Biorazgradljivi polimeri: koncept, lastnosti, metode priprave in primeri reakcij

2024 Avtor: Howard Calhoun | [email protected]. Nazadnje spremenjeno: 2023-12-17 10:40

Morda boste opazili, da so v zadnjem desetletju postali priljubljeni izdelki s predpono "bio", dodano imenu. Namenjen je obveščanju, da je izdelek varen za ljudi in naravo. Aktivno ga promovirajo mediji. Prišlo je celo do smešnega – pri izbiri pijače menijo, da je biokefir najboljši, biogorivo pa ni več alternativa olju, temveč okolju prijazen izdelek. In ne pozabite na bio-izvlečke, zaradi katerih kozmetika dela "čudeže".

Splošne informacije

Zdaj se resnimo. Pogosto, ko se premikate po cestah, lahko vidite spontana odlagališča. Poleg tega obstajajo polnopravna odlagališča, kjer se skladiščijo človeški odpadki. Zdi se, da ni slabo, vendar obstaja en minus - predolg čas razgradnje. Obstaja veliko načinov, kako to popraviti - to je recikliranje smeti in uporaba manj škodljivih materialov, ki hitro uničijo razgrajevalce. Pogovorimo se o drugem primeru.

Tukaj je veliko točk. Embalaža, gume, steklo, derivati kemične industrije. Vsi zahtevajopozornost. Vendar pa ni posebnega univerzalnega recepta. Zato je treba natančno vedeti, kaj in kako zagotoviti preprečevanje onesnaževanja okolja.

Biorazgradljivi polimeri so bili razviti kot odgovor na problem odstranjevanja plastičnih odpadkov. Ni skrivnost, da njihov obseg vsako leto narašča. Beseda biopolimeri se uporablja tudi za njihovo skrajšano označbo. Kakšna je njihova posebnost? V okolju se lahko razgradijo zaradi delovanja fizikalnih dejavnikov in mikroorganizmov – gliv ali bakterij. Polimer se šteje za takega, če se njegova celotna masa absorbira v vodi ali zemlji v šestih mesecih. To delno rešuje problem odpadkov. Hkrati se dobijo produkti razgradnje - voda in ogljikov dioksid. Če je še kaj, potem je treba raziskati varnost in prisotnost strupenih snovi. Prav tako jih je mogoče reciklirati z večino standardnih proizvodnih tehnologij plastike, kot so ekstrudiranje, pihanje, termoformiranje in brizganje.

Na katerih področjih delamo?

Pridobivanje biološko razgradljivih polimerov je precej naporna naloga. Razvoj tehnologij, ki omogočajo pridobivanje varnih materialov, se aktivno izvaja v ZDA, na evropski celini, na Japonskem, v Koreji in na Kitajskem. Žal je treba opozoriti, da so rezultati v Rusiji nezadovoljivi. Ustvarjanje tehnologije za biorazgradnjo plastike in njihovo proizvodnjo iz obnovljivih surovin je drag užitek. Poleg tega ima država še vedno dovolj nafte za proizvodnjo polimerov. Ampak vseenako lahko ločimo tri glavne smeri:

1. Proizvodnja biološko razgradljivih poliestrov na osnovi hidroksikarboksilnih kislin.
2. Ustvarjanje plastike na podlagi ponovljivih naravnih sestavin.
3. Industrijski polimeri postanejo biološko razgradljivi.

Kaj pa v praksi? Oglejmo si podrobneje, kako nastajajo biološko razgradljivi polimeri.

bakterijski polihidroksialkanoati

Mikroorganizmi pogosto rastejo v okoljih, kjer so na voljo hranilni ogljiki. V tem primeru pride do pomanjkanja fosforja ali dušika. V takih primerih mikroorganizmi sintetizirajo in kopičijo polihidroksialkanoate. Služijo kot rezerva ogljika (zaloge hrane) in energije. Po potrebi lahko razgradijo polihidroksialkanoate. Ta lastnost se uporablja za industrijsko proizvodnjo materialov te skupine. Za nas sta najpomembnejša polihidroksi butirat in polihidroksi valerat. Tako je ta plastika biološko razgradljiva. Hkrati so alifatski poliestri, odporni na ultravijolično sevanje.

