Bionedbrytbare polymerer: konsept, egenskaper, fremstillingsmetoder og eksempler på reaksjoner

2024 Forfatter: Howard Calhoun | [email protected]. Sist endret: 2023-12-17 10:37

Du legger kanskje merke til at i løpet av det siste tiåret har produkter med prefikset "bio" lagt til navnet vunnet popularitet. Det er ment å informere om at produktet er trygt for mennesker og natur. Det er aktivt fremmet av media. Det kom til og med til det latterlige - når de velger en drink, anser de biokefir som det beste, og biodrivstoff er ikke lenger et alternativ til olje, men et miljøvennlig produkt. Og ikke glem bioekstrakter som får kosmetikk til å gjøre "mirakler".

Generell informasjon

La oss nå gjøre alvor. Når du beveger deg langs veiene, kan du ofte se spontane dumper. I tillegg kommer fullverdige deponier hvor menneskelig avfall lagres. Det ser ut til å ikke være dårlig, men det er ett minus - for lang nedbrytningstid. Det er et stort antall måter å fikse dette på - dette er resirkulering av søppel, og bruk av mindre skadelige materialer som raskt ødelegger nedbrytere. La oss snakke om den andre saken.

Det er mange poeng her. Emballasje, dekk, glass, derivater av kjemisk industri. Alle av dem kreverMerk følgende. Det er imidlertid ingen spesifikk universell oppskrift. Derfor er det nødvendig å vite spesifikt hva og hvordan man sikrer forebygging av miljøforurensning.

Bionedbrytbare polymerer ble utviklet som et svar på problemet med plastavfallshåndtering. Det er ingen hemmelighet at volumet deres vokser hvert år. Ordet biopolymerer brukes også for deres forkortede betegnelse. Hva er deres egenart? De kan brytes ned i miljøet på grunn av virkningen av fysiske faktorer og mikroorganismer - sopp eller bakterier. En polymer anses som slik hvis hele massen absorberes i vann eller jord innen seks måneder. Dette løser delvis avfallsproblemet. Samtidig oppnås nedbrytningsprodukter - vann og karbondioksid. Hvis det er noe annet, må det undersøkes for sikkerhet og tilstedeværelsen av giftige stoffer. De kan også resirkuleres av de fleste standard plastproduksjonsteknologier som ekstrudering, blåsestøping, termoforming og sprøytestøping.

Hvilke områder jobber vi med?

Å skaffe biologisk nedbrytbare polymerer er en ganske møysommelig oppgave. Utviklingen av teknologier som gjør det mulig å skaffe trygge materialer, utføres aktivt i USA, på det europeiske kontinentet, i Japan, Korea og Kina. Dessverre bør det bemerkes at i Russland er resultatene utilfredsstillende. Å lage en teknologi for biologisk nedbrytning av plast og deres produksjon fra fornybare råvarer er en kostbar glede. I tillegg har landet fortsatt nok olje til produksjon av polymerer. Men altsamme, tre hovedretninger kan skilles:

1. Produksjon av biologisk nedbrytbare polyestere basert på hydroksykarboksylsyrer.
2. Lage plast basert på reproduserbare naturlige ingredienser.
3. Industrielle polymerer blir biologisk nedbrytbare.

Men hva med i praksis? La oss se nærmere på hvordan biologisk nedbrytbare polymerer lages.

Bakterielle polyhydroksyalkanoater

Mikroorganismer vokser ofte i miljøer hvor næringskarbon er tilgjengelig. I dette tilfellet er det mangel på fosfor eller nitrogen. I slike tilfeller syntetiserer og akkumulerer mikroorganismer polyhydroksyalkanoater. De tjener som en reserve av karbon (matlagre) og energi. Om nødvendig kan de sp alte polyhydroksyalkanoater. Denne egenskapen brukes til industriell produksjon av materialer fra denne gruppen. De viktigste for oss er polyhydroksybutyrat og polyhydroksyvalerat. Dermed er disse plastene biologisk nedbrytbare. Samtidig er de alifatiske polyestere som er motstandsdyktige mot ultrafiolett stråling.

