Биоразградими полимери: концепция, свойства, методи за получаване и примери за реакции

2024 Автор: Howard Calhoun | [email protected]. Последно модифициран: 2023-12-17 10:19

Може да забележите, че през последното десетилетие продуктите с добавен префикс "био" към името придобиха популярност. Той има за цел да информира, че продуктът е безопасен за хората и природата. Активно се популяризира от медиите. Стигна се дори до смешното - при избора на напитка те смятат биокефира за най-добрия, а биогоривото вече не е алтернатива на петрола, а е екологично чист продукт. И не забравяйте за био-екстрактите, които карат козметиката да прави „чудеса“.

Обща информация

Сега нека станем сериозни. Често, движейки се по пътищата, можете да видите спонтанни сметища. Освен това има пълноценни депа, където се съхраняват човешки отпадъци. Изглежда не е лошо, но има един минус - твърде дълго време за разлагане. Има голям брой начини да поправите това - това е рециклирането на боклука и използването на по-малко вредни материали, които бързо унищожават разложителите. Нека поговорим за втория случай.

Тук има много точки. Опаковки, гуми, стъкло, производни на химическата промишленост. Всички те изискватвнимание. Няма обаче конкретна универсална рецепта. Следователно е необходимо да се знае конкретно какво и как да се гарантира предотвратяването на замърсяването на околната среда.

Биоразградимите полимери са разработени като отговор на проблема с изхвърлянето на пластмасови отпадъци. Не е тайна, че обемът им нараства всяка година. Думата биополимери се използва и за тяхното съкратено обозначение. Каква е тяхната особеност? Те могат да се разлагат в околната среда поради действието на физични фактори и микроорганизми – гъбички или бактерии. Полимер се счита за такъв, ако цялата му маса се абсорбира във вода или почва в рамките на шест месеца. Това частично решава проблема с отпадъците. В същото време се получават продукти на разлагането - вода и въглероден диоксид. Ако има нещо друго, то трябва да се проучи за безопасност и наличие на токсични вещества. Те също могат да бъдат рециклирани чрез повечето стандартни технологии за производство на пластмаси като екструдиране, формоване с раздуване, термоформоване и леене под налягане.

В какви области работим?

Получаването на биоразградими полимери е доста трудоемка задача. Разработването на технологии, които позволяват получаването на безопасни материали, се извършва активно в Съединените щати, на европейския континент, в Япония, Корея и Китай. За съжаление трябва да се отбележи, че в Русия резултатите са незадоволителни. Създаването на технология за биоразграждане на пластмаси и производството им от възобновяеми суровини е скъпо удоволствие. Освен това в страната все още има достатъчно петрол за производството на полимери. Но всичкосъщото, могат да се разграничат три основни посоки:

1. Производство на биоразградими полиестери на базата на хидроксикарбоксилни киселини.
2. Създаване на пластмаси на базата на възпроизводими естествени съставки.
3. Индустриалните полимери стават биоразградими.

Но какво ще кажете на практика? Нека разгледаме по-отблизо как се произвеждат биоразградими полимери.

Бактериални полихидроксиалканоати

Микроорганизмите често растат в среди, където са налични хранителни въглеродни вещества. В този случай има дефицит на фосфор или азот. В такива случаи микроорганизмите синтезират и натрупват полихидроксиалканоати. Те служат като резерв от въглерод (хранителни запаси) и енергия. Ако е необходимо, те могат да разлагат полихидроксиалканоатите. Това свойство се използва за промишлено производство на материали от тази група. Най-важните за нас са полихидрокси бутират и полихидрокси валерат. По този начин тези пластмаси са биоразградими. В същото време те са алифатни полиестери, устойчиви на ултравиолетово лъчение.

Трябва да се отбележи, че въпреки че имат достатъчна стабилност във водната среда, морето, почвата, средата за компостиране и рециклиране допринасят за тяхното биологично разграждане. И се случва доста бързо. Например, ако компостът има влажност 85% и 20-60 градуса по Целзий, тогава разлагането на въглероден диоксид и вода ще отнеме 7-10 седмици. Къде се използват полихидроксиалканоати?

Тесе използват за производство на биоразградими опаковки и нетъкани материали, кърпички за еднократна употреба, влакна и филми, продукти за лична хигиена, водоотблъскващи покрития за картон и хартия. Като правило те могат да пропускат кислород, устойчиви са на агресивни химикали, имат относителна термична стабилност и имат здравина, сравнима с полипропилена.

