Bioloģiski noārdāmi polimēri: koncepcija, īpašības, sagatavošanas metodes un reakciju piemēri

2024 Autors: Howard Calhoun | [email protected]. Pēdējoreiz modificēts: 2023-12-17 10:35

Varat pamanīt, ka pēdējās desmitgades laikā produkti, kuru nosaukumam pievienots prefikss "bio", ir ieguvuši popularitāti. Tas ir paredzēts, lai informētu, ka produkts ir drošs cilvēkiem un dabai. To aktīvi popularizē mediji. Sanāca pat līdz smieklīgumam - izvēloties dzērienu, viņi par labāko uzskata biokefīru, un biodegviela vairs nav alternatīva eļļai, bet gan videi draudzīgs produkts. Un neaizmirstiet par bioekstraktiem, kas liek kosmētikai darīt "brīnumus".

Vispārīga informācija

Tagad būsim nopietni. Bieži vien, pārvietojoties pa ceļiem, var redzēt spontānas izgāztuves. Turklāt ir pilnvērtīgi poligoni, kur tiek glabāti cilvēku atkritumi. Šķiet, ka nav slikti, bet ir viens mīnuss - pārāk ilgs sadalīšanās laiks. Ir daudz veidu, kā to novērst - tā ir atkritumu pārstrāde un mazāk kaitīgu materiālu izmantošana, kas ātri iznīcina sadalītājus. Parunāsim par otro gadījumu.

Šeit ir daudz punktu. Iepakojums, riepas, stikls, ķīmiskās rūpniecības atvasinājumi. Visi no tiem prasauzmanību. Tomēr īpašas universālas receptes nav. Tāpēc ir konkrēti jāzina, ko un kā nodrošināt vides piesārņojuma novēršanu.

Bioloģiski noārdāmie polimēri tika izstrādāti kā atbilde uz plastmasas atkritumu apglabāšanas problēmu. Nav noslēpums, ka to apjoms ar katru gadu pieaug. Vārds biopolimēri tiek lietots arī to saīsinātajam apzīmējumam. Kāda ir viņu īpatnība? Tie var sadalīties vidē fizikālo faktoru un mikroorganismu – sēnīšu vai baktēriju – darbības rezultātā. Polimēru uzskata par tādu, ja visa tā masa sešu mēnešu laikā uzsūcas ūdenī vai augsnē. Tas daļēji atrisina atkritumu problēmu. Tajā pašā laikā tiek iegūti sadalīšanās produkti - ūdens un oglekļa dioksīds. Ja ir vēl kas, tad jāizmeklē drošība un toksisko vielu klātbūtne. Tos var arī pārstrādāt ar lielāko daļu standarta plastmasas ražošanas tehnoloģiju, piemēram, ekstrūzijas, izpūšanas, termoformēšanas un iesmidzināšanas formēšanas.

Kurās jomās mēs strādājam?

Bioloģiski noārdāmu polimēru iegūšana ir diezgan darbietilpīgs uzdevums. Tehnoloģiju izstrāde, kas ļauj iegūt drošus materiālus, tiek aktīvi izstrādāta ASV, Eiropas kontinentā, Japānā, Korejā un Ķīnā. Diemžēl jāatzīmē, ka Krievijā rezultāti ir neapmierinoši. Plastmasu bioloģiskās noārdīšanās un to ražošanas no atjaunojamām izejvielām tehnoloģijas radīšana ir dārgs prieks. Turklāt valstī joprojām ir pietiekami daudz naftas polimēru ražošanai. Bet vissvar izdalīt trīs galvenos virzienus:

1. Bioloģiski noārdāmu poliesteru ražošana uz hidroksikarbonskābju bāzes.
2. Plastmasas veidošana, pamatojoties uz reproducējamām dabīgām sastāvdaļām.
3. Rūpnieciskie polimēri kļūst bioloģiski noārdāmi.

Bet kā ir praksē? Apskatīsim sīkāk, kā tiek ražoti bioloģiski noārdāmi polimēri.

Baktēriju polihidroksialkanoāti

Mikroorganismi bieži aug vidē, kur ir pieejams uzturvielu ogleklis. Šajā gadījumā trūkst fosfora vai slāpekļa. Šādos gadījumos mikroorganismi sintezē un uzkrāj polihidroksialkanoātus. Tie kalpo kā oglekļa (pārtikas krājumi) un enerģijas rezerve. Ja nepieciešams, tie var sadalīt polihidroksialkanoātus. Šis īpašums tiek izmantots šīs grupas materiālu rūpnieciskai ražošanai. Mums vissvarīgākie ir polihidroksibutirāts un polihidroksivalerāts. Tādējādi šīs plastmasas ir bioloģiski noārdāmas. Tajā pašā laikā tie ir alifātiski poliesteri, kas ir izturīgi pret ultravioleto starojumu.

