Polimer terbiodegradasi: konsep, sifat, kaedah penyediaan dan contoh tindak balas

2024 Pengarang: Howard Calhoun | [email protected]. Diubah suai terakhir: 2023-12-17 10:36

Anda mungkin perasan bahawa sepanjang dekad yang lalu, produk dengan awalan "bio" yang ditambahkan pada nama telah mendapat populariti. Ia bertujuan untuk memaklumkan bahawa produk tersebut selamat untuk manusia dan alam semula jadi. Ia dipromosikan secara aktif oleh media. Malah ia datang kepada yang tidak masuk akal - apabila memilih minuman, mereka menganggap biokefir sebagai yang terbaik, dan biofuel bukan lagi alternatif kepada minyak, tetapi produk mesra alam. Dan jangan lupa tentang ekstrak bio yang menjadikan kosmetik berfungsi "keajaiban".

Maklumat am

Sekarang mari kita serius. Selalunya, bergerak di sepanjang jalan, anda boleh melihat pembuangan spontan. Di samping itu, terdapat tapak pelupusan sampah sepenuhnya di mana sisa manusia disimpan. Nampaknya tidak buruk, tetapi terdapat satu tolak - masa penguraian yang terlalu lama. Terdapat banyak cara untuk membetulkannya - ini adalah kitar semula sampah, dan penggunaan bahan yang kurang berbahaya yang cepat memusnahkan pengurai. Mari kita bincangkan tentang kes kedua.

Terdapat banyak perkara di sini. Pembungkusan, tayar, kaca, terbitan industri kimia. Kesemuanya memerlukanperhatian. Walau bagaimanapun, tiada resipi universal khusus. Oleh itu, adalah perlu untuk mengetahui secara khusus perkara dan cara untuk memastikan pencegahan pencemaran alam sekitar.

Polymer terbiodegradasi dibangunkan sebagai jawapan kepada masalah pembuangan sisa plastik. Bukan rahsia lagi bahawa jumlah mereka semakin meningkat setiap tahun. Perkataan biopolimer juga digunakan untuk sebutan singkatannya. Apakah keistimewaan mereka? Mereka boleh terurai dalam persekitaran kerana tindakan faktor fizikal dan mikroorganisma - kulat atau bakteria. Polimer dianggap sedemikian jika keseluruhan jisimnya diserap dalam air atau tanah dalam tempoh enam bulan. Ini sebahagiannya menyelesaikan masalah sisa. Pada masa yang sama, produk penguraian diperoleh - air dan karbon dioksida. Jika ada apa-apa lagi, maka ia perlu disiasat untuk keselamatan dan kehadiran bahan toksik. Ia juga boleh dikitar semula oleh kebanyakan teknologi pembuatan plastik standard seperti penyemperitan, pengacuan tiupan, pembentukan termo dan pengacuan suntikan.

Apakah bidang yang sedang kami usahakan?

Mendapatkan polimer terbiodegradasi adalah tugas yang agak sukar. Pembangunan teknologi yang memungkinkan untuk mendapatkan bahan selamat giat dijalankan di Amerika Syarikat, di benua Eropah, di Jepun, Korea dan China. Malangnya, perlu diingatkan bahawa di Rusia hasilnya tidak memuaskan. Mencipta teknologi untuk biodegradasi plastik dan pengeluarannya daripada bahan mentah boleh diperbaharui adalah satu keseronokan yang mahal. Di samping itu, negara masih mempunyai minyak yang mencukupi untuk pengeluaran polimer. Tetapi segala-galanyasama, tiga arah utama boleh dibezakan:

1. Penghasilan poliester terbiodegradasi berasaskan asid hidroksikarboksilik.
2. Mencipta plastik berasaskan bahan semula jadi yang boleh dihasilkan semula.
3. Polimer industri menjadi terbiodegradasi.

Tetapi bagaimana dengan amalannya? Mari kita lihat dengan lebih dekat cara polimer terbiodegradasi dibuat.

Polyhydroxyalkanoates bakteria

Mikroorganisma sering tumbuh dalam persekitaran di mana karbon nutrien tersedia. Dalam kes ini, terdapat kekurangan fosforus atau nitrogen. Dalam kes sedemikian, mikroorganisma mensintesis dan mengumpul polihidroksialkanoat. Mereka berfungsi sebagai simpanan karbon (simpan makanan) dan tenaga. Jika perlu, mereka boleh menguraikan polyhydroxyalkanoates. Harta ini digunakan untuk pengeluaran industri bahan kumpulan ini. Yang paling penting bagi kami ialah polihidroksi butirat dan polihidroksi valerat. Oleh itu, plastik ini boleh terbiodegradasi. Pada masa yang sama, ia adalah poliester alifatik yang tahan sinaran ultraungu.

