Bio-afbreekbare polimere: konsep, eienskappe, metodes van voorbereiding en voorbeelde van reaksies

2024 Outeur: Howard Calhoun | [email protected]. Laas verander: 2023-12-17 10:16

Jy sal dalk opmerk dat produkte met die voorvoegsel "bio" wat by die naam gevoeg is die afgelope dekade gewild geword het. Dit is bedoel om in te lig dat die produk veilig is vir mense en die natuur. Dit word aktief deur die media bevorder. Dit het selfs tot die belaglike gekom - wanneer hulle 'n drankie kies, beskou hulle biokefir as die beste, en biobrandstof is nie meer 'n alternatief vir olie nie, maar 'n omgewingsvriendelike produk. En moenie vergeet van bio-ekstrakte wat skoonheidsmiddels "wonderwerke" laat verrig nie.

Algemene inligting

Nou kom ons raak ernstig. Dikwels, terwyl jy langs die paaie beweeg, kan jy spontane stortings sien. Boonop is daar volwaardige stortingsterreine waar menslike afval gestoor word. Dit blyk nie sleg te wees nie, maar daar is een minus - te lang ontbindingstyd. Daar is 'n groot aantal maniere om dit reg te stel - dit is die herwinning van vullis, en die gebruik van minder skadelike materiale wat vinnig ontbinders vernietig. Kom ons praat oor die tweede geval.

Daar is baie punte hier. Verpakking, bande, glas, afgeleides van die chemiese industrie. Almal van hulle vereisaandag. Daar is egter geen spesifieke universele resep nie. Daarom is dit nodig om spesifiek te weet wat en hoe om die voorkoming van omgewingsbesoedeling te verseker.

Bio-afbreekbare polimere is ontwikkel as 'n antwoord op die probleem van die wegdoen van plastiekafval. Dit is geen geheim dat hul volume elke jaar groei nie. Die woord biopolimere word ook gebruik vir hul verkorte benaming. Wat is hul eienaardigheid? Hulle kan in die omgewing ontbind as gevolg van die werking van fisiese faktore en mikroörganismes - swamme of bakterieë.’n Polimeer word as sodanig beskou as sy hele massa binne ses maande in water of grond geabsorbeer word. Dit los die probleem van afval gedeeltelik op. Terselfdertyd word ontbindingsprodukte verkry - water en koolstofdioksied. As daar enigiets anders is, moet dit vir veiligheid en die teenwoordigheid van giftige stowwe ondersoek word. Hulle kan ook herwin word deur die meeste standaard plastiekvervaardigingstegnologieë soos ekstrusie, blaasvorm, termovorming en spuitgiet.

Aan watter areas werk ons?

Die verkryging van bio-afbreekbare polimere is 'n taamlik moeisame taak. Die ontwikkeling van tegnologieë wat dit moontlik maak om veilige materiaal te verkry, word aktief uitgevoer in die Verenigde State, op die Europese vasteland, in Japan, Korea en China. Ongelukkig moet daarop gelet word dat die resultate in Rusland onbevredigend is. Die skep van 'n tegnologie vir die biodegradasie van plastiek en die produksie daarvan uit hernubare grondstowwe is 'n duur plesier. Boonop het die land nog genoeg olie vir die vervaardiging van polimere. Maar allesdieselfde, drie hoofrigtings kan onderskei word:

1. Vervaardiging van bio-afbreekbare poliësters gebaseer op hidroksielkarboksielsure.
2. Skep plastiek gebaseer op reproduseerbare natuurlike bestanddele.
3. Industriële polimere word bio-afbreekbaar.

Maar wat van in die praktyk? Kom ons kyk van nader na hoe bioafbreekbare polimere gemaak word.

Bakteriese polihidroksielkanoate

Mikro-organismes groei dikwels in omgewings waar voedingstofkoolstowwe beskikbaar is. In hierdie geval is daar 'n tekort aan fosfor of stikstof. In sulke gevalle sintetiseer mikroörganismes en versamel polihidroksielkanoate. Hulle dien as 'n reserwe van koolstof (voedselstore) en energie. Indien nodig, kan hulle polihidroksielkanoate ontbind. Hierdie eiendom word gebruik vir die industriële produksie van materiale van hierdie groep. Die belangrikste vir ons is polihidroksiebutiraat en polihidroksievaleraat. Hierdie plastiek is dus bioafbreekbaar. Terselfdertyd is hulle alifatiese poliësters wat bestand is teen ultravioletstraling.

