Biologiškai skaidūs polimerai: koncepcija, savybės, paruošimo būdai ir reakcijų pavyzdžiai

2024 Autorius: Howard Calhoun | [email protected]. Paskutinį kartą keistas: 2023-12-17 10:34

Galite pastebėti, kad per pastarąjį dešimtmetį išpopuliarėjo produktai, kurių pavadinimas pridėtas priešdėliu „bio“. Juo siekiama informuoti, kad gaminys yra saugus žmonėms ir gamtai. Ją aktyviai reklamuoja žiniasklaida. Net pasidarė juokinga – rinkdamiesi gėrimą geriausiu laiko biokefyrą, o biokuras jau ne naftos alternatyva, o aplinkai nekenksmingas produktas. Nepamirškite apie biologinius ekstraktus, dėl kurių kosmetika daro „stebuklus“.

Bendra informacija

Dabar būkime rimti. Dažnai judant keliais galite pamatyti savaiminius sąvartynus. Be to, yra pilnaverčių sąvartynų, kuriuose saugomos žmonių atliekos. Atrodo neblogai, bet yra vienas minusas – per ilgas skilimo laikas. Yra daugybė būdų, kaip tai išspręsti - tai yra šiukšlių perdirbimas ir mažiau kenksmingų medžiagų, kurios greitai sunaikina skaidytojus, naudojimas. Pakalbėkime apie antrąjį atvejį.

Čia yra daug dalykų. Pakuotės, padangos, stiklas, chemijos pramonės produktai. Visi jie reikalaujadėmesį. Tačiau konkretaus universalaus recepto nėra. Todėl būtina konkrečiai žinoti, ką ir kaip užtikrinti aplinkos taršos prevenciją.

Biologiškai skaidūs polimerai buvo sukurti kaip atsakas į plastiko atliekų šalinimo problemą. Ne paslaptis, kad jų apimtys kasmet auga. Žodis biopolimerai taip pat vartojamas jų sutrumpintam pavadinimui. Koks jų ypatumas? Jie gali suirti aplinkoje, veikiant fiziniams veiksniams ir mikroorganizmams – grybams ar bakterijoms. Polimeras laikomas tokiu, jei visa jo masė per šešis mėnesius absorbuojama vandenyje arba dirvožemyje. Tai iš dalies išsprendžia atliekų problemą. Tuo pačiu metu gaunami skilimo produktai - vanduo ir anglies dioksidas. Jei yra dar kas nors, tai reikia ištirti dėl saugumo ir toksinių medžiagų buvimo. Juos taip pat galima perdirbti naudojant daugumą standartinių plastiko gamybos technologijų, pvz., ekstruzijos, pūtimo, termoformavimo ir liejimo įpurškimo būdu.

Kokiose srityse dirbame?

Biologiškai skaidžių polimerų gavimas yra gana sudėtinga užduotis. JAV, Europos žemyne, Japonijoje, Korėjoje ir Kinijoje aktyviai kuriamos technologijos, leidžiančios gauti saugias medžiagas. Deja, reikia pastebėti, kad Rusijoje rezultatai yra nepatenkinami. Sukurti plastikų biologinio skaidymo ir jų gamybos iš atsinaujinančių žaliavų technologiją – brangus malonumas. Be to, šalyje dar užtenka naftos polimerų gamybai. Bet viskastaip pat galima išskirti tris pagrindines kryptis:

1. Biologiškai skaidžių poliesterių, kurių pagrindą sudaro hidroksikarboksirūgštys, gamyba.
2. Plastiko kūrimas iš atkuriamų natūralių ingredientų.
3. Pramoniniai polimerai tampa biologiškai skaidūs.

Bet kaip praktiškai? Pažvelkime atidžiau, kaip gaminami biologiškai skaidūs polimerai.

Bakteriniai polihidroksialkanoatai

Mikroorganizmai dažnai auga aplinkoje, kurioje yra maistinių medžiagų. Šiuo atveju trūksta fosforo arba azoto. Tokiais atvejais mikroorganizmai sintetina ir kaupia polihidroksialkanoatus. Jie tarnauja kaip anglies (maisto atsargos) ir energijos rezervas. Jei reikia, jie gali suskaidyti polihidroksialkanoatus. Ši savybė naudojama pramoninei šios grupės medžiagų gamybai. Mums svarbiausi yra polihidroksibutiratas ir polihidroksivaleratas. Taigi šie plastikai yra biologiškai skaidūs. Kartu jie yra alifatiniai poliesteriai, atsparūs ultravioletinei spinduliuotei.

