Bionedbrydelige polymerer: koncept, egenskaber, fremstillingsmetoder og eksempler på reaktioner

2024 Forfatter: Howard Calhoun | [email protected]. Sidst ændret: 2023-12-17 10:22

Du bemærker måske, at i løbet af det sidste årti har produkter med præfikset "bio" tilføjet navnet vundet popularitet. Det er beregnet til at informere om, at produktet er sikkert for mennesker og natur. Det promoveres aktivt af medierne. Det kom endda til det latterlige - når de vælger en drink, anser de biokefir for at være det bedste, og biobrændstof er ikke længere et alternativ til olie, men et miljøvenligt produkt. Og glem ikke bio-ekstrakter, der får kosmetik til at udføre "mirakler".

Generelle oplysninger

Lad os nu blive seriøse. Når du bevæger dig langs vejene, kan du ofte se spontane lossepladser. Derudover er der fuldgyldige lossepladser, hvor menneskeligt affald opbevares. Det ser ikke ud til at være dårligt, men der er et minus - for lang nedbrydningstid. Der er et stort antal måder at løse dette på - dette er genbrug af affald og brug af mindre skadelige materialer, der hurtigt ødelægger nedbrydere. Lad os tale om den anden sag.

Der er mange punkter her. Emballage, dæk, glas, derivater af den kemiske industri. Alle af dem kræveropmærksomhed. Der er dog ingen specifik universel opskrift. Derfor er det nødvendigt at vide specifikt, hvad og hvordan man sikrer forebyggelse af miljøforurening.

Bionedbrydelige polymerer blev udviklet som et svar på problemet med bortskaffelse af plastaffald. Det er ingen hemmelighed, at deres volumen vokser hvert år. Ordet biopolymerer bruges også til deres forkortede betegnelse. Hvad er deres ejendommelighed? De kan nedbrydes i miljøet på grund af virkningen af fysiske faktorer og mikroorganismer - svampe eller bakterier. En polymer betragtes som sådan, hvis hele dens masse absorberes i vand eller jord inden for seks måneder. Dette løser delvist problemet med affald. Samtidig opnås nedbrydningsprodukter - vand og kuldioxid. Hvis der er andet, så skal det undersøges for sikkerhed og tilstedeværelsen af giftige stoffer. De kan også genbruges af de fleste standard plastfremstillingsteknologier såsom ekstrudering, blæsestøbning, termoformning og sprøjtestøbning.

Hvilke områder arbejder vi på?

At opnå biologisk nedbrydelige polymerer er en ret besværlig opgave. Udviklingen af teknologier, der gør det muligt at opnå sikre materialer, udføres aktivt i USA, på det europæiske kontinent, i Japan, Korea og Kina. Desværre skal det bemærkes, at resultaterne i Rusland er utilfredsstillende. At skabe en teknologi til bionedbrydning af plast og deres produktion af vedvarende råmaterialer er en dyr fornøjelse. Derudover har landet stadig nok olie til produktion af polymerer. Men altsamme, tre hovedretninger kan skelnes:

1. Produktion af biologisk nedbrydelige polyestere baseret på hydroxycarboxylsyrer.
2. Oprettelse af plastik baseret på reproducerbare naturlige ingredienser.
3. Industrielle polymerer bliver biologisk nedbrydelige.

Men hvad med i praksis? Lad os se nærmere på, hvordan bionedbrydelige polymerer fremstilles.

Bakterielle polyhydroxyalkanoater

Mikroorganismer vokser ofte i miljøer, hvor kulstof er tilgængeligt. I dette tilfælde er der mangel på fosfor eller nitrogen. I sådanne tilfælde syntetiserer og akkumulerer mikroorganismer polyhydroxyalkanoater. De tjener som en reserve af kulstof (fødevaredepoter) og energi. Om nødvendigt kan de nedbryde polyhydroxyalkanoater. Denne ejendom bruges til industriel produktion af materialer fra denne gruppe. De vigtigste for os er polyhydroxybutyrat og polyhydroxyvalerat. Disse plaster er således biologisk nedbrydelige. Samtidig er de alifatiske polyestere, der er modstandsdygtige over for ultraviolet stråling.

