Polimeri biodegradabili: concept, proprietăți, metode de preparare și exemple de reacții

2024 Autor: Howard Calhoun | [email protected]. Modificat ultima dată: 2023-12-17 10:39

Puteți observa că în ultimul deceniu, produsele cu prefixul „bio” adăugat la nume au câștigat popularitate. Este destinat să informeze că produsul este sigur pentru oameni și natură. Este promovat activ de mass-media. S-a ajuns chiar la ridicol - atunci când aleg o băutură, ei consideră că biokefirul este cel mai bun, iar biocombustibilul nu mai este o alternativă la ulei, ci un produs prietenos cu mediul. Și nu uitați de extractele biologice care fac cosmeticele să facă „miracole”.

Informații generale

Acum hai să fim serioși. Adesea, deplasându-te de-a lungul drumurilor, poți vedea gropi spontane. În plus, există gropi de gunoi cu drepturi depline în care sunt depozitate deșeurile umane. Se pare că nu este rău, dar există un minus - timp de descompunere prea lung. Există un număr mare de moduri de a remedia acest lucru - aceasta este reciclarea gunoiului și utilizarea de materiale mai puțin dăunătoare care distrug rapid descompozitorii. Să vorbim despre al doilea caz.

Există multe puncte aici. Ambalaje, anvelope, sticla, derivate din industria chimica. Toate cerAtenţie. Cu toate acestea, nu există o rețetă universală specifică. Prin urmare, este necesar să se știe în mod specific ce și cum să se asigure prevenirea poluării mediului.

Polimerii biodegradabili au fost dezvoltați ca răspuns la problema eliminării deșeurilor din plastic. Nu este un secret pentru nimeni că volumul lor crește în fiecare an. Cuvântul biopolimeri este folosit și pentru denumirea lor prescurtată. Care este particularitatea lor? Se pot descompune în mediu datorită acțiunii factorilor fizici și a microorganismelor - ciuperci sau bacterii. Un polimer este considerat astfel dacă întreaga sa masă este absorbită în apă sau sol în decurs de șase luni. Acest lucru rezolvă parțial problema deșeurilor. În același timp, se obțin produse de descompunere - apă și dioxid de carbon. Dacă mai există ceva, atunci trebuie investigat pentru siguranță și prezența substanțelor toxice. De asemenea, pot fi reciclate prin majoritatea tehnologiilor standard de fabricare a materialelor plastice, cum ar fi extrudarea, suflarea, termoformarea și turnarea prin injecție.

Pe ce domenii lucrăm?

Obținerea polimerilor biodegradabili este o sarcină destul de laborioasă. Dezvoltarea tehnologiilor care fac posibilă obținerea de materiale sigure se realizează activ în Statele Unite, pe continentul european, în Japonia, Coreea și China. Din păcate, trebuie menționat că în Rusia rezultatele sunt nesatisfăcătoare. Crearea unei tehnologii pentru biodegradarea materialelor plastice și producerea acestora din materii prime regenerabile este o plăcere costisitoare. În plus, țara are încă suficient petrol pentru producția de polimeri. Dar totulla fel, se pot distinge trei direcții principale:

1. Producerea de poliesteri biodegradabili pe bază de acizi hidroxicarboxilici.
2. Crearea materialelor plastice bazate pe ingrediente naturale reproductibile.
3. Polimerii industriali devin biodegradabili.

Dar ce zici în practică? Să aruncăm o privire mai atentă asupra modului în care sunt fabricați polimerii biodegradabili.

Polihidroxialcanoați bacterieni

Microorganismele cresc adesea în medii în care sunt disponibili carbonii nutritivi. În acest caz, există o deficiență de fosfor sau azot. În astfel de cazuri, microorganismele sintetizează și acumulează polihidroxialcanoați. Acestea servesc ca rezervă de carbon (depozite alimentare) și energie. Dacă este necesar, pot descompune polihidroxialcanoații. Această proprietate este utilizată pentru producția industrială a materialelor din acest grup. Cele mai importante pentru noi sunt polihidroxi butiratul și polihidroxi valeratul. Astfel, aceste materiale plastice sunt biodegradabile. În același timp, sunt poliesteri alifatici rezistenți la radiațiile ultraviolete.