Det skal bemerkes at selv om de har tilstrekkelig stabilitet i vannmiljøet, bidrar hav, jord, kompostering og resirkuleringsmiljøer til deres biologiske nedbrytning. Og det skjer ganske raskt. For eksempel, hvis komposten har en luftfuktighet på 85% og 20-60 grader Celsius, vil nedbrytning til karbondioksid og vann ta 7-10 uker. Hvor brukes polyhydroksyalkanoater?

Debrukes til produksjon av biologisk nedbrytbar emballasje og ikke-vevde materialer, engangsservietter, fibre og filmer, produkter for personlig pleie, vannavstøtende belegg for papp og papir. Som regel kan de passere oksygen, er motstandsdyktige mot aggressive kjemikalier, har relativ termisk stabilitet og har en styrke som kan sammenlignes med polypropylen.

Når vi snakker om ulempene med biologisk nedbrytbare polymerer, bør det bemerkes at de er veldig dyre. Et eksempel er Biopol. Det koster 8-10 ganger mer enn tradisjonell plast. Derfor brukes den bare i medisin, for pakking av noen parfymer og produkter for personlig pleie. Mer populær blant polyhydroksyalkanoater er mirel, hentet fra forsukket maisstivelse. Dens fordel er relativt lave kostnader. Men prisen er likevel dobbelt så høy som tradisjonell lavdensitetspolyetylen. Samtidig står råvarer for 60 % av kostnadene. Og hovedinnsatsen er rettet mot å finne billige kolleger. Prospektet det er snakk om er stivelse av korn som hvete, rug, bygg.

Polylactic acid

Produksjonen av biologisk nedbrytbare polymerer for emballasje utføres også ved bruk av polylaktid. Det er også polymelkesyre. Hva representerer han? Det er en lineær alifatisk polyester, et kondensasjonsprodukt av melkesyre. Det er en monomer som polylaktid er kunstig syntetisert av bakterier. Det skal bemerkes at produksjonen ved hjelp av bakterier er enklere enn den tradisjonelle metoden. Tross alt lages polylaktider av bakterier fra tilgjengelig sukker i en teknologisk enkel prosess. Selve polymeren er en blanding av to optiske isomerer med samme sammensetning.

Det resulterende stoffet har en ganske høy termisk stabilitet. Så forglasning skjer ved en temperatur på 90 grader Celsius, mens smelting skjer ved 210-220 Celsius. Polylaktid er også UV-bestandig, lett brannfarlig, og hvis det brenner, så med en liten mengde røyk. Den kan bearbeides med alle metoder som er egnet for termoplast. Produkter oppnådd fra polylaktid har høy stivhet, glans og er gjennomsiktige. De brukes til å lage tallerkener, brett, film, fiber, implantater (dette er hvordan biologisk nedbrytbare polymerer brukes i medisin), emballasje for kosmetikk og matprodukter, flasker for vann, juice, melk (men ikke kullsyreholdige drikker, fordi materialet passerer karbondioksid). Samt stoffer, leker, mobiltelefondeksler og datamus. Som du kan se, er bruken av biologisk nedbrytbare polymerer svært omfattende. Og det er bare for en av gruppene deres!

Produksjon og biologisk nedbrytning av polymelkesyre

For første gang ble det utstedt et patent for produksjonen i 1954. Men kommersialiseringen av denne bioplasten begynte først på begynnelsen av det 21. århundre - i 2002. Til tross for dette er det allerede et stort antall selskaper som er engasjert i produksjonen - bare i Europa er det mer enn 30 av dem. En viktig fordelpolymelkesyre er relativt lav pris - den konkurrerer allerede nesten på lik linje med polypropylen og polyetylen. Det antas at polylaktid allerede i 2020 vil kunne begynne å presse dem ut på verdensmarkedet. For å øke dens biologiske nedbrytbarhet tilsettes det ofte stivelse. Dette har også en positiv effekt på prisen på produktet. Riktignok er de resulterende blandingene ganske skjøre, og myknere, som sorbitol eller glyserin, må tilsettes dem for å gjøre sluttproduktet mer elastisk. En alternativ løsning på problemet er å lage en legering med andre nedbrytbare polyestere.

