合物长链，而催化裂化添加了一种催化剂，使该过程可以在较低的温度和压力下进行。

石化行业使用的原料主要是石化原料中炼油作业产生的石脑油和天然气。蒸汽裂解使用来自不同馏分的烃混合物的原料，例如来自天然气的反应气体（乙烷、丙烷或丁烷）或液体（石脑油或瓦斯油）（图 4）。

图 4：石油精炼后从化石燃料中获得的各种化学品。

（石脑油是从原油蒸馏中获得的 C 5至 C 10烃的混合物）。

例如，癸烷烃被分解成丙烯和庚烷等产品，然后前者用于制造聚（丙烯）（图 5）。

图 5. 癸烷裂解转化为丙烯和庚烷的示意图。

原料分子转化为乙烯、丙烯、丁烯等单体。所有这些单体都包含双键，因此碳原子可以随后反应形成聚合物。

聚合——烃类单体然后通过化学聚合机制连接在一起以产生聚合物。聚合过程会产生作为树脂的粘稠物质，用于制造塑料产品。如果我们在这里看一个乙烯单体的例子；乙烯是一种气态碳氢化合物。当它受到热、压力和某种催化剂的作用时，它会结合在一起形成长而重复的碳链。这些连接的分子（聚合物）是一种塑料树脂，称为聚乙烯（PE）。

生产基于 PE 的塑料 -聚（乙烯）在工厂加工以制造塑料颗粒。将颗粒倒入反应器中，熔化成浓稠的液体，然后浇铸到模具中。液体冷却硬化成固体塑料并生产成品。聚合物的加工还包括添加增塑剂、染料和阻燃化学品。

聚合类型

合成塑料是通过称为聚合的反应制成的，可以通过两种不同的方式进行：

加成聚合：合成包括将长链中的单体加在一起。一个单体连接到下一个单体，以此类推，当引入催化剂时，在称为链增长聚合物的过程中，一次添加一个单体单元。一些加聚反应被认为不会产生副产物，并且该反应可以在分散在液体中的气相（即气相）中进行。例如：聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯和聚苯乙烯。  

缩聚：在这种情况下，两种单体通过释放副产物结合形成二聚体（两个单元）。然后二聚体可以连接形成四聚体（四个单元）等等。这些副产物对于反应的成功是必要的。最常见的副产品是水，很容易处理和处置。副产品也可以是有价值的原材料，可循环回到原料流中。

例如：尼龙（聚酰胺）、聚酯和聚氨酯。

4. 石脑油是如何制造塑料的？

塑料通常由石脑油制成。例如，乙烯和丙烯是来自石脑油的油基塑料的主要原料。

什么是石脑油？

有不同类型的石脑油。它是一个术语，用于描述通过原油蒸馏获得的一组液态烃的挥发性混合物。它是 C 5至 C 10烃的混合物。

石脑油在高温（~800 °C）下在蒸汽裂解器中在水蒸气存在下热分解，在那里它分解成称为主要中间体的轻质烃。这些是烯烃和芳烃。烯烃中，有C 2 (乙烯)、C 3 (丙烯)、C 4（丁烷和丁二烯）。芳烃由苯、甲苯和二甲苯组成。这些小分子通过称为聚合物的长分子链连接在一起。当聚合物从化工厂出来时，它们仍然不是塑料的形式——它们是颗粒或粉末（或液体）的形式。在它们成为日常使用的塑料之前，它们需要经历一系列的转变。根据加工管，将它们揉捏、加热、熔化、冷却成各种形状、大小颜色、性能精确的物体。

例如，对于乙烯聚合成聚乙烯（PE），添加引发剂以启动链式反应，只有在 PE 形成后，才通过添加一些化学品（抗氧化剂和稳定剂）将其送去加工。之后，挤出机将 PE 转化为线，然后研磨机将其转化为 PE 颗粒。然后工厂将它们熔化成最终产品。

5、塑料的主要成分是什么？

大多数塑料材料的主要成分是原油和天然气的衍生物。

有许多不同类型的塑料——透明、混浊、纯色、柔性、刚性、柔软等。

塑料产品通常是一种聚合物树脂，然后将其与添加剂的混合物混合（参见聚合物与塑料）。这些添加剂很重要，因为它们中的每一种都用于为塑料提供目标的最佳性能，例如韧性、柔韧性、弹性、颜色，或者使它们在特定应用中更安全、更卫生（参考）。

