Biohajoavat polymeerit: käsite, ominaisuudet, valmistusmenetelmät ja esimerkkejä reaktioista

2024 Kirjoittaja: Howard Calhoun | [email protected]. Viimeksi muokattu: 2023-12-17 10:26

Saatat huomata, että viimeisen vuosikymmenen aikana tuotteet, joiden nimeen on lisätty etuliite "bio", ovat saavuttaneet suosiota. Tarkoituksena on kertoa, että tuote on turvallinen ihmisille ja luonnolle. Media edistää sitä aktiivisesti. Siitä tuli jopa naurettavaa - juomaa valitessaan he pitävät biokefiiriä parhaana, eikä biopolttoaine ole enää vaihtoehto öljylle, vaan ympäristöystävällinen tuote. Äläkä unohda biouutteita, jotka saavat kosmetiikan tekemään "ihmeitä".

Yleistä tietoa

Ollaan nyt tosissaan. Usein teitä pitkin liikkuessasi voit nähdä spontaaneja kaatopaikkoja. Lisäksi on täysimittaiset kaatopaikat, joille varastoidaan ihmisten jätettä. Se ei näytä olevan huono, mutta siinä on yksi miinus - liian pitkä hajoamisaika. On olemassa monia tapoja korjata tämä - tämä on jätteiden kierrätys ja vähemmän haitallisten materiaalien käyttö, jotka tuhoavat nopeasti hajottajat. Puhutaanpa toisesta tapauksesta.

Tässä on monia kohtia. Pakkaukset, renkaat, lasi, kemianteollisuuden tuotteet. Ne kaikki vaativathuomio. Ei kuitenkaan ole olemassa erityistä universaalia reseptiä. Siksi on tiedettävä tarkasti, mitä ja miten ympäristön saastumisen ehkäiseminen varmistetaan.

Biohajoavat polymeerit kehitettiin vastaukseksi muovijätteen hävittämisongelmaan. Ei ole mikään salaisuus, että niiden määrä kasvaa joka vuosi. Sanaa biopolymeerit käytetään myös niiden lyhenteessä. Mikä on niiden erikoisuus? Ne voivat hajota ympäristössä fyysisten tekijöiden ja mikro-organismien - sienten tai bakteerien - vaikutuksesta. Polymeeri katsotaan sellaiseksi, jos sen koko massa imeytyy veteen tai maaperään kuuden kuukauden kuluessa. Tämä ratkaisee osittain jäteongelman. Samaan aikaan saadaan hajoamistuotteita - vettä ja hiilidioksidia. Jos on jotain muuta, niin se on tutkittava turvallisuuden ja myrkyllisten aineiden esiintymisen var alta. Ne voidaan myös kierrättää useimmilla tavallisilla muovinvalmistustekniikoilla, kuten suulakepuristamalla, puhallusmuovauksella, lämpömuovauksella ja ruiskuvalulla.

Millä aloilla työskentelemme?

Biohajoavien polymeerien saaminen on melko työläs tehtävä. Turvallisten materiaalien saannin mahdollistavien teknologioiden kehitystyötä tehdään aktiivisesti Yhdysvalloissa, Euroopan mantereella, Japanissa, Koreassa ja Kiinassa. Valitettavasti on huomattava, että Venäjällä tulokset ovat epätyydyttäviä. Teknologian luominen muovien biohajoamiseen ja niiden tuotantoon uusiutuvista raaka-aineista on kallista nautintoa. Lisäksi maassa on edelleen tarpeeksi öljyä polymeerien tuotantoon. Mutta kaikkisama, kolme pääsuuntaa voidaan erottaa:

1. Hydroksikarboksyylihappoihin perustuvien biohajoavien polyestereiden valmistus.
2. Toistettaviin luonnollisiin ainesosiin perustuvien muovien luominen.
3. Teollisista polymeereistä tulee biohajoavia.

Mutta entä käytännössä? Katsotaanpa tarkemmin, kuinka biohajoavia polymeerejä valmistetaan.

Bakteeriset polyhydroksialkanoaatit

Mikro-organismit kasvavat usein ympäristöissä, joissa on saatavilla ravinnehiiltä. Tässä tapauksessa on fosforin tai typen puute. Tällaisissa tapauksissa mikro-organismit syntetisoivat ja kerääntyvät polyhydroksialkanoaatteja. Ne toimivat hiilivarastona (ruokavarastot) ja energiana. Tarvittaessa ne voivat hajottaa polyhydroksialkanoaatteja. Tätä kiinteistöä käytetään tämän ryhmän materiaalien teolliseen tuotantoon. Meille tärkeimmät ovat polyhydroksibutyraatti ja polyhydroksivaleraatti. Näin ollen nämä muovit ovat biohajoavia. Samalla ne ovat alifaattisia polyestereitä, jotka kestävät ultraviolettisäteilyä.