Jāatzīmē, ka, lai gan tiem ir pietiekama stabilitāte ūdens vidē, jūra, augsne, kompostēšanas un pārstrādes vide veicina to bioloģisko noārdīšanos. Un tas notiek diezgan ātri. Piemēram, ja kompostā ir 85% mitrums un 20-60 grādi pēc Celsija, tad sadalīšanās oglekļa dioksīdā un ūdenī prasīs 7-10 nedēļas. Kur tiek izmantoti polihidroksialkanoāti?

Viņitiek izmantoti bioloģiski noārdāmu iepakojumu un neaustu materiālu, vienreizējās lietošanas salvešu, šķiedru un plēvju, personīgās higiēnas līdzekļu, ūdeni atgrūdošu kartona un papīra pārklājumu ražošanai. Parasti tie var iziet cauri skābekli, ir izturīgi pret agresīvām ķīmiskām vielām, tiem ir relatīva termiskā stabilitāte, un to izturība ir salīdzināma ar polipropilēnu.

Runājot par bioloģiski noārdāmo polimēru trūkumiem, jāatzīmē, ka tie ir ļoti dārgi. Piemērs ir Biopols. Tas maksā 8-10 reizes vairāk nekā tradicionālā plastmasa. Tāpēc to izmanto tikai medicīnā, dažu smaržu un personīgās higiēnas līdzekļu iepakošanai. Populārāks starp polihidroksialkanoātiem ir mirels, kas iegūts no sacharificētas kukurūzas cietes. Tās priekšrocība ir salīdzinoši zemās izmaksas. Bet, neskatoties uz to, tā cena joprojām ir divas reizes augstāka nekā tradicionālā zema blīvuma polietilēna cena. Tajā pašā laikā izejvielas veido 60% no izmaksām. Un galvenie centieni ir vērsti uz lētu kolēģu atrašanu. Attiecīgā perspektīva ir graudaugu, piemēram, kviešu, rudzu, miežu, ciete.

Polipienskābe

Bioloģiski noārdāmo polimēru ražošana iepakošanai tiek veikta arī, izmantojot polilaktīdu. Tā ir arī polipienskābe. Ko viņš pārstāv? Tas ir lineārs alifātisks poliesteris, pienskābes kondensācijas produkts. Tas ir monomērs, no kura baktērijas mākslīgi sintezē polilaktīdu. Jāatzīmē, ka tā ražošana ar baktēriju palīdzību ir vieglāka nekā tradicionālā metode. Galu galā, polilaktīdus rada baktērijas no pieejamajiem cukuriem tehnoloģiski vienkāršā procesā. Pats polimērs ir divu vienāda sastāva optisko izomēru maisījums.

Iegūtajai vielai ir diezgan augsta termiskā stabilitāte. Tātad stiklošana notiek 90 grādu temperatūrā pēc Celsija, savukārt kušana notiek 210–220 C temperatūrā. Tāpat polilaktīds ir UV izturīgs, viegli uzliesmojošs, un ja deg, tad ar nelielu dūmu daudzumu. To var apstrādāt, izmantojot visas metodes, kas piemērotas termoplastiem. Produktiem, kas iegūti no polilaktīda, ir augsta stingrība, spīdums un tie ir caurspīdīgi. No tiem ražo šķīvjus, paplātes, plēvi, šķiedru, implantus (tā medicīnā izmanto bioloģiski noārdāmos polimērus), kosmētikas un pārtikas produktu iepakojumus, pudeles ūdenim, sulām, pienu (bet ne gāzētos dzērienus, jo materiāls iet cauri). oglekļa dioksīds). Kā arī audumi, rotaļlietas, mobilo telefonu maciņi un datorpeles. Kā redzat, bioloģiski noārdāmo polimēru izmantošana ir ļoti plaša. Un tas ir tikai vienai no viņu grupām!

Polipienskābes ražošana un biodegradācija

Pirmo reizi patents tā ražošanai tika izdots 1954. gadā. Bet šīs bioplastmasas komercializācija sākās tikai 21. gadsimta sākumā – 2002. gadā. Neskatoties uz to, jau ir liels skaits uzņēmumu, kas nodarbojas ar tā ražošanu - tikai Eiropā to ir vairāk nekā 30. Svarīga priekšrocībapolipienskābe ir salīdzinoši zemas izmaksas - tā jau konkurē gandrīz līdzvērtīgi ar polipropilēnu un polietilēnu. Tiek pieļauts, ka jau 2020. gadā polilaktīds varēs sākt tos iespiest pasaules tirgū. Lai palielinātu tā bioloģisko noārdīšanos, tai bieži pievieno cieti. Tas arī pozitīvi ietekmē preces cenu. Tiesa, iegūtie maisījumi ir diezgan trausli, un, lai gala produkts būtu elastīgāks, tiem jāpievieno plastifikatori, piemēram, sorbīts vai glicerīns. Alternatīvs problēmas risinājums ir izveidot sakausējumu ar citiem noārdāmiem poliesteriem.