De remarcat faptul că, deși au o stabilitate suficientă în mediul acvatic, marea, solul, mediile de compostare și reciclare contribuie la degradarea lor biologică. Și se întâmplă destul de repede. De exemplu, dacă compostul are o umiditate de 85% și 20-60 de grade Celsius, atunci descompunerea în dioxid de carbon și apă va dura 7-10 săptămâni. Unde se folosesc polihidroxialcanoații?

Eisunt utilizate pentru fabricarea de ambalaje biodegradabile și materiale nețesute, șervețele de unică folosință, fibre și filme, produse de îngrijire personală, acoperiri hidrofuge pentru carton și hârtie. De regulă, pot trece oxigenul, sunt rezistenți la substanțe chimice agresive, au stabilitate termică relativă și au o rezistență comparabilă cu polipropilena.

Vorbind despre dezavantajele polimerilor biodegradabili, trebuie remarcat faptul că aceștia sunt foarte scumpi. Un exemplu este Biopol. Costă de 8-10 ori mai mult decât plasticul tradițional. De aceea, este folosit doar in medicina, pentru ambalarea unor parfumuri si produse de ingrijire personala. Mai popular în rândul polihidroxialcanoaților este mirel, obținut din amidonul de porumb zaharificat. Avantajul său este costul relativ scăzut. Dar, cu toate acestea, prețul său este încă de două ori mai mare decât polietilena tradițională de joasă densitate. În același timp, materiile prime reprezintă 60% din cost. Iar eforturile principale sunt îndreptate spre găsirea omologilor săi ieftini. Perspectiva în cauză este amidonul din cereale precum grâul, secara, orzul.

Acid polilactic

Producția de polimeri biodegradabili pentru ambalare se realizează și cu polilactidă. Este, de asemenea, acid polilactic. Ce reprezintă el? Este un poliester alifatic liniar, un produs de condensare al acidului lactic. Este un monomer din care polilactida este sintetizată artificial de bacterii. De remarcat faptul că producerea sa cu ajutorul bacteriilor este mai ușoară decât metoda tradițională. La urma urmei, polilactidele sunt create de bacterii din zaharurile disponibile într-un proces simplu din punct de vedere tehnologic. Polimerul în sine este un amestec de doi izomeri optici cu aceeași compoziție.

Substanța rezultată are o stabilitate termică destul de ridicată. Deci, vitrificarea are loc la o temperatură de 90 de grade Celsius, în timp ce topirea are loc la 210-220 Celsius. De asemenea, polilactida este rezistentă la UV, ușor inflamabilă, iar dacă arde, atunci cu o cantitate mică de fum. Poate fi prelucrat folosind toate metodele care sunt potrivite pentru termoplastice. Produsele obținute din polilactidă au rigiditate ridicată, luciu și sunt transparente. Sunt folosite pentru a face farfurii, tavi, pelicule, fibre, implanturi (asa se folosesc polimerii biodegradabili in medicina), ambalaje pentru cosmetice si produse alimentare, sticle pentru apa, suc, lapte (dar nu bauturi carbogazoase, deoarece materialul trece). dioxid de carbon). La fel și țesături, jucării, huse pentru telefoane mobile și șoareci. După cum puteți vedea, utilizarea polimerilor biodegradabili este foarte extinsă. Și asta doar pentru unul dintre grupurile lor!

