Quo vaditis, polymery?

Dominantou pražského sídliště Petřiny je budova Ústavu makromolekulární chemie AV ČR, v. v. i. O nadčasový vzhled budovy, dokončené v roce 1964, se zasloužili architekt Karel Prager a také první ředitel ústavu Otto Wichterle. Ústav jako vědecká organizace byl však založen už v roce 1959, i když zpočátku byla jeho pracoviště rozptýlena na různých místech Prahy. V letošním roce tedy ústav oslavuje své padesáté narozeniny. Při svém založení byl pověřen základním výzkumem makromolekulárních látek neboli polymerů. Už v prvních letech se však proslavil dvěma praktickými vynálezy svého ředitele. Byla to alkalická polymerace kaprolaktamu a měkké kontaktní čočky z hydrogelů. V mezinárodním měřítku se ústav zviditelnil také pořádáním významných mezinárodních konferencí a domácí novináři pro něj vymysleli lichotivé označení „továrna na myšlení“. Odkud se vlastně vzaly polymery, jaké mají postavení v současné civilizaci, co přinesla makromolekulární věda za uplynulé půlstoletí a jaké jsou nyní její trendy a perspektivy?

Polymery a lidé

Historie a vývoj lidské civilizace jsou neodmyslitelně spojeny s materiály a materiálovou technologií. Archeologové využívají materiály pro periodizaci vývoje lidstva. Po starší a mladší době kamenné následovaly doby měděná, bronzová a železná. V době železné, přesněji ocelové, nyní žijeme. V průběhu 20. století se ale materiálové spektrum neobyčejně rozšířilo, zejména se objevily polymerní materiály.

Vývoj materiálů se někdy znázorňuje na ploše fiktivní mapy materiálového světa, na níž probíhají objevy nových zemí a světadílů (obrázek 1). Na takové mapě starý svět zahrnuje tradiční materiály, které jsou známy a využívány už po tisíciletí. Jde nejen o anorganické materiály, jako jsou kámen a keramika, ale také o řadu biologických materiálů, především o dřevo, přírodní vlákna a tmely založené na přírodních polymerech, které lidé znali už v době kamenné. Můžeme si představit, že materiálové výboje pokračovaly ze starého světa do nových oblastí. Tak byl ovládnut kontinent kovů, a posléze i rozsáhlý svět polymerů, tedy hlavně plastů a kaučuku.

Z názvoslovného hlediska je polymer ekvivalentní termínu makromolekulární látka. Předpona poly- znamená více nebo mnoho, a slovo polymer tedy vyjadřuje, že jde o substanci složenou z velkého množství jednotek, „merů“. Termín polymer zavedl do chemického názvosloví J. J. Berzelius (1779–1848), jeho představa chemické struktury polymerů se však od té dnešní liší. Materiály založené na makromolekulách, tedy polymerní materiály, se dělí zhruba na dvě velké skupiny, plasty, které jsou za běžných podmínek tuhé, a kaučuky, které jsou měkké a ohebné. Polymery tvoří také souvislou fázi (matrici) v různých typech kompozitních materiálů. Skutečný rozvoj syntetických polymerů nastal v dvacátých letech 20. století. Tehdy poprvé v materiálové historii teoretické poznatky ovlivnily technologický rozvoj. Do historie polymerních materiálů zasáhli vzdělaní chemici, zvláště Hermann Staudinger (1881–1965). Za své práce v makromolekulární chemii dostal Nobelovu cenu, hlavně ale ovlivnil řadu experimentálních chemiků představou, že molekuly polymerů jsou lineární řetězce. To pak podnítilo intenzivní výzkum dvojfunkčních monomerů, které se zdály být pro syntézu molekulárních řetězců nejvhodnější. W. H. Carothers (1896–1942) podle Staudingerových představ připravil v třicátých letech chloroprenový kaučuk, polyestery i polyamid 66, slavný nylon.

Od třicátých do padesátých let prudce přibývaly stále nové materiály založené na lineárních polymerech i trojrozměrných molekulárních sítích (obrázek 2). Od šedesátých let se zcela nové polymery objevovaly už méně často. Jakmile velké koncerny investovaly značné částky do určitého výrobního postupu, byly méně ochotné riskovat zcela nové, nevyzkoušené technologie. Postupně se tak vytvořila určitá hierarchie polymerních materiálů, která byla dána nejen jejich vlastnostmi, ale z velké míry i cenou.

Bez plastů se už neobejdeme

Všechny nyní známé technické polymerní materiály (viz rámeček 1 ) lze uspořádat do schematické pyramidy (obrázek 3). V tomto schématu je na vodorovné ose vynesen objem výroby (a spotřeby), na svislé ose užitná hodnota a cena. Materiálovou pyramidu plastů lze zhruba rozdělit do tří vrstev:

• Ve spodní a největší jsou komoditní plasty. V podstatě jde o čtyři skupiny polymerů, polyethyleny (HDPE, LLDPE, LDPE), polypropylen (PP), polystyren (PS) a polyvinylchlorid (PVC). Tyto plasty se vyrábějí v největším množství, jejich výroba trvale roste, ale příliš nevynikají užitnými vlastnostmi. Zato jsou levné, obvykle nestojí víc než 2 eura za kilogram.