Говорейки за недостатъците на биоразградимите полимери, трябва да се отбележи, че те са много скъпи. Пример за това е Biopol. Струва 8-10 пъти повече от традиционната пластмаса. Затова се използва само в медицината, за опаковане на някои парфюми и продукти за лична хигиена. По-популярен сред полихидроксиалканоатите е мирелът, получен от озахарено царевично нишесте. Предимството му е относително ниската цена. Но въпреки това цената му все още е два пъти по-висока от тази на традиционния полиетилен с ниска плътност. В същото време суровините представляват 60% от разходите. И основните усилия са насочени към намиране на евтините му колеги. Въпросната перспектива е нишестето от зърнени култури като пшеница, ръж, ечемик.

Полимлечна киселина

Производството на биоразградими полимери за опаковане също се извършва с помощта на полилактид. Също така е полимлечна киселина. Какво представлява той? Това е линеен алифатен полиестер, кондензационен продукт на млечна киселина. Това е мономер, от който полилактидът се синтезира изкуствено от бактерии. Трябва да се отбележи, че производството му с помощта на бактерии е по-лесно от традиционния метод. В крайна сметка полилактидите се създават от бактерии от налични захари в технологично прост процес. Самият полимер е смес от два оптични изомера със същия състав.

Полученото вещество има доста висока термична стабилност. И така, витрификацията се случва при температура от 90 градуса по Целзий, докато топенето се случва при 210-220 градуса по Целзий. Също така, полилактидът е устойчив на UV лъчи, леко запалим и ако гори, тогава с малко количество дим. Може да се обработва по всички методи, които са подходящи за термопласти. Продуктите, получени от полилактид, имат висока твърдост, блясък и са прозрачни. От тях се правят чинии, тави, филми, влакна, импланти (така се използват биоразградими полимери в медицината), опаковки за козметика и хранителни продукти, бутилки за вода, сок, мляко (но не газирани напитки, защото материалът преминава въглероден двуокис). Както и платове, играчки, калъфи за мобилни телефони и компютърни мишки. Както можете да видите, използването на биоразградими полимери е много широко. И това е само за една от техните групи!

Производство и биоразграждане на полимлечна киселина

За първи път е издаден патент за неговото производство през 1954 г. Но комерсиализацията на тази биопластмаса започва едва в началото на 21 век - през 2002 година. Въпреки това вече има голям брой компании, които се занимават с неговото производство - само в Европа има повече от 30 от тях. Важно предимствополимлечната киселина е с относително ниска цена - тя вече се конкурира почти наравно с полипропилена и полиетилена. Предполага се, че още през 2020 г. полилактидът ще може да започне да ги прокарва на световния пазар. За да се увеличи биоразградимостта му, към него често се добавя нишесте. Това също има положителен ефект върху цената на продукта. Вярно е, че получените смеси са доста крехки и към тях трябва да се добавят пластификатори, като сорбитол или глицерин, за да направят крайния продукт по-еластичен. Алтернативно решение на проблема е да се създаде сплав с други разградими полиестери.

Полимлечната киселина се разлага на две стъпки. Първо, естерните групи се хидролизират с вода, което води до образуването на млечна киселина и няколко други молекули. След това те се разлагат в определена среда с помощта на микроби. Полилактидите преминават през този процес за 20-90 дни, след което остават само въглероден диоксид и вода.

Промяна на нишесте

Когато се използват естествени суровини е добре, защото ресурсите за това се обновяват постоянно, така че са практически неограничени. Нишестето придоби най-широка популярност в това отношение. Но има недостатък - има повишена способност да абсорбира влагата. Но това може да се избегне, ако забележите част от хидроксилните групи на естера.

Химичната обработка ви позволява да създавате допълнителни връзки между частите на полимера, което спомага за повишаване на устойчивостта на топлина, стабилностна киселини и сила на срязване. Резултатът, модифицирано нишесте, се използва като биоразградима пластмаса. Разлага се при 30 градуса в компост за два месеца, което го прави изключително екологично чист.

За намаляване на цената на материала се използва сурово нишесте, което се смесва с талк и поливинил алкохол. Може да се произвежда с помощта на същото оборудване като за обикновена пластмаса. Модифицираното нишесте може също да бъде боядисано и отпечатано с помощта на конвенционални техники.

Моля, имайте предвид, че този материал е антистатичен по природа. Недостатъкът на нишестето е, че неговите физични свойства обикновено са по-ниски от получените нефтохимически смоли. Тоест полипропилен, както и полиетилен с високо и ниско налягане. И въпреки това се прилага и продава на пазара. Така се използва за направата на палети за хранителни продукти, селскостопански филми, опаковъчни материали, прибори за хранене, както и мрежи за плодове и зеленчуци.

