Biologicky odbúrateľné polyméry: koncepcia, vlastnosti, spôsoby prípravy a príklady reakcií

2024 Autor: Howard Calhoun | [email protected]. Naposledy zmenené: 2023-12-17 10:39

Môžete si všimnúť, že za posledné desaťročie si získali popularitu produkty s predponou „bio“pridanou k názvu. Je určený na informovanie, že výrobok je bezpečný pre ľudí a prírodu. Aktívne ho propagujú médiá. Prišlo im to dokonca smiešne – pri výbere nápoja považujú za najlepší biokefír a biopalivo už nie je alternatívou ropy, ale ekologickým produktom. A nezabudnite na bioextrakty, vďaka ktorým kozmetika robí „zázraky“.

Všeobecné informácie

Teraz poďme vážne. Často pri pohybe po cestách môžete vidieť spontánne skládky. Okrem toho existujú plnohodnotné skládky, kde sa ukladá ľudský odpad. Zdá sa, že to nie je zlé, ale je tu jedno mínus - príliš dlhý čas rozkladu. Existuje veľké množstvo spôsobov, ako to vyriešiť - ide o recykláciu odpadu a používanie menej škodlivých materiálov, ktoré rýchlo ničia rozkladače. Poďme sa porozprávať o druhom prípade.

Tu je veľa bodov. Obaly, pneumatiky, sklo, deriváty chemického priemyslu. Všetky vyžadujúpozornosť. Konkrétny univerzálny recept však neexistuje. Preto je potrebné vedieť konkrétne, čo a ako zabezpečiť prevenciu znečisťovania životného prostredia.

Biologicky odbúrateľné polyméry boli vyvinuté ako odpoveď na problém likvidácie plastového odpadu. Nie je žiadnym tajomstvom, že ich objem každým rokom rastie. Pre ich skrátené označenie sa používa aj slovo biopolyméry. V čom spočíva ich zvláštnosť? V prostredí sa môžu rozkladať pôsobením fyzikálnych faktorov a mikroorganizmov – plesní alebo baktérií. Polymér sa považuje za taký, ak sa celá jeho hmota absorbuje vo vode alebo pôde do šiestich mesiacov. Čiastočne sa tým rieši problém odpadu. Súčasne sa získajú produkty rozkladu - voda a oxid uhličitý. Ak existuje niečo iné, potom je potrebné preskúmať bezpečnosť a prítomnosť toxických látok. Môžu sa tiež recyklovať pomocou väčšiny štandardných technológií výroby plastov, ako je extrúzia, vyfukovanie, tepelné tvarovanie a vstrekovanie.

Na akých oblastiach pracujeme?

Získanie biodegradovateľných polymérov je pomerne namáhavá úloha. Vývoj technológií, ktoré umožňujú získať bezpečné materiály, sa aktívne uskutočňuje v Spojených štátoch, na európskom kontinente, v Japonsku, Kórei a Číne. Žiaľ, treba poznamenať, že v Rusku sú výsledky neuspokojivé. Vytvorenie technológie na biodegradáciu plastov a ich výrobu z obnoviteľných surovín je drahé potešenie. Okrem toho má krajina stále dostatok ropy na výrobu polymérov. Ale všetkorovnako možno rozlíšiť tri hlavné smery:

1. Výroba biodegradovateľných polyesterov na báze hydroxykarboxylových kyselín.
2. Vytváranie plastov na báze reprodukovateľných prírodných zložiek.
3. Priemyselné polyméry sa stávajú biologicky odbúrateľné.

Ale čo v praxi? Pozrime sa bližšie na to, ako sa vyrábajú biologicky odbúrateľné polyméry.

Bakteriálne polyhydroxyalkanoáty

Mikroorganizmy často rastú v prostrediach, kde sú dostupné živné uhlíky. V tomto prípade je nedostatok fosforu alebo dusíka. V takýchto prípadoch mikroorganizmy syntetizujú a akumulujú polyhydroxyalkanoáty. Slúžia ako zásoba uhlíkov (zásoby potravín) a energie. V prípade potreby môžu rozkladať polyhydroxyalkanoáty. Táto vlastnosť sa využíva na priemyselnú výrobu materiálov tejto skupiny. Pre nás sú najdôležitejšie polyhydroxybutyrát a polyhydroxyvalerát. Tieto plasty sú teda biologicky odbúrateľné. Zároveň sú to alifatické polyestery odolné voči ultrafialovému žiareniu.

