Biodegradable polymers: konsepto, mga katangian, paraan ng paghahanda at mga halimbawa ng mga reaksyon

2024 May -akda: Howard Calhoun | [email protected]. Huling binago: 2023-12-17 10:43

Maaari mong mapansin na sa nakalipas na dekada, ang mga produktong may prefix na "bio" na idinagdag sa pangalan ay naging popular. Nilalayon nitong ipaalam na ang produkto ay ligtas para sa mga tao at kalikasan. Ito ay aktibong isinusulong ng media. Dumating pa ito sa katawa-tawa - kapag pumipili ng inumin, isinasaalang-alang nila ang biokefir na ang pinakamahusay, at ang biofuel ay hindi na isang kahalili sa langis, ngunit isang environment friendly na produkto. At huwag kalimutan ang tungkol sa mga bio-extract na ginagawang "mga himala" ang mga pampaganda.

Pangkalahatang impormasyon

Ngayon, magseryoso tayo. Kadalasan, sa paglipat sa mga kalsada, makikita mo ang mga kusang pagtatapon. Bilang karagdagan, may mga ganap na landfill kung saan iniimbak ang dumi ng tao. Mukhang hindi masama, ngunit mayroong isang minus - masyadong mahabang oras ng pagkabulok. Mayroong isang malaking bilang ng mga paraan upang ayusin ito - ito ay ang pag-recycle ng basura, at ang paggamit ng hindi gaanong nakakapinsalang mga materyales na mabilis na sumisira sa mga nabubulok. Pag-usapan natin ang pangalawang kaso.

Maraming puntos dito. Packaging, gulong, salamin, derivatives ng industriya ng kemikal. Lahat ng mga ito ay nangangailanganpansin. Gayunpaman, walang tiyak na unibersal na recipe. Samakatuwid, kailangang malaman kung ano at paano tiyakin ang pag-iwas sa polusyon sa kapaligiran.

Biodegradable polymers ay binuo bilang sagot sa problema sa pagtatapon ng basurang plastik. Hindi lihim na ang kanilang volume ay lumalaki taun-taon. Ang salitang biopolymer ay ginagamit din para sa kanilang pinaikling pagtatalaga. Ano ang kanilang kakaiba? Maaari silang mabulok sa kapaligiran dahil sa pagkilos ng mga pisikal na kadahilanan at microorganism - fungi o bacteria. Ang isang polimer ay itinuturing na ganoon kung ang buong masa nito ay nasisipsip sa tubig o lupa sa loob ng anim na buwan. Ito ay bahagyang nalulutas ang problema sa basura. Kasabay nito, ang mga produkto ng agnas ay nakuha - tubig at carbon dioxide. Kung may iba pa, kailangan itong imbestigahan para sa kaligtasan at pagkakaroon ng mga nakakalason na sangkap. Maaari din silang i-recycle ng karamihan sa mga karaniwang teknolohiya sa pagmamanupaktura ng plastik gaya ng extrusion, blow molding, thermoforming at injection molding.

Anong mga lugar ang ginagawa natin?

Ang pagkuha ng mga biodegradable polymers ay isang medyo matrabahong gawain. Ang pagbuo ng mga teknolohiya na ginagawang posible upang makakuha ng mga ligtas na materyales ay aktibong isinasagawa sa Estados Unidos, sa kontinente ng Europa, sa Japan, Korea at China. Sa kasamaang palad, dapat tandaan na sa Russia ang mga resulta ay hindi kasiya-siya. Ang paglikha ng isang teknolohiya para sa biodegradation ng mga plastik at ang kanilang produksyon mula sa nababagong hilaw na materyales ay isang mahal na kasiyahan. Bilang karagdagan, ang bansa ay mayroon pa ring sapat na langis para sa produksyon ng mga polimer. Pero lahatpareho, tatlong pangunahing direksyon ang maaaring makilala:

1. Production ng biodegradable polyesters batay sa hydroxycarboxylic acids.
2. Paggawa ng mga plastic batay sa mga reproducible na natural na sangkap.
3. Ang mga industrial polymer ay nagiging biodegradable.

