Biolagunevad polümeerid: kontseptsioon, omadused, valmistamismeetodid ja reaktsioonide näited

2024 Autor: Howard Calhoun | [email protected]. Viimati modifitseeritud: 2023-12-17 10:25

Võite märgata, et viimase kümnendi jooksul on populaarsust kogunud tooted, mille nimele on lisatud eesliide "bio". Selle eesmärk on teavitada, et toode on inimestele ja loodusele ohutu. Seda propageerib aktiivselt meedia. Asi jõudis isegi naeruväärseni - jooki valides peavad nad parimaks biokefiiri ja biokütus pole enam nafta alternatiiv, vaid keskkonnasõbralik toode. Ja ärge unustage bioekstrakte, mis panevad kosmeetika "imesid" tegema.

Üldine teave

Hakkame nüüd tõsiseks. Sageli võib mööda teid liikudes näha spontaanseid prügimägesid. Lisaks on täisväärtuslikud prügilad, kus hoitakse inimjäätmeid. Tundub, et see pole halb, kuid sellel on üks miinus - liiga pikk lagunemisaeg. Selle parandamiseks on palju võimalusi - see on prügi ringlussevõtt ja vähem kahjulike materjalide kasutamine, mis hävitavad kiiresti lagundajad. Räägime teisest juhtumist.

Siin on palju punkte. Pakendid, rehvid, klaas, keemiatööstuse derivaadid. Kõik need nõuavadtähelepanu. Spetsiifilist universaalset retsepti aga pole. Seetõttu on vaja konkreetselt teada, mida ja kuidas tagada keskkonnareostuse vältimine.

Biolagunevad polümeerid töötati välja plastijäätmete kõrvaldamise probleemi lahendamiseks. Pole saladus, et nende maht kasvab iga aastaga. Sõna biopolümeerid kasutatakse ka nende lühendatud tähistamiseks. Mis on nende eripära? Need võivad keskkonnas laguneda füüsikaliste tegurite ja mikroorganismide – seente või bakterite – toimel. Polümeer loetakse selliseks, kui kogu selle mass imendub kuue kuu jooksul vette või pinnasesse. See lahendab osaliselt jäätmeprobleemi. Samal ajal saadakse lagunemissaadused - vesi ja süsinikdioksiid. Kui on veel midagi, siis tuleb seda ohutust ja mürgiste ainete olemasolu uurida. Neid saab ringlusse võtta ka enamiku standardsete plastitootmistehnoloogiatega, nagu ekstrusioon, puhumisvormimine, termovormimine ja survevalu.

Mis valdkondades me töötame?

Biolagunevate polümeeride hankimine on üsna töömahukas ülesanne. USA-s, Euroopa mandril, Jaapanis, Koreas ja Hiinas arendatakse aktiivselt tehnoloogiaid, mis võimaldavad saada ohutuid materjale. Kahjuks tuleb märkida, et Venemaal on tulemused ebarahuldavad. Plastide biolagunemise ja taastuvast toorainest tootmise tehnoloogia loomine on kallis nauding. Lisaks on riigis veel piisav alt naftat polümeeride tootmiseks. Aga kõikesama, võib eristada kolme põhisuunda:

1. Hüdroksükarboksüülhapetel põhinevate biolagunevate polüestrite tootmine.
2. Plasti loomine reprodutseeritavatel looduslikel koostisosadel.
3. Tööstuslikud polümeerid muutuvad biolagunevaks.

Aga kuidas on praktikas? Vaatame lähem alt, kuidas biolagunevaid polümeere valmistatakse.

Bakteriaalsed polühüdroksüalkanoaadid

Mikroorganismid kasvavad sageli keskkonnas, kus toitainete süsinik on saadaval. Sel juhul on tegemist fosfori või lämmastiku puudusega. Sellistel juhtudel sünteesivad ja akumuleerivad mikroorganismid polühüdroksüalkanoaate. Need toimivad süsiniku (toiduvarud) ja energiavaruna. Vajadusel võivad nad polühüdroksüalkanoaate lagundada. Seda vara kasutatakse selle rühma materjalide tööstuslikuks tootmiseks. Meie jaoks on kõige olulisemad polühüdroksübutüraat ja polühüdroksüvaleraat. Seega on need plastid biolagunevad. Samal ajal on need alifaatsed polüestrid, mis on vastupidavad ultraviolettkiirgusele.