On huomattava, että vaikka niillä on riittävä stabiilius vesiympäristössä, meri, maaperä, kompostointi- ja kierrätysympäristöt vaikuttavat niiden biologiseen hajoamiseen. Ja se tapahtuu melko nopeasti. Esimerkiksi jos kompostin kosteus on 85 % ja lämpötila 20-60 celsiusastetta, niin hajoaminen hiilidioksidiksi ja vedeksi kestää 7-10 viikkoa. Missä polyhydroksialkanoaatteja käytetään?

Hekäytetään biohajoavien pakkausten ja kuitukangasmateriaalien, kertakäyttöpyyhkeiden, kuitujen ja kalvojen, henkilökohtaisen hygieniatuotteiden, pahvin ja paperin vettä hylkivien pinnoitteiden valmistukseen. Yleensä ne läpäisevät happea, kestävät aggressiivisia kemikaaleja, niillä on suhteellinen lämpöstabiilisuus ja niiden lujuus on verrattavissa polypropeeniin.

Puhuttaessa biohajoavien polymeerien haitoista, on huomattava, että ne ovat erittäin kalliita. Esimerkki on Biopol. Se maksaa 8-10 kertaa enemmän kuin perinteinen muovi. Siksi sitä käytetään vain lääketieteessä, joidenkin hajuvesien ja henkilökohtaisen hygienian tuotteiden pakkaamiseen. Polyhydroksialkanoaattien keskuudessa suositumpi on sokeroidusta maissitärkkelyksestä saatu mireli. Sen etuna on suhteellisen alhaiset kustannukset. Mutta siitä huolimatta sen hinta on edelleen kaksi kertaa perinteisen matalatiheyksisen polyeteenin hinta. Samaan aikaan raaka-aineiden osuus kustannuksista on 60 prosenttia. Ja tärkeimmät ponnistelut tähtäävät halpojen vastineiden löytämiseen. Kysymys on viljan, kuten vehnän, rukiin, ohran, tärkkelyksestä.

polymaitohappo

Biologisesti hajoavien polymeerien valmistus pakkaamiseen tapahtuu myös polylaktidilla. Se on myös polymaitohappoa. Mitä hän edustaa? Se on lineaarinen alifaattinen polyesteri, maitohapon kondensaatiotuote. Se on monomeeri, josta bakteerit syntetisoivat keinotekoisesti polylaktidia. On huomattava, että sen tuotanto bakteerien avulla on helpompaa kuin perinteinen menetelmä. Loppujen lopuksi bakteerit luovat polylaktideja saatavilla olevista sokereista teknisesti yksinkertaisella prosessilla. Itse polymeeri on kahden optisen isomeerin seos, joilla on sama koostumus.

Saadun aineen lämpöstabiilisuus on melko korkea. Joten lasittaminen tapahtuu 90 celsiusasteen lämpötilassa, kun taas sulaminen tapahtuu 210-220 celsiusasteessa. Lisäksi polylaktidi on UV-kestävä, hieman syttyvä, ja jos se palaa, niin pienellä määrällä savua. Sitä voidaan käsitellä kaikilla kestomuoveille soveltuvilla menetelmillä. Polylaktidista saadut tuotteet ovat erittäin jäykkiä, kiiltäviä ja läpinäkyviä. Niistä valmistetaan lautasia, tarjottimia, kalvoja, kuituja, implantteja (näin biohajoavia polymeerejä käytetään lääketieteessä), kosmetiikka- ja elintarvikepakkauksia, vesipulloja, mehua, maitoa (mutta ei hiilihapotettuja juomia, koska materiaali läpäisee hiilidioksidi). Sekä kankaita, leluja, matkapuhelinkoteloita ja tietokonehiiriä. Kuten näette, biohajoavien polymeerien käyttö on erittäin laajaa. Ja se on vain yhdelle heidän ryhmästään!

Polymaitohapon tuotanto ja biohajoaminen

Ensimmäistä kertaa patentti sen tuotannolle myönnettiin jo vuonna 1954. Mutta tämän biomuovin kaupallistaminen alkoi vasta 2000-luvun alussa - vuonna 2002. Tästä huolimatta sen valmistukseen osallistuvia yrityksiä on jo suuri määrä - vain Euroopassa niitä on yli 30. Tärkeä etupolymaitohappo on suhteellisen edullinen - se kilpailee jo lähes tasavertaisesti polypropeenin ja polyeteenin kanssa. Oletetaan, että jo vuonna 2020 polylaktidi voi alkaa ajaa niitä maailmanmarkkinoille. Sen biohajoavuuden lisäämiseksi siihen lisätään usein tärkkelystä. Tällä on myös positiivinen vaikutus tuotteen hintaan. Totta, syntyneet seokset ovat melko hauraita, ja niihin on lisättävä pehmittimiä, kuten sorbitolia tai glyseriiniä, jotta lopputuotteesta tulee joustavampi. Vaihtoehtoinen ratkaisu ongelmaan on luoda seos muiden hajoavien polyestereiden kanssa.