Treba poznamenať, že hoci majú dostatočnú stabilitu vo vodnom prostredí, more, pôda, kompostovanie a recyklačné prostredie prispievajú k ich biologickému rozkladu. A deje sa to celkom rýchlo. Napríklad, ak má kompost vlhkosť 85% a 20-60 stupňov Celzia, tak rozklad na oxid uhličitý a vodu bude trvať 7-10 týždňov. Kde sa používajú polyhydroxyalkanoáty?

Onisa používajú na výrobu biologicky rozložiteľných obalov a netkaných materiálov, jednorazových utierok, vlákien a fólií, výrobkov osobnej starostlivosti, vodoodpudivých náterov na lepenku a papier. Spravidla prepúšťajú kyslík, sú odolné voči agresívnym chemikáliám, majú relatívnu tepelnú stabilitu a pevnosť porovnateľnú s polypropylénom.

Keď už hovoríme o nevýhodách biodegradovateľných polymérov, treba poznamenať, že sú veľmi drahé. Príkladom je Biopol. Stojí 8-10 krát viac ako tradičný plast. Preto sa používa len v medicíne, na balenie niektorých parfumov a produktov osobnej starostlivosti. Obľúbenejší medzi polyhydroxyalkanoátmi je mirel, získaný zo scukorneného kukuričného škrobu. Jeho výhodou je relatívne nízka cena. Jeho cena je však stále dvakrát vyššia ako cena tradičného polyetylénu s nízkou hustotou. Suroviny zároveň tvoria 60 % nákladov. A hlavné úsilie smeruje k nájdeniu jeho lacných náprotivkov. Ide o škrob z obilnín, ako je pšenica, raž, jačmeň.

Kyselina polymliečna

Výroba biodegradovateľných polymérov na balenie sa tiež vykonáva pomocou polylaktidu. Je to tiež kyselina polymliečna. Čo predstavuje? Je to lineárny alifatický polyester, kondenzačný produkt kyseliny mliečnej. Ide o monomér, z ktorého je polylaktid umelo syntetizovaný baktériami. Treba si uvedomiť, že jeho výroba pomocou baktérií je jednoduchšia ako tradičná metóda. Polylaktidy totiž vytvárajú baktérie z dostupných cukrov v technologicky jednoduchom procese. Samotný polymér je zmesou dvoch optických izomérov s rovnakým zložením.

Výsledná látka má pomerne vysokú tepelnú stabilitu. Takže k vitrifikácii dochádza pri teplote 90 stupňov Celzia, zatiaľ čo k topeniu dochádza pri teplote 210-220 stupňov Celzia. Polylaktid je tiež odolný voči UV žiareniu, mierne horľavý a ak horí, potom s malým množstvom dymu. Dá sa spracovať všetkými metódami, ktoré sú vhodné pre termoplasty. Produkty získané z polylaktidu majú vysokú tuhosť, lesk a sú priehľadné. Vyrábajú sa z nich taniere, podnosy, filmy, vlákna, implantáty (takto sa využívajú biodegradovateľné polyméry v medicíne), obaly na kozmetiku a potravinárske výrobky, fľaše na vodu, džús, mlieko (nie však sýtené nápoje, pretože materiál prechádza oxid uhličitý). Rovnako ako látky, hračky, obaly na mobilné telefóny a počítačové myši. Ako vidíte, využitie biodegradovateľných polymérov je veľmi rozsiahle. A to je len pre jednu z ich skupín!

