Можно заметить, что за последнее десятилетие приобретают популярность товары, к названию которых добавляется приставка «био». Она призвана сообщить, что продукт безопасен для человека и природы. Это активно продвигается средствами массовой информации. Дошло даже до смешного – при выборе напитка считают лучшим биокефир, а биотопливо уже не альтернатива нефти, а экологически чистый продукт. Да и о биоэкстрактах, заставляющих косметику творить «чудеса», не стоит забывать.
Общая информация
А теперь давайте о серьезном. Часто, передвигаясь по дорогам, можно видеть стихийные свалки. Кроме этого, есть полноценные полигоны, где складируются отходы жизнедеятельности людей. Вроде бы не плохо, но есть один минус – слишком долгий срок разложения. Способов исправить это существует большое количество – это и переработка мусорных отходов, и использование менее вредных материалов, которые быстро уничтожают редуценты. Вот о втором случае мы и поговорим.
Здесь существует множество моментов. Упаковка, шины, стекло, производные химической промышленности. Все они требуют внимания. При этом не существует определенного универсального рецепта. Поэтому необходимо конкретно знать, чем и как обеспечить предотвращение загрязнения окружающей среды.
Биоразлагаемые полимеры были разработаны как ответ на проблему утилизации пластиковых отходов. Ведь не секрет, что их объем растет с каждым годом. Для их сокращенного обозначения также используется слово биополимеры. В чем же их особенность? Они могут разлагаться в окружающей среде благодаря действию физических факторов и микроорганизмов – грибков или бактерий. Полимер считается таковым, если вся его масса поглощается в воде или почве за шесть месяцев. Это позволяет частично решить проблему отходов. При этом получают продукты распада – вода и углекислый газ. Если есть что-то еще, то это необходимо исследовать на предмет безопасности и наличия токсичных веществ. Также они могут быть переработаны большинством стандартных технологий производства пластмасс, как-то экструзия, выдувное, горячее и литьевое формование.
По каким направлениям ведется работа?
Получение биоразлагаемых полимеров является довольно трудоемким занятием. Разработка технологий, позволяющих получать безопасные материалы, активно осуществляется в США, на европейском континенте, в Японии, Корее и Китае. К сожалению, необходимо отметить, что в России результаты неудовлетворительные. Создание технологии биодеградации пластиков и их получение из возобновляемого сырья – это дорогое удовольствие. К тому же, в стране пока хватает нефти для производства полимеров. Но все же, три основные направления можно выделить:
- Производство на основе гидроксикарбоновых кислот биоразлагаемых полиэфиров.
- Создание пластических масс на основе воспроизводимых природных компонентов.
- Приобретение промышленными полимерами свойства биоразлагаемости.
Но что же на практике? Давайте рассмотрим более детально, как осуществляется получение биоразлагаемых полимеров.
Полигидроксиалканоаты бактерий
Микроорганизмы часто растут в средах, где имеются питательные углеродные вещества. При этом наблюдается дефицит фосфора или азота. В таких случаях микроорганизмы синтезируют и накапливают полигидроксиалканоаты. Они служат резервом углеродов (запасы пищи) и энергии. При необходимости они могут разлагать полигидроксиалканоаты. Это свойство используется для промышленного получения материалов данной группы. Наиболее важным для нас является полигидрокси бутират и полигидрокси валерат. Таким образом, эти пластики являются биодеградируемыми. При этом, они - алифатические полиэфиры, стойкие к ультрафиолетовому облучению.
Следует отметить, что хотя они обладают достаточной стабильностью в водной среде, море, почва, среда компостирования и переработки отходов способствует их биологическому разложению. Причем это происходит довольно быстро. Например, если компост имеет влажность 85 % и 20-60 градусов тепла, то разложение на углекислый газ и воду займет 7-10 недель. Где же используются полигидроксиалканоаты?
Они применяются для изготовления биоразлагаемых упаковочных и нетканых материалов, одноразовых салфеток, волокон и пленок, предметов личной гигиены, водоотталкивающих покрытий для картона и бумаги. Как правило, они могут пропускать кислород, стойки к агрессивным химикатам, обладают относительной термостабильностью, имеют прочность, сопоставимую с полипропиленом.
Говоря про недостатки биоразлагаемых полимеров, необходимо отметить тот факт, что они весьма дороги. В качестве примера можно привести "Биопол". Он стоит раз в 8-10 дороже, нежели традиционный пластик. Поэтому его используют только в медицине, для упаковывания некоторых парфюмерных товаров и изделий личной гигиены. Более популярных среди полигидроксиалканоатов является мирел, получаемый из осахаренного кукурузного крахмала. Его преимуществом является относительно невысокая стоимость. Но, тем не менее, его цена все еще вдвое превышает то, во сколько обходится традиционный полиэтилен низкого давления. При этом на сырье приходится 60 % себестоимости. И основные усилия направлены на поиск его дешевых аналогов. Рассматриваемая перспектива – это крахмал зерновых, вроде пшеницы, ржи, ячменя.