Det skal bemærkes, at selvom de har tilstrækkelig stabilitet i vandmiljøet, bidrager hav, jord, kompostering og genbrugsmiljøer til deres biologiske nedbrydning. Og det sker ret hurtigt. For eksempel, hvis komposten har en luftfugtighed på 85 % og 20-60 grader Celsius, så vil nedbrydning til kuldioxid og vand tage 7-10 uger. Hvor bruges polyhydroxyalkanoater?

Debruges til fremstilling af biologisk nedbrydelig emballage og nonwoven materialer, engangsservietter, fibre og film, produkter til personlig pleje, vandafvisende belægninger til pap og papir. Som regel kan de passere ilt, er modstandsdygtige over for aggressive kemikalier, har relativ termisk stabilitet og har en styrke, der kan sammenlignes med polypropylen.

Når vi taler om ulemperne ved biologisk nedbrydelige polymerer, skal det bemærkes, at de er meget dyre. Et eksempel er Biopol. Det koster 8-10 gange mere end traditionelt plastik. Derfor bruges det kun i medicin, til emballering af nogle parfumer og produkter til personlig pleje. Mere populær blandt polyhydroxyalkanoater er mirel, opnået fra forsukket majsstivelse. Dens fordel er relativt lave omkostninger. Men ikke desto mindre er prisen stadig dobbelt så høj som traditionel lavdensitetspolyethylen. Samtidig står råvarer for 60 % af omkostningerne. Og hovedindsatsen er rettet mod at finde dens billige modparter. Det pågældende produkt er stivelse fra korn såsom hvede, rug, byg.

polymælkesyre

Produktionen af biologisk nedbrydelige polymerer til emballering udføres også ved hjælp af polylactid. Det er også polymælkesyre. Hvad repræsenterer han? Det er en lineær alifatisk polyester, et kondensationsprodukt af mælkesyre. Det er en monomer, hvorfra polylactid syntetiseres kunstigt af bakterier. Det skal bemærkes, at dets produktion ved hjælp af bakterier er lettere end den traditionelle metode. Polylaktider skabes jo af bakterier fra tilgængelige sukkerarter i en teknologisk simpel proces. Selve polymeren er en blanding af to optiske isomerer med samme sammensætning.

Det resulterende stof har en ret høj termisk stabilitet. Så forglasning sker ved en temperatur på 90 grader Celsius, mens smeltning sker ved 210-220 Celsius. Også polylactid er UV-bestandigt, let brandfarligt, og hvis det brænder, så med en lille mængde røg. Det kan forarbejdes ved hjælp af alle metoder, der er egnede til termoplast. Produkter opnået fra polylactid har høj stivhed, glans og er gennemsigtige. De bruges til at lave tallerkener, bakker, film, fibre, implantater (det er sådan bionedbrydelige polymerer bruges i medicin), emballage til kosmetik og fødevarer, flasker til vand, juice, mælk (men ikke kulsyreholdige drikkevarer, fordi materialet passerer carbondioxid). Samt stoffer, legetøj, mobiltelefonetuier og computermus. Som du kan se, er brugen af bionedbrydelige polymerer meget omfattende. Og det er kun for en af deres grupper!