Opozoriti je treba, da čeprav imajo zadostno stabilnost v vodnem okolju, morje, tla, okolje za kompostiranje in recikliranje prispevajo k njihovi biološki razgradnji. In to se zgodi precej hitro. Na primer, če ima kompost vlažnost 85% in 20-60 stopinj Celzija, bo razgradnja v ogljikov dioksid in vodo trajala 7-10 tednov. Kje se uporabljajo polihidroksialkanoati?

Onise uporabljajo za proizvodnjo biorazgradljive embalaže in netkanih materialov, robčkov za enkratno uporabo, vlaken in filmov, izdelkov za osebno nego, vodoodbojnih premazov za karton in papir. Praviloma prepuščajo kisik, so odporne na agresivne kemikalije, imajo relativno toplotno stabilnost in imajo moč, primerljivo s polipropilenom.

Ko že govorimo o slabostih biološko razgradljivih polimerov, je treba omeniti, da so zelo dragi. Primer je Biopol. Stane 8-10 krat več kot tradicionalna plastika. Zato se uporablja samo v medicini, za pakiranje nekaterih parfumov in izdelkov za osebno nego. Med polihidroksialkanoati je bolj priljubljen mirel, pridobljen iz saharificiranega koruznega škroba. Njegova prednost je relativno nizka cena. Toda kljub temu je njegova cena še vedno dvakrat višja od cene tradicionalnega polietilena nizke gostote. Hkrati pa surovine predstavljajo 60% stroškov. In glavna prizadevanja so usmerjena v iskanje njegovih poceni analogov. Zadevna možnost je škrob žit, kot so pšenica, rž, ječmen.

polimlečna kislina

Proizvodnja biološko razgradljivih polimerov za embalažo poteka tudi z uporabo polilaktida. Je tudi polimlečna kislina. Kaj on predstavlja? Je linearni alifatski poliester, kondenzacijski produkt mlečne kisline. Je monomer, iz katerega bakterije umetno sintetizirajo polilaktid. Treba je opozoriti, da je njegova proizvodnja s pomočjo bakterij lažja od tradicionalne metode. Konec koncev polilaktide ustvarijo bakterije iz razpoložljivih sladkorjev v tehnološko preprostem postopku. Sam polimer je mešanica dveh optičnih izomerov z enako sestavo.

Nastala snov ima dokaj visoko toplotno stabilnost. Torej se vitrifikacija pojavi pri temperaturi 90 stopinj Celzija, medtem ko se taljenje pojavi pri 210-220 stopinjah Celzija. Poleg tega je polilaktid odporen na UV žarke, rahlo vnetljiv in če gori, potem z majhno količino dima. Lahko se obdela z vsemi metodami, ki so primerne za termoplaste. Izdelki, pridobljeni iz polilaktida, imajo visoko togost, sijaj in so prozorni. Uporabljajo se za izdelavo krožnikov, pladnjev, filmov, vlaken, vsadkov (tako se uporabljajo biorazgradljivi polimeri v medicini), embalaže za kozmetiko in prehrambene izdelke, plastenk za vodo, sok, mleko (ne pa gaziranih pijač, ker material prehaja ogljikov dioksid). Pa tudi tkanine, igrače, etuiji za mobilne telefone in računalniške miške. Kot lahko vidite, je uporaba biološko razgradljivih polimerov zelo obsežna. In to samo za eno od njihovih skupin!

Proizvodnja in biološka razgradnja polimlečne kisline

Prvič je bil patent za njegovo proizvodnjo izdan leta 1954. Toda komercializacija te bioplastike se je začela šele na začetku 21. stoletja - leta 2002. Kljub temu je že veliko podjetij, ki se ukvarjajo z njegovo proizvodnjo - le v Evropi jih je več kot 30. Pomembna prednostpolimlečna kislina je sorazmerno nizka - že skoraj enakopravno tekmuje s polipropilenom in polietilenom. Predvideva se, da jih bo polilaktid že leta 2020 lahko začel potiskati na svetovni trg. Da bi povečali njegovo biorazgradljivost, mu pogosto dodajajo škrob. To pozitivno vpliva tudi na ceno izdelka. Res je, da so nastale mešanice precej krhke, zato jim je treba dodati mehčala, kot sta sorbitol ali glicerin, da bo končni izdelek bolj elastičen. Alternativna rešitev problema je ustvariti zlitino z drugimi razgradljivimi poliestri.

