Biologiskt nedbrytbara polymerer: koncept, egenskaper, framställningsmetoder och exempel på reaktioner

2024 Författare: Howard Calhoun | [email protected]. Senast ändrad: 2023-12-17 10:41

Du kanske märker att under det senaste decenniet har produkter med prefixet "bio" lagt till namnet vunnit popularitet. Den är avsedd att informera om att produkten är säker för människor och natur. Det främjas aktivt av media. Det kom till och med till det löjliga - när de väljer en drink anser de biokefir vara det bästa, och biobränsle är inte längre ett alternativ till olja, utan en miljövänlig produkt. Och glöm inte bioextrakt som får kosmetika att göra "mirakel".

Allmän information

Nu ska vi bli seriösa. När du rör dig längs vägarna kan du ofta se spontana soptippar. Dessutom finns fullvärdiga deponier där mänskligt avfall förvaras. Det verkar inte vara dåligt, men det finns ett minus - för lång nedbrytningstid. Det finns ett stort antal sätt att fixa detta - det här är återvinning av sopor och användning av mindre skadliga material som snabbt förstör nedbrytare. Låt oss prata om det andra fallet.

Det finns många poäng här. Förpackningar, däck, glas, derivat från den kemiska industrin. Alla av dem kräveruppmärksamhet. Det finns dock inget specifikt universellt recept. Därför är det nödvändigt att veta specifikt vad och hur man säkerställer förebyggande av miljöföroreningar.

Biologiskt nedbrytbara polymerer utvecklades som ett svar på problemet med bortskaffande av plastavfall. Det är ingen hemlighet att deras volym växer för varje år. Ordet biopolymerer används också för deras förkortade beteckning. Vad är deras egenhet? De kan sönderdelas i miljön på grund av verkan av fysiska faktorer och mikroorganismer - svampar eller bakterier. En polymer anses vara sådan om hela dess massa absorberas i vatten eller jord inom sex månader. Detta löser delvis problemet med avfall. Samtidigt erhålls nedbrytningsprodukter - vatten och koldioxid. Om det finns något annat måste det undersökas för säkerhet och förekomst av giftiga ämnen. De kan också återvinnas med de flesta vanliga plasttillverkningstekniker som extrudering, formblåsning, termoformning och formsprutning.

Vilka områden arbetar vi med?

Att skaffa biologiskt nedbrytbara polymerer är en ganska mödosam uppgift. Utvecklingen av teknik som gör det möjligt att erhålla säkra material utförs aktivt i USA, på den europeiska kontinenten, i Japan, Korea och Kina. Tyvärr bör det noteras att resultaten i Ryssland är otillfredsställande. Att skapa en teknik för biologisk nedbrytning av plaster och deras produktion från förnybara råvaror är ett dyrt nöje. Dessutom har landet fortfarande tillräckligt med olja för produktion av polymerer. Men alltsamma, tre huvudriktningar kan särskiljas:

1. Tillverkning av biologiskt nedbrytbara polyestrar baserade på hydroxikarboxylsyror.
2. Skapa plast baserad på reproducerbara naturliga ingredienser.
3. Industriella polymerer blir biologiskt nedbrytbara.

Men hur är det i praktiken? Låt oss ta en närmare titt på hur biologiskt nedbrytbara polymerer tillverkas.

Bakteriella polyhydroxialkanoater

Mikroorganismer växer ofta i miljöer där näringskol finns tillgängligt. I det här fallet finns det en brist på fosfor eller kväve. I sådana fall syntetiserar och ackumulerar mikroorganismer polyhydroxialkanoater. De fungerar som en reserv av kol (matlager) och energi. Vid behov kan de sönderdela polyhydroxialkanoater. Denna egenskap används för industriell produktion av material från denna grupp. De viktigaste för oss är polyhydroxibutyrat och polyhydroxivalerat. Således är dessa plaster biologiskt nedbrytbara. Samtidigt är de alifatiska polyestrar som är resistenta mot ultraviolett strålning.

Det bör noteras att även om de har tillräcklig stabilitet i vattenmiljön, bidrar hav, mark, kompostering och återvinningsmiljöer till deras biologiska nedbrytning. Och det går ganska snabbt. Om komposten till exempel har en luftfuktighet på 85 % och 20-60 grader Celsius, kommer nedbrytning till koldioxid och vatten att ta 7-10 veckor. Var används polyhydroxialkanoater?

Deanvänds för tillverkning av biologiskt nedbrytbara förpackningar och ovävda material, engångsservetter, fibrer och filmer, produkter för personlig vård, vattenavvisande beläggningar för kartong och papper. Som regel kan de passera syre, är resistenta mot aggressiva kemikalier, har relativ termisk stabilitet och har en styrka jämförbar med polypropen.

