Biorazgradivi polimeri: koncept, svojstva, metode pripreme i primjeri reakcija

2024 Autor: Howard Calhoun | [email protected]. Zadnja izmjena: 2023-12-17 10:20

Možda ćete primijetiti da su tokom protekle decenije proizvodi s prefiksom "bio" dodat u naziv stekli popularnost. Namjera je obavijestiti da je proizvod siguran za ljude i prirodu. Aktivno ga promoviraju mediji. Došlo je čak i do smiješnog - pri odabiru pića smatraju da je biokefir najbolji, a biogorivo više nije alternativa ulju, već ekološki prihvatljiv proizvod. I ne zaboravite na bio-ekstrakte koji čine da kozmetika čini "čuda".

Opće informacije

Sada se uozbiljimo. Često, krećući se putevima, možete vidjeti spontane deponije. Osim toga, postoje i potpune deponije na kojima se skladišti ljudski otpad. Čini se da nije loše, ali postoji jedan minus - predugo vrijeme razlaganja. Postoji veliki broj načina da se to popravi - ovo je recikliranje smeća i upotreba manje štetnih materijala koji brzo uništavaju razlagače. Hajde da pričamo o drugom slučaju.

Ovde ima mnogo poena. Ambalaža, gume, staklo, derivati hemijske industrije. Svi oni zahtevajupažnju. Međutim, ne postoji poseban univerzalni recept. Stoga je potrebno konkretno znati šta i kako osigurati prevenciju zagađivanja životne sredine.

Biorazgradivi polimeri razvijeni su kao odgovor na problem odlaganja plastičnog otpada. Nije tajna da njihov obim raste svake godine. Riječ biopolimeri također se koristi za njihovu skraćenu oznaku. Koja je njihova posebnost? Mogu se razgraditi u okolini zbog djelovanja fizičkih faktora i mikroorganizama – gljivica ili bakterija. Polimer se smatra takvim ako se njegova cjelokupna masa apsorbira u vodu ili tlo u roku od šest mjeseci. Time je djelimično riješen problem otpada. Istovremeno se dobivaju produkti raspadanja - voda i ugljični dioksid. Ako postoji još nešto, onda je potrebno ispitati sigurnost i prisutnost toksičnih tvari. Također se mogu reciklirati većinom standardnih tehnologija proizvodnje plastike kao što su ekstruzija, puhanje, termoformiranje i brizganje.

Na kojim oblastima radimo?

Dobivanje biorazgradivih polimera je prilično naporan zadatak. Razvoj tehnologija koje omogućavaju dobivanje sigurnih materijala aktivno se provodi u Sjedinjenim Državama, na europskom kontinentu, u Japanu, Koreji i Kini. Nažalost, treba napomenuti da su u Rusiji rezultati nezadovoljavajući. Stvaranje tehnologije za biorazgradnju plastike i njihovu proizvodnju od obnovljivih sirovina skupo je zadovoljstvo. Osim toga, zemlja još uvijek ima dovoljno nafte za proizvodnju polimera. Ali sveisto, mogu se razlikovati tri glavna pravca:

1. Proizvodnja biorazgradivih poliestera na bazi hidroksikarboksilnih kiselina.
2. Kreiranje plastike na bazi ponovljivih prirodnih sastojaka.
3. Industrijski polimeri postaju biorazgradivi.

Ali šta je u praksi? Pogledajmo bliže kako se prave biorazgradivi polimeri.

Bakterijski polihidroksialkanoati

Mikroorganizmi često rastu u sredinama gdje su hranljivi ugljici dostupni. U ovom slučaju postoji nedostatak fosfora ili dušika. U takvim slučajevima mikroorganizmi sintetiziraju i akumuliraju polihidroksialkanoate. Služe kao rezerva ugljika (skladišta hrane) i energije. Po potrebi mogu razgraditi polihidroksialkanoate. Ovo svojstvo se koristi za industrijsku proizvodnju materijala ove grupe. Najvažniji za nas su polihidroksi butirat i polihidroksi valerat. Stoga je ova plastika biorazgradiva. U isto vrijeme, oni su alifatski poliesteri otporni na ultraljubičasto zračenje.

