Разрушаемые полимеры - способ избавления от синтетических полимерных отходов

29 Декабря в 20:31 1217 0


Радикальным решением проблемы «полимерного мусора», по мнению специалистов, является создание и освоение широкой гаммы полимеров, способных при соответствующих условиях биодеградировать на безвредные для живой и неживой природы компоненты. Именно биоразлагаемость высокомолекулярных соединений и будет тем приоритетным направлением, которое позволит исключить значительное число проблем «пластмассового мусора», возникающего при использовании полимерной тары и других изделий из неразрушаемых синтетических полимеров.

Нельзя не отметить также, что, помимо глобальной экологической проблемы, связанной с накоплением полимерных отходов, необходимость перехода на разрушаемые пластики, получаемые из возобновляемых источников, диктуется экономической ситуацией. Связано это с тем, что до 98 % мирового объема полимерных материалов производится из невозобновляемого ископаемого сырья - нефти, газа, продуктов переработки угля, запасы которых истощаются.

Критический рост цен на нефть и нефтепродукты, наблюдаемый в настоящее время, приводит к тому, что стоимость синтетических пластиков повышается.

Так, за период с июня 2005 г. по июнь 2008 г. цены на нефть выросли с 53-54 до 130 дол. США за баррель и полипропилена, соответственно, с 940-950 до 1350-1400 дол. США за тонну (по данным фондовой биржи Нью-Йорка).

Происходящий в настоящее время повсеместно рост цен на термопластичные пластмассы неизбежно приведет к повышению спроса на биопластики. По состоянию на второй квартал 2008 г. в Европе наибольший рост показал полипропилен, стоимость которого повысились на 25 евро/т. Цены на линейный ПВД, полиэтилен для выдувного формования и полиэтилен для инжекционного формования повысились на 10 евро/т, что не прогнозировалось.

Пленочный полиэтилен ПВД и ПНД подорожали почти так же. Поливинилхлорид подорожал на 5 евро/т. Цены на полистирол возросли 20 евро за тонну. Производители полимеров предвидят, что последующий рост цен на нефть может послужить новым толчком к росту цен на контрактные поставки для этилена и пропилена. В цепочке потребления стирола также намечаются ценовые изменения. Производители планируют увеличить цены на полистирол на 70 евро/т и 150 евро/т на вспененный полистирол (ПСВ-С).

На этом фоне необходимость перехода на новые типы материалов становится еще более востребованной. В настоящее время все большее значение приобретают экологичные материалы, получаемые из возобновляемого сырья, источником которого служит биомасса растений. Биополимеры представляют собой продукты синтеза на основе сахара, крахмала, целлюлозы, лигнина и растительных масел. В течение «жизненного цикла» биополимеров (от синтеза до полной деструкции) образуется значительно меньше углекислого газа, чем у синтетических пластмасс из нефтехимического сырья.

Производство полимеров на основе растительного сырья - это путь сбережения энергии. Например, в сравнении с полиэтиленом при производстве тонны биопластика экономится от 12 до 40 ГДж энергозатрат. Биоразлагаемые пластики из натурального сырья облегчают проблему захоронения, компостирования пластиковых отходов, в частности тарных материалов, имеющих весьма короткий жизненный цикл и составляющих значительную часть твердых бытовых отходов.

Наконец, развитие «зеленых» технологий способствует развитию агропромышленного комплекса. Все это служит основанием для бурного роста интереса в мире к биополимерам и биотопливу. В США распространено выражение «thinking outside the oil barrel» - думать за пределами нефтяного барреля, для русского уха привычнее «вне нефтяной трубы».

Потребности мирового рынка во всевозможных полимерных материалах и изделиях из них продолжают быстро расти, особенно это касается Китая, Индии и других стран Юго-Восточной Азии. В Европе спрос на пластики растет более медленными темпами, там идет в основном структурная перестройка элементов производства полимеров и изделий из них.