Reikėtų pažymėti, kad nors jie yra pakankamai stabilūs vandens aplinkoje, jūra, dirvožemis, kompostavimo ir perdirbimo aplinka prisideda prie jų biologinio skilimo. Ir tai vyksta gana greitai. Pavyzdžiui, jei komposte yra 85% drėgmė ir 20-60 laipsnių Celsijaus, tada skilimas į anglies dioksidą ir vandenį užtruks 7-10 savaičių. Kur naudojami polihidroksialkanoatai?

Jienaudojami biologiškai skaidžių pakuočių ir neaustinių medžiagų, vienkartinių servetėlių, pluoštų ir plėvelių, asmens priežiūros priemonių, vandenį atstumiančių kartono ir popieriaus dangų gamybai. Paprastai jie gali praleisti deguonį, yra atsparūs agresyvioms cheminėms medžiagoms, turi santykinį terminį stabilumą, o stiprumas panašus į polipropileną.

Kalbant apie biologiškai skaidžių polimerų trūkumus, reikia pažymėti, kad jie yra labai brangūs. Pavyzdys yra Biopolas. Tai kainuoja 8-10 kartų daugiau nei tradicinis plastikas. Todėl jis naudojamas tik medicinoje, kai kurių kvepalų ir asmens priežiūros priemonių pakavimui. Populiaresnis tarp polihidroksialkanoatų yra mirelis, gaunamas iš sucukrinto kukurūzų krakmolo. Jo pranašumas yra palyginti maža kaina. Tačiau, nepaisant to, jo kaina vis dar yra dvigubai didesnė nei tradicinio mažo tankio polietileno. Tuo pačiu metu žaliavos sudaro 60% sąnaudų. O pagrindinės pastangos nukreiptos į pigių analogų paieškas. Aptariama perspektyva yra grūdų, pvz., kviečių, rugių, miežių, krakmolas.

Polipieno rūgštis

Biologiškai skaidžių polimerų, skirtų pakavimui, gamyba taip pat vykdoma naudojant polilaktidą. Tai taip pat polipieno rūgštis. Ką jis atstovauja? Tai linijinis alifatinis poliesteris, pieno rūgšties kondensacijos produktas. Tai monomeras, iš kurio bakterijos dirbtinai sintetina polilaktidą. Reikėtų pažymėti, kad jo gamyba naudojant bakterijas yra lengvesnė nei tradiciniu būdu. Juk polilaktidus technologiškai nesudėtingu procesu sukuria bakterijos iš turimų cukrų. Pats polimeras yra dviejų tos pačios sudėties optinių izomerų mišinys.

Gautos medžiagos šiluminis stabilumas yra gana didelis. Taigi, stiklinimas vyksta 90 laipsnių Celsijaus temperatūroje, o lydymasis vyksta 210–220 laipsnių Celsijaus temperatūroje. Taip pat polilaktidas yra atsparus UV spinduliams, šiek tiek degus, o jei dega, tada su nedideliu dūmų kiekiu. Jį galima apdoroti visais termoplastikams tinkančiais metodais. Produktai, gauti iš polilaktido, yra labai tvirti, blizgūs ir skaidrūs. Iš jų gaminamos lėkštės, padėklai, plėvelė, pluoštas, implantai (taip medicinoje naudojami biologiškai skaidūs polimerai), kosmetikos ir maisto produktų pakuotės, buteliai vandeniui, sultims, pienui (bet ne gazuoti gėrimai, nes medžiaga praeina). anglies dvideginis). Taip pat audiniai, žaislai, mobiliųjų telefonų dėklai ir kompiuterių pelės. Kaip matote, biologiškai skaidžių polimerų naudojimas yra labai platus. Ir tai tik vienai iš jų grupių!

Polipieno rūgšties gamyba ir biologinis skaidymas

Pirmą kartą patentas jo gamybai buvo išduotas 1954 m. Tačiau šio bioplastiko komercializacija prasidėjo tik XXI amžiaus pradžioje – 2002 m. Nepaisant to, jau yra daug įmonių, kurios užsiima jo gamyba - tik Europoje jų yra daugiau nei 30. Svarbus privalumaspolipieno rūgštis yra santykinai maža kaina – ji jau konkuruoja beveik lygiomis teisėmis su polipropilenu ir polietilenu. Spėjama, kad jau 2020 metais polilaktidas galės pradėti juos stumti į pasaulio rinką. Siekiant padidinti jo biologinį skaidumą, į jį dažnai dedama krakmolo. Tai taip pat teigiamai veikia produkto kainą. Tiesa, gaunami mišiniai yra gana trapūs, į juos reikia dėti plastifikatorių, tokių kaip sorbitolis ar glicerinas, kad galutinis produktas būtų elastingesnis. Alternatyvus problemos sprendimas – sukurti lydinį su kitais skaidomais poliesteriais.

