Biológiailag lebomló polimerek: koncepció, tulajdonságok, előállítási módszerek és példák a reakciókra

2024 Szerző: Howard Calhoun | [email protected]. Utoljára módosítva: 2023-12-17 10:30

Észreveheti, hogy az elmúlt évtizedben a „bio” előtaggal ellátott termékek népszerűségre tettek szert. Tájékoztatásul szolgál, hogy a termék biztonságos az emberre és a természetre. A média aktívan támogatja. Még a nevetséges is bejött - az italválasztásnál a biokefirt tartják a legjobbnak, a bioüzemanyag pedig már nem az olaj alternatívája, hanem környezetbarát termék. És ne feledkezzünk meg a biokivonatokról sem, amelyektől a kozmetikumok „csodákat” tesznek.

Általános információ

Most kezdjük komolyan. Gyakran az utak mentén haladva spontán szemétlerakókat láthat. Ezen kívül vannak teljes értékű hulladéklerakók, ahol emberi hulladékot tárolnak. Úgy tűnik, nem rossz, de van egy mínusz - túl hosszú bomlási idő. Számos módja van ennek javítására - ez a szemét újrahasznosítása és a kevésbé káros anyagok használata, amelyek gyorsan elpusztítják a lebontó anyagokat. Beszéljünk a második esetről.

Sok pont van itt. Csomagolás, gumiabroncs, üveg, vegyipar származékai. Mindegyik megköveteliFigyelem. Azonban nincs konkrét univerzális recept. Ezért pontosan tudni kell, hogy mivel és hogyan biztosítható a környezetszennyezés megakadályozása.

A biológiailag lebomló polimereket a műanyaghulladék-ártalmatlanítás problémájára fejlesztették ki. Nem titok, hogy mennyiségük évről évre nő. A biopolimerek szót rövidített jelölésükre is használják. Mi a sajátosságuk? Fizikai tényezők és mikroorganizmusok - gombák vagy baktériumok - hatására lebomlahatnak a környezetben. Egy polimer akkor tekinthető ilyennek, ha teljes tömege hat hónapon belül felszívódik vízben vagy talajban. Ez részben megoldja a hulladék problémáját. Ugyanakkor bomlástermékek keletkeznek - víz és szén-dioxid. Ha van még valami, akkor meg kell vizsgálni a biztonságot és a mérgező anyagok jelenlétét. A legtöbb szabványos műanyaggyártási technológiával, például extrudálással, fúvással, hőformázással és fröccsöntéssel is újrahasznosíthatók.

Milyen területeken dolgozunk?

A biológiailag lebomló polimerek beszerzése meglehetősen fáradságos feladat. A biztonságos anyagok beszerzését lehetővé tevő technológiák fejlesztése aktívan folyik az Egyesült Államokban, az európai kontinensen, Japánban, Koreában és Kínában. Sajnos meg kell jegyezni, hogy Oroszországban az eredmények nem kielégítőek. A műanyagok biológiai lebontására és megújuló nyersanyagból történő előállítására szolgáló technológia létrehozása drága öröm. Ráadásul az országnak még mindig van elegendő olaja a polimerek előállításához. De mindentugyanígy három fő irányt különböztethetünk meg:

1. Biológiailag lebomló poliészterek gyártása hidroxikarbonsavak alapján.
2. Műanyagok készítése reprodukálható természetes összetevők alapján.
3. Az ipari polimerek biológiailag lebomlanak.

De mi a helyzet a gyakorlatban? Nézzük meg közelebbről, hogyan készülnek a biológiailag lebomló polimerek.

Bakteriális polihidroxialkanoátok

A mikroorganizmusok gyakran szaporodnak olyan környezetben, ahol a tápanyag-szén elérhető. Ebben az esetben foszfor- vagy nitrogénhiányról van szó. Ilyen esetekben a mikroorganizmusok szintetizálják és felhalmozzák a polihidroxi-alkanoátokat. Szén- (élelmiszerraktárak) és energiatartalékként szolgálnak. Ha szükséges, le tudják bontani a polihidroxi-alkanoátokat. Ezt az ingatlant az ebbe a csoportba tartozó anyagok ipari előállítására használják. Számunkra a legfontosabbak a polihidroxi-butirát és a polihidroxi-valerát. Így ezek a műanyagok biológiailag lebomlanak. Ugyanakkor alifás poliészterek, amelyek ellenállnak az ultraibolya sugárzásnak.