Polipienskābe sadalās divos posmos. Pirmkārt, esteru grupas tiek hidrolizētas ar ūdeni, kā rezultātā veidojas pienskābe un dažas citas molekulas. Tad tie noteiktā vidē ar mikrobu palīdzību sadalās. Polilaktīdi tiek pakļauti šim procesam 20–90 dienās, pēc tam paliek tikai oglekļa dioksīds un ūdens.

Cietes modifikācija

Kad tiek izmantotas dabīgas izejvielas, tas ir labi, jo resursi tam pastāvīgi atjaunojas, tāpēc praktiski neierobežoti. Visplašāko popularitāti šajā ziņā ir ieguvusi ciete. Bet tam ir trūkums - tam ir palielināta spēja absorbēt mitrumu. Taču no tā var izvairīties, ja pamanāt daļu hidroksilgrupu uz estera.

Ķīmiskā apstrāde ļauj izveidot papildu saites starp polimēra daļām, kas palīdz palielināt karstumizturību, stabilitātiskābēm un bīdes spēkam. Rezultātā modificēto cieti izmanto kā bioloģiski noārdāmu plastmasu. Kompostā tas sadalās 30 grādu temperatūrā divu mēnešu laikā, padarot to ļoti videi draudzīgu.

Materiāla izmaksu samazināšanai tiek izmantota jēlciete, kuru sajauc ar talku un polivinilspirtu. To var ražot, izmantojot to pašu aprīkojumu kā parastajai plastmasai. Modificēto cieti var arī krāsot un apdrukāt, izmantojot parastās metodes.

Lūdzu, ņemiet vērā, ka šim materiālam ir antistatisks raksturs. Cietes trūkums ir tāds, ka tās fizikālās īpašības parasti ir zemākas par naftas ķīmijas ceļā ražotiem sveķiem. Tas ir, polipropilēns, kā arī augsta un zema spiediena polietilēns. Un tomēr tas tiek pielietots un pārdots tirgū. Tātad no tā tiek izgatavotas paletes pārtikas produktiem, lauksaimniecības plēves, iepakojuma materiāli, galda piederumi, kā arī tīkli augļiem un dārzeņiem.

Citu dabisko polimēru izmantošana

Šī ir salīdzinoši jauna tēma – bioloģiski noārdāmie polimēri. Racionāla dabas apsaimniekošana veicina jaunus atklājumus šajā jomā. Bioloģiski noārdāmās plastmasas ražošanā tiek izmantoti tik daudzi citi dabīgie polisaharīdi: hitīns, hitozāns, celuloze. Un ne tikai atsevišķi, bet arī kopā. Piemēram, plēvi ar paaugstinātu izturību iegūst no hitozāna, mikrocelulozes šķiedras un želatīna. Un, ja jūs to aprakt zemē, tad tas ātri tikssadalīti ar mikroorganismiem. To var izmantot iepakošanai, paplātēm un līdzīgiem priekšmetiem.

Turklāt celulozes kombinācijas ar dikarboksilskābes anhidrīdiem un epoksīda savienojumiem ir diezgan izplatītas. Viņu spēks ir tāds, ka tie sadalās četru nedēļu laikā. No iegūtā materiāla tiek izgatavotas pudeles, plēves mulčēšanai, vienreizējās lietošanas trauki. To izveide un ražošana katru gadu aktīvi pieaug.

Rūpniecisko polimēru bioloģiskā noārdīšanās

Šī problēma ir diezgan aktuāla. Bioloģiski noārdāmi polimēri, kuru piemēri ir minēti iepriekš saistībā ar reakciju uz vidi, vidē neizturēs pat gadu. Savukārt rūpnieciskie materiāli to var piesārņot gadu desmitiem un pat gadsimtiem. Tas viss attiecas uz polietilēnu, polipropilēnu, polivinilhlorīdu, polistirolu, polietilēntereftalātu. Tāpēc svarīgs uzdevums ir samazināt to degradācijas laiku.