Treba napomenuti da iako imaju dovoljnu stabilnost u vodenom okruženju, more, tlo, okruženje za kompostiranje i recikliranje doprinose njihovoj biološkoj degradaciji. I to se dešava prilično brzo. Na primjer, ako kompost ima vlažnost od 85% i 20-60 stepeni Celzijusa, tada će razlaganje na ugljični dioksid i vodu trajati 7-10 sedmica. Gdje se koriste polihidroksialkanoati?

Onikoriste se za proizvodnju biorazgradivih ambalaža i netkanih materijala, jednokratnih maramica, vlakana i filmova, proizvoda za ličnu njegu, vodoodbojnih premaza za karton i papir. Po pravilu propuštaju kiseonik, otporni su na agresivne hemikalije, imaju relativnu termičku stabilnost i čvrstoću uporedivu sa polipropilenom.

Kada govorimo o nedostacima biorazgradivih polimera, treba napomenuti da su oni veoma skupi. Primjer je Biopol. Košta 8-10 puta više od tradicionalne plastike. Stoga se koristi samo u medicini, za pakovanje nekih parfema i proizvoda za ličnu njegu. Među polihidroksialkanoatima je popularniji mirel, koji se dobija od saharificiranog kukuruznog škroba. Njegova prednost je relativno niska cijena. Ali, ipak, njegova je cijena još uvijek dvostruko veća od tradicionalnog polietilena niske gustine. Istovremeno, sirovine čine 60% troškova. A glavni napori su usmjereni na pronalaženje njegovih jeftinih kolega. U pitanju je skrob žitarica poput pšenice, raži, ječma.

Polylactic acid

Proizvodnja biorazgradivih polimera za pakovanje se takođe vrši korišćenjem polilaktida. Takođe je polimlečna kiselina. Šta on predstavlja? To je linearni alifatski poliester, proizvod kondenzacije mliječne kiseline. To je monomer iz kojeg bakterije umjetno sintetiziraju polilaktid. Treba napomenuti da je njegova proizvodnja uz pomoć bakterija lakša od tradicionalne metode. Uostalom, polilaktide stvaraju bakterije iz dostupnih šećera u tehnološki jednostavnom procesu. Sam polimer je mješavina dva optička izomera istog sastava.

Rezultirajuća supstanca ima prilično visoku termičku stabilnost. Dakle, vitrifikacija se dešava na temperaturi od 90 stepeni Celzijusa, dok se topljenje dešava na 210-220 stepeni Celzijusa. Takođe, polilaktid je otporan na UV zračenje, lagano zapaljiv, a ako gori, onda sa malom količinom dima. Može se prerađivati svim metodama koje su prikladne za termoplaste. Proizvodi dobijeni od polilaktida imaju visoku krutost, sjaj i prozirnost. Od njih se prave tanjiri, tacni, folije, vlakna, implantati (tako se u medicini koriste biorazgradivi polimeri), ambalaža za kozmetiku i prehrambene proizvode, flaše za vodu, sok, mleko (ali ne i gazirana pića, jer materijal prolazi ugljen-dioksid). Kao i tkanine, igračke, futrole za mobitele i kompjuterske miševe. Kao što vidite, upotreba biorazgradivih polimera je veoma široka. I to samo za jednu od njihovih grupa!

Proizvodnja i biorazgradnja polimliječne kiseline

Prvi put je patent za njegovu proizvodnju izdat davne 1954. godine. Ali komercijalizacija ove bioplastike počela je tek početkom 21. stoljeća - 2002. godine. Uprkos tome, već postoji veliki broj kompanija koje se bave njegovom proizvodnjom - samo u Evropi ih ima više od 30. Važna prednostpolimliječna kiselina je relativno niska cijena - već se gotovo ravnopravno natječe s polipropilenom i polietilenom. Pretpostavlja se da će već 2020. godine polilaktid moći da ih gura na svjetsko tržište. Da bi se povećala njegova biorazgradivost, često mu se dodaje škrob. Ovo također ima pozitivan učinak na cijenu proizvoda. Istina, dobivene smjese su prilično krhke, te im se moraju dodati plastifikatori, poput sorbitola ili glicerina, kako bi konačni proizvod bio elastičniji. Alternativno rješenje problema je stvaranje legure sa drugim razgradivim poliesterima.

