Biodegradowalne polimery: koncepcja, właściwości, metody otrzymywania i przykłady reakcji

2024 Autor: Howard Calhoun | [email protected]. Ostatnio zmodyfikowany: 2023-12-17 10:38

Można zauważyć, że w ciągu ostatniej dekady popularność zyskały produkty z przedrostkiem „bio” dodanym do nazwy. Ma na celu poinformowanie, że produkt jest bezpieczny dla człowieka i przyrody. Jest aktywnie promowany przez media. Doszło nawet do absurdu – wybierając napój, za najlepszy uznają biokefir, a biopaliwo nie jest już alternatywą dla oleju, a produktem przyjaznym dla środowiska. I nie zapomnij o bio-ekstraktach, dzięki którym kosmetyki działają „cuda”.

Informacje ogólne

Teraz potraktujmy poważnie. Często poruszając się po drogach można zobaczyć spontaniczne wysypiska. Ponadto istnieją pełnowartościowe składowiska, na których składowane są ludzkie odpady. Niby nie jest źle, ale jest jeden minus - zbyt długi czas rozkładu. Istnieje wiele sposobów, aby to naprawić - jest to recykling śmieci i użycie mniej szkodliwych materiałów, które szybko niszczą rozkładniki. Porozmawiajmy o drugim przypadku.

Jest tu wiele punktów. Opakowania, opony, szkło, pochodne przemysłu chemicznego. Wszystkie z nich wymagająUwaga. Nie ma jednak konkretnego uniwersalnego przepisu. Dlatego należy dokładnie wiedzieć, co i jak zapewnić zapobieganie zanieczyszczeniom środowiska.

Biodegradowalne polimery zostały opracowane jako odpowiedź na problem utylizacji odpadów z tworzyw sztucznych. Nie jest tajemnicą, że ich ilość rośnie z roku na rok. Słowo biopolimery jest również używane do ich skróconego oznaczenia. Jaka jest ich osobliwość? Mogą rozkładać się w środowisku pod wpływem czynników fizycznych i mikroorganizmów – grzybów czy bakterii. Polimer uważa się za taki, jeśli cała jego masa zostanie wchłonięta w wodzie lub glebie w ciągu sześciu miesięcy. To częściowo rozwiązuje problem marnotrawstwa. Jednocześnie powstają produkty rozkładu - woda i dwutlenek węgla. Jeśli jest coś jeszcze, należy to zbadać pod kątem bezpieczeństwa i obecności substancji toksycznych. Można je również poddać recyklingowi za pomocą większości standardowych technologii produkcji tworzyw sztucznych, takich jak wytłaczanie, formowanie z rozdmuchiwaniem, termoformowanie i formowanie wtryskowe.

Nad jakimi obszarami pracujemy?

Pozyskiwanie biodegradowalnych polimerów jest dość pracochłonnym zadaniem. Rozwój technologii umożliwiających uzyskanie bezpiecznych materiałów jest aktywnie prowadzony w Stanach Zjednoczonych, na kontynencie europejskim, w Japonii, Korei i Chinach. Niestety należy zauważyć, że w Rosji wyniki są niezadowalające. Tworzenie technologii biodegradacji tworzyw sztucznych i ich produkcji z surowców odnawialnych to kosztowna przyjemność. Ponadto w kraju wciąż jest wystarczająca ilość ropy do produkcji polimerów. Ale wszystkotak samo, można wyróżnić trzy główne kierunki:

1. Produkcja biodegradowalnych poliestrów na bazie kwasów hydroksykarboksylowych.
2. Tworzenie tworzyw sztucznych w oparciu o odtwarzalne składniki naturalne.
3. Polimery przemysłowe ulegają biodegradacji.

Ale co z praktyką? Przyjrzyjmy się bliżej, jak powstają polimery biodegradowalne.

Bakteryjne polihydroksyalkaniany

Mikroorganizmy często rozwijają się w środowiskach, w których dostępne są węgle odżywcze. W tym przypadku występuje niedobór fosforu lub azotu. W takich przypadkach mikroorganizmy syntetyzują i gromadzą polihydroksyalkaniany. Służą jako rezerwa węgla (magazyny żywności) i energii. W razie potrzeby mogą rozkładać polihydroksyalkaniany. Ta właściwość jest wykorzystywana do przemysłowej produkcji materiałów tej grupy. Najważniejsze dla nas są polihydroksymaślan i polihydroksywalerianian. Dzięki temu tworzywa te ulegają biodegradacji. Jednocześnie są to poliestry alifatyczne odporne na promieniowanie ultrafioletowe.