Perlu diingat bahawa walaupun ia mempunyai kestabilan yang mencukupi dalam persekitaran akuatik, laut, tanah, persekitaran pengkomposan dan kitar semula menyumbang kepada kemerosotan biologinya. Dan ia berlaku agak cepat. Sebagai contoh, jika kompos mempunyai kelembapan 85% dan 20-60 darjah Celsius, maka penguraian menjadi karbon dioksida dan air akan mengambil masa 7-10 minggu. Di manakah polihidroksialkanoat digunakan?

Merekadigunakan untuk pembuatan pembungkusan terbiodegradasi dan bahan bukan tenunan, kain lap pakai buang, gentian dan filem, produk penjagaan diri, salutan kalis air untuk kadbod dan kertas. Sebagai peraturan, ia boleh melepasi oksigen, tahan terhadap bahan kimia yang agresif, mempunyai kestabilan haba relatif dan mempunyai kekuatan yang setanding dengan polipropilena.

Bercakap tentang keburukan polimer terbiodegradasi, perlu diingatkan bahawa ia sangat mahal. Contohnya ialah Biopol. Kosnya 8-10 kali ganda lebih mahal daripada plastik tradisional. Oleh itu, ia hanya digunakan dalam perubatan, untuk membungkus beberapa minyak wangi dan produk penjagaan diri. Lebih popular di kalangan polyhydroxyalkanoates ialah mirel, diperoleh daripada tepung jagung bersakar. Kelebihannya adalah kos yang agak rendah. Tetapi, bagaimanapun, harganya masih dua kali ganda daripada polietilena berketumpatan rendah tradisional. Pada masa yang sama, bahan mentah menyumbang 60% daripada kos. Dan usaha utama adalah bertujuan untuk mencari rakan sejawatannya yang murah. Prospek yang dimaksudkan ialah kanji bijirin seperti gandum, rai, barli.

Asid polilaktik

Penghasilan polimer terbiodegradasi untuk pembungkusan juga dijalankan menggunakan polilaktida. Ia juga merupakan asid polylactic. Apa yang dia wakili? Ia adalah poliester alifatik linear, hasil pemeluwapan asid laktik. Ia adalah monomer dari mana polilaktida disintesis secara buatan oleh bakteria. Perlu diingatkan bahawa pengeluarannya dengan bantuan bakteria lebih mudah daripada kaedah tradisional. Lagipun, polylactides dicipta oleh bakteria daripada gula yang ada dalam proses teknologi yang mudah. Polimer itu sendiri ialah campuran dua isomer optik dengan komposisi yang sama.

Bahan yang terhasil mempunyai kestabilan haba yang agak tinggi. Jadi, vitrifikasi berlaku pada suhu 90 darjah Celsius, manakala lebur berlaku pada 210-220 Celsius. Juga, polylactide adalah tahan UV, sedikit mudah terbakar, dan jika ia terbakar, maka dengan sedikit asap. Ia boleh diproses menggunakan semua kaedah yang sesuai untuk termoplastik. Produk yang diperoleh daripada polilaktida mempunyai ketegaran yang tinggi, berkilat, dan telus. Ia digunakan untuk membuat pinggan, dulang, filem, gentian, implan (beginilah cara polimer terbiodegradasi digunakan dalam perubatan), pembungkusan untuk kosmetik dan produk makanan, botol untuk air, jus, susu (tetapi bukan minuman berkarbonat, kerana bahan itu lulus. karbon dioksida). Serta fabrik, mainan, sarung telefon bimbit dan tetikus komputer. Seperti yang anda lihat, penggunaan polimer terbiodegradasi adalah sangat meluas. Dan itu hanya untuk salah satu kumpulan mereka!

Pengeluaran dan biodegradasi asid polilaktik

Buat pertama kali, paten untuk pengeluarannya telah dikeluarkan pada tahun 1954. Tetapi pengkomersilan bioplastik ini hanya bermula pada awal abad ke-21 - pada tahun 2002. Walaupun begitu, sudah terdapat sejumlah besar syarikat yang terlibat dalam pembuatannya - hanya di Eropah terdapat lebih daripada 30 daripadanya. Satu kelebihan yang pentingasid polilaktik adalah kos yang agak rendah - ia sudah bersaing hampir pada kedudukan yang sama dengan polipropilena dan polietilena. Diandaikan bahawa sudah pada tahun 2020, polylactide akan dapat mula mendorong mereka di pasaran dunia. Untuk meningkatkan biodegradasinya, kanji sering ditambah kepadanya. Ini juga mempunyai kesan positif terhadap harga produk. Benar, campuran yang terhasil agak rapuh, dan pemplastik, seperti sorbitol atau gliserin, perlu ditambah kepada mereka untuk menjadikan produk akhir lebih elastik. Penyelesaian alternatif kepada masalah ini ialah mencipta aloi dengan poliester terurai lain.