Polymaitohappo hajoaa kahdessa vaiheessa. Ensin esteriryhmät hydrolysoidaan vedellä, jolloin muodostuu maitohappoa ja muutamia muita molekyylejä. Sitten ne hajoavat tietyssä ympäristössä mikrobien avulla. Polylaktidit käyvät läpi tämän prosessin 20-90 päivässä, minkä jälkeen jäljelle jää vain hiilidioksidia ja vettä.

Tärkkelysmuutos

Kun käytetään luonnollisia raaka-aineita, se on hyvä, sillä sen resurssit uusiutuvat jatkuvasti, joten niitä on käytännössä rajattomasti. Tärkkelys on saavuttanut laajimman suosion tässä suhteessa. Mutta sillä on haittapuoli - sillä on lisääntynyt kyky imeä kosteutta. Mutta tämä voidaan välttää, jos huomaat osan esterissä olevista hydroksyyliryhmistä.

Kemiallisen käsittelyn avulla voit luoda lisäsidoksia polymeerin osien välille, mikä auttaa lisäämään lämmönkestävyyttä ja vakauttahapoille ja leikkausvoimalle. Tuloksena, modifioitua tärkkelystä, käytetään biohajoavana muovina. Se hajoaa 30 asteessa kompostissa kahdessa kuukaudessa, mikä tekee siitä erittäin ympäristöystävällisen.

Materiaalikustannusten alentamiseksi käytetään raakatärkkelystä, joka sekoitetaan talkin ja polyvinyylialkoholin kanssa. Se voidaan valmistaa samoilla laitteilla kuin tavallinen muovi. Modifioitu tärkkelys voidaan myös värjätä ja painaa tavanomaisilla tekniikoilla.

Huomaa, että tämä materiaali on luonteeltaan antistaattista. Tärkkelyksen haittana on, että sen fysikaaliset ominaisuudet ovat yleensä huonommat kuin petrokemiallisesti tuotettujen hartsien. Eli polypropeeni sekä korkea- ja matalapainepolyeteeni. Ja silti sitä käytetään ja myydään markkinoilla. Joten siitä valmistetaan kuormalavoja elintarviketuotteille, maatalouskalvoille, pakkausmateriaaleille, ruokailuvälineille sekä hedelmille ja vihanneksille tarkoitettuja verkkoja.

Käytetään muita luonnonpolymeereja

Tämä on suhteellisen uusi aihe – biohajoavat polymeerit. Järkevä luonnonhoito edistää uusia löytöjä tällä alueella. Niin monia muita luonnollisia polysakkarideja käytetään biohajoavien muovien valmistuksessa: kitiiini, kitosaani, selluloosa. Eikä vain erikseen, vaan myös yhdessä. Esimerkiksi kitosaanista, mikroselluloosakuidusta ja gelatiinista saadaan vahvempi kalvo. Ja jos hautat sen maahan, se menee nopeastihajottaa mikro-organismeja. Sitä voidaan käyttää pakkaamiseen, tarjottimiin ja vastaaviin esineisiin.

Lisäksi selluloosan yhdistelmät dikarboksyylihappoanhydridien ja epoksiyhdisteiden kanssa ovat melko yleisiä. Niiden vahvuus on, että ne hajoavat neljässä viikossa. Tuloksena olevasta materiaalista valmistetaan pullot, kalvot multaamiseen, kertakäyttöastiat. Niiden luominen ja tuotanto kasvavat aktiivisesti joka vuosi.

Teollisten polymeerien biohajoavuus

Tämä ongelma on varsin tärkeä. Biohajoavat polymeerit, joista edellä on mainittu esimerkkejä ympäristöreaktioista, eivät kestä ympäristössä edes vuotta. Teollisuusmateriaalit voivat saastuttaa sitä vuosikymmeniä ja jopa vuosisatoja. Kaikki tämä koskee polyeteeniä, polypropeenia, polyvinyylikloridia, polystyreeniä, polyeteenitereftalaatteja. Siksi niiden hajoamisajan lyhentäminen on tärkeä tehtävä.