Należy zauważyć, że chociaż są one wystarczająco stabilne w środowisku wodnym, środowisko morskie, gleba, kompostowanie i recykling przyczyniają się do ich biologicznej degradacji. I dzieje się to dość szybko. Na przykład, jeśli kompost ma wilgotność 85% i 20-60 stopni Celsjusza, rozkład na dwutlenek węgla i wodę zajmie 7-10 tygodni. Gdzie są używane polihydroksyalkaniany?

Onisłużą do produkcji biodegradowalnych opakowań i materiałów nietkanych, jednorazowych chusteczek, włókien i folii, produktów higieny osobistej, hydrofobowych powłok do tektury i papieru. Z reguły przepuszczają tlen, są odporne na agresywne chemikalia, mają względną stabilność termiczną i mają wytrzymałość porównywalną do polipropylenu.

Mówiąc o wadach polimerów biodegradowalnych, należy zauważyć, że są one bardzo drogie. Przykładem jest Biopol. Kosztuje 8-10 razy więcej niż tradycyjny plastik. Dlatego jest używany tylko w medycynie, do pakowania niektórych perfum i produktów do higieny osobistej. Wśród polihydroksyalkanianów bardziej popularny jest mirel, otrzymywany z scukrzanej skrobi kukurydzianej. Jego zaletą jest stosunkowo niski koszt. Niemniej jednak jego cena jest nadal dwukrotnie wyższa niż tradycyjnego polietylenu o małej gęstości. Jednocześnie surowce stanowią 60% kosztów. A główne wysiłki mają na celu znalezienie jego tanich odpowiedników. Chodzi o skrobię zbóż takich jak pszenica, żyto, jęczmień.

Kwas polimlekowy

Produkcja biodegradowalnych polimerów do pakowania odbywa się również przy użyciu polilaktydu. Jest to również kwas polimlekowy. Co on reprezentuje? Jest to liniowy poliester alifatyczny, produkt kondensacji kwasu mlekowego. Jest to monomer, z którego polilaktyd jest sztucznie syntetyzowany przez bakterie. Należy zauważyć, że jego produkcja przy pomocy bakterii jest łatwiejsza niż metodą tradycyjną. W końcu polilaktydy są tworzone przez bakterie z dostępnych cukrów w prostym technologicznie procesie. Sam polimer jest mieszaniną dwóch izomerów optycznych o tym samym składzie.

Otrzymana substancja ma dość wysoką stabilność termiczną. Tak więc zeszklenie zachodzi w temperaturze 90 stopni Celsjusza, podczas gdy topnienie następuje w temperaturze 210-220 Celsjusza. Ponadto polilaktyd jest odporny na promieniowanie UV, lekko palny, a jeśli się pali, to z niewielką ilością dymu. Można go przetwarzać wszystkimi metodami odpowiednimi dla tworzyw termoplastycznych. Produkty otrzymane z polilaktydu charakteryzują się dużą sztywnością, połyskiem i są przezroczyste. Wytwarza się z nich talerze, tacki, folie, włókna, implanty (tak wykorzystuje się biodegradowalne polimery w medycynie), opakowania kosmetyków i produktów spożywczych, butelki na wodę, soki, mleko (ale nie napoje gazowane, bo materiał przechodzi dwutlenek węgla). A także tkaniny, zabawki, etui na telefony komórkowe i myszy komputerowe. Jak widać, zastosowanie polimerów biodegradowalnych jest bardzo szerokie. I to tylko dla jednej z ich grup!

Produkcja i biodegradacja kwasu polimlekowego

Po raz pierwszy patent na jego produkcję został wydany w 1954 roku. Ale komercjalizacja tego bioplastiku rozpoczęła się dopiero na początku XXI wieku - w 2002 roku. Mimo to istnieje już wiele firm zajmujących się jego produkcją - tylko w Europie jest ich ponad 30. Ważna zaletakwas polimlekowy jest stosunkowo tani – konkuruje już niemal na równi z polipropylenem i polietylenem. Zakłada się, że już w 2020 roku polilaktydy będą mogły zacząć je wypychać na rynek światowy. Aby zwiększyć jego biodegradowalność, często dodaje się do niego skrobię. Ma to również pozytywny wpływ na cenę produktu. To prawda, że powstałe mieszaniny są raczej kruche i trzeba do nich dodać plastyfikatory, takie jak sorbitol czy gliceryna, aby produkt końcowy był bardziej elastyczny. Alternatywnym rozwiązaniem problemu jest stworzenie stopu z innymi degradowalnymi poliestrami.