   

   

• Prostřední vrstvu pyramidy obsazují konstrukční plasty, jako jsou polyamidy, polymethylmetakrylát, polykarbonáty, styrenové kopolymery (ABS). Ty mají výtečné mechanické vlastnosti i teplotní odolnost, ale proti komoditním plastům jsou mnohem dražší.

   

   

• Ve špičce pyramidy jsou plasty s vynikající teplotní i chemickou odolností, dlouhou životností, popřípadě biologickou snášenlivostí. Ty jsou ovšem ze všech polymerních materiálů nejdražší.

V sedmdesátých letech 20. století skupina prognostiků předpověděla, že se materiálová pyramida bude během následujících desetiletí postupně otupovat, snad i převracet. Předpokládali, že poroste poptávka po kvalitních materiálech, což by pak mohlo snížit jejich cenu. Ve skutečnosti nastal vývoj zcela opačný. Výroba a spotřeba komoditních plastů rostla nejrychleji, takže nyní představují více než 80 % objemu všech vyráběných plastů. Důvodem byla nepochybně nízká cena, která umožnila vysokou výrobu, ale také řada modifikací, jež komoditním plastům otevřela nové aplikace. Znovu se tak ukázalo, že mezi důležité vlastnosti materiálů, kromě fyzikálněchemických parametrů, patří jejich cena.

Zároveň s tím, jak přibývaly nové typy polymerních materiálů, neobyčejně rostly také absolutní objemy vyráběných plastů. V roce 1930 dosahovala celosvětová roční produkce plastů (vlastně tehdy jen bakelitu a celuloidu) stěží 23 000 tun. Po válce už přesáhla 1,3 milionu tun a v roce 2007 už 260 milionů tun (obrázek 4). K pozoruhodné události došlo v polovině padesátých let. Tehdy celosvětová výroba všech polymerů v objemových jednotkách převýšila kovy. Možná to není náhoda, že zhruba do téhož období kladou sociologové vznik postindustriální společnosti. Ta se vyznačuje tím, že počet pracovníků ve službách je vyšší než počty zaměstnanců v průmyslu a zemědělství.

Spotřeba plastů ovšem není na Zemi rovnoměrně rozložena. V Evropské unii a v Severní Americe připadá na každého obyvatele zhruba 100 kg plastů ročně, zatímco v Indii jen asi 1 kg. (Přesto jsou zde plastové odpady velkým problémem.) V každém případě se plasty nyní staly neodmyslitelnou složkou života. Kdyby je dnes někdo nějakým zázrakem nebo nařízením odstranil ze světa, odpadly by automobilům nárazníky, zmizely by všechny počítače a cédéčka, zkolabovaly by rozvody pitné vody a hodně lidí by asi chodilo nahých. Okamžitě by se zhroutila současná civilizace.

Proč plasty získaly takovou oblibu a nalezly tak rozmanitá uplatnění, má řadu příčin. Patří k nim jistě snadná zpracovatelnost řadou plastikářských technologií, jako je vstřikování, vyfukování, vytlačování nebo nanášení a laminace. Neméně významná je nízká měrná hmotnost polymerů. Zatímco standardní skleněná láhev na pivo má hmotnost zhruba 330 gramů, láhev z polyethylentereftalátu (PET) váží jen 38 gramů a pojme 1,5 litru. Při dopravě prázdných obalů i nápojů se tak velmi ušetří. ²⁾ Nízká hmotnost a korozní odolnost je výhodná také u potrubních rozvodů a částí automobilů. Je zřejmé, že problematika recyklace a opětného využití plastů se neobejde bez výzkumu, ale ani bez efektivní organizace sběru, třídění a zpracování. Ekologicky přijatelné je i energetické zhodnocení plastových odpadů. Vůbec nejhorší je skládkování plastů spolu s dalším směsným odpadem. To je krátkodobé řešení, které ovšem do budoucna vytváří doslova časovanou bombu.

Přínosy polymerní fyziky

Současně s vynálezem nylonových vláken se zjistilo, že jejich pevnost lze podstatně zvýšit jednoosou deformací, dloužením za studena. Čistě fyzikální postup tak připravil materiál s mnohem lepšími vlastnostmi, i když byl založen na stejné chemické látce. Tento poznatek můžeme pokládat za zrod fyziky polymerů. S použitím různých fyzikálních metod, například rozptylu rentgenového záření, mikroskopie, spektroskopie nebo nukleární magnetické rezonance, se podařilo shromáždit velké množství poznatků o vztazích mezi parametry struktury a makro skopickým chováním. To nyní umožňuje vlastnosti polymerních materiálů cílevědomě řídit. Zejména vznikla nová třída materiálů, založená na směsích různých polymerů mezi sebou navzájem nebo s tuhou výztuží.