Polilaktična kiselina se razgrađuje u dva koraka. Prvo, esterske grupe se hidroliziraju s vodom, što rezultira stvaranjem mliječne kiseline i nekoliko drugih molekula. Zatim se u određenom okruženju uz pomoć mikroba razgrađuju. Polilaktidi prolaze kroz ovaj proces za 20-90 dana, nakon čega ostaju samo ugljični dioksid i voda.

Izmjena škroba

Kada se koriste prirodne sirovine, to je dobro, jer se resursi za to stalno obnavljaju, tako da su praktično neograničeni. Škrob je u tom pogledu stekao najširu popularnost. Ali ima nedostatak - ima povećanu sposobnost upijanja vlage. Ali ovo se može izbjeći ako primijetite dio hidroksilnih grupa na esteru.

Kemijska obrada omogućava stvaranje dodatnih veza između dijelova polimera, što pomaže u povećanju otpornosti na toplinu, stabilnostina kiseline i silu smicanja. Rezultat, modificirani škrob, koristi se kao biorazgradiva plastika. Razgrađuje se na 30 stepeni u kompostu za dva mjeseca, što ga čini izuzetno ekološkim.

Za smanjenje cijene materijala koristi se sirovi škrob koji se miješa sa talkom i polivinil alkoholom. Može se proizvoditi na istoj opremi kao i za običnu plastiku. Modifikovani skrob se takođe može bojiti i štampati korišćenjem konvencionalnih tehnika.

Napominjemo da je ovaj materijal po prirodi antistatičan. Nedostatak škroba je u tome što su njegova fizička svojstva općenito inferiornija u odnosu na petrokemijski proizvedene smole. Odnosno, polipropilen, kao i polietilen visokog i niskog pritiska. Pa ipak, primjenjuje se i prodaje na tržištu. Dakle, koristi se za izradu paleta za prehrambene proizvode, poljoprivredne folije, ambalažni materijal, pribor za jelo, kao i mreže za voće i povrće.

Upotreba drugih prirodnih polimera

Ovo je relativno nova tema - biorazgradivi polimeri. Racionalno upravljanje prirodom doprinosi novim otkrićima u ovoj oblasti. Mnogi drugi prirodni polisaharidi se koriste u proizvodnji biorazgradive plastike: hitin, hitozan, celuloza. I to ne samo odvojeno, već iu kombinaciji. Na primjer, film povećane čvrstoće dobiva se od hitozana, mikroceluloznih vlakana i želatine. A ako ga zakopate u zemlju, to će brzorazgrađuju mikroorganizmi. Može se koristiti za pakovanje, poslužavnike i slične artikle.

Pored toga, kombinacije celuloze sa dikarboksilnim anhidridima i epoksidnim jedinjenjima su prilično česte. Njihova snaga je u tome što se raspadaju za četiri sedmice. Od nastalog materijala izrađuju se boce, folije za malčiranje, jednokratno posuđe. Njihovo stvaranje i proizvodnja svake godine aktivno raste.

Biorazgradljivost industrijskih polimera

Ovaj problem je prilično relevantan. Biorazgradivi polimeri, čiji su primjeri gore navedeni za reakcije s okolinom, neće trajati ni godinu dana u okolišu. Dok ga industrijski materijali mogu zagađivati decenijama, pa čak i vekovima. Sve ovo se odnosi na polietilen, polipropilen, polivinil hlorid, polistiren, polietilen tereftalat. Stoga je smanjenje vremena njihove degradacije važan zadatak.