Tämän tuloksen saavuttamiseksi on olemassa useita mahdollisia ratkaisuja. Yksi yleisimmistä menetelmistä on erityisten lisäaineiden lisääminen polymeerimolekyyliin. Ja lämmössä tai valossa niiden hajoamisprosessi kiihtyy. Tämä sopii kertakäyttöastioihin, pulloihin, pakkauksiin ja maatalouskalvoihin, pusseihin. Mutta valitettavasti on myös ongelmia.

Ensimmäinen on, että lisäaineita tulee käyttää perinteisillä tavoilla - muovaus, valu, suulakepuristus. Tässä tapauksessa polymeerien ei pitäisi hajota, vaikka ne altistetaan lämpötilallekäsittelyä. Lisäksi lisäaineiden ei pitäisi nopeuttaa polymeerien hajoamista valossa, ja ne myös mahdollistavat pitkäaikaisen käytön sen alla. Eli on varmistettava, että hajoamisprosessi alkaa tietyllä hetkellä. Se on erittäin vaikeaa. Teknologisessa prosessissa lisätään 1-8 % lisäaineita (esimerkiksi edellä mainittu tärkkelys otetaan käyttöön) osana pientä tyypillistä prosessointimenetelmää, kun raaka-aineen kuumennus ei ylitä 12 minuuttia. Mutta samalla on varmistettava, että ne jakautuvat tasaisesti koko polymeerimassaan. Kaikki tämä mahdollistaa hajoamisajan pitämisen yhdeksän kuukauden ja viiden vuoden välillä.

Kehitysnäkymät

Vaikka biohajoavien polymeerien käyttö on yleistymässä, niiden osuus kokonaismarkkinoista on nyt vähäinen. Mutta silti he löysivät melko laajan sovelluksen ja ovat tulossa yhä suositummiksi. Ne ovat jo nyt hyvin juurtuneet elintarvikepakkausten markkinarakoon. Lisäksi biohajoavia polymeerejä käytetään laajasti kertakäyttöpulloissa, kupeissa, lautasissa, kulhoissa ja tarjottimissa. Ne ovat myös vakiinnutuneet markkinoille ruokajätteen keräys- ja kompostointipussien, supermarkettien pussien, maatalouskalvojen ja kosmeettisten tuotteiden muodossa. Tässä tapauksessa voidaan käyttää standardilaitteita biohajoavien polymeerien valmistukseen. Niiden etujen ansiosta (hajoamisenkestävyys normaaleissa olosuhteissa, alhainen vesihöyryn ja hapen esto, ei ongelmia jätteiden hävittämisessä, riippumattomuus petrokemian raaka-aineista) ne jatkavat voittojamarkkinat.

Tärkeimmistä haitoista on syytä muistaa suurtuotannon vaikeudet ja suhteellisen korkeat kustannukset. Tämä ongelma voidaan tietyssä määrin ratkaista suuren mittakaavan tuotantojärjestelmillä. Teknologian parantaminen mahdollistaa myös kestävämpien ja kulutusta kestävämpien materiaalien saamisen. Lisäksi on huomattava, että on vahva suuntaus keskittyä tuotteisiin, joissa on etuliite "eco". Tätä helpottavat sekä tiedotusvälineet että hallituksen ja kansainväliset tukiohjelmat.

Säilytystoimenpiteitä kiristetään vähitellen, minkä seurauksena jotkin perinteiset muovituotteet on kielletty joissakin maissa. Esimerkiksi paketit. Ne on kielletty Bangladeshissa (sen jälkeen kun niiden havaittiin tukkivan viemärijärjestelmiä ja aiheuttavan suuria tulvia kahdesti) ja Italiassa. Vähitellen tulee oivallus todellisesta hinnasta, joka on maksettava vääristä päätöksistä. Ja ymmärrys siitä, että on varmistettava ympäristön turvallisuus, johtaa yhä enemmän rajoituksiin perinteiselle muoville. Onneksi on kysyntää siirtymiselle entistä kalliimpiin, mutta ympäristöystävällisempiin materiaaleihin. Lisäksi monien maiden tutkimuskeskukset ja suuret yksityiset yritykset etsivät uusia ja halvempia teknologioita, mikä on hyvä uutinen.

Johtopäätös

Olemme siis pohtineet, mitkä ovat biohajoavat polymeerit, näiden materiaalien tuotantomenetelmät ja laajuus. On olemassa vakioteknologioiden parantaminen ja parantaminen. Toivotaan siis, että tulevina vuosina biohajoavien polymeerien kustannukset todellakin kurovat kiinni perinteisillä menetelmillä saatujen materiaalien kanssa. Sen jälkeen siirtyminen turvallisempaan ja ympäristöystävällisempään kehitykseen on vain ajan kysymys.