Ngunit paano ang tungkol sa pagsasanay? Tingnan natin nang mabuti kung paano ginagawa ang mga biodegradable polymer.

Bacterial polyhydroxyalkanoates

Ang mga microorganism ay kadalasang lumalaki sa mga kapaligiran kung saan may mga nutrient na carbon. Sa kasong ito, mayroong isang kakulangan ng posporus o nitrogen. Sa ganitong mga kaso, ang mga microorganism ay nag-synthesize at nag-iipon ng polyhydroxyalkanoates. Nagsisilbi sila bilang isang reserba ng mga carbon (mga tindahan ng pagkain) at enerhiya. Kung kinakailangan, maaari nilang mabulok ang polyhydroxyalkanoates. Ang ari-arian na ito ay ginagamit para sa pang-industriyang produksyon ng mga materyales ng pangkat na ito. Ang pinakamahalaga para sa amin ay polyhydroxy butyrate at polyhydroxy valerate. Kaya, ang mga plastik na ito ay biodegradable. Kasabay nito, ang mga ito ay aliphatic polyester na lumalaban sa ultraviolet radiation.

Dapat tandaan na bagama't mayroon silang sapat na katatagan sa aquatic na kapaligiran, ang dagat, lupa, composting at recycling na kapaligiran ay nakakatulong sa kanilang biological degradation. At ito ay nangyayari nang napakabilis. Halimbawa, kung ang compost ay may halumigmig na 85% at 20-60 degrees Celsius, pagkatapos ay ang agnas sa carbon dioxide at tubig ay tatagal ng 7-10 na linggo. Saan ginagamit ang polyhydroxyalkanoates?

Silaay ginagamit para sa paggawa ng biodegradable packaging at nonwoven na materyales, disposable wipe, fibers at films, personal care products, water-repellent coatings para sa karton at papel. Bilang isang tuntunin, maaari silang magpasa ng oxygen, lumalaban sa mga agresibong kemikal, may relatibong thermal stability, at may lakas na maihahambing sa polypropylene.

Sa pagsasalita tungkol sa mga disadvantages ng biodegradable polymers, dapat tandaan na ang mga ito ay napakamahal. Ang isang halimbawa ay ang Biopol. Nagkakahalaga ito ng 8-10 beses na mas mataas kaysa sa tradisyonal na plastik. Samakatuwid, ito ay ginagamit lamang sa gamot, para sa pag-iimpake ng ilang mga pabango at mga produkto ng personal na pangangalaga. Ang mas sikat sa polyhydroxyalkanoates ay mirel, na nakuha mula sa saccharified cornstarch. Ang kalamangan nito ay medyo mababa ang gastos. Ngunit, gayunpaman, ang presyo nito ay doble pa rin kaysa sa tradisyonal na low-density polyethylene. Kasabay nito, ang mga hilaw na materyales ay nagkakahalaga ng 60% ng gastos. At ang mga pangunahing pagsisikap ay naglalayong mahanap ang mga murang katapat nito. Ang pinag-uusapan ay ang starch ng mga cereal tulad ng trigo, rye, barley.

Polylactic acid

Ang paggawa ng mga biodegradable polymers para sa packaging ay isinasagawa din gamit ang polylactide. Ito rin ay polylactic acid. Ano ang kinakatawan niya? Ito ay isang linear aliphatic polyester, isang condensation product ng lactic acid. Ito ay isang monomer kung saan ang polylactide ay artipisyal na na-synthesize ng bakterya. Dapat pansinin na ang paggawa nito sa tulong ng bakterya ay mas madali kaysa sa tradisyonal na pamamaraan. Pagkatapos ng lahat, ang polylactides ay nilikha ng bakterya mula sa mga magagamit na asukal sa isang teknolohikal na simpleng proseso. Ang polymer mismo ay pinaghalong dalawang optical isomer na may parehong komposisyon.