Da biste postigli ovaj rezultat, postoji nekoliko mogućih rješenja. Jedna od najčešćih metoda je uvođenje posebnih aditiva u molekulu polimera. A u toplini ili na svjetlu, proces njihovog raspadanja se ubrzava. Pogodan je za jednokratno posuđe, boce, ambalažu i poljoprivredne folije, vrećice. Ali, nažalost, ima i problema.

Prvi je da se aditivi moraju koristiti na tradicionalne načine - kalupljenje, livenje, ekstruzija. U ovom slučaju, polimeri se ne bi trebali raspadati, iako su podvrgnuti temperaturiobrada. Osim toga, aditivi ne bi trebali ubrzati razgradnju polimera na svjetlu, a također omogućiti mogućnost dugotrajne upotrebe pod njim. Odnosno, potrebno je osigurati da proces degradacije počne u određenom trenutku. Veoma je teško. Tehnološki proces uključuje dodavanje 1-8% aditiva (na primjer, uvodi se prethodno spomenuti škrob) kao dio male tipične metode obrade, kada zagrijavanje sirovine ne prelazi 12 minuta. Ali u isto vrijeme, potrebno je osigurati da su ravnomjerno raspoređeni po polimernoj masi. Sve ovo omogućava da se period degradacije zadrži u rasponu od devet mjeseci do pet godina.

Izgledi za razvoj

Iako upotreba biorazgradivih polimera dobija na zamahu, oni sada čine skroman procenat ukupnog tržišta. Ali, ipak, još uvijek su našli prilično široku primjenu i postaju sve popularniji. Oni su već sada prilično dobro ukorijenjeni u niši ambalaže za hranu. Osim toga, biorazgradivi polimeri se široko koriste za jednokratne boce, šolje, tanjire, činije i tacne. Na tržištu su se afirmirali i u obliku vreća za sakupljanje i naknadno kompostiranje otpada od hrane, vreća za supermarkete, poljoprivredne folije i kozmetike. U ovom slučaju može se koristiti standardna oprema za proizvodnju biorazgradivih polimera. Zbog svojih prednosti (otpornost na degradaciju u normalnim uslovima, niska barijera za vodenu paru i kiseonik, bez problema sa odlaganjem otpada, nezavisnost od petrohemijskih sirovina), nastavljaju da pobeđujutržište.

Od glavnih nedostataka treba se prisjetiti poteškoća velike proizvodnje i relativno visoke cijene. Ovaj problem se u određenoj mjeri može riješiti velikim proizvodnim sistemima. Poboljšanje tehnologije također omogućava dobivanje trajnijih i otpornijih materijala. Osim toga, treba napomenuti da postoji jaka tendencija fokusiranja na proizvode s prefiksom "eko". Ovo omogućavaju i mediji i vladini i međunarodni programi podrške.

Mjere očuvanja se postepeno pooštravaju, što je rezultiralo zabranom nekih tradicionalnih plastičnih proizvoda u nekim zemljama. Na primjer, paketi. Zabranjeni su u Bangladešu (nakon što je utvrđeno da začepljuju sisteme za odvodnjavanje i dva puta izazivaju velike poplave) i Italiji. Postepeno dolazi do spoznaje stvarne cijene koju treba platiti za pogrešne odluke. A razumijevanje da je potrebno osigurati sigurnost okoliša dovest će do sve više ograničenja za tradicionalnu plastiku. Srećom, postoji potražnja za prelaskom na još skuplje, ali ekološki prihvatljive materijale. Osim toga, istraživački centri u mnogim zemljama i velike privatne kompanije traže nove i jeftinije tehnologije, što je dobra vijest.

Zaključak

Pa smo razmotrili šta su biorazgradivi polimeri, metode proizvodnje i opseg ovih materijala. Postoji konstantapoboljšanje i unapređenje tehnologija. Dakle, nadajmo se da će u narednim godinama cijena biorazgradivih polimera zaista sustići materijale dobivene tradicionalnim metodama. Nakon toga, prelazak na sigurniji i ekološki prihvatljiviji razvoj će biti samo pitanje vremena.