Polylactic acid sp altes i to trinn. Først blir estergruppene hydrolysert med vann, noe som resulterer i dannelse av melkesyre og noen få andre molekyler. Deretter brytes de ned i et bestemt miljø ved hjelp av mikrober. Polylaktider gjennomgår denne prosessen i løpet av 20-90 dager, hvoretter bare karbondioksid og vann gjenstår.

Stivelsemodifikasjon

Når naturlige råvarer brukes, er det bra, fordi ressursene til det fornyes hele tiden, så de er praktisk t alt ubegrensede. Stivelse har fått størst popularitet i denne forbindelse. Men det har en ulempe - det har en økt evne til å absorbere fuktighet. Men dette kan unngås hvis du legger merke til deler av hydroksylgruppene på esteren.

Kjemisk behandling lar deg skape ytterligere bindinger mellom delene av polymeren, noe som bidrar til å øke varmebestandigheten, stabilitetentil syrer og skjærkraft. Resultatet, modifisert stivelse, brukes som en biologisk nedbrytbar plast. Den brytes ned ved 30 grader i kompost på to måneder, noe som gjør den svært miljøvennlig.

For å redusere kostnadene på materialet brukes råstivelse som blandes med talkum og polyvinylalkohol. Den kan produseres med samme utstyr som til vanlig plast. Den modifiserte stivelsen kan også farges og trykkes ved bruk av konvensjonelle teknikker.

Vær oppmerksom på at dette materialet er av antistatisk natur. Ulempen med stivelse er at dens fysiske egenskaper generelt er dårligere enn petrokjemisk produserte harpikser. Det vil si polypropylen, samt høy- og lavtrykkspolyetylen. Og likevel brukes den og selges på markedet. Så den brukes til å lage paller for matvarer, landbruksfilmer, emballasjematerialer, bestikk, samt nett for frukt og grønnsaker.

Bruk av andre naturlige polymerer

Dette er et relativt nytt emne - biologisk nedbrytbare polymerer. Rasjonell naturforv altning bidrar til nye funn i dette området. Så mange andre naturlige polysakkarider brukes i produksjonen av biologisk nedbrytbar plast: kitin, kitosan, cellulose. Og ikke bare separat, men også i kombinasjon. For eksempel oppnås en film med økt styrke fra kitosan, mikrocellulosefiber og gelatin. Og hvis du begraver det i bakken, så vil det rasktbrytes ned av mikroorganismer. Den kan brukes til emballasje, brett og lignende ting.

I tillegg er kombinasjoner av cellulose med dikarboksylsyreanhydrider og epoksyforbindelser ganske vanlige. Styrken deres er at de brytes ned på fire uker. Flasker, filmer for mulching, engangsservise er laget av det resulterende materialet. Opprettelsen og produksjonen deres vokser aktivt hvert år.

Biologisk nedbrytbarhet av industrielle polymerer

Dette problemet er ganske relevant. Biologisk nedbrytbare polymerer, eksempler som er nevnt ovenfor for reaksjoner med miljøet, vil ikke vare et år i miljøet. Mens industrielle materialer kan forurense det i flere tiår og til og med århundrer. Alt dette gjelder polyetylen, polypropylen, polyvinylklorid, polystyren, polyetylentereftalat. Derfor er det en viktig oppgave å redusere nedbrytningstiden.