Polimlečna kislina se razgradi v dveh korakih. Najprej se estrske skupine hidrolizirajo z vodo, kar povzroči nastanek mlečne kisline in nekaj drugih molekul. Nato se v določenem okolju s pomočjo mikrobov razgradijo. Polilaktidi so podvrženi temu procesu v 20-90 dneh, nato pa ostaneta samo ogljikov dioksid in voda.

sprememba škroba

Ko se uporabljajo naravne surovine, je dobro, saj se viri za to nenehno obnavljajo, tako da so tako rekoč neomejeni. Škrob je v tem pogledu pridobil najširšo priljubljenost. Vendar ima pomanjkljivost - ima povečano sposobnost vpijanja vlage. Toda temu se je mogoče izogniti, če opazite del hidroksilnih skupin na estru.

Kemična obdelava vam omogoča ustvarjanje dodatnih vezi med deli polimera, kar pomaga povečati toplotno odpornost, stabilnostna kisline in strižno silo. Rezultat, modificiran škrob, se uporablja kot biološko razgradljiva plastika. Pri 30 stopinjah se v kompostu razgradi v dveh mesecih, zaradi česar je zelo okolju prijazen.

Za znižanje stroškov materiala se uporablja surovi škrob, ki se zmeša s smukcem in polivinilalkoholom. Proizvaja se lahko z isto opremo kot za navadno plastiko. Modificiran škrob je mogoče tudi barvati in tiskati z običajnimi tehnikami.

Upoštevajte, da je ta material antistatične narave. Pomanjkljivost škroba je, da so njegove fizikalne lastnosti na splošno slabše od petrokemično proizvedenih smol. To je polipropilen, pa tudi visokotlačni in nizkotlačni polietilen. In vendar se uporablja in prodaja na trgu. Tako se uporablja za izdelavo palet za prehrambene izdelke, kmetijske folije, embalaže, jedilni pribor, pa tudi mreže za sadje in zelenjavo.

Uporaba drugih naravnih polimerov

To je relativno nova tema - biološko razgradljivi polimeri. Racionalno gospodarjenje z naravo prispeva k novim odkritjem na tem področju. Toliko drugih naravnih polisaharidov se uporablja pri proizvodnji biološko razgradljive plastike: hitin, hitozan, celuloza. In ne samo ločeno, ampak tudi v kombinaciji. Na primer, film s povečano trdnostjo dobimo iz hitozana, mikroceluloznih vlaken in želatine. In če ga zakoplješ v zemljo, bo hitrorazgradijo mikroorganizmi. Uporablja se lahko za embalažo, pladnje in podobne predmete.

Poleg tega so kombinacije celuloze z dikarboksilnimi anhidridi in epoksi spojinami precej pogoste. Njihova moč je, da se v štirih tednih razgradijo. Iz nastalega materiala so izdelane steklenice, folije za mulčenje, namizna posoda za enkratno uporabo. Njihovo ustvarjanje in proizvodnja vsako leto aktivno rasteta.

Biorazgradljivost industrijskih polimerov

Ta težava je zelo pomembna. Biorazgradljivi polimeri, katerih primeri so bili zgoraj navedeni za reakcije z okoljem, v okolju ne bodo zdržali niti eno leto. Medtem ko ga industrijski materiali lahko onesnažujejo desetletja in celo stoletja. Vse to velja za polietilen, polipropilen, polivinil klorid, polistiren, polietilen tereftalat. Zato je skrajšanje časa njihove degradacije pomembna naloga.