Използване на други естествени полимери

Това е сравнително нова тема - биоразградими полимери. Рационалното управление на природата допринася за нови открития в тази област. Толкова много други естествени полизахариди се използват в производството на биоразградими пластмаси: хитин, хитозан, целулоза. И не само поотделно, но и в комбинация. Например, филм с повишена якост се получава от хитозан, микроцелулозни влакна и желатин. И ако го заровите в земята, тогава ще стане бързоразграден от микроорганизми. Може да се използва за опаковане, тави и подобни артикули.

В допълнение, комбинации от целулоза с дикарбоксилни анхидриди и епоксидни съединения са доста често срещани. Силата им е, че се разлагат за четири седмици. От получения материал се изработват бутилки, филми за мулчиране, съдове за еднократна употреба. Тяхното създаване и производство нараства активно всяка година.

Биоразградимост на промишлени полимери

Този проблем е доста уместен. Биоразградимите полимери, примери за които бяха цитирани по-горе за реакции с околната среда, няма да издържат дори една година в околната среда. Докато индустриалните материали могат да го замърсят в продължение на десетилетия и дори векове. Всичко това се отнася за полиетилен, полипропилен, поливинилхлорид, полистирол, полиетилен терефталат. Следователно, намаляването на времето на тяхното разграждане е важна задача.

За да постигнете този резултат, има няколко възможни решения. Един от най-често срещаните методи е въвеждането на специални добавки в полимерната молекула. И в топлина или на светлина, процесът на тяхното разлагане се ускорява. Това е подходящо за съдове за еднократна употреба, бутилки, опаковки и селскостопански фолиа, чанти. Но, уви, има и проблеми.

Първата е, че добавките трябва да се използват по традиционни начини - формоване, леене, екструдиране. В този случай полимерите не трябва да се разлагат, въпреки че са подложени на температураобработка. В допълнение, добавките не трябва да ускоряват разлагането на полимерите на светлина, а също така позволяват възможността за дългосрочна употреба под него. Тоест, необходимо е да се уверите, че процесът на деградация започва в определен момент. Много е трудно. Технологичният процес включва добавяне на 1-8% добавки (например се въвежда споменатото по-горе нишесте) като част от малък типичен метод на обработка, когато нагряването на суровината не надвишава 12 минути. Но в същото време е необходимо да се гарантира, че те са равномерно разпределени в цялата полимерна маса. Всичко това дава възможност периодът на деградация да се поддържа в диапазона от девет месеца до пет години.

Перспективи за развитие

Въпреки че използването на биоразградими полимери набира скорост, те сега съставляват мизерен процент от общия пазар. Но въпреки това те все още намират доста широко приложение и стават все по-популярни. Вече те са доста добре закрепени в нишата на опаковките на храни. Освен това биоразградимите полимери се използват широко за бутилки, чаши, чинии, купи и тави за еднократна употреба. Те се наложиха и на пазара под формата на чували за събиране и последващо компостиране на хранителни отпадъци, торби за супермаркети, селскостопански фолиа и козметика. В този случай може да се използва стандартно оборудване за производство на биоразградими полимери. Поради своите предимства (устойчивост на разграждане при нормални условия, ниска бариера за водни пари и кислород, липса на проблеми с изхвърлянето на отпадъци, независимост от нефтохимическите суровини), те продължават да печелятпазар.

От основните недостатъци трябва да се припомнят трудностите на широкомащабното производство и относително високата цена. Този проблем до известна степен може да бъде решен чрез широкомащабни производствени системи. Подобряването на технологията дава възможност и за получаване на по-трайни и устойчиви на износване материали. Освен това трябва да се отбележи, че има силна тенденция да се фокусира върху продукти с префикс „еко“. Това се улеснява както от медиите, така и от правителствените и международни програми за подкрепа.

Мерките за опазване постепенно се затягат, което води до забрана на някои традиционни пластмасови продукти в някои страни. Например опаковки. Те са забранени в Бангладеш (след като е установено, че запушват дренажните системи и причиняват големи наводнения два пъти) и Италия. Постепенно идва осъзнаването на истинската цена, която трябва да се плати за грешните решения. А разбирането, че е необходимо да се гарантира безопасността на околната среда, ще доведе до все повече и повече ограничения върху традиционната пластмаса. За щастие има търсене за преминаване към още по-скъпи, но екологични материали. Освен това изследователски центрове в много страни и големи частни компании търсят нови и по-евтини технологии, което е добра новина.

Заключение

И така, разгледахме какво представляват биоразградимите полимери, методите на производство и обхвата на тези материали. Има константаусъвършенстване и усъвършенстване на технологиите. Така че нека се надяваме, че през следващите години цената на биоразградимите полимери наистина ще настигне материалите, получени по традиционни методи. След това преходът към по-безопасни и по-екологични разработки ще бъде само въпрос на време.