Ang resultang substance ay may medyo mataas na thermal stability. Kaya, ang vitrification ay nangyayari sa temperatura na 90 degrees Celsius, habang ang pagtunaw ay nangyayari sa 210-220 Celsius. Gayundin, ang polylactide ay lumalaban sa UV, bahagyang nasusunog, at kung ito ay nasusunog, pagkatapos ay may kaunting usok. Maaari itong iproseso gamit ang lahat ng mga pamamaraan na angkop para sa thermoplastics. Ang mga produktong nakuha mula sa polylactide ay may mataas na tigas, gloss, at transparent. Ginagamit ang mga ito sa paggawa ng mga plato, tray, pelikula, hibla, implant (ganito ang paggamit ng biodegradable polymers sa gamot), packaging para sa mga kosmetiko at mga produktong pagkain, bote para sa tubig, juice, gatas (ngunit hindi carbonated na inumin, dahil pumasa ang materyal. carbon dioxide). Pati na rin ang mga tela, laruan, case ng cell phone at computer mice. Tulad ng nakikita mo, ang paggamit ng mga biodegradable polymers ay napakalawak. At iyon ay para lang sa isa sa kanilang mga grupo!

Production at biodegradation ng polylactic acid

Sa unang pagkakataon, ang isang patent para sa produksyon nito ay inisyu noong 1954. Ngunit ang komersyalisasyon ng bioplastic na ito ay nagsimula lamang sa simula ng ika-21 siglo - noong 2002. Sa kabila nito, mayroon nang isang malaking bilang ng mga kumpanya na nakikibahagi sa paggawa nito - tanging sa Europa mayroong higit sa 30 sa kanila. Isang mahalagang kalamanganAng polylactic acid ay medyo mababa ang gastos - nakikipagkumpitensya na ito halos sa isang pantay na katayuan sa polypropylene at polyethylene. Ipinapalagay na sa 2020 na, ang polylactide ay maaaring magsimulang itulak ang mga ito sa merkado ng mundo. Upang madagdagan ang biodegradability nito, madalas na idinagdag dito ang almirol. Ito rin ay may positibong epekto sa presyo ng produkto. Totoo, ang mga nagresultang timpla ay medyo marupok, at ang mga plasticizer, tulad ng sorbitol o glycerin, ay kailangang idagdag sa kanila upang gawing mas nababanat ang panghuling produkto. Ang isang alternatibong solusyon sa problema ay ang paggawa ng isang haluang metal kasama ng iba pang nabubulok na polyester.

Polylactic acid ay nabubulok sa dalawang hakbang. Una, ang mga grupo ng ester ay na-hydrolyzed sa tubig, na nagreresulta sa pagbuo ng lactic acid at ilang iba pang mga molekula. Pagkatapos ay nabubulok sila sa isang tiyak na kapaligiran sa tulong ng mga mikrobyo. Ang polylactides ay sumasailalim sa prosesong ito sa loob ng 20-90 araw, pagkatapos ay carbon dioxide at tubig na lang ang natitira.

Pagbabago ng almirol

Kapag ginamit ang mga natural na hilaw na materyales, ito ay mabuti, dahil ang mga mapagkukunan para dito ay patuloy na nire-renew, kaya halos walang limitasyon ang mga ito. Ang starch ay nakakuha ng pinakamalawak na katanyagan sa bagay na ito. Ngunit mayroon itong disbentaha - mayroon itong mas mataas na kakayahang sumipsip ng kahalumigmigan. Ngunit maiiwasan ito kung mapapansin mo ang bahagi ng mga hydroxyl group sa ester.

Chemical treatment ay nagbibigay-daan sa iyo na lumikha ng karagdagang mga bono sa pagitan ng mga bahagi ng polymer, na tumutulong upang mapataas ang paglaban sa init, katatagansa mga acid at puwersa ng paggugupit. Ang resulta, ang binagong almirol, ay ginagamit bilang isang biodegradable na plastik. Nabubulok ito sa 30 degrees sa compost sa loob ng dalawang buwan, na ginagawa itong lubos na environment friendly.

Upang mabawasan ang halaga ng materyal, ginagamit ang krudo na almirol, na hinaluan ng talc at polyvinyl alcohol. Maaari itong gawin gamit ang parehong kagamitan tulad ng para sa ordinaryong plastik. Ang binagong starch ay maaari ding kulayan at i-print gamit ang mga nakasanayang pamamaraan.

