Biorazgradivi polimeri: koncept, svojstva, metode pripreme i primjeri reakcija

2024 Autor: Howard Calhoun | [email protected]. Zadnja promjena: 2023-12-17 10:29

Možda ćete primijetiti da su tijekom proteklog desetljeća proizvodi s prefiksom "bio" dodan imenu stekli popularnost. Namjera je obavijestiti da je proizvod siguran za ljude i prirodu. Aktivno ga promoviraju mediji. Došlo je čak i do smiješnog – pri odabiru pića smatraju da je biokefir najbolji, a biogorivo više nije alternativa ulju, već ekološki prihvatljiv proizvod. I ne zaboravite na bio-ekstrakte zbog kojih kozmetika čini "čuda".

Opće informacije

Sada se uozbiljimo. Često, krećući se po cestama, možete vidjeti spontane deponije. Osim toga, postoje i punopravna odlagališta na kojima se skladišti ljudski otpad. Čini se da nije loše, ali postoji jedan minus - predugo vrijeme razgradnje. Postoji veliki broj načina da se to popravi - to je recikliranje smeća i korištenje manje štetnih materijala koji brzo uništavaju razlagače. Razgovarajmo o drugom slučaju.

Ovdje ima mnogo točaka. Ambalaža, gume, staklo, derivati kemijske industrije. Svi oni zahtijevajupažnja. Međutim, ne postoji poseban univerzalni recept. Stoga je potrebno konkretno znati što i kako osigurati sprječavanje onečišćenja okoliša.

Biorazgradivi polimeri razvijeni su kao odgovor na problem zbrinjavanja plastičnog otpada. Nije tajna da njihov volumen svake godine raste. Riječ biopolimeri također se koristi za njihovu skraćenu oznaku. Koja je njihova posebnost? Mogu se razgraditi u okolišu zbog djelovanja fizičkih čimbenika i mikroorganizama – gljivica ili bakterija. Polimer se smatra takvim ako se cijela njegova masa apsorbira u vodi ili tlu u roku od šest mjeseci. Time je djelomično riješen problem otpada. Istodobno se dobivaju produkti raspadanja - voda i ugljični dioksid. Ako postoji još nešto, onda je potrebno ispitati sigurnost i prisutnost otrovnih tvari. Također se mogu reciklirati većinom standardnih tehnologija proizvodnje plastike kao što su ekstruzija, puhanje, termoformiranje i injekcijsko prešanje.

Na kojim područjima radimo?

Dobivanje biorazgradivih polimera prilično je naporan zadatak. Razvoj tehnologija koje omogućuju dobivanje sigurnih materijala aktivno se provodi u Sjedinjenim Državama, na europskom kontinentu, u Japanu, Koreji i Kini. Nažalost, treba napomenuti da su u Rusiji rezultati nezadovoljavajući. Stvaranje tehnologije za biorazgradnju plastike i njihovu proizvodnju od obnovljivih sirovina skupo je zadovoljstvo. Osim toga, zemlja još uvijek ima dovoljno nafte za proizvodnju polimera. Ali sveisto, mogu se razlikovati tri glavna smjera:

1. Proizvodnja biorazgradivih poliestera na bazi hidroksikarboksilnih kiselina.
2. Stvaranje plastike na temelju ponovljivih prirodnih sastojaka.
3. Industrijski polimeri postaju biorazgradivi.

Ali što je u praksi? Pogledajmo pobliže kako nastaju biorazgradivi polimeri.

bakterijski polihidroksialkanoati

Mikroorganizmi često rastu u okruženjima gdje su dostupni hranjivi ugljici. U ovom slučaju postoji nedostatak fosfora ili dušika. U takvim slučajevima mikroorganizmi sintetiziraju i akumuliraju polihidroksialkanoate. Služe kao rezerva ugljika (skladišta hrane) i energije. Po potrebi mogu razgraditi polihidroksialkanoate. Ovo svojstvo koristi se za industrijsku proizvodnju materijala ove skupine. Najvažniji su nam polihidroksi butirat i polihidroksi valerat. Stoga je ta plastika biorazgradiva. U isto vrijeme, oni su alifatski poliesteri otporni na ultraljubičasto zračenje.