Polipieno rūgštis skyla dviem etapais. Pirma, esterių grupės yra hidrolizuojamos vandeniu, todėl susidaro pieno rūgštis ir keletas kitų molekulių. Tada jie suyra tam tikroje aplinkoje mikrobų pagalba. Polilaktidams šis procesas vyksta per 20–90 dienų, po to lieka tik anglies dioksidas ir vanduo.

Krakmolio modifikavimas

Kai naudojamos natūralios žaliavos, tai gerai, nes tam skirti resursai nuolat atsinaujina, tad praktiškai neribojami. Šiuo atžvilgiu krakmolas įgijo didžiausią populiarumą. Tačiau jis turi trūkumą - jis turi padidintą gebėjimą sugerti drėgmę. Tačiau to galima išvengti, jei ant esterio pastebėsite dalį hidroksilo grupių.

Cheminis apdorojimas leidžia sukurti papildomus ryšius tarp polimero dalių, o tai padeda padidinti atsparumą karščiui, stabilumąrūgštims ir šlyties jėgai. Rezultatas, modifikuotas krakmolas, naudojamas kaip biologiškai skaidus plastikas. Komposte jis suyra 30 laipsnių temperatūroje per du mėnesius, todėl yra labai nekenksmingas aplinkai.

Siekiant sumažinti medžiagos kainą, naudojamas neapdorotas krakmolas, kuris sumaišomas su talku ir polivinilo alkoholiu. Jis gali būti gaminamas naudojant tą pačią įrangą kaip ir paprastam plastikui. Modifikuotas krakmolas taip pat gali būti dažomas ir spausdinamas naudojant įprastinius metodus.

Atkreipkite dėmesį, kad ši medžiaga yra antistatinė. Krakmolo trūkumas yra tas, kad jo fizinės savybės paprastai yra prastesnės nei naftos chemijos būdu pagamintų dervų. Tai yra, polipropilenas, taip pat aukšto ir žemo slėgio polietilenas. Ir vis dėlto jis taikomas ir parduodamas rinkoje. Taigi, iš jo gaminami padėklai maisto produktams, žemės ūkio plėvelės, pakavimo medžiagos, stalo įrankiai, taip pat tinklai vaisiams ir daržovėms.

Kitų natūralių polimerų naudojimas

Tai gana nauja tema – biologiškai skaidūs polimerai. Racionalus gamtos tvarkymas prisideda prie naujų atradimų šioje srityje. Tiek daug kitų natūralių polisacharidų naudojama biologiškai skaidžių plastikų gamyboje: chitinas, chitozanas, celiuliozė. Ir ne tik atskirai, bet ir kartu. Pavyzdžiui, padidinto stiprumo plėvelė gaunama iš chitozano, mikroceliuliozės pluošto ir želatinos. Ir jei įkasi į žemę, tai greitai busskaidomas mikroorganizmų. Jis gali būti naudojamas pakavimui, padėklams ir panašiems daiktams.

Be to, gana dažni celiuliozės deriniai su dikarboksirūgšties anhidridais ir epoksidiniais junginiais. Jų stiprybė ta, kad suyra per keturias savaites. Iš gautos medžiagos gaminami buteliai, plėvelės mulčiavimui, vienkartiniai indai. Jų kūrimas ir gamyba kasmet aktyviai auga.

Pramoninių polimerų biologinis skaidumas

Ši problema yra gana aktuali. Biologiškai skaidūs polimerai, kurių reakcijos su aplinka pavyzdžiai buvo paminėti aukščiau, aplinkoje neišsilaikys net metų. Tuo tarpu pramoninės medžiagos gali ją užteršti dešimtmečius ir net šimtmečius. Visa tai taikoma polietilenui, polipropilenui, polivinilchloridui, polistirenui, polietileno tereftalatui. Todėl svarbu sutrumpinti jų skilimo laiką.