Att tala om nackdelarna med biologiskt nedbrytbara polymerer, bör det noteras att de är mycket dyra. Ett exempel är Biopol. Det kostar 8-10 gånger mer än traditionell plast. Därför används det endast inom medicin, för att förpacka vissa parfymer och produkter för personlig vård. Mer populär bland polyhydroxialkanoater är mirel, erhållen från försockrad majsstärkelse. Dess fördel är relativt låg kostnad. Men ändå är dess pris fortfarande dubbelt så högt som traditionell lågdensitetspolyeten. Samtidigt står råvaror för 60 % av kostnaden. Och huvudinsatserna syftar till att hitta dess billiga motsvarigheter. Prospektet i fråga är stärkelse av spannmål som vete, råg, korn.

Polymjölksyra

Tillverkningen av biologiskt nedbrytbara polymerer för förpackningar sker också med polylaktid. Det är också polymjölksyra. Vad representerar han? Det är en linjär alifatisk polyester, en kondensationsprodukt av mjölksyra. Det är en monomer från vilken polylaktid syntetiseras på konstgjord väg av bakterier. Det bör noteras att dess produktion med hjälp av bakterier är lättare än den traditionella metoden. Trots allt skapas polylaktider av bakterier från tillgängliga sockerarter i en tekniskt enkel process. Själva polymeren är en blandning av två optiska isomerer med samma sammansättning.

Det resulterande ämnet har en ganska hög termisk stabilitet. Så, förglasning sker vid en temperatur på 90 grader Celsius, medan smältning sker vid 210-220 Celsius. Polylaktid är också UV-beständig, lätt brandfarlig, och om den brinner, då med en liten mängd rök. Den kan bearbetas med alla metoder som är lämpliga för termoplaster. Produkter erhållna från polylaktid har hög styvhet, glans och är transparenta. De används för att göra tallrikar, brickor, film, fibrer, implantat (det är så biologiskt nedbrytbara polymerer används inom medicin), förpackningar för kosmetika och livsmedel, flaskor för vatten, juice, mjölk (men inte kolsyrade drycker, eftersom materialet passerar koldioxid). Samt tyger, leksaker, mobilfodral och datormöss. Som du kan se är användningen av biologiskt nedbrytbara polymerer mycket omfattande. Och det är bara för en av deras grupper!

Produktion och biologisk nedbrytning av polymjölksyra

För första gången utfärdades ett patent för dess tillverkning redan 1954. Men kommersialiseringen av denna bioplast började först i början av 2000-talet - 2002. Trots detta finns det redan ett stort antal företag som är engagerade i dess tillverkning - bara i Europa finns det mer än 30 av dem. En viktig fördelpolymjölksyra är relativt låg kostnad - den konkurrerar redan nästan på lika villkor med polypropen och polyeten. Det antas att polylaktid redan 2020 kommer att kunna börja driva dem på världsmarknaden. För att öka dess biologiska nedbrytbarhet tillsätts ofta stärkelse. Detta har också en positiv effekt på priset på produkten. Det är sant att de resulterande blandningarna är ganska ömtåliga, och mjukgörare, såsom sorbitol eller glycerin, måste tillsättas till dem för att göra slutprodukten mer elastisk. En alternativ lösning på problemet är att skapa en legering med andra nedbrytbara polyestrar.

Polymjölksyra sönderdelas i två steg. Först hydrolyseras estergrupperna med vatten, vilket resulterar i bildning av mjölksyra och några andra molekyler. Sedan sönderfaller de i en viss miljö med hjälp av mikrober. Polylaktider genomgår denna process på 20-90 dagar, varefter endast koldioxid och vatten återstår.

Stärkelsemodifiering

När naturliga råvaror används är det bra, eftersom resurserna för det hela tiden förnyas, så de är praktiskt taget obegränsade. Stärkelse har fått den största populariteten i detta avseende. Men det har en nackdel - det har en ökad förmåga att absorbera fukt. Men detta kan undvikas om du märker en del av hydroxylgrupperna på estern.

Kemisk behandling gör att du kan skapa ytterligare bindningar mellan polymerens delar, vilket hjälper till att öka värmebeständigheten, stabilitetentill syror och skjuvkraft. Resultatet, modifierad stärkelse, används som en biologiskt nedbrytbar plast. Den sönderdelas vid 30 grader i kompost på två månader, vilket gör den mycket miljövänlig.

För att minska kostnaderna för materialet används råstärkelse, som blandas med talk och polyvinylalkohol. Den kan tillverkas med samma utrustning som för vanlig plast. Den modifierade stärkelsen kan också färgas och tryckas med konventionella tekniker.

Observera att detta material är antistatiskt till sin natur. Nackdelen med stärkelse är att dess fysikaliska egenskaper i allmänhet är sämre än petrokemiskt framställda hartser. Det vill säga polypropen, såväl som hög- och lågtryckspolyeten. Och ändå appliceras den och säljs på marknaden. Så den används för att tillverka pallar för livsmedelsprodukter, jordbruksfilmer, förpackningsmaterial, bestick, samt nät för frukt och grönsaker.