Megjegyzendő, hogy bár kellően stabilak a vízi környezetben, a tenger, a talaj, a komposztáló és az újrahasznosítási környezet hozzájárul biológiai lebomlásához. És ez elég gyorsan megtörténik. Például, ha a komposzt páratartalma 85%, hőmérséklete 20-60 Celsius fok, akkor a szén-dioxiddá és vízzé bomlás 7-10 hétig tart. Hol használják a polihidroxi-alkanoátokat?

Őkbiológiailag lebomló csomagolóanyagok és nem szőtt anyagok, eldobható törlőkendők, szálak és fóliák, testápolási termékek, vízlepergető karton- és papírbevonatok gyártásához használják. Általában átengedik az oxigént, ellenállnak az agresszív vegyszereknek, relatív hőstabilitásuk van, és szilárdságuk a polipropilénhez hasonló.

Ha a biológiailag lebomló polimerek hátrányairól beszélünk, meg kell jegyezni, hogy ezek nagyon drágák. Ilyen például a Biopol. 8-10-szer többe kerül, mint a hagyományos műanyag. Ezért csak a gyógyászatban használják, egyes parfümök és testápoló termékek csomagolására. A polihidroxi-alkanoátok körében népszerűbb a cukrozott kukoricakeményítőből nyert mirel. Előnye a viszonylag alacsony költség. Ennek ellenére az ára még mindig kétszerese a hagyományos kis sűrűségű polietilénének. Ugyanakkor a nyersanyagok a költségek 60%-át teszik ki. A fő erőfeszítések pedig az olcsó társai megtalálására irányulnak. A szóban forgó potenciál a gabonafélék keményítője, mint a búza, rozs, árpa.

Politejsav

A csomagoláshoz használt biológiailag lebomló polimerek gyártása is polilaktid felhasználásával történik. Ez is tejsav. Mit képvisel? Ez egy lineáris alifás poliészter, a tejsav kondenzációs terméke. Ez egy monomer, amelyből baktériumok mesterségesen szintetizálják a polilaktidot. Megjegyzendő, hogy a baktériumok segítségével történő előállítása könnyebb, mint a hagyományos módszer. Hiszen a polilaktidokat a baktériumok hozzák létre a rendelkezésre álló cukrokból technológiailag egyszerű eljárással. Maga a polimer két azonos összetételű optikai izomer keveréke.

A kapott anyag termikus stabilitása meglehetősen magas. Tehát az üvegesedés 90 Celsius fokos hőmérsékleten, míg az olvadás 210-220 Celsius fokon megy végbe. Ezenkívül a polilaktid UV-álló, enyhén gyúlékony, és ha ég, akkor kis mennyiségű füsttel. Minden olyan módszerrel feldolgozható, amely alkalmas a hőre lágyuló műanyagokhoz. A polilaktidból nyert termékek nagy merevségűek, fényesek és átlátszóak. Készítenek belőlük tányért, tálcát, fóliát, rostokat, implantátumokat (így használják a biológiailag lebomló polimereket a gyógyászatban), kozmetikai és élelmiszeripari termékek csomagolását, palackot vízhez, gyümölcsléhez, tejhez (de nem szénsavas italokat, mert az anyag áthalad) szén-dioxid). Valamint szövetek, játékok, mobiltelefon-tokok és számítógépes egerek. Amint látható, a biológiailag lebomló polimerek felhasználása nagyon kiterjedt. És ez csak az egyik csoportjukra vonatkozik!

Poltejsav előállítása és biológiai lebontása

Először 1954-ben adtak ki szabadalmat a gyártására. De ennek a bioműanyagnak a kereskedelmi forgalomba hozatala csak a 21. század elején – 2002-ben – kezdődött. Ennek ellenére már most is nagyszámú cég foglalkozik gyártásával - csak Európában több mint 30 van belőlük. Fontos előnyA politejsav viszonylag alacsony költségű - már szinte egyenlő versenyben áll a polipropilénnel és a polietilénnel. Feltételezik, hogy a polilaktid már 2020-ban elkezdheti benyomni őket a világpiacon. Biológiai lebonthatóságának növelése érdekében gyakran adnak hozzá keményítőt. Ez a termék árára is pozitív hatással van. Igaz, a kapott keverékek meglehetősen törékenyek, és lágyítószereket, például szorbitot vagy glicerint kell hozzáadni hozzájuk, hogy a végtermék rugalmasabb legyen. A probléma alternatív megoldása, ha más lebomló poliészterekkel ötvözetet készítenek.