For å oppnå dette resultatet er det flere mulige løsninger. En av de vanligste metodene er innføring av spesielle tilsetningsstoffer i polymermolekylet. Og i varme eller i lys akselereres prosessen med deres nedbrytning. Dette er egnet for engangsservise, flasker, emballasje og landbruksfilmer, poser. Men dessverre, det er også problemer.

Den første er at tilsetningsstoffene må brukes på tradisjonelle måter - støping, støping, ekstrudering. I dette tilfellet bør polymerer ikke brytes ned, selv om de utsettes for temperaturbehandling. I tillegg bør tilsetningsstoffer ikke akselerere nedbrytningen av polymerer i lyset, og også tillate muligheten for langvarig bruk under det. Det vil si at det er nødvendig å sørge for at nedbrytningsprosessen starter på et bestemt tidspunkt. Det er veldig vanskelig. Den teknologiske prosessen innebærer tilsetning av 1-8% tilsetningsstoffer (for eksempel introduseres den tidligere diskuterte stivelsen) som en del av en liten typisk prosesseringsmetode, når oppvarmingen av råmaterialet ikke overstiger 12 minutter. Men samtidig er det nødvendig å sikre at de er jevnt fordelt gjennom polymermassen. Alt dette gjør det mulig å holde nedbrytningsperioden i området fra ni måneder til fem år.

Utviklingsutsikter

Selv om bruken av biologisk nedbrytbare polymerer tar fart, utgjør de nå en liten prosentandel av det totale markedet. Men ikke desto mindre fant de fortsatt en ganske bred applikasjon og blir mer og mer populær. Allerede nå er de ganske godt forankret i nisjen med matemballasje. I tillegg er biologisk nedbrytbare polymerer mye brukt til engangsflasker, kopper, tallerkener, boller og brett. De har også etablert seg på markedet i form av poser for innsamling og etterfølgende kompostering av matavfall, poser til supermarkeder, landbruksfilmer og kosmetikk. I dette tilfellet kan standardutstyr for produksjon av biologisk nedbrytbare polymerer brukes. På grunn av deres fordeler (motstand mot nedbrytning under normale forhold, lav barriere mot vanndamp og oksygen, ingen problemer med avfallshåndtering, uavhengighet fra petrokjemiske råvarer), fortsetter de å vinnemarked.

Av de største ulempene bør man huske på vanskelighetene med storskalaproduksjon og de relativt høye kostnadene. Dette problemet kan til en viss grad løses ved storskala produksjonssystemer. Forbedring av teknologien gjør det også mulig å oppnå mer holdbare og slitesterke materialer. I tillegg bør det bemerkes at det er en sterk tendens til å fokusere på produkter med prefikset «øko». Dette tilrettelegges av både media og regjeringen og internasjonale støtteprogrammer.

Bevaringstiltak skjerpes gradvis, noe som resulterer i at enkelte tradisjonelle plastprodukter blir forbudt i enkelte land. For eksempel pakker. De er forbudt i Bangladesh (etter at de ble funnet å tette avløpssystemer og forårsake store flom to ganger) og Italia. Gradvis kommer realiseringen av den reelle prisen som må betales for feil beslutninger. Og forståelse for at det er nødvendig å ivareta sikkerheten til miljøet vil føre til flere og flere restriksjoner på tradisjonell plast. Heldigvis er det etterspørsel etter overgang til enda dyrere, men miljøvennlige materialer. I tillegg ser forskningssentre i mange land og store private selskaper etter nye og billigere teknologier, noe som er gode nyheter.

Konklusjon

Så vi har vurdert hva som er biologisk nedbrytbare polymerer, produksjonsmetoder og omfanget av disse materialene. Det er en konstantforbedring og forbedring av teknologier. Så la oss håpe at kostnadene for biologisk nedbrytbare polymerer i løpet av de kommende årene faktisk vil ta igjen materialer oppnådd ved tradisjonelle metoder. Etter det vil overgangen til tryggere og mer miljøvennlige utbygginger bare være et spørsmål om tid.