Tuleb märkida, et kuigi neil on veekeskkonnas piisav stabiilsus, soodustavad meri, pinnas, kompostimis- ja ringlussevõtu keskkond nende bioloogilist lagunemist. Ja see juhtub üsna kiiresti. Näiteks kui kompostis on õhuniiskus 85% ja temperatuur 20-60 kraadi, siis lagunemine süsihappegaasiks ja veeks võtab aega 7-10 nädalat. Kus kasutatakse polühüdroksüalkanoaate?

Nadkasutatakse biolagunevate pakendite ja mittekootud materjalide, ühekordselt kasutatavate salvrätikute, kiudude ja kilede, isikliku hügieeni toodete, vetthülgavate papi ja paberi katete valmistamiseks. Reeglina läbivad need hapnikku, on vastupidavad agressiivsetele kemikaalidele, on suhtelise termilise stabiilsusega ja nende tugevus on võrreldav polüpropüleeniga.

Biolagunevate polümeeride puudustest rääkides tuleb märkida, et need on väga kallid. Näiteks on Biopol. See maksab 8-10 korda rohkem kui tavaline plast. Seetõttu kasutatakse seda ainult meditsiinis, mõnede parfüümide ja isikliku hügieeni toodete pakendamiseks. Polühüdroksüalkanoaatide hulgas on populaarsem mireli, mida saadakse suhkrustatud maisitärklisest. Selle eeliseks on suhteliselt madal hind. Kuid sellegipoolest on selle hind kaks korda kõrgem kui traditsioonilisel madala tihedusega polüetüleenil. Samal ajal moodustab tooraine 60% maksumusest. Ja peamised jõupingutused on suunatud selle odavate kolleegide leidmisele. Kõnealune väljavaade on teraviljatärklis, nagu nisu, rukis, oder.

Polüpiimhape

Pakendamiseks mõeldud biolagunevate polümeeride tootmine toimub samuti polülaktiidi abil. See on ka polüpiimhape. Mida ta esindab? See on lineaarne alifaatne polüester, piimhappe kondensatsiooniprodukt. See on monomeer, millest bakterid sünteesivad kunstlikult polülaktiidi. Tuleb märkida, et selle tootmine bakterite abil on lihtsam kui traditsiooniline meetod. Polülaktiide loovad ju bakterid saadaolevatest suhkrutest tehnoloogiliselt lihtsa protsessiga. Polümeer ise on kahe sama koostisega optilise isomeeri segu.

Saadud ainel on üsna kõrge termiline stabiilsus. Niisiis toimub klaasistumine temperatuuril 90 kraadi Celsiuse järgi, sulamine aga 210-220 Celsiuse järgi. Samuti on polülaktiid UV-kindel, kergelt süttiv ja kui põleb, siis vähese suitsuga. Seda saab töödelda kõigi termoplastide jaoks sobivate meetoditega. Polülaktiidist saadud tooted on suure jäikuse, läikega ja läbipaistvad. Nendest valmistatakse taldrikuid, kandikuid, kilet, kiude, implantaate (nii kasutatakse meditsiinis biolagunevaid polümeere), kosmeetika- ja toiduainete pakendeid, vee-, mahla-, piimapudeleid (aga mitte gaseeritud jooke, sest materjal läheb läbi). süsinikdioksiid). Nagu ka kangad, mänguasjad, mobiiltelefonide ümbrised ja arvutihiired. Nagu näete, on biolagunevate polümeeride kasutamine väga ulatuslik. Ja see on ainult ühele nende rühmadest!

Polüpiimhappe tootmine ja biolagundamine

Esimest korda anti selle tootmise patent välja 1954. aastal. Kuid selle bioplasti turustamine algas alles 21. sajandi alguses - 2002. aastal. Vaatamata sellele on selle valmistamisega tegelevaid ettevõtteid juba praegu palju - ainult Euroopas on neid üle 30. Oluline eelispolüpiimhape on suhteliselt odav - see konkureerib juba peaaegu võrdsetel alustel polüpropüleeni ja polüetüleeniga. Eeldatakse, et juba 2020. aastal suudab polülaktiid hakata neid maailmaturule suruma. Selle biolagunevuse suurendamiseks lisatakse sellele sageli tärklist. See mõjutab positiivselt ka toote hinda. Tõsi, tekkivad segud on üsna haprad ning lõpptoote elastsemaks muutmiseks tuleb neile lisada plastifikaatoreid, näiteks sorbitooli või glütseriini. Alternatiivne lahendus probleemile on sulami loomine muude lagunevate polüestritega.