Producerea și biodegradarea acidului polilactic

Pentru prima dată, un brevet pentru producția sa a fost eliberat în 1954. Dar comercializarea acestui bioplastic a început abia la începutul secolului al XXI-lea - în 2002. În ciuda acestui fapt, există deja un număr mare de companii care sunt angajate în fabricarea sa - doar în Europa există mai mult de 30 dintre ele. Un avantaj importantacidul polilactic este un cost relativ scăzut - deja concurează aproape pe picior de egalitate cu polipropilena și polietilena. Se presupune că deja în 2020, polilactida va putea începe să le împingă pe piața mondială. Pentru a-i crește biodegradabilitatea, se adaugă adesea amidon. Acest lucru are, de asemenea, un efect pozitiv asupra prețului produsului. Adevărat, amestecurile rezultate sunt destul de fragile, iar plastifianți, cum ar fi sorbitolul sau glicerina, trebuie adăugați la ele pentru a face produsul final mai elastic. O soluție alternativă la problemă este crearea unui aliaj cu alți poliesteri degradabili.

Acidul polilactic se descompune în două etape. În primul rând, grupările esterice sunt hidrolizate cu apă, rezultând formarea acidului lactic și a altor câteva molecule. Apoi se descompun într-un anumit mediu cu ajutorul microbilor. Polilactidele suferă acest proces în 20-90 de zile, după care rămân doar dioxid de carbon și apă.

Modificare amidon

Când se folosesc materii prime naturale, este bine, deoarece resursele pentru aceasta se reînnoiesc constant, deci sunt practic nelimitate. Amidonul a câștigat cea mai largă popularitate în acest sens. Dar are un dezavantaj - are o capacitate crescută de a absorbi umezeala. Dar acest lucru poate fi evitat dacă observați o parte din grupările hidroxil de pe ester.

Tratamentul chimic vă permite să creați legături suplimentare între părțile polimerului, ceea ce ajută la creșterea rezistenței la căldură, a stabilitățiila acizi și forța tăietoare. Rezultatul, amidonul modificat, este folosit ca plastic biodegradabil. Se descompune la 30 de grade în compost în două luni, ceea ce îl face extrem de prietenos cu mediul.

Pentru a reduce costul materialului, se folosește amidon brut, care este amestecat cu talc și alcool polivinilic. Poate fi produs folosind același echipament ca pentru plasticul obișnuit. Amidonul modificat poate fi, de asemenea, vopsit și imprimat folosind tehnici convenționale.

Vă rugăm să rețineți că acest material este de natură antistatică. Dezavantajul amidonului este că proprietățile sale fizice sunt în general inferioare rășinilor produse petrochimic. Adică polipropilenă, precum și polietilenă de în altă și joasă presiune. Și totuși, se aplică și se vinde pe piață. Așadar, este folosit pentru a face paleți pentru produse alimentare, folii agricole, materiale de ambalare, tacâmuri, precum și plase pentru fructe și legume.

Folosirea altor polimeri naturali

Acesta este un subiect relativ nou - polimerii biodegradabili. Managementul rațional al naturii contribuie la noi descoperiri în acest domeniu. Atâtea alte polizaharide naturale sunt folosite în producerea materialelor plastice biodegradabile: chitină, chitosan, celuloză. Și nu numai separat, ci și în combinație. De exemplu, se obține o peliculă cu rezistență crescută din chitosan, fibre microcelulozice și gelatină. Și dacă îl îngropi în pământ, atunci va fi rapiddescompus de microorganisme. Poate fi folosit pentru ambalaje, tăvi și articole similare.

În plus, combinațiile de celuloză cu anhidride dicarboxilice și compuși epoxidici sunt destul de comune. Puterea lor este că se descompun în patru săptămâni. Sticlele, foliile pentru mulcire, vesela de unică folosință sunt realizate din materialul rezultat. Crearea și producția lor crește în mod activ în fiecare an.

Biodegradabilitatea polimerilor industriali

Această problemă este destul de relevantă. Polimerii biodegradabili, dintre care exemple au fost citate mai sus pentru reacțiile cu mediul, nu vor rezista nici măcar un an în mediu. În timp ce materialele industriale îl pot polua decenii și chiar secole. Toate acestea se aplică polietilenă, polipropilenă, clorură de polivinil, polistiren, tereftalat de polietilenă. Prin urmare, reducerea timpului de degradare a acestora este o sarcină importantă.