Produkcia a biodegradácia kyseliny polymliečnej

Prvýkrát bol patent na jeho výrobu vydaný už v roku 1954. Komercializácia tohto bioplastu sa však začala až začiatkom 21. storočia – v roku 2002. Napriek tomu už existuje veľké množstvo spoločností, ktoré sa zaoberajú jeho výrobou - len v Európe je ich viac ako 30. Dôležitá výhodakyselina polymliečna je relatívne lacná – už teraz takmer na rovnakej úrovni konkuruje polypropylénu a polyetylénu. Predpokladá sa, že už v roku 2020 ich bude môcť polylaktid začať pretláčať na svetový trh. Aby sa zvýšila jeho biologická odbúrateľnosť, často sa doň pridáva škrob. To má pozitívny vplyv aj na cenu produktu. Je pravda, že výsledné zmesi sú dosť krehké a musia sa do nich pridávať zmäkčovadlá, ako je sorbitol alebo glycerín, aby bol konečný produkt pružnejší. Alternatívnym riešením problému je vytvorenie zliatiny s inými odbúrateľnými polyestermi.

Kyselina polymliečna sa rozkladá v dvoch krokoch. Najprv sa esterové skupiny hydrolyzujú vodou, čo vedie k tvorbe kyseliny mliečnej a niekoľkých ďalších molekúl. Potom sa v určitom prostredí za pomoci mikróbov rozložia. Polylaktidy podstúpia tento proces za 20-90 dní, po ktorých zostane iba oxid uhličitý a voda.

Úprava škrobu

Keď sa používajú prírodné suroviny, je to dobré, pretože zdroje na to sa neustále obnovujú, takže sú prakticky neobmedzené. Škrob si v tomto smere získal najväčšiu obľubu. Má však nevýhodu - má zvýšenú schopnosť absorbovať vlhkosť. Tomu sa však dá vyhnúť, ak si všimnete časť hydroxylových skupín na esteri.

Chemická úprava umožňuje vytvárať dodatočné väzby medzi časťami polyméru, čo pomáha zvyšovať tepelnú odolnosť, stabilituna kyseliny a šmykovú silu. Výsledný modifikovaný škrob sa používa ako biologicky odbúrateľný plast. V komposte sa rozloží pri 30 stupňoch za dva mesiace, vďaka čomu je veľmi šetrný k životnému prostrediu.

Na zníženie ceny materiálu sa používa surový škrob, ktorý sa zmiešava s mastencom a polyvinylalkoholom. Môže byť vyrobený pomocou rovnakého zariadenia ako pre obyčajný plast. Modifikovaný škrob je tiež možné farbiť a tlačiť pomocou konvenčných techník.

Upozorňujeme, že tento materiál má antistatický charakter. Nevýhodou škrobu je, že jeho fyzikálne vlastnosti sú vo všeobecnosti horšie ako petrochemicky vyrábané živice. Teda polypropylén, ako aj vysokotlakový a nízkotlakový polyetylén. A predsa sa používa a predáva na trhu. Používa sa teda na výrobu paliet na potravinárske produkty, poľnohospodárske fólie, obalové materiály, príbory, ale aj siete na ovocie a zeleninu.

Používanie iných prírodných polymérov

Toto je relatívne nová téma – biodegradovateľné polyméry. Racionálny manažment prírody prispieva k novým objavom v tejto oblasti. Pri výrobe biodegradovateľných plastov sa používa toľko iných prírodných polysacharidov: chitín, chitosan, celulóza. A to nielen samostatne, ale aj v kombinácii. Napríklad film so zvýšenou pevnosťou sa získa z chitosanu, mikrocelulózového vlákna a želatíny. A ak ho zakopete do zeme, rýchlo to buderozložené mikroorganizmami. Dá sa použiť na balenie, podnosy a podobné predmety.

Okrem toho sú celkom bežné kombinácie celulózy s anhydridmi dikarboxylových kyselín a epoxidovými zlúčeninami. Ich sila je v tom, že sa rozložia za štyri týždne. Z výsledného materiálu sa vyrábajú fľaše, fólie na mulčovanie, jednorazový riad. Ich tvorba a produkcia každým rokom aktívne rastie.

Biologická odbúrateľnosť priemyselných polymérov

Tento problém je celkom relevantný. Biologicky odbúrateľné polyméry, ktorých príklady pre reakcie s prostredím boli uvedené vyššie, nevydržia v životnom prostredí ani rok. Zatiaľ čo priemyselné materiály ho môžu znečisťovať desaťročia a dokonca storočia. To všetko platí pre polyetylén, polypropylén, polyvinylchlorid, polystyrén, polyetyléntereftalát. Skrátenie času ich degradácie je preto dôležitou úlohou.

