XVI Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2024

Введение 

Больше 90% всех полимеров и пластмасс делают из нефти, газа или угля. А значит большая часть того что окружает нас, — упаковка, стройматериалы, детали автомобилей, ткани, электронные устройства — сделаны из невозобновляемых ресурсов. Впрочем, полимерные материалы еще в 60-е годы ХХ века научились получать из кукурузы, картофельного крахмала, пшеницы, сахарного тростника, но по технологическим свойствам они уступали полимерам из углеводородов, а их производство выходило экономически затратным.

Однако в последние годы производство полимеров из растений резко выросло, и тому есть причины. Про то, что нефть является невозобновимым ресурсом - известно. Но кроме этого, при любом производстве подсчитывается выброс СО₂, а по приблизительным подсчётам биоразлагаемые пластики на основе растительного сырья экономят от 1 то до 3 тонн газа на тонну продукции по сравнению с полиэтиленом полученным из органического топлива.

Помимо парникового эффекта, также имеет смысл напомнить о загрязнении мирового океана. Один 2020 год принёс 1 560 000 000 единиц отходов в виде одноразовых масок, общий вес которых оценивается 5000-6000 тонн. А ведь эти маски сделаны из нетканого полипропилена, которому для полного разложения требуется 400 лет.

В наше время пластики из растений сравнялись по свойствам с синтетическими, и уже достаточно затруднительно найти полимер, у которого не было бы растительного аналога, а во всём мире стало модно «зеленеть». Многие эксперты считают, что биоразлагаемые полимеры переживают некоторый бум.

Понятие о биоразлагаемом пластике

Термином «биоразлагаемый» принято называть полимер, ухудшение прежних качеств которого может быть хотя бы частично вызвана биологической системой. В целом, деструкция полимера включает первичные процессы поглощения тепла и света, диффузии компонентов среды в материале, его обрастания микроорганизмами. Микробные ферменты инициируют дальнейшие реакции разрыва химических связей в макромолекуле. Простым языком, под влиянием воды, солнца, воздуха и микроорганизмов изделие должно разложиться за 180 дней на вещества, которые, в свою очередь, являются природными питательными веществами для других микроорганизмов, бактерий, растений, простейших организмов. После разложения, максимум, что может остаться, – это соли и минералы природного происхождения.

Из чего бы ни были сделаны традиционные полимеры, проблема их утилизации остается. Согласно современным тенденциям, полиамид, полученный из касторового масла, или полиэтилен и полиэтилентерефталат из биомассы надлежит собирать и отправлять на переработку, точно так же, как и их нефтяные аналоги. Если переработка и повторное использование невозможны, тогда их сжигают.

Некоторые компании идут другим путем, смешивая традиционные полимеры с природными молекулами. Благодаря этому получается композитный материал, из которого делают упаковку для косметики, стаканчики для йогуртов и даже панели автомобиля.

Просто воспроизводить уже известные мономеры не так интересно, тем более что из нефти или газа они всё равно пока дешевле. Интересно создавать что-то новое и не наносящее вред окружающей среде. Поэтому огромное число исследователей ставят на биоразлагаемые пластики, полученные из растительного сырья, — собственно, они составляют 80% всего рынка биопластиков. Название «биоразлагаемые» говорит само за себя — как уже упоминалось, за шесть месяцев почвенные микроорганизмы переработают их до воды, диоксида углерода или метана с остатком максимум 10%, который также можно использовать в компосте. Таких биоразлагаемых биопластиков на рынке довольно много, причем спектр их технологических свойств уже почти перекрыл традиционные полимеры. Условно их можно разделить на следующие большие группы:

1. Полилактиды (ПЛА), то есть полимеры на основе молочной кислоты, образующейся после молочнокислого брожения сахаристых веществ;

2. Полигидроксиалконоаты (ПГА) — продукты переработки растительного сахара микроорганизмами; и материалы на основе крахмала.

Существуют также материалы, сделанные на основе лигнина, целлюлозы, поливинилового спирта, капролактона и других.

Крупнейшие представители БИО-полимеров

Крахмал — полисахарид, накапливаемый в процессе жизнедеятельности растений в их клубнях, семенах, стеблях и листьях.

В промышленных масштабах его получают из картофеля, кукурузы, пшеницы, риса. Пожалуй, самое распространенное сырье для биоразлагаемых материалов, с ним работают более 30% специализированных предприятий. Сам он довольно хрупкий, но если в него добавить растительные пластификаторы (глицерин, сорбитол), волокна льна, конопли или полимер молочной кислоты, полученный из кукурузы или свеклы, то это увеличит механическую прочность и пластичность. Модификация гидрофильных ОН-групп сделает его устойчивым к влаге. Таким образом, крахмал используют не только в качестве наполнителя, но и модифицируют его, после чего получается полимер, который разлагается в окружающей среде, но при этом обладает свойствами коммерчески полезного продукта.