Kwas polimlekowy rozkłada się w dwóch etapach. Najpierw grupy estrowe są hydrolizowane wodą, co powoduje powstanie kwasu mlekowego i kilku innych cząsteczek. Następnie rozkładają się w określonym środowisku za pomocą drobnoustrojów. Polilaktydy przechodzą ten proces w ciągu 20-90 dni, po czym pozostaje tylko dwutlenek węgla i woda.

Modyfikacja skrobi

Kiedy używa się naturalnych surowców, to dobrze, ponieważ zasoby do tego są stale odnawiane, więc są praktycznie nieograniczone. Największą popularność pod tym względem zyskała skrobia. Ma jednak wadę - ma zwiększoną zdolność wchłaniania wilgoci. Ale można tego uniknąć, jeśli zauważysz część grup hydroksylowych na estrze.

Obróbka chemiczna pozwala na tworzenie dodatkowych wiązań między częściami polimeru, co pomaga zwiększyć odporność na ciepło, stabilnośćna kwasy i siłę ścinającą. W rezultacie modyfikowana skrobia jest używana jako biodegradowalny plastik. Rozkłada się w 30 stopniach w kompoście w ciągu dwóch miesięcy, dzięki czemu jest bardzo przyjazny dla środowiska.

Aby obniżyć koszt materiału, stosuje się surową skrobię, która jest mieszana z talkiem i polialkoholem winylowym. Można go wytwarzać przy użyciu tego samego sprzętu, co do zwykłego plastiku. Zmodyfikowaną skrobię można również barwić i drukować przy użyciu konwencjonalnych technik.

Należy pamiętać, że ten materiał ma charakter antystatyczny. Wadą skrobi jest to, że jej właściwości fizyczne są generalnie gorsze niż żywic wytwarzanych petrochemicznie. To znaczy polipropylen, a także polietylen wysoko i niskociśnieniowy. A jednak jest stosowany i sprzedawany na rynku. Wykorzystywana jest więc do produkcji palet na produkty spożywcze, folii rolniczych, materiałów opakowaniowych, sztućców, a także siatek na owoce i warzywa.

Korzystanie z innych naturalnych polimerów

To stosunkowo nowy temat - polimery biodegradowalne. Racjonalne zarządzanie przyrodą przyczynia się do nowych odkryć w tym obszarze. Do produkcji tworzyw biodegradowalnych wykorzystuje się wiele innych naturalnych polisacharydów: chityny, chitozanu, celulozy. I to nie tylko osobno, ale także w połączeniu. Na przykład folię o zwiększonej wytrzymałości uzyskuje się z chitozanu, włókna mikrocelulozowego i żelatyny. A jeśli zakopiesz to w ziemi, to szybkorozkładany przez mikroorganizmy. Może być używany do pakowania, tac i podobnych przedmiotów.

Ponadto dość powszechne są kombinacje celulozy z bezwodnikami dikarboksylowymi i związkami epoksydowymi. Ich siła polega na tym, że rozkładają się w ciągu czterech tygodni. Z otrzymanego materiału powstają butelki, folie do ściółkowania, naczynia jednorazowe. Ich tworzenie i produkcja aktywnie rośnie z każdym rokiem.

Biodegradowalność polimerów przemysłowych

Ten problem jest dość istotny. Biodegradowalne polimery, których przykłady przytaczaliśmy powyżej ze względu na reakcje ze środowiskiem, nie przetrwają w środowisku nawet roku. Natomiast materiały przemysłowe mogą go zanieczyszczać przez dziesięciolecia, a nawet stulecia. Wszystko to dotyczy polietylenu, polipropylenu, polichlorku winylu, polistyrenu, politereftalanu etylenu. Dlatego skrócenie czasu ich degradacji jest ważnym zadaniem.