Produktion og biologisk nedbrydning af polymælkesyre

For første gang blev der udstedt et patent på dets produktion tilbage i 1954. Men kommercialiseringen af denne bioplast begyndte først i begyndelsen af det 21. århundrede - i 2002. På trods af dette er der allerede et stort antal virksomheder, der er engageret i fremstillingen - kun i Europa er der mere end 30 af dem. En vigtig fordelpolymælkesyre er relativt lavpris - den konkurrerer allerede næsten på lige fod med polypropylen og polyethylen. Det antages, at polylactid allerede i 2020 vil kunne begynde at skubbe dem på verdensmarkedet. For at øge dens biologiske nedbrydelighed tilsættes det ofte stivelse. Dette har også en positiv effekt på prisen på produktet. Det er rigtigt, at de resulterende blandinger er ret skrøbelige, og blødgørere, såsom sorbitol eller glycerin, skal tilsættes dem for at gøre slutproduktet mere elastisk. En alternativ løsning på problemet er at lave en legering med andre nedbrydelige polyestere.

Polylmælkesyre nedbrydes i to trin. Først hydrolyseres estergrupperne med vand, hvilket resulterer i dannelsen af mælkesyre og et par andre molekyler. Så nedbrydes de i et bestemt miljø ved hjælp af mikrober. Polylactider gennemgår denne proces på 20-90 dage, hvorefter der kun er kuldioxid og vand tilbage.

Stivelsesmodifikation

Når der bruges naturlige råvarer, er det godt, fordi ressourcerne til det hele tiden fornyes, så de er praktisk t alt ubegrænsede. Stivelse har opnået den bredeste popularitet i denne henseende. Men det har en ulempe - det har en øget evne til at absorbere fugt. Men dette kan undgås, hvis du bemærker en del af hydroxylgrupperne på esteren.

Kemisk behandling giver dig mulighed for at skabe yderligere bindinger mellem delene af polymeren, hvilket hjælper med at øge varmebestandigheden, stabilitetentil syrer og forskydningskraft. Resultatet, modificeret stivelse, bruges som en biologisk nedbrydelig plast. Det nedbrydes ved 30 grader i kompost på to måneder, hvilket gør det meget miljøvenligt.

For at reducere omkostningerne ved materialet anvendes råstivelse, som blandes med talkum og polyvinylalkohol. Den kan fremstilles med samme udstyr som til almindelig plast. Den modificerede stivelse kan også farves og trykkes ved hjælp af konventionelle teknikker.

Bemærk venligst, at dette materiale er af antistatisk natur. Ulempen ved stivelse er, at dens fysiske egenskaber generelt er ringere end petrokemisk fremstillede harpikser. Det vil sige polypropylen samt høj- og lavtrykspolyethylen. Og alligevel bliver det brugt og solgt på markedet. Så det bruges til at lave paller til fødevarer, landbrugsfilm, emballagematerialer, bestik samt net til frugt og grøntsager.

Brug af andre naturlige polymerer

Dette er et relativt nyt emne - biologisk nedbrydelige polymerer. Rationel naturforv altning bidrager til nye opdagelser på dette område. Så mange andre naturlige polysaccharider bruges i produktionen af bionedbrydelig plast: kitin, chitosan, cellulose. Og ikke kun hver for sig, men også i kombination. For eksempel opnås en film med øget styrke fra chitosan, mikrocellulosefibre og gelatine. Og hvis du begraver det i jorden, så vil det hurtigtnedbrydes af mikroorganismer. Den kan bruges til emballage, bakker og lignende ting.

Desuden er kombinationer af cellulose med dicarboxylsyreanhydrider og epoxyforbindelser ret almindelige. Deres styrke er, at de nedbrydes på fire uger. Flasker, film til mulching, engangsservice er lavet af det resulterende materiale. Deres skabelse og produktion vokser aktivt hvert år.

Biologisk nedbrydelighed af industrielle polymerer

Dette problem er ret relevant. Bionedbrydelige polymerer, som eksempler er blevet nævnt ovenfor for reaktioner med miljøet, vil ikke vare et år i miljøet. Mens industrielle materialer kan forurene det i årtier og endda århundreder. Alt dette gælder for polyethylen, polypropylen, polyvinylchlorid, polystyren, polyethylenterephthalat. Derfor er det en vigtig opgave at reducere tiden for deres nedbrydning.

