Биологиялық ыдырайтын полимерлер: түсінігі, қасиеттері, алу әдістері және реакция мысалдары

2024 Автор: Howard Calhoun | [email protected]. Соңғы өзгертілген: 2023-12-17 10:33

Соңғы онжылдықта атына "био" префиксі қосылған өнімдер танымал болғанын байқаған боларсыз. Бұл өнімнің адам мен табиғат үшін қауіпсіз екенін хабарлауға арналған. Оны бұқаралық ақпарат құралдары белсенді түрде насихаттайды. Бұл тіпті күлкілі болды - сусын таңдағанда, олар биокефирді ең жақсы деп санайды, ал биоотын енді мұнайға балама емес, экологиялық таза өнім болып табылады. Косметиканы «ғажайыптар» жасайтын биосығындылар туралы ұмытпаңыз.

Жалпы ақпарат

Енді байыпты болайық. Көбінесе жолдармен қозғала отырып, сіз өздігінен қоқыстарды көре аласыз. Сонымен қатар, адам қалдықтары сақталатын толыққанды полигондар бар. Бұл жаман емес сияқты, бірақ бір минус бар - ыдырау уақыты тым ұзақ. Мұны түзетудің көптеген жолдары бар - бұл қоқысты қайта өңдеу және ыдыратушыларды тез бұзатын аз зиянды материалдарды пайдалану. Екінші жағдай туралы сөйлесейік.

Бұл жерде көптеген нүктелер бар. Қаптама, шиналар, шынылар, химия өнеркәсібінің туындылары. Олардың барлығы талап етедіназар аудару. Дегенмен, арнайы әмбебап рецепт жоқ. Сондықтан қоршаған ортаның ластануының алдын алу үшін нені және қалай қамтамасыз ету керектігін нақты білу қажет.

Биологиялық ыдырайтын полимерлер пластик қалдықтарын кәдеге жарату мәселесіне жауап ретінде әзірленді. Жасыратыны жоқ, олардың көлемі жыл сайын артып келеді. Биополимерлер сөзі олардың қысқартылған белгіленуі үшін де қолданылады. Олардың ерекшелігі неде? Олар физикалық факторлардың және микроорганизмдердің - саңырауқұлақтардың немесе бактериялардың әсерінен қоршаған ортада ыдырауы мүмкін. Полимер, егер оның бүкіл массасы алты ай ішінде суға немесе топыраққа сіңіп кетсе, осындай болып саналады. Бұл қалдық мәселесін ішінара шешеді. Бұл кезде ыдырау өнімдері – су және көмірқышқыл газы алынады. Егер басқа нәрсе болса, онда оның қауіпсіздігі мен улы заттардың бар-жоғын тексеру керек. Оларды экструзия, үрлеу, термоформалау және инъекциялық қалыптау сияқты көптеген стандартты пластмасса өндіру технологиялары арқылы да қайта өңдеуге болады.

Біз қандай салаларда жұмыс істеп жатырмыз?

Биологиялық ыдырайтын полимерлерді алу – өте көп еңбекті қажет ететін жұмыс. Қауіпсіз материалдарды алуға мүмкіндік беретін технологияларды әзірлеу АҚШ-та, Еуропа континентінде, Жапонияда, Кореяда және Қытайда белсенді түрде жүргізілуде. Өкінішке орай, Ресейде нәтижелер қанағаттанарлықсыз екенін атап өткен жөн. Пластмассаларды биодеградациялау және оларды жаңартылатын шикізаттан өндіру технологиясын жасау - қымбат рахат. Сонымен қатар, елімізде әлі де полимерлер өндіруге жеткілікті мұнай бар. Бірақ бәрібірдей, үш негізгі бағытты ажыратуға болады:

1. Гидроксикарбон қышқылдары негізіндегі биологиялық ыдырайтын полиэфирлерді өндіру.
2. Қайталанатын табиғи ингредиенттер негізінде пластмасса жасау.
3. Өнеркәсіптік полимерлер биологиялық ыдырайтын болады.

Бірақ іс жүзінде ше? Биологиялық ыдырайтын полимерлер қалай жасалатынын егжей-тегжейлі қарастырайық.