Treba napomenuti da iako imaju dovoljnu stabilnost u vodenom okolišu, more, tlo, okoliši za kompostiranje i recikliranje doprinose njihovoj biološkoj degradaciji. I to se događa prilično brzo. Na primjer, ako kompost ima vlažnost od 85% i 20-60 stupnjeva Celzija, tada će razgradnja na ugljični dioksid i vodu trajati 7-10 tjedana. Gdje se koriste polihidroksialkanoati?

Onikoriste se za proizvodnju biorazgradivih ambalaža i netkanih materijala, jednokratnih maramica, vlakana i filmova, proizvoda za osobnu njegu, vodoodbojnih premaza za karton i papir. U pravilu propuštaju kisik, otporni su na agresivne kemikalije, imaju relativnu toplinsku stabilnost i čvrstoću usporedivu s polipropilenom.

Kad govorimo o nedostacima biorazgradivih polimera, treba napomenuti da su vrlo skupi. Primjer je Biopol. Košta 8-10 puta više od tradicionalne plastike. Stoga se koristi samo u medicini, za pakiranje nekih parfema i proizvoda za osobnu njegu. Među polihidroksialkanoatima popularniji je mirel, dobiven iz saharificiranog kukuruznog škroba. Njegova prednost je relativno niska cijena. No, ipak, njegova je cijena još uvijek dvostruko veća od tradicionalnog polietilena niske gustoće. Istodobno, sirovine čine 60% troškova. A glavni napori usmjereni su na pronalaženje njegovih jeftinih kolega. U pitanju je škrob žitarica poput pšenice, raži, ječma.

polimliječna kiselina

Proizvodnja biorazgradivih polimera za pakiranje također se provodi korištenjem polilaktida. Također je polimliječna kiselina. Što on predstavlja? To je linearni alifatski poliester, proizvod kondenzacije mliječne kiseline. To je monomer iz kojeg bakterije umjetno sintetiziraju polilaktid. Valja napomenuti da je njegova proizvodnja uz pomoć bakterija lakša od tradicionalne metode. Uostalom, polilaktide stvaraju bakterije iz dostupnih šećera u tehnološki jednostavnom procesu. Sam polimer je mješavina dvaju optičkih izomera istog sastava.

Rezultirajuća tvar ima prilično visoku toplinsku stabilnost. Dakle, vitrifikacija se događa na temperaturi od 90 stupnjeva Celzija, dok se taljenje događa na 210-220 Celzijevih stupnjeva. Također, polilaktid je otporan na UV zračenje, lagano zapaljiv, a ako gori, onda s malom količinom dima. Može se obraditi svim metodama koje su prikladne za termoplaste. Proizvodi dobiveni od polilaktida imaju visoku krutost, sjaj i prozirnost. Od njih se prave tanjuri, pladnjevi, film, vlakna, implantati (tako se u medicini koriste biorazgradivi polimeri), ambalaža za kozmetiku i prehrambene proizvode, boce za vodu, sok, mlijeko (ali ne i gazirana pića, jer materijal prolazi ugljični dioksid). Kao i tkanine, igračke, maske za mobitele i računalne miševe. Kao što vidite, upotreba biorazgradivih polimera vrlo je opsežna. I to samo za jednu od njihovih grupa!

Proizvodnja i biorazgradnja polimliječne kiseline

Prvi put je patent za njegovu proizvodnju izdat davne 1954. godine. No, komercijalizacija ove bioplastike počela je tek početkom 21. stoljeća – 2002. godine. Unatoč tome, već postoji veliki broj tvrtki koje se bave njegovom proizvodnjom - samo u Europi ih ima više od 30. Važna prednostpolimliječna kiselina je relativno niske cijene - već se gotovo ravnopravno natječe s polipropilenom i polietilenom. Pretpostavlja se da će ih polilaktid već 2020. moći početi gurati na svjetskom tržištu. Kako bi se povećala njegova biorazgradivost, često mu se dodaje škrob. To također ima pozitivan učinak na cijenu proizvoda. Istina, dobivene smjese su prilično krhke, te im se moraju dodati plastifikatori poput sorbitola ili glicerina kako bi konačni proizvod bio elastičniji. Alternativno rješenje problema je stvaranje legure s drugim razgradivim poliesterima.

