Главная | Обратная связь

Биодеградация синтетических полимерных материалов. Проблема создания биодеградируемых пластиков

• Производство полимерных материалов составляет 230 млн. т в год

• Ежегодно производство увеличивается на 5-6%

• Потребление полимеров на душу населения 85-90 кг (в индустриально развитых странах)

Если стеклянная тара, как правило, находится в потребительском цикле, а бумажная подвергается разложению в естественных условиях, то упаковка из синтетических полимеров, практически вечная – она не подвергается разложению.

От решения вопроса пластмассовых отходов в значительной степени будет зависеть экологическая ситуация в мире и, по всей видимости, темпы и направления развития производства синтетических пластмасс. В противном случае мы сами себя зароем пластмассовым мусором.

В настоящее время для очистки окружающей среды от пластмассовых отходов активно разрабатываются два основных подхода:

- захоронение (хранение отходов на свалках);

- утилизация.

Захоронение пластмассовых отходов – это бомба замедленного действия и перекладывание сегодняшних проблем на плечи будущих поколений.

Более щадящим приемом является утилизация, которую можно разделить на ряд главных направлений:

- сжигание;

- пиролиз;

- рециклизация, переработка.

Однако как сжигание, так и пиролиз отходов тары и упаковки и вообще пластмасс кардинально не улучшают экологическую обстановку. Повторная переработка в определенной степени решает этот вопрос, но и здесь требуются значительные трудовые и энергетические затраты: отбор из бытового мусора пластической тары и упаковки, разделение по виду пластиков, мойка, сушка, измельчение и только затем переработка в конечное изделие.

Для активизации направления по рециклизации пластмассовых отходов, в особенности из тары и упаковки, в ряде стран принимаются законодательные нормативы по обязательному сбору и переработке пластиковой тары и упаковки. Так Европейские директивы предусматривают при изготовлении пластмассовой упаковки применять 15% вторичных пластмасс, а в Германии эта квота составляет 50% и должна увеличиться до 60%. Специалисты считают, что это технически невозможно, так как только для транспортных и непищевых упаковок возможно применение до 25% вторичных пластмасс, но не для пищевых продуктов.

Сбор и повторная переработка полимерной тары и упаковки приводит к удорожанию упаковки, качество рециклизованного полимера также оказывается ниже продукта, полученного непосредственно первичным изготовителем. Даже если допустить, что значительная часть тары и упаковки будет использована вторично, возникает вопрос, какая кратность переработки является допустимой, после чего все же наступит время захоронения или, если возможно, сжигания; в любом случае обострение экологической обстановки в окружающем мире нарастает.

Биоразлагаемые полимеры, состояние и перспективы использования.Радикальным решением проблемы полимерного мусора является создание и освоение широкой гаммы биополимеров (биоразлагаемых полимеров).

• Полимерные материалы, которые после применения могут под действием различных факторов окружающей среды разлагаться на вещества, безопасные для человека и природы, и способны естественным путем вовлекаться в круговорот веществ в природе называются биоразлагаемыми полимерными материалами.

• Их разложению способствуют различные природные факторы, действующие обычно совместно.

Именно биоразлагаемость высокомолекулярных соединений и будет тем приоритетным направлением разработки, которое позволит исключить значительное число проблем пластмассового мусора, возникающего при использовании полимерной тары и других изделий из полимеров.

Оценка сложившейся ситуации по разработке и освоению биодеградируемых пластмасс позволяет выделить три основных направления развития поисковых и прикладных работ в этой области:

- полиэфиры гидроксикарбоновых кислот;

- пластические массы на основе воспроизводимых природных полимеров;

- придание биоразлагаемости промышленным высокомолекулярным синтетическим материалам.

Биодеградируемые полиэфиры.Анализ литературных источников по разработке биоразлагаемых полимеров за последние годы указывает на активное развитие направления производства полимеров на основе гидроксикарбоновых кислот. Столь пристальное внимание к этому классу соединений обусловлено тем, что еще в 1925 году было установлено, что полигидроксимасляная кислота является питательным веществом и средой для хранения различных видов микроорганизмов. Под их воздействием полимер на основе гидроксимасляной кислоты разлагается до СО₂ и Н₂О. Полиэфиры на основе других гидроксикарбоновых кислот: гликолевой, молочной, валериановой или капроновой ведут себя аналогично.