Norėdami pasiekti šį rezultatą, yra keli galimi sprendimai. Vienas iš labiausiai paplitusių būdų yra specialių priedų įvedimas į polimero molekulę. O karštyje ar šviesoje jų irimo procesas paspartėja. Tai tinka vienkartiniams indams, buteliams, pakuotėms ir žemės ūkio plėvelėms, maišeliams. Tačiau, deja, yra ir problemų.

Pirma, priedai turi būti naudojami tradiciniais būdais – formuojant, liejant, išspaudžiant. Šiuo atveju polimerai neturėtų suirti, nors ir veikiami temperatūrosapdorojimas. Be to, priedai neturėtų pagreitinti polimerų skilimo šviesoje, o taip pat sudaryti galimybę juos naudoti ilgą laiką. Tai yra, būtina įsitikinti, kad degradacijos procesas prasidės tam tikru momentu. Tai yra labai sunku. Technologinis procesas apima 1-8% priedų pridėjimą (pavyzdžiui, įvedamas anksčiau aptartas krakmolas), kaip mažo tipinio apdorojimo būdo dalis, kai žaliavos kaitinimas neviršija 12 minučių. Tačiau tuo pačiu metu būtina užtikrinti, kad jie būtų tolygiai paskirstyti visoje polimero masėje. Visa tai leidžia išlaikyti degradacijos laikotarpį nuo devynių mėnesių iki penkerių metų.

Plėtros perspektyvos

Nors biologiškai skaidžių polimerų naudojimas įgauna vis didesnį pagreitį, dabar jie sudaro menką procentą visos rinkos. Tačiau, nepaisant to, jie vis tiek rado gana platų pritaikymą ir tampa vis populiaresni. Jau dabar jie gana gerai įsitvirtino maisto pakuočių nišoje. Be to, biologiškai skaidūs polimerai plačiai naudojami vienkartiniams buteliams, puodeliams, lėkštėms, dubenims ir padėklams gaminti. Jie taip pat įsitvirtino rinkoje kaip maišeliai maisto atliekoms surinkti ir vėliau kompostuoti, maišeliai prekybos centrams, žemės ūkio plėvelės ir kosmetika. Tokiu atveju galima naudoti standartinę biologiškai skaidžių polimerų gamybos įrangą. Dėl savo pranašumų (atsparumas skilimui normaliomis sąlygomis, mažas vandens garų ir deguonies barjeras, jokių problemų su atliekų šalinimu, nepriklausomumas nuo naftos chemijos žaliavų) jie ir toliau laimi.turguje.

Iš pagrindinių trūkumų reikėtų prisiminti didelio masto gamybos sunkumus ir palyginti dideles išlaidas. Šią problemą tam tikru mastu gali išspręsti didelio masto gamybos sistemos. Tobulinant technologiją taip pat galima gauti patvaresnių ir atsparesnių dilimui medžiagų. Be to, reikia pažymėti, kad pastebima stipri tendencija orientuotis į gaminius su priešdėliu „eko“. Tai palengvina tiek žiniasklaida, tiek vyriausybės ir tarptautinės paramos programos.

Apsaugos priemonės palaipsniui griežtinamos, todėl kai kuriose šalyse kai kurie tradiciniai plastiko gaminiai uždrausti. Pavyzdžiui, paketai. Jie uždrausti Bangladeše (nustatyta, kad du kartus užkemša drenažo sistemas ir sukelia didelius potvynius) ir Italijoje. Pamažu ateina supratimas apie tikrąją kainą, kurią reikia sumokėti už neteisingus sprendimus. O supratimas, kad būtina užtikrinti aplinkos saugumą, lems vis daugiau tradicinio plastiko apribojimų. Laimei, yra poreikis pereiti prie dar brangesnių, bet aplinkai nekenksmingų medžiagų. Be to, daugelio šalių tyrimų centrai ir didelės privačios įmonės ieško naujų ir pigesnių technologijų, o tai yra gera žinia.

Išvada

Taigi mes apsvarstėme, kas yra biologiškai skaidūs polimerai, gamybos būdus ir šių medžiagų taikymo sritį. Yra konstantatechnologijų tobulinimas ir tobulinimas. Tad tikėkimės, kad ateinančiais metais biologiškai skaidžių polimerų kaina tikrai pasivys tradiciniais metodais gaunamas medžiagas. Po to perėjimas prie saugesnių ir aplinką tausojančių technologijų bus tik laiko klausimas.