Polilaktična kiselina se razgrađuje u dva koraka. Prvo se esterske skupine hidroliziraju s vodom, što rezultira stvaranjem mliječne kiseline i nekoliko drugih molekula. Zatim se u određenom okruženju uz pomoć mikroba razgrađuju. Polilaktidi prolaze kroz ovaj proces za 20-90 dana, nakon čega ostaju samo ugljični dioksid i voda.

Izmjena škroba

Kada se koriste prirodne sirovine, to je dobro, jer se resursi za to stalno obnavljaju pa su praktički neograničeni. Škrob je u tom pogledu stekao najširu popularnost. Ali ima nedostatak - ima povećanu sposobnost upijanja vlage. Ali to se može izbjeći ako primijetite dio hidroksilnih skupina na esteru.

Kemijska obrada omogućuje stvaranje dodatnih veza između dijelova polimera, što pomaže povećati otpornost na toplinu, stabilnostna kiseline i silu smicanja. Rezultat, modificirani škrob, koristi se kao biorazgradiva plastika. Razgrađuje se na 30 stupnjeva u kompostu za dva mjeseca, što ga čini vrlo ekološki prihvatljivim.

Za smanjenje cijene materijala koristi se sirovi škrob koji se miješa s talkom i polivinil alkoholom. Može se proizvoditi na istoj opremi kao i za običnu plastiku. Modificirani škrob se također može bojati i tiskati konvencionalnim tehnikama.

Napominjemo da je ovaj materijal antistatičke prirode. Nedostatak škroba je što su njegova fizikalna svojstva općenito inferiornija u odnosu na petrokemijski proizvedene smole. To jest, polipropilen, kao i polietilen visokog i niskog tlaka. Pa ipak, primjenjuje se i prodaje na tržištu. Dakle, koristi se za izradu paleta za prehrambene proizvode, poljoprivredne folije, ambalažni materijal, pribor za jelo, kao i mreže za voće i povrće.

Upotreba drugih prirodnih polimera

Ovo je relativno nova tema - biorazgradivi polimeri. Racionalno gospodarenje prirodom doprinosi novim otkrićima na ovom području. Mnogi drugi prirodni polisaharidi koriste se u proizvodnji biorazgradive plastike: hitin, hitozan, celuloza. I ne samo odvojeno, već i u kombinaciji. Na primjer, film povećane čvrstoće dobiva se od hitozana, mikroceluloznih vlakana i želatine. A ako ga zakopate u zemlju, onda će brzorazgrađuju mikroorganizmi. Može se koristiti za pakiranje, pladnjeve i slične artikle.

Osim toga, kombinacije celuloze s dikarboksilnim anhidridima i epoksidnim spojevima prilično su česte. Njihova snaga je u tome što se razgrađuju za četiri tjedna. Od dobivenog materijala izrađuju se boce, filmovi za malčiranje, jednokratno posuđe. Njihovo stvaranje i proizvodnja svake godine aktivno raste.

Biorazgradljivost industrijskih polimera

Ovaj problem je vrlo relevantan. Biorazgradivi polimeri, čiji su primjeri gore navedeni za reakcije s okolišem, neće trajati ni godinu dana u okolišu. Dok ga industrijski materijali mogu zagađivati desetljećima, pa čak i stoljećima. Sve se to odnosi na polietilen, polipropilen, polivinil klorid, polistiren, polietilen tereftalat. Stoga je smanjenje vremena njihove degradacije važan zadatak.