有时可以通过查看塑料容器底部的数字来识别产品是由什么类型的塑料制成的。下面给出了一些主要类型的塑料和母体单体（表 1）。此表显示了塑料的类型和构成塑料的单体。

表 1. 主要聚合物类型、单体及其化学结构

* LDPE 和 HDPE 中使用的单体是乙烯，但支化度有所不同。

6. 第一种人造塑料是哪一种？

中美洲文化（奥尔梅克、玛雅、阿兹特克人，公元前 1500 年）使用天然乳胶和橡胶来制造容器和衣服防水。

Alexander Parkes（英国，1856 年）为第一种人造生物塑料申请了专利，称为 Parkesine，由硝酸纤维素制成。Parkesine 是一种坚硬、柔韧且透明的塑料。John Wesley Hyatt（美国，1860 年代）通过 Parkes 的发明发了大财。凯悦兄弟通过添加樟脑来改善塑料对硝酸纤维素的延展性，并将塑料重新命名为赛璐珞。其目的是生产台球，在此之前，台球都是用象牙制成的。本发明被许多人认为是最早的人造生物塑料实例（参考文献）。

第一种真正的合成塑料是由苯酚和甲醛树脂制成的电木。Leo Baekeland（比利时，1906 年）发明的电木被称为“国家历史化学地标”，因为它彻底改变了现代生活中的每一个行业。它具有对电、热和化学品的高抗性。它具有非导电特性，这在设计无线电和电话外壳等电子设备时极为重要。（参考）。

7. 塑料之前用的是什么？

在塑料诞生之前，我们使用的是木材、金属、玻璃和陶瓷，以及动物衍生的材料，如牛角、骨头和皮革。

出于储存目的，使用了与玻璃混合的可塑粘土（陶器），这意味着容器通常很重且易碎。

来自橡胶树树皮的天然材料 - 口香糖（乳胶树脂）应运而生，这种混合物具有粘性和可塑性，但不能用于储存。

18 世纪，查尔斯·古德伊尔意外发现了橡胶——他补充说 

在 18 世纪，查尔斯·古德伊尔意外发现了橡胶——他将硫磺添加到热生橡胶中，使橡胶发生反应并使橡胶在冷却后变得有弹性，即它具有恢复其原始形状的特性（参考）。

8.可以不用油做塑料吗？  

是的，可以从石油以外的来源制造塑料。

尽管原油是现代塑料的主要碳来源，但一系列变体是由可再生材料制成的。不含油的塑料作为生物基塑料或生物塑料销售。这些由可再生生物质制成，例如：

• 木质素、纤维素和半纤维素，

• 萜烯，

• 植物油脂，

• 碳水化合物（甘蔗糖等）

• 回收的食物垃圾

• 细菌

然而，应该指出的是，生物塑料并非在所有情况下都自动成为更可持续的替代品。生物塑料因分解方式而异，而且与任何材料一样，生物塑料在生产中也需要资源。

例如，PLA 等生物塑料是一种可生物降解的材料，在某些环境条件下会降解，但在各种气候条件下可能不会生物降解。因此，需要 PLA 基塑料废料流。就 PLA 而言，它是一种敏感的聚酯，在回收过程中会开始降解，最终会污染现有的塑料回收流（参考文献）。

但在设计时考虑到适当的废物流，生物塑料可以有很多用途。

生物塑料是制造一次性塑料的潜在材料，例如制造可生物降解的瓶子和包装薄膜所需的材料。例如，2019 年，苏塞克斯大学的一位研究人员用鱼皮废料和藻类制造了一种透明塑料薄膜；称为 MarinaTex（参考）。生物聚合物也已被研究用于医疗应用，例如受控药物释放、药物包装和可吸收手术缝合线（参考文献，参考文献）。

Maurice Lemoigne（法国，1926 年）发现了第一种由巨大芽孢杆菌制成的由细菌聚羟基丁酸酯 (PHB) 制成的生物塑料。当细菌消耗糖时，它们会产生聚合物（参考文献）。Lemoigne 的发明的重要性一直被忽视，直到 1970 年代中期爆发的石油危机激发了人们对发现石油产品替代品的兴趣。

亨利福特（美国，1940 年）将大豆制成的生物塑料用于一些汽车零件。由于廉价石油供应过剩（参考），福特在二战后停止使用大豆塑料。

代谢和基因工程的发展扩大了对生物塑料的研究，许多类型的生物塑料的应用已经确立，特别是 PHB 和聚羟基链烷酸酯 (PHA)，尽管一直在发生许多其他有趣的发展。