Asid polilaktik terurai dalam dua langkah. Pertama, kumpulan ester dihidrolisiskan dengan air, mengakibatkan pembentukan asid laktik dan beberapa molekul lain. Kemudian mereka terurai dalam persekitaran tertentu dengan bantuan mikrob. Polilaktida menjalani proses ini dalam 20-90 hari, selepas itu hanya tinggal karbon dioksida dan air.

Pengubahsuaian kanji

Apabila bahan mentah semula jadi digunakan, ia adalah baik, kerana sumber untuknya sentiasa diperbaharui, jadi ia boleh dikatakan tidak terhad. Pati telah mendapat populariti yang paling luas dalam hal ini. Tetapi ia mempunyai kelemahan - ia mempunyai peningkatan keupayaan untuk menyerap kelembapan. Tetapi ini boleh dielakkan jika anda melihat sebahagian daripada kumpulan hidroksil pada ester.

Rawatan kimia membolehkan anda mencipta ikatan tambahan antara bahagian polimer, yang membantu meningkatkan rintangan haba, kestabilankepada asid dan daya ricih. Hasilnya, kanji yang diubah suai, digunakan sebagai plastik terbiodegradasi. Ia terurai pada 30 darjah dalam kompos dalam masa dua bulan, menjadikannya sangat mesra alam.

Untuk mengurangkan kos bahan, kanji mentah digunakan, yang dicampur dengan talc dan alkohol polivinil. Ia boleh dihasilkan menggunakan peralatan yang sama seperti plastik biasa. Pati yang diubah suai juga boleh dicelup dan dicetak menggunakan teknik konvensional.

Sila ambil perhatian bahawa bahan ini bersifat anti-statik. Kelemahan kanji ialah sifat fizikalnya secara amnya lebih rendah daripada resin yang dihasilkan secara petrokimia. Iaitu, polipropilena, serta polietilena tekanan tinggi dan rendah. Namun, ia digunakan dan dijual di pasaran. Jadi, ia digunakan untuk membuat palet untuk produk makanan, filem pertanian, bahan pembungkusan, kutleri, serta jaring untuk buah-buahan dan sayur-sayuran.

Menggunakan polimer semula jadi yang lain

Ini adalah topik yang agak baharu - polimer terbiodegradasi. Pengurusan alam semula jadi yang rasional menyumbang kepada penemuan baru dalam bidang ini. Begitu banyak polisakarida semula jadi lain digunakan dalam pengeluaran plastik terbiodegradasi: kitin, kitosan, selulosa. Dan bukan sahaja secara berasingan, tetapi juga dalam gabungan. Sebagai contoh, filem dengan peningkatan kekuatan diperoleh daripada kitosan, serat mikroselulosa dan gelatin. Dan jika anda menanamnya di dalam tanah, maka ia akan cepatdipecahkan oleh mikroorganisma. Ia boleh digunakan untuk pembungkusan, dulang dan barangan yang serupa.

Selain itu, gabungan selulosa dengan anhidrida dikarboksilik dan sebatian epoksi adalah perkara biasa. Kekuatan mereka ialah mereka reput dalam empat minggu. Botol, filem untuk sungkupan, peralatan makan pakai buang dibuat daripada bahan yang dihasilkan. Penciptaan dan pengeluaran mereka semakin aktif setiap tahun.

Kebolehbiodegradasian polimer industri

Masalah ini agak relevan. Polimer terbiodegradasi, contoh yang telah disebut di atas untuk tindak balas dengan alam sekitar, tidak akan bertahan walaupun setahun dalam alam sekitar. Sedangkan bahan industri boleh mencemarkannya selama beberapa dekad dan bahkan berabad-abad. Semua ini terpakai kepada polietilena, polipropilena, polivinil klorida, polistirena, polietilena tereftalat. Oleh itu, mengurangkan masa kemerosotan mereka adalah tugas penting.