Daar moet kennis geneem word dat alhoewel hulle voldoende stabiliteit in die akwatiese omgewing het, die see, grond, kompos en herwinningsomgewings bydra tot hul biologiese agteruitgang. En dit gebeur redelik vinnig. Byvoorbeeld, as die kompos 'n humiditeit van 85% en 20-60 grade Celsius het, sal ontbinding in koolstofdioksied en water 7-10 weke neem. Waar word polihidroksielkanoate gebruik?

Hulleword gebruik vir die vervaardiging van bioafbreekbare verpakking en nie-geweefde materiaal, weggooibare doekies, vesels en films, persoonlike versorgingsprodukte, waterafstotende bedekkings vir karton en papier. As 'n reël kan hulle suurstof deurlaat, is hulle bestand teen aggressiewe chemikalieë, het hulle relatiewe termiese stabiliteit en het 'n sterkte vergelykbaar met polipropileen.

Praat oor die nadele van bio-afbreekbare polimere, moet daarop gelet word dat dit baie duur is. 'n Voorbeeld is Biopol. Dit kos 8-10 keer meer as tradisionele plastiek. Daarom word dit slegs in medisyne gebruik, vir die verpakking van sommige parfuums en produkte vir persoonlike versorging. Meer gewild onder polihidroksielkanoate is mirel, verkry uit versukrifiseerde mieliestysel. Die voordeel daarvan is relatief lae koste. Maar, nietemin, sy prys is steeds twee keer dié van tradisionele lae-digtheid poliëtileen. Terselfdertyd maak grondstowwe 60% van die koste uit. En die hoofpogings is daarop gemik om sy goedkoop eweknieë te vind. Die vooruitsig ter sprake is die stysel van graan soos koring, rog, gars.

Polylaktiese suur

Die vervaardiging van bio-afbreekbare polimere vir verpakking word ook uitgevoer met behulp van polylaktied. Dit is ook polimelksuur. Wat verteenwoordig hy? Dit is 'n lineêre alifatiese poliëster, 'n kondensasieproduk van melksuur. Dit is 'n monomeer waaruit polilaktied kunsmatig deur bakterieë gesintetiseer word. Daar moet kennis geneem word dat die produksie daarvan met behulp van bakterieë makliker is as die tradisionele metode. Polilaktiede word immers deur bakterieë uit beskikbare suikers in 'n tegnologies eenvoudige proses geskep. Die polimeer self is 'n mengsel van twee optiese isomere met dieselfde samestelling.

Die resulterende stof het 'n redelik hoë termiese stabiliteit. Dus, verglazing vind plaas by 'n temperatuur van 90 grade Celsius, terwyl smelting by 210-220 Celsius plaasvind. Polilaktied is ook UV-bestand, effens vlambaar, en as dit brand, dan met 'n klein hoeveelheid rook. Dit kan verwerk word met alle metodes wat geskik is vir termoplastiek. Produkte wat uit polylactide verkry word, het hoë styfheid, glans en is deursigtig. Hulle word gebruik om borde, skinkborde, film, vesel, inplantings te maak (dit is hoe bioafbreekbare polimere in medisyne gebruik word), verpakking vir skoonheidsmiddels en voedselprodukte, bottels vir water, sap, melk (maar nie koolzuurhoudende drankies nie, want die materiaal gaan deur koolstofdioksied). Asook materiaal, speelgoed, selfoonhouers en rekenaarmuise. Soos u kan sien, is die gebruik van bioafbreekbare polimere baie omvattend. En dis net vir een van hul groepe!

Produksie en biodegradasie van polimelksuur

Vir die eerste keer is 'n patent vir die vervaardiging daarvan in 1954 uitgereik. Maar die kommersialisering van hierdie bioplastiek het eers aan die begin van die 21ste eeu begin - in 2002. Ten spyte hiervan is daar reeds 'n groot aantal maatskappye wat besig is met die vervaardiging daarvan - net in Europa is daar meer as 30 van hulle. 'n Belangrike voordeelpolimelksuur is relatief lae koste - dit kompeteer reeds amper op gelyke voet met polipropileen en poliëtileen. Daar word aanvaar dat polylaktiede reeds in 2020 hulle op die wêreldmark sal kan begin stoot. Om die bioafbreekbaarheid daarvan te verhoog, word stysel dikwels daarby gevoeg. Dit het ook 'n positiewe uitwerking op die prys van die produk. Die resulterende mengsels is weliswaar taamlik broos, en weekmakers, soos sorbitol of gliserien, moet daarby gevoeg word om die finale produk meer elasties te maak. 'n Alternatiewe oplossing vir die probleem is om 'n legering met ander afbreekbare poliësters te skep.