Polüpiimhape laguneb kahes etapis. Esiteks hüdrolüüsitakse estrirühmad veega, mille tulemusena moodustub piimhape ja mõned muud molekulid. Seejärel lagunevad nad teatud keskkonnas mikroobide abil. Polülaktiidid läbivad selle protsessi 20–90 päeva jooksul, pärast mida jääb järele ainult süsihappegaas ja vesi.

Tärklise modifikatsioon

Kui kasutatakse looduslikku toorainet, on see hea, sest ressursid selleks uuenevad pidev alt, seega on need praktiliselt piiramatud. Tärklis on selles osas saavutanud kõige laiema populaarsuse. Kuid sellel on puudus - sellel on suurenenud niiskuse imamisvõime. Kuid seda saab vältida, kui märkate estril osa hüdroksüülrühmadest.

Keemiline töötlus võimaldab luua täiendavaid sidemeid polümeeri osade vahel, mis aitab suurendada kuumakindlust, stabiilsusthapetele ja nihkejõule. Tulemust, modifitseeritud tärklist, kasutatakse biolaguneva plastina. See laguneb 30 kraadi juures kompostis kahe kuuga, muutes selle väga keskkonnasõbralikuks.

Materjali maksumuse vähendamiseks kasutatakse toortärklist, mis segatakse talgi ja polüvinüülalkoholiga. Seda saab toota samade seadmete abil nagu tavalise plasti puhul. Modifitseeritud tärklist saab ka tavapäraste tehnikate abil värvida ja trükkida.

Pange tähele, et see materjal on oma olemuselt antistaatiline. Tärklise puuduseks on see, et selle füüsikalised omadused on üldiselt halvemad kui naftakeemiliselt toodetud vaikudel. See tähendab polüpropüleenist, samuti kõrg- ja madalrõhu polüetüleenist. Ja veel, seda rakendatakse ja müüakse turul. Seega kasutatakse seda toiduainete, põllumajanduskilede, pakkematerjalide, söögiriistade, aga ka puu- ja köögiviljavõrkude valmistamiseks.

Muude looduslike polümeeride kasutamine

See on suhteliselt uus teema – biolagunevad polümeerid. Ratsionaalne looduskorraldus aitab kaasa uutele avastustele selles vallas. Biolagunevate plastide tootmisel kasutatakse nii palju teisi looduslikke polüsahhariide: kitiin, kitosaan, tselluloos. Ja mitte ainult eraldi, vaid ka kombineeritult. Näiteks kitosaanist, mikrotsellulooskiust ja želatiinist saadakse suurenenud tugevusega kile. Ja kui matta maa sisse, siis läheb see kiirestimikroorganismide poolt lagundatud. Seda saab kasutada pakendamiseks, kandikute ja sarnaste esemete jaoks.

Lisaks on üsna levinud tselluloosi kombinatsioonid dikarboksüülanhüdriidide ja epoksüühenditega. Nende tugevus seisneb selles, et nad lagunevad nelja nädalaga. Saadud materjalist valmistatakse pudelid, multšimiseks mõeldud kiled, ühekordsed lauanõud. Nende looming ja tootmine kasvab igal aastal aktiivselt.

Tööstuslike polümeeride biolagunevus

See probleem on üsna asjakohane. Biolagunevad polümeerid, mille näiteid on eespool toodud keskkonnaga reageerimise kohta, ei kesta keskkonnas isegi aastat. Tööstuslikud materjalid võivad seda saastada aastakümneid ja isegi sajandeid. Kõik see kehtib polüetüleeni, polüpropüleeni, polüvinüülkloriidi, polüstüreeni, polüetüleentereftalaadi kohta. Seetõttu on nende lagunemise aja vähendamine oluline ülesanne.