Pakitandaan na ang materyal na ito ay likas na anti-static. Ang kawalan ng starch ay ang mga pisikal na katangian nito ay karaniwang mas mababa kaysa sa mga resin na ginawa ng petrochemically. Iyon ay, polypropylene, pati na rin ang mataas at mababang presyon ng polyethylene. At gayon pa man, ito ay inilapat at ibinebenta sa merkado. Kaya, ginagamit ito sa paggawa ng mga pallet para sa mga produktong pagkain, mga pelikulang pang-agrikultura, mga materyales sa packaging, mga kubyertos, pati na rin mga lambat para sa mga prutas at gulay.

Paggamit ng iba pang natural na polimer

Ito ay medyo bagong paksa - biodegradable polymers. Ang makatuwirang pamamahala ng kalikasan ay nag-aambag sa mga bagong tuklas sa lugar na ito. Napakaraming iba pang natural na polysaccharides ang ginagamit sa paggawa ng mga biodegradable na plastik: chitin, chitosan, cellulose. At hindi lamang hiwalay, kundi pati na rin sa kumbinasyon. Halimbawa, ang isang pelikula na may tumaas na lakas ay nakuha mula sa chitosan, microcellulose fiber at gelatin. At kung ibabaon mo ito sa lupa, pagkatapos ay mabilis itopinaghiwa-hiwalay ng mga mikroorganismo. Maaari itong gamitin para sa packaging, mga tray at mga katulad na item.

Sa karagdagan, ang mga kumbinasyon ng cellulose na may dicarboxylic anhydride at epoxy compound ay medyo karaniwan. Ang lakas nila ay nabubulok sila sa loob ng apat na linggo. Ang mga bote, mga pelikula para sa pagmam alts, mga disposable tableware ay ginawa mula sa nagresultang materyal. Ang kanilang paggawa at produksyon ay aktibong lumalaki bawat taon.

Biodegradability ng mga industrial polymer

Ang problemang ito ay medyo may kaugnayan. Ang mga biodegradable polymers, ang mga halimbawa nito ay nabanggit sa itaas para sa mga reaksyon sa kapaligiran, ay hindi tatagal ng kahit isang taon sa kapaligiran. Samantalang ang mga materyal na pang-industriya ay maaaring marumihan ito sa loob ng mga dekada at kahit na mga siglo. Nalalapat ang lahat ng ito sa polyethylene, polypropylene, polyvinyl chloride, polystyrene, polyethylene terephthalate. Samakatuwid, ang pagbawas sa oras ng kanilang pagkasira ay isang mahalagang gawain.

Para makamit ang resultang ito, may ilang posibleng solusyon. Ang isa sa mga pinaka-karaniwang pamamaraan ay ang pagpapakilala ng mga espesyal na additives sa molekula ng polimer. At sa init o sa liwanag, ang proseso ng kanilang pagkabulok ay pinabilis. Ito ay angkop para sa mga disposable tableware, bote, packaging at mga pelikulang pang-agrikultura, mga bag. Pero, sayang, may mga problema din.

Ang una ay ang mga additives ay dapat gamitin sa tradisyonal na paraan - paghubog, paghahagis, pagpilit. Sa kasong ito, ang mga polimer ay hindi dapat mabulok, kahit na sila ay napapailalim sa temperaturapagpoproseso. Bilang karagdagan, ang mga additives ay hindi dapat mapabilis ang agnas ng mga polimer sa liwanag, at pinapayagan din ang posibilidad ng pangmatagalang paggamit sa ilalim nito. Iyon ay, kinakailangan upang matiyak na ang proseso ng pagkasira ay magsisimula sa isang tiyak na sandali. Ito ay napakahirap. Ang teknolohikal na proseso ay nagsasangkot ng pagdaragdag ng 1-8% na mga additives (halimbawa, ang naunang tinalakay na almirol ay ipinakilala) bilang bahagi ng isang maliit na tipikal na paraan ng pagproseso, kapag ang pag-init ng hilaw na materyal ay hindi lalampas sa 12 minuto. Ngunit sa parehong oras, ito ay kinakailangan upang matiyak na sila ay pantay na ipinamamahagi sa buong polymer mass. Ginagawang posible ng lahat ng ito na panatilihin ang panahon ng pagkasira sa saklaw mula siyam na buwan hanggang limang taon.