Polylaktiese suur ontbind in twee stappe. Eerstens word die estergroepe met water gehidroliseer, wat lei tot die vorming van melksuur en 'n paar ander molekules. Dan ontbind hulle in 'n sekere omgewing met behulp van mikrobes. Polilaktiede ondergaan hierdie proses in 20-90 dae, waarna net koolstofdioksied en water oorbly.

Styselmodifikasie

Wanneer natuurlike grondstowwe gebruik word, is dit goed, want die hulpbronne daarvoor word voortdurend hernu, dus is dit feitlik onbeperk. Stysel het die wydste gewildheid in hierdie verband verwerf. Maar dit het 'n nadeel - dit het 'n verhoogde vermoë om vog te absorbeer. Maar dit kan vermy word as jy 'n deel van die hidroksielgroepe op die ester opmerk.

Chemiese behandeling laat jou toe om bykomende bindings tussen die dele van die polimeer te skep, wat help om hittebestandheid, stabiliteit te verhoogtot sure en skuifkrag. Die resultaat, gemodifiseerde stysel, word as 'n bioafbreekbare plastiek gebruik. Dit ontbind by 30 grade in kompos in twee maande, wat dit hoogs omgewingsvriendelik maak.

Om die koste van die materiaal te verminder, word ru-stysel gebruik, wat met talk en polivinielalkohol gemeng word. Dit kan vervaardig word met dieselfde toerusting as vir gewone plastiek. Die gemodifiseerde stysel kan ook gekleur en gedruk word deur gebruik te maak van konvensionele tegnieke.

Neem asseblief kennis dat hierdie materiaal antistaties van aard is. Die nadeel van stysel is dat die fisiese eienskappe daarvan oor die algemeen minderwaardig is as petrochemies vervaardigde harse. Dit wil sê polipropileen, sowel as hoë- en laedruk poliëtileen. En tog word dit toegepas en op die mark verkoop. Dit word dus gebruik om palette vir voedselprodukte, landboufilms, verpakkingsmateriaal, eetgerei, asook nette vir vrugte en groente te maak.

Gebruik ander natuurlike polimere

Dit is 'n relatief nuwe onderwerp - bio-afbreekbare polimere. Rasionele natuurbestuur dra by tot nuwe ontdekkings in hierdie gebied. Soveel ander natuurlike polisakkariede word gebruik in die vervaardiging van bioafbreekbare plastiek: chitien, chitosan, sellulose. En nie net afsonderlik nie, maar ook in kombinasie. Byvoorbeeld, 'n film met verhoogde sterkte word verkry uit chitosan, mikrosellulosevesel en gelatien. En as jy dit in die grond begrawe, dan sal dit vinnigdeur mikroörganismes afgebreek. Dit kan vir verpakking, skinkborde en soortgelyke items gebruik word.

Boonop is kombinasies van sellulose met dikarboksielanhidriede en epoksieverbindings redelik algemeen. Hul sterkpunt is dat hulle binne vier weke ontbind. Bottels, films vir deklaag, weggooibare eetgerei word van die resulterende materiaal gemaak. Hul skepping en produksie groei aktief elke jaar.

Bioafbreekbaarheid van industriële polimere

Hierdie probleem is baie relevant. Bioafbreekbare polimere, waarvan voorbeelde hierbo genoem is vir reaksies met die omgewing, sal nie eers 'n jaar in die omgewing hou nie. Terwyl industriële materiaal dit vir dekades en selfs eeue kan besoedel. Dit alles geld vir poliëtileen, polipropileen, polivinielchloried, polistireen, poliëtileentereftalaat. Daarom is dit 'n belangrike taak om die tyd van hul agteruitgang te verminder.

