XIII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2021

Биополимеры (полное название - биоразлагаемые полимеры) отличаются от остальных пластиков тем, что разлагаются в окружающей среде под действием физических факторов и микроорганизмов - бактерий или грибков. Полимер, как правило, считается биоразлагаемым, если вся его масса разлагается в почве или воде за период в шесть месяцев, что позволяет решать проблему отходов. Во многих случаях продукты распада биополимеров - углекислый газ и вода. Любые другие продукты разложения или остатки должны исследоваться на наличие токсичных веществ и безопасность. Биоразлагаемые полимеры можно перерабатывать с помощью большинства стандартных технологий производства пластмасс, включая горячее формование, экструзию, литьевое и выдувное формование.

Сейчас разработка биополимеров ведется по трем основным направлениям: производство биоразлагаемых полиэфиров на основе гидроксикарбоновых кислот; придание биоразлагаемости промышленным полимерам и производство пластических масс на основе воспроизводимых природных компонентов.

Большие надежды в развитии технологий биоразлагаемых полимеров связаны с полигидроксиалканоатами бактерий (ПГА), которые помимо термопластичности аналогично полипропилену и полиэтилену, обладают антиоксидантными и оптическими свойствами, пьезоэлектрическим эффектом и характеризуются высокой биосовместимостью. Это новый класс биоразрушаемых и биосовместимых полиэфиров, физико-химические свойства которых в зависимости от состава могут существенно варьироваться.

В общем виде структуру данного полимера можно представить формулой:

Исходя из длины углеродной цепи гидроксикислот, образующих полимеры (n), полиоксиалканоаты подразделяют на три основные группы: короткоцепочечные, состоящие из кислот с длиной углеродной цепи от 3 до 5 углеродных атомов; среднецепочечные, в составе которых от 6 до 14 атомов углерода; длинноцепочечные – с содержанием кислот С₁₇ и С₁₈.

Способность к биоразложению данных полимеров обусловлена тем, что при росте некоторых микроорганизмов на средах, содержащих питательные углеродные вещества и имеющих дефицит азота или фосфора, микробные клетки начинают синтезировать и накапливать ПГА, которые служат им резервом энергии и углерода (запасом пищи). При необходимости эти же микроорганизмы могут разлагать ПГА. Таким образом, эти алифатические полиэфиры – полностью биодеградируемые пластики. Хотя эти полимеры стабильны в водной среде, они поддаются биологическому разложению в морской воде, почве, в средах компостирования и переработки отходов. В компосте при влажности 85% и температуре 20-60 °С они разлагаются на воду и углекислый газ за 7–10 недель.

Важнейшими из ПГА являются полигидроксибутират (ПГБ) и его сополимер Biopol с полигидроксивалератом (ПГВ). Biopol характеризуется относительной термостабильностью, пропускает кислород, устойчив к агрессивным химикатам и имеет прочность, сопоставимую с полипропиленом.

Возможные области применения ПГА - это изготовление биоразлагаемых упаковочных материалов и формованных товаров, нетканых материалов, одноразовых салфеток, предметов личной гигиены, пленок и волокон, водоотталкивающих покрытий для бумаги и картона. Однако объемы производства всех ПГА несопоставимо малы по сравнению с традиционными полимерными материалами. Дело в том, что его себестоимость в 8-10 раз выше, чем у традиционных пластиков.

Возможности частичного снижения себестоимости ПГА связаны с поиском максимально дешевого сырья, поскольку стоимость сырья в себестоимости ПГА составляет 60%. За рубежом (в США, в частности) сырьем для получения ПГА служит глюкоза, получаемая из осахаренного кукурузного крахмала. Для России перспективным сырьем сегодня является крахмал зерновых (пшеница, рожь, ячмень) и, в перспективе, производные древесного сырья. Усилия, направленные на расширение сырьевой базы для получения биоразлагаемых полиэфиров на основе гидроксикарбоновых кислот, привели к тому что себестоимость полимера значительно снизилась, но сохраняется разница в 2 – 2,5 раза с себестоимостью традиционного полиэтилена в России, что по прежнему ограничивает производство и применение ПГА.

Список литературы:

1. Легонькова, О. А. Анализ современных представлений о биоразлагаемых полимерных материалах / О. А. Легонькова // Лакокрасочные материалы и их применение. – 2006. – № 4. – С. 43–45.

2. Власов, С. В. Биоразлагаемые полимерные материалы / С. В. Власов, А. А. Ольхов // Полимерные материалы: изделия, 103 оборудование, технологии. – 2006. – № 7. – С. 23–26; № 8. – С. 35– 36; № 10. – С. 28–33

3. Попов, А. Биоразлагаемые полимерные материалы / А. Попов // Тара и упаковка. – 2007. – № 3. – С. 43–47.

4. Основные направления в области создания биоразлагаемых термопластов / С. П. Рыбкина [и др.] // Пластические массы. – 2008. – № 10. – С. 47–54.

5. Отходы пищевой промышленности – перспективное сырье для биоразлагаемых упаковочных композиций / В. В. Колпакова [и др.] // Пищевая промышленность. – 2008. – № 6. – С. 16–19.