Da bi dosegli ta rezultat, obstaja več možnih rešitev. Ena najpogostejših metod je vnos posebnih dodatkov v molekulo polimera. In v vročini ali na svetlobi se proces njihovega razkroja pospeši. Primeren je za posodo za enkratno uporabo, steklenice, embalažo in kmetijske folije, vrečke. Ampak, žal, obstajajo tudi težave.

Prva je, da je treba dodatke uporabljati na tradicionalne načine - oblikovanje, litje, ekstrudiranje. V tem primeru se polimeri ne smejo razgraditi, čeprav so izpostavljeni temperaturiobravnavati. Poleg tega aditivi ne smejo pospeševati razgradnje polimerov na svetlobi, prav tako pa omogočajo možnost dolgotrajne uporabe pod njo. To pomeni, da je treba zagotoviti, da se proces degradacije začne v določenem trenutku. Je zelo težko. Tehnološki postopek vključuje dodajanje 1-8% dodatkov (na primer, vnese se prej obravnavani škrob) kot del majhne tipične metode predelave, ko segrevanje surovine ne presega 12 minut. Toda hkrati je treba zagotoviti, da so enakomerno razporejeni po celotni polimerni masi. Vse to omogoča ohranjanje obdobja degradacije v razponu od devetih mesecev do petih let.

Možnosti za razvoj

Čeprav uporaba biološko razgradljivih polimerov pridobiva zagon, zdaj predstavljajo majhen odstotek celotnega trga. Toda kljub temu so še vedno našli precej široko uporabo in postajajo vse bolj priljubljeni. Že zdaj so dokaj dobro zasidrani v niši embalaže živil. Poleg tega se biorazgradljivi polimeri pogosto uporabljajo za steklenice, skodelice, krožnike, sklede in pladnje za enkratno uporabo. Na trgu so se uveljavili tudi v obliki vrečk za zbiranje in naknadno kompostiranje živilskih odpadkov, vrečk za supermarkete, kmetijskih folij in kozmetike. V tem primeru se lahko uporabi standardna oprema za proizvodnjo biološko razgradljivih polimerov. Zaradi svojih prednosti (odpornost na razgradnjo v normalnih pogojih, nizka ovira za vodno paro in kisik, brez težav z odlaganjem odpadkov, neodvisnost od petrokemičnih surovin) še naprej zmagujejotrg.

Od glavnih slabosti je treba spomniti na težave obsežne proizvodnje in relativno visoke stroške. Ta problem je do določene mere mogoče rešiti z obsežnimi proizvodnimi sistemi. Izboljšanje tehnologije omogoča tudi pridobivanje trajnejših in obrabo odpornih materialov. Poleg tega je treba opozoriti, da obstaja močna težnja po osredotočanju na izdelke s predpono "eko". To omogočajo tako mediji kot vladni in mednarodni podporni programi.

Ohranjevalni ukrepi se postopoma zaostrujejo, zaradi česar so nekateri tradicionalni plastični izdelki v nekaterih državah prepovedani. Na primer, paketi. Prepovedani so v Bangladešu (potem ko je bilo ugotovljeno, da zamašijo drenažne sisteme in dvakrat povzročijo velike poplave) in Italiji. Postopoma pride do spoznanja resnične cene, ki jo je treba plačati za napačne odločitve. In razumevanje, da je treba poskrbeti za varnost okolja, bo vodilo v vse več omejitev za tradicionalno plastiko. Na srečo obstaja povpraševanje po prehodu na še dražje, a okolju prijazne materiale. Poleg tega raziskovalni centri v številnih državah in velika zasebna podjetja iščejo nove in cenejše tehnologije, kar je dobra novica.

Sklep

Zato smo razmislili, kaj so biološko razgradljivi polimeri, metode proizvodnje in obseg teh materialov. Obstaja konstantaizboljšanje in izboljšanje tehnologij. Upajmo torej, da bodo v prihodnjih letih stroški biološko razgradljivih polimerov res dohiteli materiale, pridobljene s tradicionalnimi metodami. Po tem bo prehod na varnejši in okolju prijaznejši razvoj le še vprašanje časa.