Lai sasniegtu šo rezultātu, ir vairāki iespējamie risinājumi. Viena no visizplatītākajām metodēm ir īpašu piedevu ievadīšana polimēra molekulā. Un siltumā vai gaismā to sadalīšanās process tiek paātrināts. Tas ir piemērots vienreizlietojamiem traukiem, pudelēm, iepakojumam un lauksaimniecības plēvēm, maisiņiem. Bet diemžēl ir arī problēmas.

Pirmais ir tas, ka piedevas jāizmanto tradicionālajos veidos - formēšana, liešana, ekstrūzija. Šajā gadījumā polimēriem nevajadzētu sadalīties, lai gan tie ir pakļauti temperatūraiapstrāde. Turklāt piedevām nevajadzētu paātrināt polimēru sadalīšanos gaismā, kā arī pieļaut iespēju ilgstoši lietot zem tā. Tas ir, ir jāpārliecinās, ka degradācijas process sākas noteiktā brīdī. Tas ir ļoti grūti. Tehnoloģiskais process paredz 1-8% piedevu pievienošanu (piemēram, tiek ieviesta iepriekš apspriestā ciete) nelielas tipiskas apstrādes metodes ietvaros, kad izejvielas karsēšana nepārsniedz 12 minūtes. Bet tajā pašā laikā ir jānodrošina, lai tie būtu vienmērīgi sadalīti visā polimēra masā. Tas viss ļauj saglabāt degradācijas periodu diapazonā no deviņiem mēnešiem līdz pieciem gadiem.

Attīstības perspektīvas

Lai gan bioloģiski noārdāmo polimēru izmantošana kļūst arvien populārāka, tagad tie veido niecīgu procentuālo daļu no kopējā tirgus. Bet, neskatoties uz to, tie joprojām atrada diezgan plašu pielietojumu un kļūst arvien populārāki. Jau šobrīd tie diezgan labi iesakņojušies pārtikas iepakojuma nišā. Turklāt bioloģiski noārdāmos polimērus plaši izmanto vienreizējās lietošanas pudelēs, krūzēs, šķīvjos, bļodās un paplātēs. Tie ir nostiprinājušies tirgū arī maisu veidā pārtikas atkritumu savākšanai un sekojošai kompostēšanai, lielveikalu maisiņu, lauksaimniecības plēvju un kosmētikas veidā. Šajā gadījumā var izmantot standarta aprīkojumu bioloģiski noārdāmo polimēru ražošanai. Pateicoties to priekšrocībām (izturība pret noārdīšanos normālos apstākļos, zema barjera pret ūdens tvaiku un skābekli, nav problēmu ar atkritumu apglabāšanu, neatkarība no naftas ķīmijas izejvielām), tie turpina uzvarēttirgus.

No galvenajiem trūkumiem jāatgādina lielražošanas grūtības un salīdzinoši augstās izmaksas. Šo problēmu zināmā mērā var atrisināt ar liela mēroga ražošanas sistēmām. Pilnveidojot tehnoloģiju, iespējams iegūt arī izturīgākus un nodilumizturīgākus materiālus. Turklāt jāatzīmē, ka ir izteikta tendence pievērsties produktiem ar prefiksu "eko". To veicina gan mediji, gan valdības un starptautiskās atbalsta programmas.

Saglabāšanas pasākumi tiek pakāpeniski padarīti stingrāki, kā rezultātā daži tradicionālie plastmasas izstrādājumi dažās valstīs ir aizliegti. Piemēram, pakas. Tie ir aizliegti Bangladešā (pēc tam, kad tika konstatēts, ka tie aizsprosto drenāžas sistēmas un divas reizes izraisa lielus plūdus) un Itālijā. Pamazām nāk apziņa par īsto cenu, kas jāmaksā par nepareiziem lēmumiem. Un izpratne par to, ka ir jānodrošina vides drošība, radīs arvien vairāk ierobežojumu tradicionālajai plastmasai. Par laimi, ir pieprasījums pēc pārejas uz vēl dārgākiem, bet videi draudzīgiem materiāliem. Turklāt daudzu valstu pētniecības centri un lieli privātie uzņēmumi meklē jaunas un lētākas tehnoloģijas, kas ir labas ziņas.

Secinājums

Tāpēc mēs esam apsvēruši, kas ir bioloģiski noārdāmie polimēri, ražošanas metodes un šo materiālu apjoms. Ir konstantetehnoloģiju uzlabošana un uzlabošana. Tāpēc cerēsim, ka nākamajos gados bioloģiski noārdāmo polimēru izmaksas patiešām pietuvosies materiāliem, kas iegūti ar tradicionālām metodēm. Pēc tam pāreja uz drošākām un videi draudzīgākām izstrādēm būs tikai laika jautājums.