Aby osiągnąć ten wynik, istnieje kilka możliwych rozwiązań. Jedną z najczęstszych metod jest wprowadzenie do cząsteczki polimeru specjalnych dodatków. A w upale lub w świetle przyspiesza się proces ich rozkładu. Nadaje się do jednorazowej zastawy stołowej, butelek, opakowań i folii rolniczych, toreb. Ale, niestety, są też problemy.

Po pierwsze, dodatki muszą być używane w tradycyjny sposób - formowanie, odlewanie, wytłaczanie. W takim przypadku polimery nie powinny się rozkładać, chociaż są poddawane działaniu temperaturyprzetwarzanie. Ponadto dodatki nie powinny przyspieszać rozkładu polimerów w świetle, a także dopuszczać możliwość długotrwałego stosowania pod nim. Oznacza to, że konieczne jest upewnienie się, że proces degradacji rozpocznie się w określonym momencie. To jest bardzo trudne. Proces technologiczny polega na dodawaniu 1-8% dodatków (np. wprowadzana jest omówiona wcześniej skrobia) w ramach małej typowej metody przetwórczej, gdy nagrzewanie surowca nie przekracza 12 minut. Ale jednocześnie konieczne jest zapewnienie równomiernego rozmieszczenia ich w masie polimerowej. Wszystko to pozwala na utrzymanie okresu degradacji w przedziale od dziewięciu miesięcy do pięciu lat.

Perspektywy rozwoju

Chociaż stosowanie polimerów biodegradowalnych nabiera tempa, obecnie stanowią one marny procent całego rynku. Niemniej jednak wciąż znajdują dość szerokie zastosowanie i stają się coraz bardziej popularne. Już teraz dość dobrze zadomowiły się w niszy pakowania żywności. Ponadto polimery biodegradowalne są szeroko stosowane do produkcji jednorazowych butelek, kubków, talerzy, misek i tac. Zadomowiły się również na rynku w postaci worków do zbiórki i późniejszego kompostowania odpadów spożywczych, worków do supermarketów, folii rolniczych i kosmetyków. W takim przypadku można zastosować standardowe wyposażenie do produkcji polimerów biodegradowalnych. Dzięki swoim zaletom (odporność na degradację w normalnych warunkach, niska barierowość dla pary wodnej i tlenu, brak problemów z utylizacją odpadów, niezależność od surowców petrochemicznych) nadal wygrywająrynek.

Spośród głównych wad należy wspomnieć o trudnościach produkcji na dużą skalę i stosunkowo wysokich kosztach. Problem ten do pewnego stopnia można rozwiązać za pomocą wielkoskalowych systemów produkcyjnych. Udoskonalenie technologii umożliwia również uzyskanie trwalszych i odpornych na zużycie materiałów. Ponadto należy zauważyć, że istnieje silna tendencja do koncentrowania się na produktach z przedrostkiem „eko”. Ułatwiają to zarówno media, jak i rządowe i międzynarodowe programy wsparcia.

Środki ochronne są stopniowo zaostrzane, w wyniku czego niektóre tradycyjne produkty z tworzyw sztucznych są zakazane w niektórych krajach. Na przykład paczki. Są zakazane w Bangladeszu (po tym, jak odkryto, że zatykają systemy odwadniające i dwukrotnie powodują poważne powodzie) oraz we Włoszech. Stopniowo dochodzi do uświadomienia sobie prawdziwej ceny, jaką trzeba zapłacić za złe decyzje. A zrozumienie, że konieczne jest zapewnienie bezpieczeństwa środowiska, będzie prowadzić do coraz większych ograniczeń dotyczących tradycyjnego plastiku. Na szczęście istnieje zapotrzebowanie na przejście na jeszcze droższe, ale przyjazne dla środowiska materiały. Ponadto ośrodki badawcze w wielu krajach oraz duże firmy prywatne poszukują nowych i tańszych technologii, co jest dobrą wiadomością.

Wniosek

Zastanowiliśmy się więc, czym są biodegradowalne polimery, metody produkcji i zakres tych materiałów. Jest staładoskonalenie i doskonalenie technologii. Miejmy więc nadzieję, że w najbliższych latach koszt polimerów biodegradowalnych rzeczywiście dogoni materiały otrzymywane tradycyjnymi metodami. Później przejście do bezpieczniejszych i bardziej przyjaznych dla środowiska inwestycji będzie tylko kwestią czasu.