Pentru a obține acest rezultat, există mai multe soluții posibile. Una dintre cele mai comune metode este introducerea de aditivi speciali în molecula de polimer. Și la căldură sau la lumină, procesul de descompunere a acestora este accelerat. Acesta este potrivit pentru vesela de unică folosință, sticle, ambalaje și filme agricole, pungi. Dar, din păcate, există și probleme.

Primul este că aditivii trebuie folosiți în moduri tradiționale - turnare, turnare, extrudare. În acest caz, polimerii nu ar trebui să se descompună, deși sunt supuși temperaturiiprelucrare. În plus, aditivii nu ar trebui să accelereze descompunerea polimerilor în lumină și, de asemenea, să permită posibilitatea utilizării pe termen lung sub acesta. Adică este necesar să ne asigurăm că procesul de degradare începe la un moment dat. Este foarte dificil. Procesul tehnologic presupune adăugarea a 1-8% aditivi (de exemplu, se introduce amidonul discutat anterior) ca parte a unei mici metode tipice de prelucrare, când încălzirea materiei prime nu depășește 12 minute. Dar, în același timp, este necesar să se asigure că acestea sunt distribuite uniform în întreaga masă polimerică. Toate acestea fac posibilă menținerea perioadei de degradare în intervalul de la nouă luni la cinci ani.

Perspective de dezvoltare

Deși utilizarea polimerilor biodegradabili câștigă amploare, aceștia reprezintă acum un procent slab din piața totală. Dar, cu toate acestea, au găsit încă o aplicație destul de largă și devin din ce în ce mai populare. Deja acum sunt destul de bine înrădăcinate în nișa ambalajelor alimentare. În plus, polimerii biodegradabili sunt utilizați pe scară largă pentru sticle, căni, farfurii, boluri și tăvi de unică folosință. De asemenea, s-au impus pe piață sub formă de pungi pentru colectarea și compostarea ulterioară a deșeurilor alimentare, pungi pentru supermarketuri, filme agricole și produse cosmetice. În acest caz, se pot utiliza echipamente standard pentru producerea de polimeri biodegradabili. Datorită avantajelor lor (rezistență la degradare în condiții normale, barieră scăzută la vapori de apă și oxigen, fără probleme cu eliminarea deșeurilor, independență față de materiile prime petrochimice), aceștia continuă să câștigepiață.

Dintre principalele dezavantaje, ar trebui să ne amintim dificultățile producției pe scară largă și costul relativ ridicat. Această problemă, într-o anumită măsură, poate fi rezolvată prin sisteme de producție pe scară largă. Îmbunătățirea tehnologiei face, de asemenea, posibilă obținerea de materiale mai durabile și mai rezistente la uzură. În plus, trebuie menționat că există o tendință puternică de a se concentra pe produsele cu prefixul „eco”. Acest lucru este facilitat atât de mass-media, cât și de programele de sprijin guvernamentale și internaționale.

Măsurile de conservare sunt înăsprite treptat, ceea ce duce la interzicerea unor produse tradiționale din plastic în unele țări. De exemplu, pachete. Sunt interzise în Bangladesh (după ce s-a descoperit că înfundă sistemele de drenaj și provoacă inundații majore de două ori) și Italia. Treptat vine conștientizarea prețului real care trebuie plătit pentru deciziile greșite. Și înțelegerea faptului că este necesar să se asigure siguranța mediului va duce la tot mai multe restricții asupra plasticului tradițional. Din fericire, există o cerere pentru trecerea la materiale și mai scumpe, dar ecologice. În plus, centrele de cercetare din multe țări și marile companii private caută tehnologii noi și mai ieftine, ceea ce este o veste bună.

Concluzie

Deci am luat în considerare ce sunt polimerii biodegradabili, metodele de producție și domeniul de aplicare al acestor materiale. Există o constantăimbunatatirea si imbunatatirea tehnologiilor. Așa că să sperăm că în următorii ani, costul polimerilor biodegradabili va ajunge într-adevăr din urmă cu materialele obținute prin metode tradiționale. După aceea, tranziția către dezvoltări mai sigure și mai ecologice va fi doar o chestiune de timp.