Untuk mencapai hasil ini, terdapat beberapa penyelesaian yang mungkin. Salah satu kaedah yang paling biasa ialah pengenalan bahan tambahan khas ke dalam molekul polimer. Dan dalam haba atau dalam cahaya, proses penguraian mereka dipercepatkan. Ini sesuai untuk pinggan mangkuk pakai buang, botol, pembungkusan dan filem pertanian, beg. Tetapi, malangnya, terdapat juga masalah.

Pertama ialah bahan tambahan mesti digunakan dengan cara tradisional - pengacuan, tuangan, penyemperitan. Dalam kes ini, polimer tidak boleh terurai, walaupun ia tertakluk kepada suhupemprosesan. Di samping itu, bahan tambahan tidak boleh mempercepatkan penguraian polimer dalam cahaya, dan juga membenarkan kemungkinan penggunaan jangka panjang di bawahnya. Iaitu, adalah perlu untuk memastikan bahawa proses degradasi bermula pada saat tertentu. Ianya sangat susah. Proses teknologi melibatkan penambahan 1-8% aditif (contohnya, kanji yang dibincangkan sebelum ini diperkenalkan) sebagai sebahagian daripada kaedah pemprosesan tipikal kecil, apabila pemanasan bahan mentah tidak melebihi 12 minit. Tetapi pada masa yang sama, adalah perlu untuk memastikan bahawa mereka diagihkan secara sama rata ke seluruh jisim polimer. Semua ini memungkinkan untuk mengekalkan tempoh degradasi dalam julat dari sembilan bulan hingga lima tahun.

Prospek pembangunan

Walaupun penggunaan polimer terbiodegradasi semakin meningkat, ia kini membentuk peratusan yang sedikit daripada jumlah pasaran. Tetapi, bagaimanapun, mereka masih menemui aplikasi yang agak luas dan menjadi semakin popular. Kini mereka sudah cukup kukuh dalam bidang pembungkusan makanan. Di samping itu, polimer terbiodegradasi digunakan secara meluas untuk botol pakai buang, cawan, pinggan, mangkuk dan dulang. Mereka juga telah bertapak di pasaran dalam bentuk beg untuk pengumpulan dan seterusnya pengkomposan sisa makanan, beg untuk pasar raya, filem pertanian dan kosmetik. Dalam kes ini, peralatan standard untuk pengeluaran polimer biodegradasi boleh digunakan. Oleh kerana kelebihan mereka (rintangan terhadap degradasi dalam keadaan biasa, halangan rendah kepada wap air dan oksigen, tiada masalah dengan pelupusan sisa, bebas daripada bahan mentah petrokimia), mereka terus menangpasaran.

Dari kelemahan utama, seseorang harus mengingati kesukaran pengeluaran berskala besar dan kos yang agak tinggi. Masalah ini, pada tahap tertentu, boleh diselesaikan dengan sistem pengeluaran berskala besar. Penambahbaikan teknologi juga memungkinkan untuk mendapatkan bahan yang lebih tahan lama dan tahan haus. Di samping itu, perlu diperhatikan bahawa terdapat kecenderungan yang kuat untuk memberi tumpuan kepada produk dengan awalan "eko". Ini difasilitasi oleh kedua-dua media dan program sokongan kerajaan dan antarabangsa.

Langkah pemuliharaan secara beransur-ansur diperketatkan, menyebabkan beberapa produk plastik tradisional diharamkan di beberapa negara. Sebagai contoh, pakej. Mereka diharamkan di Bangladesh (selepas mereka didapati menyumbat sistem saliran dan menyebabkan banjir besar dua kali) dan Itali. Secara beransur-ansur datang kesedaran harga sebenar yang perlu dibayar untuk keputusan yang salah. Dan memahami bahawa adalah perlu untuk memastikan keselamatan alam sekitar akan membawa kepada lebih banyak sekatan ke atas plastik tradisional. Nasib baik, terdapat permintaan untuk peralihan kepada bahan yang lebih mahal, tetapi mesra alam. Selain itu, pusat penyelidikan di banyak negara dan syarikat swasta yang besar sedang mencari teknologi baharu dan lebih murah, yang merupakan berita baik.

Kesimpulan

Jadi kami telah mempertimbangkan apakah itu polimer terbiodegradasi, kaedah pengeluaran dan skop bahan ini. Terdapat pemalarpenambahbaikan dan peningkatan teknologi. Oleh itu marilah kita berharap bahawa pada tahun-tahun akan datang, kos polimer terbiodegradasi sememangnya akan mengejar bahan yang diperoleh dengan kaedah tradisional. Selepas itu, peralihan kepada pembangunan yang lebih selamat dan mesra alam hanya memerlukan masa.