Изделия из модифицированного крахмала производят на том же оборудовании, что и обыкновенную пластмассу, его можно красить. Правда, его технологические свойства пока уступают полиэтилену и полипропилену, которые он мог бы заменить. И все-таки из крахмала уже делают поддоны для пищевых продуктов, сельскохозяйственные пленки, упаковочные материалы, столовые приборы, сеточки для хранения овощей и фруктов и многое другое.

Полилактиды, или полимеры молочной кислоты (ПЛА), которые получают после ферментации сахаров кукурузы или другой биомассы, также используют довольно широко. Из 80 организаций, производящих в различных странах биоразлагаемые пластики или их смеси, полимеры на основе ПЛА делают около 20% компаний. На самом деле ПЛА (рис.1) часто смешивают с крахмалом для лучшего биологического разложения и рентабельности производства.

Полилактиды — яркие и прозрачные, поэтому они могут составить конкуренцию полистиролу и полиэтилентерефталату. Из них производят изделия с коротким сроком службы: упаковки для фруктов и овощей, яиц, деликатесных продуктов и выпечки, а также хирургические нити, используют их как средство доставки лекарств. Существуют ПЛА-бутылки для воды, соков, молочных продуктов.

Рисунок. Формула Полилактида

Полигидрокси-алканоаты (ПГА) — третьи по значимости биоразлагаемые полимеры (в промышленном масштабе ПГА производят около 8% компаний). Самые значительные представители этого семейства, полигидроксибутират (ПГБ) и полигидроксивалерат (ПГВ), также получают из сахаров. Из них делают упаковочные и нетканые материалы, одноразовые салфетки и предметы личной гигиены, пленки и волокна, связывающие вещества и покрытия, водоотталкивающие покрытия для бумаги и картона.

В общем и целом на упаковку идет примерно 60% биопластиков, причем не только биоразлагаемых. Эти полимеры также используют при производстве одноразовой посуды, в сельском хозяйстве (защитные пленки), электронике (разъемы, оболочка компьютеров, зарядные устройства, мобильные телефоны, клавиатуры).

Технология получения полимеров из растений появилась несколько десятилетий назад, но их производство долго оставалось в зачаточном состоянии по понятным причинам. В 2010 году было произведено 724 тысячи тонн биопластиков (включая биоразлагаемые пластики из углеводородного сырья), что составляет примерно 0,2% мирового рынка производства пластмасс (250 миллионов тонн в год). Когда как в 2020 году уже четверть мирового рынка пластмасс приходится на биопластики – это около 30–40 млн тонн в год.

Заключение

На сегодняшний день биоразлагаемые материалы очень тесно конкурируют с альтернативным пластиком. В основном, они применяются для изделий с коротким сроком службы. В пищевой промышленности из них производят биоразлагаемые пленки, одноразовую посуду (вилки, ложки, ножи, палочки, чашки, стаканы, бокалы, крышки, салфетки); упаковочные транспортировочные материалы (лотки для яиц из целлюлозы, подстаканники, бумажные пакеты); СИЗы.

Ухудшение экологической ситуации в мире, истощение ценных энергоресурсов (нефти, природного газа), скачки цен на эти продукты и нестабильность отраслей промышленности, напрямую зависящих от них, — все это заставило серьезно отнестись к возможности создания и использования дешевых, экологичных, «нефтенезависимых» пластиков, а именно, биоразлагаемых полимеров. Биоразлагаемые полимеры изготавливаются на основе возобновляемого растительного сырья, при захоронении происходит ее биохимическое разложение на полностью безопасные составляющие: воду, биомассу, диоксид углерода.

Эксперты считают, что самый высокий спрос ожидается на упаковку из полимеров монокарбоновых кислот для изготовления пленочной продукции, бутылей, а также жестких упаковок для овощей, фруктов, кисломолочных продуктов и хлебобулочных изделий. Лидирующую позицию может занять упаковка на основе поликапролактона и полигидроксиалканоатов (ПГА). Потенциал биопластика, в основном, зависит от его стоимости.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Журнал «Химия и жизнь» №9, 2012 https://elementy.ru/nauchno-populyarnaya_biblioteka/431714/Khimiya_i_zhizn_9_2012

2. https://foodsafety.ru/bio_polymers