Na dosiahnutie tohto výsledku existuje niekoľko možných riešení. Jednou z najbežnejších metód je zavedenie špeciálnych prísad do molekuly polyméru. A v teple alebo na svetle sa proces ich rozkladu urýchľuje. To je vhodné pre jednorazový riad, fľaše, obalové a poľnohospodárske fólie, tašky. Ale, bohužiaľ, existujú aj problémy.

Prvým je, že aditíva sa musia používať tradičnými spôsobmi – lisovaním, odlievaním, vytláčaním. V tomto prípade by sa polyméry nemali rozkladať, aj keď sú vystavené teplotespracovanie. Okrem toho by prísady nemali urýchľovať rozklad polymérov na svetle a tiež umožňovať možnosť dlhodobého používania pod ním. To znamená, že je potrebné sa uistiť, že proces degradácie sa spustí v určitom okamihu. To je veľmi ťažké. Technologický proces zahŕňa pridanie 1-8% prísad (napríklad sa zavádza vyššie diskutovaný škrob) ako súčasť malého typického spôsobu spracovania, keď ohrev suroviny nepresiahne 12 minút. Zároveň je však potrebné zabezpečiť, aby boli rovnomerne rozložené v celej polymérnej hmote. To všetko umožňuje udržať dobu degradácie v rozmedzí od deviatich mesiacov do piatich rokov.

Vyhliadky na rozvoj

Hoci používanie biodegradovateľných polymérov naberá na obrátkach, v súčasnosti tvoria mizivé percento z celkového trhu. Napriek tomu však stále našli pomerne široké uplatnenie a stávajú sa čoraz obľúbenejšími. Už teraz sú celkom dobre zakorenené vo výklenku balenia potravín. Okrem toho sa biodegradovateľné polyméry široko používajú na jednorazové fľaše, poháre, taniere, misky a podnosy. Na trhu sa presadili aj v podobe vriec na zber a následné kompostovanie potravinového odpadu, vriec do supermarketov, poľnohospodárskych fólií a kozmetiky. V tomto prípade možno použiť štandardné vybavenie na výrobu biodegradovateľných polymérov. Vďaka svojim výhodám (odolnosť voči degradácii za normálnych podmienok, nízka bariéra voči vodnej pare a kyslíku, bezproblémová likvidácia odpadu, nezávislosť na petrochemických surovinách) naďalej víťaziatrh.

Z hlavných nevýhod je potrebné pripomenúť ťažkosti pri výrobe vo veľkom meradle a relatívne vysoké náklady. Tento problém možno do určitej miery vyriešiť veľkovýrobnými systémami. Zlepšenie technológie tiež umožňuje získať odolnejšie materiály odolné voči opotrebovaniu. Okrem toho je potrebné poznamenať, že existuje silná tendencia zamerať sa na produkty s predponou „eko“. Uľahčujú to médiá, vláda a medzinárodné podporné programy.

Opatrenia na ochranu prírody sa postupne sprísňujú, čo vedie k tomu, že niektoré tradičné plastové výrobky sú v niektorých krajinách zakázané. Napríklad balíčky. Sú zakázané v Bangladéši (po tom, čo sa zistilo, že upchávajú kanalizačné systémy a dvakrát spôsobujú veľké záplavy) a Taliansku. Postupne prichádza k uvedomeniu si skutočnej ceny, ktorú treba zaplatiť za nesprávne rozhodnutia. A pochopenie toho, že je potrebné zabezpečiť bezpečnosť životného prostredia, povedie k čoraz väčším obmedzeniam tradičného plastu. Našťastie je tu dopyt po prechode na ešte drahšie, no ekologicky šetrné materiály. Okrem toho výskumné centrá v mnohých krajinách a veľké súkromné spoločnosti hľadajú nové a lacnejšie technológie, čo je dobrá správa.

Záver

Zvážili sme teda, čo sú biodegradovateľné polyméry, spôsoby výroby a rozsah týchto materiálov. Existuje konštantazlepšovanie a zlepšovanie technológií. Dúfajme teda, že v najbližších rokoch sa náklady na biodegradovateľné polyméry skutočne vyrovnajú materiálom získaným tradičnými metódami. Potom bude prechod na bezpečnejší a ekologickejší vývoj len otázkou času.