Användning av andra naturliga polymerer

Det här är ett relativt nytt ämne - biologiskt nedbrytbara polymerer. En rationell naturvård bidrar till nya upptäckter i detta område. Så många andra naturliga polysackarider används i produktionen av biologiskt nedbrytbar plast: kitin, kitosan, cellulosa. Och inte bara separat, utan också i kombination. Till exempel erhålls en film med ökad styrka från kitosan, mikrocellulosafiber och gelatin. Och om du gräver ner det i marken, så kommer det snabbtbryts ner av mikroorganismer. Den kan användas för förpackningar, brickor och liknande föremål.

Dessutom är kombinationer av cellulosa med dikarboxylsyraanhydrider och epoxiföreningar ganska vanliga. Deras styrka är att de bryts ner på fyra veckor. Flaskor, filmer för mulching, engångsservis görs av det resulterande materialet. Deras skapande och produktion växer aktivt varje år.

Biologisk nedbrytbarhet av industriella polymerer

Det här problemet är ganska relevant. Biologiskt nedbrytbara polymerer, vars exempel har citerats ovan för reaktioner med miljön, kommer inte att hålla ens ett år i miljön. Medan industriella material kan förorena det i årtionden och till och med århundraden. Allt detta gäller polyeten, polypropen, polyvinylklorid, polystyren, polyetentereftalat. Därför är det en viktig uppgift att minska tiden för deras nedbrytning.

För att uppnå detta resultat finns det flera möjliga lösningar. En av de vanligaste metoderna är införandet av speciella tillsatser i polymermolekylen. Och i värme eller i ljus accelereras processen för deras nedbrytning. Detta är lämpligt för engångsservis, flaskor, förpackningar och jordbruksfilmer, påsar. Men tyvärr, det finns också problem.

Den första är att tillsatserna måste användas på traditionella sätt - gjutning, gjutning, extrudering. I detta fall bör polymerer inte sönderdelas, även om de utsätts för temperaturbearbetning. Dessutom bör tillsatser inte påskynda nedbrytningen av polymerer i ljuset, och även tillåta möjligheten till långvarig användning under det. Det vill säga, det är nödvändigt att se till att nedbrytningsprocessen startar vid ett visst tillfälle. Det är väldigt svårt. Den tekniska processen innebär tillsats av 1-8% tillsatser (till exempel introduceras den tidigare diskuterade stärkelsen) som en del av en liten typisk bearbetningsmetod, när uppvärmningen av råmaterialet inte överstiger 12 minuter. Men samtidigt är det nödvändigt att se till att de är jämnt fördelade över polymermassan. Allt detta gör det möjligt att hålla nedbrytningsperioden i intervallet från nio månader till fem år.

Utvecklingsutsikter

Även om användningen av biologiskt nedbrytbara polymerer tar fart, utgör de nu en ynka andel av den totala marknaden. Men ändå hittade de fortfarande en ganska bred tillämpning och blir mer och mer populära. Redan nu är de ganska väl förankrade i nischen livsmedelsförpackningar. Dessutom används biologiskt nedbrytbara polymerer i stor utsträckning för engångsflaskor, koppar, tallrikar, skålar och brickor. De har även etablerat sig på marknaden i form av påsar för insamling och efterföljande kompostering av matavfall, påsar för stormarknader, jordbruksfilmer och kosmetika. I detta fall kan standardutrustning för framställning av biologiskt nedbrytbara polymerer användas. På grund av deras fördelar (motstånd mot nedbrytning under normala förhållanden, låg barriär mot vattenånga och syre, inga problem med avfallshantering, oberoende av petrokemiska råvaror), fortsätter de att vinnamarknad.

Av de största nackdelarna bör man komma ihåg svårigheterna med storskalig produktion och de relativt höga kostnaderna. Detta problem kan till viss del lösas med storskaliga produktionssystem. Att förbättra tekniken gör det också möjligt att få mer hållbara och slitstarka material. Dessutom bör det noteras att det finns en stark tendens att fokusera på produkter med prefixet "eco". Detta underlättas av både media och regeringar och internationella stödprogram.

Bevarandeåtgärder skärps gradvis, vilket resulterar i att vissa traditionella plastprodukter förbjuds i vissa länder. Till exempel paket. De är förbjudna i Bangladesh (efter att de visade sig täppa till avloppssystem och orsaka stora översvämningar två gånger) och Italien. Gradvis kommer insikten om det verkliga priset som måste betalas för felaktiga beslut. Och att förstå att det är nödvändigt att säkerställa miljöns säkerhet kommer att leda till fler och fler restriktioner för traditionell plast. Lyckligtvis finns det en efterfrågan på övergången till ännu dyrare, men miljövänliga material. Dessutom letar forskningscentra i många länder och stora privata företag efter ny och billigare teknik, vilket är goda nyheter.

Slutsats

Så vi har övervägt vad som är biologiskt nedbrytbara polymerer, tillverkningsmetoder och omfattningen av dessa material. Det finns en konstantförbättring och förbättring av teknik. Så låt oss hoppas att kostnaden för biologiskt nedbrytbara polymerer under de kommande åren verkligen kommer ikapp material som erhållits med traditionella metoder. Därefter kommer övergången till en säkrare och mer miljövänlig utveckling bara att vara en tidsfråga.