Mga prospect para sa pag-unlad

Bagaman ang paggamit ng mga biodegradable polymers ay nakakakuha ng momentum, sila ngayon ay bumubuo ng isang maliit na porsyento ng kabuuang merkado. Ngunit, gayunpaman, natagpuan pa rin nila ang isang malawak na aplikasyon at nagiging mas at mas popular. Ngayon ay medyo nakabaon na sila sa angkop na lugar ng packaging ng pagkain. Bilang karagdagan, ang mga biodegradable polymer ay malawakang ginagamit para sa mga disposable na bote, tasa, plato, mangkok at tray. Naitatag din nila ang kanilang mga sarili sa merkado sa anyo ng mga bag para sa koleksyon at kasunod na pag-compost ng basura ng pagkain, mga bag para sa mga supermarket, mga pelikulang pang-agrikultura at mga pampaganda. Sa kasong ito, maaaring gamitin ang karaniwang kagamitan para sa paggawa ng mga biodegradable polymers. Dahil sa kanilang mga pakinabang (paglaban sa pagkasira sa ilalim ng normal na mga kondisyon, mababang hadlang sa singaw ng tubig at oxygen, walang mga problema sa pagtatapon ng basura, kalayaan mula sa mga hilaw na materyales ng petrochemical), patuloy silang nanalomerkado.

Sa mga pangunahing disadvantage, dapat alalahanin ang mga kahirapan ng malakihang produksyon at ang medyo mataas na gastos. Ang problemang ito, sa isang tiyak na lawak, ay maaaring malutas sa pamamagitan ng malalaking sistema ng produksyon. Ang pagpapabuti ng teknolohiya ay ginagawang posible rin na makakuha ng mas matibay at hindi masusuot na mga materyales. Bilang karagdagan, dapat tandaan na mayroong isang malakas na ugali na tumuon sa mga produkto na may prefix na "eco". Pinapadali ito ng media at mga programa ng suporta ng gobyerno at internasyonal.

Ang mga hakbang sa konserbasyon ay unti-unting hinihigpitan, na nagreresulta sa ilang tradisyunal na produktong plastik na ipinagbabawal sa ilang bansa. Halimbawa, mga pakete. Ang mga ito ay pinagbawalan sa Bangladesh (pagkatapos nilang matagpuang bumabara sa mga sistema ng paagusan at dalawang beses na nagdudulot ng malalaking baha) at Italya. Unti-unting dumating ang pagsasakatuparan ng tunay na presyo na kailangang bayaran para sa mga maling desisyon. At ang pag-unawa na kinakailangan upang matiyak ang kaligtasan ng kapaligiran ay hahantong sa higit at higit pang mga paghihigpit sa tradisyonal na plastik. Sa kabutihang palad, mayroong isang pangangailangan para sa paglipat sa kahit na mas mahal, ngunit kapaligiran friendly na mga materyales. Bilang karagdagan, ang mga research center sa maraming bansa at malalaking pribadong kumpanya ay naghahanap ng bago at mas murang mga teknolohiya, na magandang balita.

Konklusyon

Kaya isinaalang-alang namin kung ano ang mga biodegradable polymers, mga paraan ng paggawa at saklaw ng mga materyales na ito. May pare-parehopagpapabuti at pagpapabuti ng mga teknolohiya. Kaya't umaasa tayo na sa mga susunod na taon, ang halaga ng biodegradable polymers ay talagang makakahabol sa mga materyales na nakuha sa pamamagitan ng tradisyonal na mga pamamaraan. Pagkatapos noon, ang paglipat sa mas ligtas at higit na kapaligirang mga pag-unlad ay magiging sandali na lamang.