Полимолочная кислота
Производство биоразлагаемых полимеров для упаковок осуществляется и с использованием полилактида. Он же – полимолочная кислота. Что он собой представляет? Это линейный алифатический полиэфир, продукт конденсации молочной кислоты. Он является мономером, из которого искусственно синтезируется полилактид с помощью бактерий. Следует отметить, что ее производство с помощью бактерий является более легким, нежели традиционный способ. Ведь полилактиды создаются бактериями из доступных сахаров в рамках технологически несложного процесса. Сам полимер являет собой смесь двух оптических изомеров, обладающих одним и тем же составом.
Полученная субстанция обладает довольно высокой термической стабильностью. Так, стеклование происходит при температуре в 90 градусов тепла, тогда как плавление – при 210-220 по Цельсию. Также полилактид устойчив к ультрафиолету, слабо воспламеняем, а если и горит, то с небольшим выделением дыма. Его можно переработать с использованием всех способов, которые подходят для термопластов. Изделия, получение из полилактида обладают высокой жесткостью, блеском, прозрачны. Из них делают тарелки, подносы, пленку, волокно, имплантаты (так используются биоразлагаемые полимеры в медицине), упаковки для косметики и пищевых продуктов, бутылки для воды, соков, молока (но не газированных напитков, ибо материал пропускает углекислый газ). А также ткани, игрушки, корпусы для сотовых телефонов и компьютерные мышки. Как видите, применение биоразлагаемых полимеров весьма обширно. И это только для одной их группы!
Производство и биодеградация полимолочной кислоты
Впервые патент на ее производство выдали еще в 1954 году. Но коммерциализация этого биопластика началась только в начале 21-ого века – в 2002 году. Несмотря на это, уже сейчас существует большое количество компаний, что занимаются его изготовлением – только в Европе их свыше 30 штук. Важным преимуществом полимолочной кислоты является относительно невысокая стоимость – она уже практически на равных конкурирует с полипропиленом и полиэтиленом. Предполагается, что уже в 2020 году полилактид сможет их начать теснить на мировом рынке. Для повышения его способности к биологическому разложению к нему часто добавляют крахмал. Это также позитивно сказывается на цене продукта. Правда, получаемые смеси довольно непрочные, и к ним приходится добавлять пластификаторы, такие как сорбит или глицерин, чтобы конечный продукт был более эластичным. Альтернативный вариант решения проблемы – создание сплава с другими разлагаемыми полиэфирами.
Полимолочная кислота разлагается в два этапа. Вначале эфирные группы с помощью воды подвергаются гидролизу, вследствие чего формируется молочная кислота и немного иных молекул. Затем они разлагаются в определенной среде с помощью микробов. Полилактиды этот процесс проходят за 20-90 дней, после чего остается только углекислый газ и вода.
Модификация крахмала
Когда используется природное сырье, то это хорошо, ведь ресурсы для него постоянно возобновляются, поэтому они практически не ограничены. Наиболее широкую популярность в этом плане приобрел крахмал. Но он имеет недостаток – обладает повышенной способностью к впитыванию влаги. Но этого можно избежать, если заметить часть гидроксильных групп на сложноэфирные.
Проведение химической обработки позволяет создавать дополнительные связи меж частями полимера, что способствует увеличению теплостойкости, устойчивости к кислотам и срезающему усилию. Полученный результат – модифицированный крахмал – используется как биоразлагаемая пластмасса. Она разлагается при 30 градусах тепла в компосте за два месяца, благодаря чему обладает высокой экологичностью.
Чтобы снизить себестоимость материала, используют неочищенный крахмал, который смешан с тальком и поливиниловым спиртом. Производить его можно, используя то же оборудование, что и для обыкновенной пластмассы. Также модифицированный крахмал можно окрашивать и наносить на него печать с применением обычных технологий.
Необходимо учитывать, что данный материал является антистатичным по своей природе. Недостатком крахмала является то, что его физические свойства, в целом, уступают смолам, полученным нефтехимическим путем. То есть полипропиленам, а также полиэтилену высокого и низкого давления. И тем не менее, он применяется и реализуется на рынке. Так, из него делают поддоны для пищевых продуктов, сельскохозяйственные пленки, упаковочные материалы, столовые приборы, а также сеточки для фруктов и овощей.