Za postizanje ovog rezultata postoji nekoliko mogućih rješenja. Jedna od najčešćih metoda je uvođenje posebnih aditiva u molekulu polimera. A u toplini ili na svjetlu, proces njihove razgradnje se ubrzava. Prikladno je za jednokratno posuđe, boce, ambalažu i poljoprivredne folije, vrećice. Ali, nažalost, ima i problema.

Prvi je da se aditivi moraju koristiti na tradicionalne načine - kalupljenje, lijevanje, ekstruzija. U ovom slučaju, polimeri se ne bi trebali raspadati, iako su podvrgnuti temperaturiobrada. Osim toga, aditivi ne bi trebali ubrzati razgradnju polimera na svjetlu, a također dopustiti mogućnost dugotrajne uporabe pod njim. Odnosno, potrebno je osigurati da proces degradacije počinje u određenom trenutku. Jako je teško. Tehnološki proces uključuje dodavanje 1-8% aditiva (npr. uvodi se prethodno spomenuti škrob) kao dio male tipične metode obrade, kada zagrijavanje sirovine ne prelazi 12 minuta. Ali istodobno je potrebno osigurati da su ravnomjerno raspoređeni po polimernoj masi. Sve to omogućuje održavanje razdoblja degradacije u rasponu od devet mjeseci do pet godina.

Izgledi za razvoj

Iako upotreba biorazgradivih polimera dobiva na zamahu, oni sada čine skroman postotak ukupnog tržišta. No, ipak, još uvijek su našli prilično široku primjenu i postaju sve popularniji. Oni su već sada prilično dobro ukorijenjeni u niši pakiranja hrane. Osim toga, biorazgradivi polimeri naširoko se koriste za jednokratne boce, šalice, tanjure, zdjele i pladnjeve. Na tržištu su se afirmirali i u obliku vrećica za sakupljanje i naknadno kompostiranje otpada od hrane, vrećica za supermarkete, poljoprivrednih filmova i kozmetike. U tom slučaju može se koristiti standardna oprema za proizvodnju biorazgradivih polimera. Zbog svojih prednosti (otpornost na razgradnju u normalnim uvjetima, niska barijera za vodenu paru i kisik, nema problema s odlaganjem otpada, neovisnost o petrokemijskim sirovinama) nastavljaju pobjeđivatitržište.

Od glavnih nedostataka treba se prisjetiti poteškoća velike proizvodnje i relativno visoke cijene. Taj se problem, u određenoj mjeri, može riješiti velikim proizvodnim sustavima. Poboljšanje tehnologije također omogućuje dobivanje trajnijih i otpornijih materijala. Osim toga, treba napomenuti da postoji jaka tendencija fokusiranja na proizvode s prefiksom "eko". To olakšavaju i mediji i vladini i međunarodni programi podrške.

Mjere očuvanja postupno se pooštravaju, zbog čega su neki tradicionalni plastični proizvodi zabranjeni u nekim zemljama. Na primjer, paketi. Zabranjene su u Bangladešu (nakon što je utvrđeno da začepljuju sustave odvodnje i dvaput uzrokuju velike poplave) i Italiji. Postupno dolazi do spoznaje stvarne cijene koju treba platiti za pogrešne odluke. A razumijevanje da je potrebno osigurati sigurnost okoliša dovest će do sve više ograničenja za tradicionalnu plastiku. Srećom, postoji potražnja za prijelazom na još skuplje, ali ekološki prihvatljive materijale. Osim toga, istraživački centri u mnogim zemljama i velike privatne tvrtke traže nove i jeftinije tehnologije, što je dobra vijest.

Zaključak

Pa smo razmotrili što su biorazgradivi polimeri, metode proizvodnje i opseg ovih materijala. Postoji konstantapoboljšanje i unapređenje tehnologija. Stoga se nadajmo da će u narednim godinama cijena biorazgradivih polimera doista sustići materijale dobivene tradicionalnim metodama. Nakon toga, prijelaz na sigurniji i ekološki prihvatljiviji razvoj bit će samo pitanje vremena.