Polypropylen, který je za nízké teploty křehký, se podařilo modifikovat příměsí kaučukové fáze natolik, že je vhodný i na nárazníky osobních automobilů. Jeho houževnatost lze podstatně zvýšit také nepatrnou příměsí nukleačního činidla. V materiálové pyramidě se tak polypropylen posouvá do oblasti konstrukčních plastů. Naopak růst výroby a spotřeby polyethylentereftalátu na nápojové láhve snížil jeho cenu, a tím jej zařadil mezi komoditní plasty.

Plasty a ekologie

Jestliže se plasty a obecně polymerní materiály pokládají za ekologickou zátěž, je to nespravedlivé. Plasty slouží lidské společnosti v řadě ekologicky příznivých produktů, jako jsou lehké a spolehlivé části automobilů, rozvody pitné vody, filtry a membrány, izolace budov, lékařské pomůcky, důležité prvky energetických zařízení, a také se používají v různých obalech. Jak ukázal podrobný rozbor, kdyby plastové obaly byly opět nahrazeny tradičními, jejich celková hmotnost by vzrostla čtyřnásobně. Také by dvojnásobně vzrostla emise skleníkových plynů a finanční náklady by se téměř zdvojnásobily. Plastové obaly prodlužují trvanlivost potravin. V rozvojových zemích se polovina potravin znehodnotí cestou od výrobce ke spotřebiteli, přitom vhodný obal může jejich trvanlivost podstatně prodloužit. V posledních letech byla vyvinuta řada postupů na efektivní recyklaci plastů, které už dosloužily jako obaly nebo části různých výrobků. Také jsou známy degradabilní (rozložitelné) plasty, které se v přírodních podmínkách (v kompostu) po určité době samovolně rozpadnou. Podobné materiály mají perspektivní lékařské využití. Díky makromolekulární vědě a výzkumu tak současné polymery přispívají ke kvalitě života a k udržitelnému rozvoji lidské společnosti.

Továrna na myšlení po padesáti letech

Prudký nárůst výroby a spotřeby polymerních materiálů se od počátku padesátých let 20. století nezastavil ani před Československem. Tehdejší československé vedení chtělo zachytit celosvětový trend, a proto byla v padesátých a šedesátých letech zahájena výroba důležitých plastů a také byly založeny výzkumné ústavy zaměřené na základní i aplikovaný výzkum. Ústav makromolekulární chemie sice nebyl první, ale jako pracoviště základního výzkumu brzy získal výsadní postavení.

V roce 1959 byl profesor Otto Wichterle (1913–1998) propuštěn z vysoké školy, ale krátce nato pověřen vedením nového Ústavu makromolekulární chemie Československé akademie věd. Vzápětí po založení ústavu Wichterle ověřil dvě originální myšlenky, alkalickou polymeraci kaprolaktamu a společně s Drahoslavem Límem (1925–2003) syntézu čirého hydrogelu. Ten potom použil jako materiál pro měkké kontaktní čočky a sám ověřil jejich výrobu originálním postupem rotačního odlévání. K mezinárodnímu postavení ústavu také velmi přispělo uspořádání dvou celosvětových konferencí o makromolekulární chemii (v letech 1965 a 1992) a řady specializovaných pražských konferencí o makromolekulách (PMM). V roce 2008 již počet takových vědeckých setkání dosáhl čísla 72.

Vývoj ústavu však nebyl vždy jednoduchý ani přímočarý. Na jedné straně odrážel celosvětový rozvoj makromolekulární vědy, na druhé straně poválečnou historii Československa. Optimistická šedesátá léta byla vystřídána útlumem po roce 1969, kdy i O. Wichterle byl donucen ústav na čas opustit. Řada ústavních odborníků emigrovala, výzkum se však nezastavil a ústavu se podařilo udržet tým zkušených a vzdělaných pracovníků.

Proto se mohlo v devadesátých letech plynule navázat na dřívější tradici. Podařilo se také těsněji propojit zkušenosti a metodiky různých oddělení. To se projevilo v originálních vědeckých publikacích i v nových výsledcích základního, biolékařského a materiálového výzkumu.

Současný výzkum v ústavu zasahuje do všech tří pater materiálové pyramidy, týká se komoditních, inženýrských i speciálních polymerů. Nyní jsou v ústavu vyvíjeny polymery pro cílený transport léčiv, polymerní nosiče pro řízený růst a regeneraci tkání, pokračuje vývoj další generace kontaktních čoček a také materiálový výzkum včetně nových postupů recyklace plastů. Výzkum hydrogelů přinesl i nový lékařský přípravek HemaGel, který podivuhodným způsobem urychluje hojení ran a spálenin.

V ústavu ovšem pokračuje i základní výzkum, zaměřený například na polymerní biosenzory, membrány a nanomateriály se spontánním nebo i řízeným strukturním uspořádáním. Ústavu se daří prakticky plnit výzvu svého zakladatele: „Chceme být krásní, ale také užiteční.“ Problematika současné polymerní vědy je pro studenty i mladé vědecké pracovníky atraktivní. Není pochyb o tom, že i po padesáti letech existence ústavu nabízí makromolekulární věda svým adeptům vzrušující dobrodružství poznání.

Tento článek podpořila AV ČR v rámci projektu AVOZ 40500505.