A politejsav két lépésben bomlik le. Először az észtercsoportokat vízzel hidrolizálják, aminek eredményeként tejsav és néhány más molekula képződik. Ezután bizonyos környezetben a mikrobák segítségével lebomlanak. A polilaktidok 20-90 nap alatt mennek keresztül ezen a folyamaton, ezután már csak szén-dioxid és víz marad.

Keményítő módosítás

Amikor természetes alapanyagokat használunk, az jó, mert az ehhez szükséges források folyamatosan megújulnak, így gyakorlatilag korlátlanok. A keményítő e tekintetben a legnagyobb népszerűségre tett szert. De van egy hátránya - megnövekedett nedvességfelvételi képessége. De ez elkerülhető, ha észreveszi az észteren a hidroxilcsoportok egy részét.

A kémiai kezelés lehetővé teszi további kötések létrehozását a polimer részei között, ami segít növelni a hőállóságot és a stabilitástsavakra és nyíróerőre. Az eredményt, a módosított keményítőt biológiailag lebomló műanyagként használják fel. 30 fokon komposztban két hónap alatt lebomlik, így rendkívül környezetbarát.

Az anyag költségének csökkentése érdekében nyers keményítőt használnak, amelyet talkummal és polivinil-alkohollal kevernek össze. Ugyanazzal a berendezéssel gyártható, mint a hagyományos műanyaghoz. A módosított keményítő hagyományos technikákkal is festhető és nyomtatható.

Kérjük, vegye figyelembe, hogy ez az anyag antisztatikus jellegű. A keményítő hátránya, hogy fizikai tulajdonságai általában rosszabbak, mint a petrolkémiai úton előállított gyanták. Vagyis polipropilén, valamint nagy és alacsony nyomású polietilén. Ennek ellenére alkalmazzák és értékesítik a piacon. Így raklapokat készítenek élelmiszeripari termékekhez, mezőgazdasági fóliákhoz, csomagolóanyagokhoz, evőeszközökhöz, valamint gyümölcs- és zöldséghálókhoz.

Más természetes polimerek használata

Ez egy viszonylag új téma – a biológiailag lebomló polimerek. Az ésszerű természetgazdálkodás hozzájárul az új felfedezésekhez ezen a területen. Nagyon sok más természetes poliszacharidot használnak fel a biológiailag lebomló műanyagok előállításához: kitin, kitozán, cellulóz. És nem csak külön-külön, hanem kombinálva is. Például kitozánból, mikrocellulóz rostból és zselatinból megnövelt szilárdságú filmet nyernek. És ha elásod a földbe, akkor gyorsan meg fog történnimikroorganizmusok bontják le. Csomagoláshoz, tálcákhoz és hasonló cikkekhez használható.

Ezen túlmenően a cellulóz dikarbonsav-anhidridekkel és epoxivegyületekkel való kombinációja meglehetősen gyakori. Erősségük, hogy négy hét alatt lebomlanak. A kapott anyagból palackok, fóliák talajtakaráshoz, eldobható étkészletek készülnek. Létrehozásuk és gyártásuk minden évben aktívan növekszik.

Ipari polimerek biológiai lebonthatósága

Ez a probléma meglehetősen aktuális. A biológiailag lebomló polimerek, amelyekre fentebb a környezettel való reakciókra hivatkoztunk, még egy évig sem bírják ki a környezetben. Míg az ipari anyagok évtizedekre, sőt évszázadokra is szennyezhetik. Mindez vonatkozik a polietilénre, polipropilénre, polivinil-kloridra, polisztirolra, polietilén-tereftalátra. Ezért a lebomlásuk idejének csökkentése fontos feladat.

Ennek az eredménynek az eléréséhez több megoldás is lehetséges. Az egyik legelterjedtebb módszer speciális adalékanyagok bevitele a polimer molekulába. Hőben vagy fényben pedig felgyorsul a bomlásuk folyamata. Alkalmas eldobható edényekhez, palackokhoz, csomagolóanyagokhoz és mezőgazdasági fóliákhoz, zacskókhoz. De sajnos vannak problémák is.