Использование иных природных полимеров
Это относительно новая тема – биоразлагаемые полимеры. Рациональное природопользование способствует все новым открытиям в этой сфере. Так что в производстве биодеградируемых пластиков используется множество иных природных полисахаридов: хитин, хитозан, целлюлозу. Причем не только по отдельности, но и в комбинации. Например, из хитозана, микроцеллюлозного волокна и желатина получают пленку с повышенной прочностью. И если ее захоронить в землю, то она быстро будет разложена микроорганизмами. Она может быть использована для упаковки, подносов и подобных изделий.
Кроме этого, довольно распространены комбинации целлюлозы с ангидридами дикарбоновых кислот и эпоксидными соединениями. Их сильной стороной является то, что они разлагаются за четыре недели. Из полученного материала делают бутыли, пленки для мульчирования, одноразовую посуду. Их создание и производство активно растет каждый год.
Придание свойства биоразлагаемости промышленным полимерам
Эта проблема довольно актуальна. Биоразлагаемые полимеры, примеры реакций с окружающей средой которых были приведены выше, не продержатся в окружающей среде и года. Тогда как промышленные материалы могут загрязнять ее десятилетиями и даже столетиями. Все это относится к полиэтилену, полипропилену, поливинилхлориду, полистиролу, полиэтилентерефталату. Поэтому сокращение сроков их деградации является важной задачей.
Чтобы добиться такого результата, существует несколько возможных решений. Один из наиболее распространенных методов – это введение специальных добавок в полимерную молекулу. И в тепле или на свету ускоряется процесс их разложения. Это целесообразно для одноразовой посуды, бутылок, упаковочных и сельскохозяйственных пленок, пакетов. Но, увы, есть и проблемы.
Первая – это то, что добавки должны использоваться в рамках традиционных способов – формирования, литья, экструзии. При этом полимеры не должны разлагаться, хотя они и подвергаются температурной обработке. Кроме этого, добавки не должны ускорять разложение полимеров на свету, а также допускать возможность длительного использования при нем. То есть необходимо сделать так, чтобы процесс деградации запускался в определенный момент. Это очень сложно. Технологический процесс предусматривает добавление 1-8 % добавок (например, вводят рассмотренный ранее крахмал) в рамках небольшого типового способа обработки, когда нагрев сырья не превышает 12 минут. Но при этом необходимо добиться, чтобы они равномерно распределялись по всей полимерной массе. Все это позволяет держать срок деградации в диапазоне от девяти месяцев до пяти лет.
Перспективы развития
Хотя применение биоразлагаемых полимеров и набирает обороты, сейчас они составляют жалкие проценты от общего рынка. Но, тем не менее, довольно широкое применение они все же нашли и становятся все популярнее. Уже сейчас они довольно неплохо закрепились в нише упаковки пищевых продуктов. Кроме этого, биоразлагаемые полимеры широко используются для одноразовых бутылок, стаканчиков, тарелок, мисок и поддонов. Также они закрепились на рынке в виде мешков для сбора и последующего компостирования пищевых отходов, пакетов для супермаркетов, сельскохозяйственных пленок и косметики. При этом может быть использовано стандартное оборудование для производства биоразлагаемых полимеров. Благодаря своим преимуществам (стойкость к деградации в обычных условиях, низкий барьер пропускания водного пара и кислорода, отсутствие проблем с утилизацией отходов, независимость от нефтехимического сырья), они продолжают завоевывать рынок.
Из основных недостатков следует вспомнить о сложностях крупнотоннажного производства и относительно высокую стоимость. Эту проблему, в определенной мере, позволяют решить крупномасштабные производственные системы. Совершенствование технологии же позволяет получать более прочные и износостойкие материалы. К тому же, необходимо отметить стойкую тенденцию ориентироваться на продукцию с приставкой «эко». Этому способствуют как средства массовой информации, так и государственные и международные программы поддержки.
Постепенно меры по охране природы ужесточаются, что приводит к тому, что некоторые изделия из традиционного пластика запрещаются в отдельных странах. Например, пакеты. Они под запретом в Бангладеше (после того, как выявилось, что они засоряли дренажные системы и два раза были причиной больших наводнений) и Италии. Постепенно приходит осознание реальной цены, которую приходится платить за неправильные решения. И понимание того, что нужно обеспечивать сохранность среды обитания, приведет к все большим ограничениям традиционного пластика. Благо, есть спрос на переход к пускай и более дорогим, но экологичным материалам. К тому же, научные центры многих стран и крупные частные компании занимаются поиском новых и более дешевых технологий, что не может не радовать.
Заключение
Вот мы и рассмотрели, что собой являют биоразлагаемые полимеры, способы получения и область применения данных материалов. Наблюдается постоянное улучшение и совершенствование технологий. Так что будем надеяться, что в ближайшие годы стоимость биоразлагаемых полимеров действительно сравняется с материалами, получаемыми традиционными методами. После этого переход на более безопасные и экологичные разработки будет только делом времени.