Om hierdie resultaat te bereik, is daar verskeie moontlike oplossings. Een van die mees algemene metodes is die inbring van spesiale bymiddels in die polimeermolekule. En in hitte of in die lig word die proses van hul ontbinding versnel. Dit is geskik vir weggooibare eetgerei, bottels, verpakking en landboufilms, sakke. Maar, helaas, daar is ook probleme.

Die eerste is dat die bymiddels op tradisionele maniere gebruik moet word - giet, giet, ekstrusie. In hierdie geval moet polimere nie ontbind nie, alhoewel hulle aan temperatuur onderwerp wordverwerking. Daarbenewens moet bymiddels nie die ontbinding van polimere in die lig versnel nie, en ook die moontlikheid van langtermyn gebruik daaronder toelaat. Dit wil sê, dit is nodig om seker te maak dat die degradasieproses op 'n sekere oomblik begin. Dit is baie moeilik. Die tegnologiese proses behels die byvoeging van 1-8% bymiddels (byvoorbeeld, die voorheen bespreekte stysel word bekendgestel) as deel van 'n klein tipiese verwerkingsmetode, wanneer die verhitting van die grondstof nie 12 minute oorskry nie. Maar terselfdertyd is dit nodig om te verseker dat hulle eweredig deur die polimeermassa versprei word. Dit alles maak dit moontlik om die agteruitgangstydperk in die reeks van nege maande tot vyf jaar te hou.

Vooruitsigte vir ontwikkeling

Hoewel die gebruik van bioafbreekbare polimere momentum kry, maak dit nou 'n skamele persentasie van die totale mark uit. Maar, nietemin, hulle het nog steeds 'n redelike wye toepassing gevind en word al hoe meer gewild. Hulle is nou reeds redelik goed verskans in die nis van voedselverpakking. Boonop word bioafbreekbare polimere wyd gebruik vir weggooibare bottels, koppies, borde, bakkies en skinkborde. Hulle het hulself ook op die mark gevestig in die vorm van sakke vir die versameling en daaropvolgende kompostering van voedselafval, sakke vir supermarkte, landboufilms en skoonheidsmiddels. In hierdie geval kan standaardtoerusting vir die vervaardiging van bioafbreekbare polimere gebruik word. As gevolg van hul voordele (weerstand teen degradasie onder normale toestande, lae versperring vir waterdamp en suurstof, geen probleme met afvalverwydering, onafhanklikheid van petrochemiese grondstowwe), bly hulle wenmark.

Van die belangrikste nadele moet 'n mens die probleme van grootskaalse produksie en die relatief hoë koste onthou. Hierdie probleem kan tot 'n sekere mate deur grootskaalse produksiestelsels opgelos word. Die verbetering van die tegnologie maak dit ook moontlik om meer duursame en slytvaste materiale te verkry. Daarbenewens moet daarop gelet word dat daar 'n sterk neiging is om te fokus op produkte met die voorvoegsel "eco". Dit word gefasiliteer deur beide die media en die regering en internasionale ondersteuningsprogramme.

Bewaringsmaatreëls word geleidelik verskerp, wat daartoe lei dat sommige tradisionele plastiekprodukte in sommige lande verbied word. Byvoorbeeld, pakkette. Hulle word verbied in Bangladesj (nadat gevind is dat hulle dreineringstelsels verstop en twee keer groot vloede veroorsaak) en Italië. Geleidelik kom die besef van die werklike prys wat vir verkeerde besluite betaal moet word. En om te verstaan dat dit nodig is om die veiligheid van die omgewing te verseker, sal lei tot meer en meer beperkings op tradisionele plastiek. Gelukkig is daar 'n aanvraag vir die oorgang na selfs duurder, maar omgewingsvriendelike materiale. Daarbenewens soek navorsingsentrums in baie lande en groot private maatskappye na nuwe en goedkoper tegnologieë, wat goeie nuus is.

Gevolgtrekking

Ons het dus oorweeg wat bio-afbreekbare polimere, produksiemetodes en omvang van hierdie materiale is. Daar is 'n konstanteverbetering en verbetering van tegnologieë. Kom ons hoop dus dat die koste van bioafbreekbare polimere in die komende jare inderdaad sal inhaal met materiale wat deur tradisionele metodes verkry word. Daarna sal die oorgang na veiliger en meer omgewingsvriendelike ontwikkelings net 'n kwessie van tyd wees.