Az első az, hogy az adalékanyagokat hagyományos módon kell felhasználni – formázás, öntés, extrudálás. Ebben az esetben a polimerek nem bomlhatnak le, bár hőmérsékletnek vannak kitévefeldolgozás. Ezenkívül az adalékanyagok nem gyorsíthatják fel a polimerek fényben történő bomlását, és lehetővé teszik a hosszú távú használat lehetőségét is. Vagyis gondoskodni kell arról, hogy a lebomlási folyamat egy adott pillanatban elinduljon. Ez nagyon nehéz. A technológiai folyamat 1-8%-os adalékanyag hozzáadásával jár (például a korábban tárgy alt keményítő kerül bevezetésre) egy tipikus kis feldolgozási eljárás keretében, amikor az alapanyag melegítése nem haladja meg a 12 percet. Ugyanakkor biztosítani kell, hogy egyenletesen oszlanak el a polimer tömegben. Mindez lehetővé teszi, hogy a leromlási időszakot a kilenc hónaptól öt évig terjedő tartományban tartsuk.

Fejlesztési kilátások

Bár a biológiailag lebomló polimerek használata egyre nagyobb lendületet kap, mára a teljes piac elenyésző százalékát teszik ki. Ennek ellenére továbbra is meglehetősen széles körű alkalmazást találtak, és egyre népszerűbbek. Már most is elég jól beépültek az élelmiszer-csomagolás résébe. Ezenkívül a biológiailag lebomló polimereket széles körben használják eldobható palackokhoz, csészékhez, tányérokhoz, tálkákhoz és tálcákhoz. A piacon az élelmiszer-hulladék összegyűjtésére és utólagos komposztálására szolgáló zsákok, szupermarketek zacskói, mezőgazdasági fóliák és kozmetikumok formájában is megállják helyüket a piacon. Ebben az esetben a biológiailag lebomló polimerek előállítására szolgáló szabványos berendezések használhatók. Előnyeiknek köszönhetően (rendes körülmények között ellenáll a lebomlásnak, alacsony vízgőz- és oxigénzárás, nincs probléma a hulladékkezeléssel, függetlenség a petrolkémiai nyersanyagoktól) továbbra is nyernek.piacon.

A fő hátrányok közül érdemes felidézni a nagyüzemi gyártás nehézségeit és a viszonylag magas költségeket. Ez a probléma bizonyos mértékig megoldható nagyüzemi termelési rendszerekkel. A technológia fejlesztése tartósabb és kopásállóbb anyagok beszerzését is lehetővé teszi. Ezenkívül meg kell jegyezni, hogy erős az a tendencia, hogy az „eco” előtaggal rendelkező termékekre összpontosítanak. Ezt mind a média, mind a kormányzati és nemzetközi támogatási programok elősegítik.

Fokozatosan szigorodnak a természetvédelmi intézkedések, aminek eredményeként egyes hagyományos műanyagtermékeket betiltottak egyes országokban. Például csomagok. Betiltották Bangladesben (miután kiderült, hogy eltömítik a vízelvezető rendszereket, és kétszer is jelentős áradásokat okoznak) és Olaszországban. Fokozatosan jön a valós ár felismerése, amit a rossz döntésekért fizetni kell. És annak megértése, hogy biztosítani kell a környezet biztonságát, egyre több korlátozáshoz vezet a hagyományos műanyagokra vonatkozóan. Szerencsére van igény a még drágább, de környezetbarát anyagokra való átállásra. Emellett számos ország kutatóközpontjai és nagy magáncégek új és olcsóbb technológiákat keresnek, ami jó hír.

Következtetés

Tehát megvizsgáltuk, mik a biológiailag lebomló polimerek, ezeknek az anyagoknak a gyártási módjai és terjedelme. Van egy állandóa technológiák fejlesztése és fejlesztése. Bízzunk tehát abban, hogy a következő években a biológiailag lebomló polimerek költsége valóban utoléri a hagyományos módszerekkel előállított anyagokat. Ezt követően a biztonságosabb és környezetbarátabb fejlesztésekre való átállás már csak idő kérdése.