Оценка сложившейся ситуации по разработке и освоению биодеградируемых пластиков позволяет выделить три основных направления в этой области:
- получение пластмасс на основе воспроизводимых природных полимеров,
- придание биоразлагаемости широко используемым в настоящее время высокомолекулярным синтетическим материалам,


- синтез биоразрушаемых полиэфиров гидроксикарбоновых кислот.

Перспективы получения и утилизации разрушаемых полимеров на основе возобновляемых природных источников

Получение биопластмасс на основе природных биоразлагаемых полимеров типа крахмала, целлюлозы, хитозана или протеинов представляют собой, как правило, создание композиционных материалов с различными добавками. Так, для получения биоразрушаемой водорастворимой пленки из смеси крахмала и пектина в состав композиции вводят в качестве пластификаторов глицерин или полиоксиэтиленгликоль.

Получаемые из таких композитов биоразлагаемые пленки используют в сельском хозяйстве и в качестве упаковки. Для снижения себестоимости материалов такого типа, как правило, используют неочищенный крахмал, смешанный с поливиниловым спиртом, тальком и другими добавками.

Водостойкие биоразлагаемые композиции получают из смеси эфиров крахмала и полиоксиэтиленгликоля.

Биоразлагаемые подгузники, гигиенические подушечки, хорошо впитывающие жидкость, получаются на основе гидрофильной композиции, содержащей деструктированный крахмал, пропитанный сополимером этилена с виниловым спиртом и алифатическими полиэфирами. Пленка на основе такого материала обладает высокой прочностью, сохраняет свойства при выдержке при температуре 50 оС в течение 3 месяцев. Такая пленка используется в сельском хозяйстве для мульчирования и при упаковке пищевых продуктов.

На основе крахмала фирма Biotec GmbH для различных областей применения производит компостируемые пластические массы (литьевой биопласт в виде гранул для литья изделий разового назначения; пеноматериалы для упаковки пищевых продуктов; гранулы для получения компостируемых раздувных и плоских пленок Biofle и др.).

Высокая экологичность и способность разлагаться в компосте при 30 оС в течение 2 месяцев с образованием благоприятных для растений продуктов распада делает применение таких материалов весьма перспективным.

В качестве возобновляемого природного биоразлагаемого начала при получении термопластов активно разрабатываются и другие композиты, -целлюлоза/хитин или целлюлоза/крахмал. Например, 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. Для придания более высокой биоразлагаемости материалам на основе сложных эфиров целлюлозы в композицию рекомендуется вводить полиэфиры лимонной кислоты либо ацетат целлюлозы, частично переэтерифицированный 6-гидроксикапроновой кислотой.

Компостируемые материалы, получаемые из смеси растительных и натуральных исходных продуктов, где основным компонентом является целлюлоза или ее производные, широко применяются в настоящее время в качестве исходного сырья для изготовления одноразовых изделий для упаковки и предметов первой необходимости. В последнее время особое внимание разработчиков привлекают композиции, содержащие хитозан и целлюлозу. Из них получают биоразлагаемые пластики, пленку с хорошей прочностью и водостойкостью, когда в смеси содержится 10-20 % хитозана.

Из тройной композиции - хитозан, микроцеллюлозное волокно и желатин - получают пленки с повышенной прочностью, способные разлагаться микроорганизмами при захоронении в землю. Природные белки или протеины также используются для получения биоразлагаемых пластиков, предназначенных для упаковки сухой и влажной пищи и др.

Для получения биоразлагаемого упаковочного материала пищевых продуктов, парфюмерии и лекарственных препаратов используют метакрилированный желатин, казеин, производные серина, кератиносодержащие натуральных продуктов.

Так, фирмой Showa (Япония) разработан биодеструктируемый термопластичный полимер для внешнего корпуса телевизоров и персональных компьютеров. В целом, данное направление по использованию природных полимеров с целью создания биоразлагаемых пластиков интересно прежде всего тем, что ресурсы исходного сырья возобновляемы.

Н.А. Воинов, Т.Г. Волова
Похожие статьи
показать еще
 
Биотехнологии и биоматериалы