Одним из самых перспективных биодеградируемых пластиков для применения в упаковке в настоящее время является полилактид – продукт конденсации молочной кислоты. Это обусловлено, прежде всего тем, что получается лактид и полилактид как синтетическим способом, так и ферментативным брожением декстрозы сахара или мальтозы, сусла зерна или картофеля, которые являются возобновляемым сырьем биологического происхождения.

Полилактид в компосте биоразлагается в течение одного месяца, усваивается он и микробами морской воды.

Важным достоинством полилактида является и то, что он представляет собой прозрачный, бесцветный термопластичный полимер, который может быть переработан всеми способами, применяемыми для переработки известных термопластов. Из листов можно термоформовать подносы, тарелки, получать пленку, волокно, упаковку для пищевых продуктов, имплантанты для медицины. При соответствующей пластификации полилактид становится эластичным и имитирует полиэтилен.

Наряду с полимерами, полученными на основе индивидуальных гидроксикарбоновых кислот, либо их сополимеров, обладающих гарантированной биоразлагаемостью, ведутся активные работы по использованию полиоксикарбоновых кислот в сочетании с различными синтетическими продуктами и природными полимерами в качестве инициаторов биоразлагаемости всей композиции. Последнее позволяет придать изделию свойства биодеградации, понизить его стоимость и обеспечить высокие физико-механические свойства.

Особенно активно ведутся работы по получению биоразлагаемых материалов для упаковки, пленок, волокон, изделий для садов и огородов, состоящих из базового биодеградируемого полимера и синтетических полиэфиров на основе промышленных дикарбоновых кислот и гликолей.

Биоразлагаемые пластические массы на основе природных полимеров.Если биодеградируемые полиэфиры с необходимыми товарными свойствами можно получить на основе только гидроксикарбоновых кислот, то пластмассы, в состав которых входит крахмал, целлюлоза, хитозан или протеин, представляют собой, как правило, композиционные материалы, содержащие самые различные добавки. При этом приоритетной задачей является решение проблемы соотношения компонентов, обеспечивающих прежде всего биоразлагаемость системы, высокие физико-механические свойства и приемлемую цену.

Наиболее широко из ряда природных соединений в биоразлагаемых упаковочных материалах используется крахмал.

Для получения разрушаемой бактериями водорастворимой пленки из смеси крахмала и пектина в состав композиции вводят пластификаторы: глицерин или полиоксиэтиленгликоль. При этом отмечается, что с увеличением содержания крахмала хрупкость пленки увеличивается.

Из композиции, содержащей наряду с крахмалом, амилозу и незначительное количество слабых кислот, экструзией получают листы, из которых формованием с раздувом изготавливаются изделия для упаковки.

Получаемые компостируемые, биоразлагаемые пленки используют в сельском хозяйстве и для упаковки.

В качестве возобновляемого природного биоразлагаемого начала при получении термопластов активно разрабатываются и другие полисахариды: целлюлоза и хитин, целлюлоза и крахмал.

Полимеры, полученные взаимодействием целлюлозы с эпоксидным соединением и ангидридами дикарбоновых кислот, полностью разлагаются в компосте за 4 недели. На их основе формованием получают бутыли, разовую посуду, пленки для мульчирования.

Стойкие к высоким и низким температурам многослойные материалы для упаковки получают из пленки целлюлозы, склеенной крахмалом, со стойкой к жирам бумагой, разрешенной к контакту с пищевыми продуктами. Такая упаковка может использоваться при запекании продуктов в электрических или микроволновых печах.

Компостируемые материалы, получаемые из смеси растительных и натуральных исходных продуктов, где основным компонентом является целлюлоза или ее производные, применяются в качестве исходного сырья для изготовления одноразовых изделий для упаковки и предметов первой необходимости.

Для создания биоразлагаемых пластиков используют не только целлюлозу, но и другие продукты растительного мира, в частности лигнин и лигниносодержащие вещества в сочетании с протеином и другими добавками.

Метакрилированный желатин также используется для получения биоразлагаемого материала для упаковки пищевых продуктов, парфюмерии и лекарственных препаратов. Термопластичные биоразлагаемые композиции предложено получать и с другими видами белка: казеина, производных серина, кератиносодержащих натуральных продуктов.

Направление по использованию природных полимеров – полисахаридов, белков для изготовления биоразлагаемых пластиков интересно прежде всего тем, что ресурсы исходного сырья постоянно возобновляемы и, можно сказать, неограничены. Основная задача исследователей – это разработка композиционных биодеградируемых материалов, обеспечивающих необходимые свойства, приближающиеся к синтетическим многотоннажным полимерам.