Selle tulemuse saavutamiseks on mitu võimalikku lahendust. Üks levinumaid meetodeid on spetsiaalsete lisandite sisestamine polümeeri molekuli. Ja kuumuse või valguse käes nende lagunemisprotsess kiireneb. See sobib ühekordsete lauanõude, pudelite, pakendite ja põllumajanduskilede, kottide jaoks. Kuid paraku on ka probleeme.

Esimene on see, et lisandeid tuleb kasutada traditsioonilisel viisil – vormimine, valamine, ekstrusioon. Sel juhul ei tohiks polümeerid laguneda, kuigi need alluvad temperatuuriletöötlemine. Lisaks ei tohiks lisandid kiirendada polümeeride lagunemist valguses ja võimaldada ka pikaajalist kasutamist selle all. See tähendab, et on vaja veenduda, et lagunemisprotsess algab teatud hetkel. See on väga keeruline. Tehnoloogiline protsess hõlmab 1-8% lisandite lisamist (näiteks võetakse kasutusele eelnev alt käsitletud tärklis) väikese tüüpilise töötlemismeetodi osana, kui tooraine kuumutamine ei ületa 12 minutit. Kuid samal ajal on vaja tagada, et need jaotuksid ühtlaselt kogu polümeerimassi ulatuses. Kõik see võimaldab hoida lagunemisperioodi vahemikus üheksa kuud kuni viis aastat.

Arenguväljavaated

Kuigi biolagunevate polümeeride kasutamine kogub hoogu, moodustavad need nüüd koguturust tühise protsendi. Kuid sellegipoolest leidsid nad siiski üsna laialdase rakenduse ja muutuvad üha populaarsemaks. Juba praegu on need toidupakendite niššis üsna hästi sisse juurdunud. Lisaks kasutatakse biolagunevaid polümeere laialdaselt ühekordselt kasutatavate pudelite, tasside, taldrikute, kausside ja kandikute jaoks. Samuti on nad turul end sisse seadnud toidujäätmete kogumiseks ja hilisemaks kompostimiseks mõeldud kottide, supermarketite kottide, põllumajanduskilede ja kosmeetikatoodete näol. Sel juhul võib kasutada standardseid biolagunevate polümeeride tootmise seadmeid. Tänu oma eelistele (vastupidavus lagunemisele tavatingimustes, madal veeauru ja hapniku barjäär, jäätmete kõrvaldamisega seotud probleemid, sõltumatus naftakeemia toorainest) võidavad nad jätkuv altturul.

Peamistest puudustest tuleks meenutada suurtootmise raskusi ja suhteliselt kõrget hinda. Seda probleemi saab teatud määral lahendada suuremahuliste tootmissüsteemide abil. Tehnoloogia täiustamine võimaldab saada ka vastupidavamaid ja kulumiskindlamaid materjale. Lisaks tuleb märkida, et tugev tendents on keskenduda toodetele, millel on eesliide "öko". Sellele aitavad kaasa nii meedia kui ka valitsuse ja rahvusvahelised toetusprogrammid.

Säilitusmeetmeid karmistatakse järk-järgult, mille tulemusena on mõned traditsioonilised plasttooted mõnes riigis keelatud. Näiteks pakid. Need on keelatud Bangladeshis (pärast seda, kui leiti, et need ummistavad äravoolusüsteeme ja põhjustavad kaks korda suuri üleujutusi) ja Itaalias. Tasapisi saabub arusaam tegelikust hinnast, mida tuleb valede otsuste eest maksta. Ja arusaamine, et on vaja tagada keskkonnaohutus, toob kaasa üha rohkem piiranguid traditsioonilisele plastikule. Õnneks on nõudlus üleminekuks veelgi kallimatele, kuid keskkonnasõbralikele materjalidele. Lisaks otsivad paljude riikide uurimiskeskused ja suured eraettevõtted uusi ja odavamaid tehnoloogiaid, mis on hea uudis.

Järeldus

Seega oleme kaalunud, mis on biolagunevad polümeerid, nende materjalide tootmismeetodid ja ulatus. Seal on konstanttehnoloogiate täiustamine ja täiustamine. Seega loodame, et lähiaastatel jõuavad biolagunevate polümeeride maksumus tõepoolest traditsiooniliste meetoditega saadud materjalidele järele. Pärast seda on üleminek ohutumatele ja keskkonnasõbralikumatele arendustele vaid aja küsimus.