For at opnå dette resultat er der flere mulige løsninger. En af de mest almindelige metoder er indførelse af specielle tilsætningsstoffer i polymermolekylet. Og i varme eller i lys accelereres processen med deres nedbrydning. Dette er velegnet til engangsservice, flasker, emballage og landbrugsfilm, poser. Men desværre er der også problemer.

Den første er, at tilsætningsstofferne skal bruges på traditionelle måder - støbning, støbning, ekstrudering. I dette tilfælde bør polymerer ikke nedbrydes, selvom de udsættes for temperaturforarbejdning. Derudover bør tilsætningsstoffer ikke fremskynde nedbrydningen af polymerer i lyset og også tillade muligheden for langvarig brug under det. Det vil sige, at det er nødvendigt at sikre sig, at nedbrydningsprocessen starter på et bestemt tidspunkt. Det er meget svært. Den teknologiske proces involverer tilsætning af 1-8% additiver (for eksempel introduceres den tidligere omt alte stivelse) som en del af en lille typisk forarbejdningsmetode, når opvarmningen af råmaterialet ikke overstiger 12 minutter. Men samtidig er det nødvendigt at sikre, at de er jævnt fordelt i hele polymermassen. Alt dette gør det muligt at holde nedbrydningsperioden i intervallet fra ni måneder til fem år.

Udsigter for udvikling

Selvom brugen af bionedbrydelige polymerer tager fart, udgør de nu en sølle procentdel af det samlede marked. Men ikke desto mindre fandt de stadig en ret bred anvendelse og bliver mere og mere populære. Allerede nu er de ret godt forankret i nichen med fødevareemballage. Derudover er bionedbrydelige polymerer meget brugt til engangsflasker, kopper, tallerkener, skåle og bakker. De har også etableret sig på markedet i form af poser til indsamling og efterfølgende kompostering af madaffald, poser til supermarkeder, landbrugsfilm og kosmetik. I dette tilfælde kan standardudstyr til fremstilling af bionedbrydelige polymerer anvendes. På grund af deres fordele (modstand mod nedbrydning under normale forhold, lav barriere over for vanddamp og ilt, ingen problemer med affaldsbortskaffelse, uafhængighed af petrokemiske råmaterialer), fortsætter de med at vindemarked.

Af de største ulemper bør man huske på vanskelighederne ved storskalaproduktion og de relativt høje omkostninger. Dette problem kan til en vis grad løses ved storskala produktionssystemer. En forbedring af teknologien gør det også muligt at opnå mere holdbare og slidstærke materialer. Derudover skal det bemærkes, at der er en stærk tendens til at fokusere på produkter med præfikset "øko". Dette er lettet af både medierne og regeringen og internationale støtteprogrammer.

Bevaringsforanst altningerne skærpes gradvist, hvilket resulterer i, at nogle traditionelle plastikprodukter er forbudt i nogle lande. For eksempel pakker. De er forbudt i Bangladesh (efter at de blev fundet at tilstoppe afløbssystemer og forårsage store oversvømmelser to gange) og Italien. Gradvist kommer erkendelsen af den reelle pris, der skal betales for forkerte beslutninger. Og forståelse for, at det er nødvendigt at sikre miljøets sikkerhed, vil føre til flere og flere restriktioner på traditionel plast. Heldigvis er der efterspørgsel på overgangen til endnu dyrere, men miljøvenlige materialer. Derudover leder forskningscentre i mange lande og store private virksomheder efter nye og billigere teknologier, hvilket er gode nyheder.

Konklusion

Så vi har overvejet, hvad der er biologisk nedbrydelige polymerer, fremstillingsmetoder og omfanget af disse materialer. Der er en konstantforbedring og forbedring af teknologier. Så lad os håbe, at omkostningerne ved bionedbrydelige polymerer i de kommende år faktisk vil indhente materialer opnået ved traditionelle metoder. Derefter vil overgangen til sikrere og mere miljøvenlige udviklinger kun være et spørgsmål om tid.