Бактериялық полигидроксиалканаттар

Микроорганизмдер көбінесе қоректік көміртегі бар ортада өседі. Бұл жағдайда фосфор немесе азот тапшылығы бар. Мұндай жағдайларда микроорганизмдер полигидроксиалканаттарды синтездеп, жинақтайды. Олар көміртегі (азық-түлік қоймалары) және энергия қоры ретінде қызмет етеді. Қажет болған жағдайда олар полигидроксиалканаттарды ыдырай алады. Бұл қасиет осы топтағы материалдардың өнеркәсіптік өндірісі үшін қолданылады. Біз үшін ең маңыздысы - полигидрокси бутират және полигидрокси валерат. Осылайша, бұл пластиктер биологиялық ыдырайтын. Сонымен бірге олар ультракүлгін сәулеленуге төзімді алифатты полиэфирлер.

Айта кету керек, олар су ортасында жеткілікті тұрақтылыққа ие болғанымен, теңіз, топырақ, компост жасау және қайта өңдеу ортасы олардың биологиялық деградациясына ықпал етеді. Және бұл өте тез болады. Мысалы, компосттың ылғалдылығы 85% және Цельсий бойынша 20-60 градус болса, онда көмірқышқыл газы мен суға ыдырауы 7-10 аптаға созылады. Полигидроксиалканаттар қайда қолданылады?

Оларбиологиялық ыдырайтын қаптамаларды және тоқыма емес материалдарды, бір рет қолданылатын майлықтарды, талшықтар мен пленкаларды, жеке күтім өнімдерін, картон мен қағазға арналған су өткізбейтін жабындарды өндіру үшін қолданылады. Әдетте, олар оттегін өткізе алады, агрессивті химиялық заттарға төзімді, салыстырмалы термиялық тұрақтылыққа ие және полипропиленмен салыстырылатын беріктікке ие.

Биологиялық ыдырайтын полимерлердің кемшіліктері туралы айтатын болсақ, олардың өте қымбат екенін атап өткен жөн. Мысалы, Биополь. Оның құны дәстүрлі пластиктен 8-10 есе қымбат. Сондықтан ол тек медицинада, кейбір парфюмерия мен жеке күтім өнімдерін орау үшін қолданылады. Полигидроксиалканаттар арасында қантталған жүгері крахмалынан алынған мирель көбірек танымал. Оның артықшылығы салыстырмалы түрде төмен құны болып табылады. Бірақ, соған қарамастан, оның бағасы дәстүрлі төмен тығыздықтағы полиэтиленнен екі есе жоғары. Бұл ретте шикізат құнының 60% құрайды. Ал негізгі күш оның арзан әріптестерін табуға бағытталған. Қарастырылып отырған перспектива бидай, қара бидай, арпа сияқты дәнді дақылдардың крахмалы.

Полилактикалық қышқылы

Орамаға арналған биологиялық ыдырайтын полимерлерді өндіру де полилактидті қолдану арқылы жүзеге асырылады. Бұл сонымен қатар полилактикалық қышқыл. Ол нені бейнелейді? Бұл сызықты алифатты полиэфир, сүт қышқылының конденсация өнімі. Бұл полилактидті бактериялар жасанды түрде синтездейтін мономер. Айта кету керек, оны бактериялардың көмегімен өндіру дәстүрлі әдіске қарағанда оңайырақ. Өйткені, полилактидтерді технологиялық қарапайым процесте қолда бар қанттардан бактериялар жасайды. Полимердің өзі құрамы бірдей екі оптикалық изомердің қоспасы.

Алынған зат айтарлықтай жоғары термиялық тұрақтылыққа ие. Сонымен, шыныдану 90 градус Цельсий температурасында жүреді, ал балқу 210-220 Цельсийде жүреді. Сондай-ақ, полилактид УК-ға төзімді, аздап тұтанғыш, ал жанып кетсе, түтіннің аз мөлшерімен. Оны термопластикаға жарамды барлық әдістермен өңдеуге болады. Полилактидтен алынған бұйымдар жоғары қаттылыққа, жылтырлыққа және мөлдірлікке ие. Олар пластиналар, науалар, пленка, талшықтар, имплантанттар (медицинада осылайша биоыдырайтын полимерлер қолданылады), косметика мен тамақ өнімдеріне арналған қаптамалар, суға арналған бөтелкелер, шырындар, сүт (бірақ газдалған сусындар емес, өйткені материал өтеді) жасау үшін қолданылады. Көмір қышқыл газы). Сондай-ақ маталар, ойыншықтар, ұялы телефон қораптары және компьютерлік тышқандар. Көріп отырғаныңыздай, биологиялық ыдырайтын полимерлерді қолдану өте кең. Бұл тек олардың тобына арналған!

Полилактикалық қышқылды өндіру және биодеградация

Алғаш рет оны өндіруге патент сонау 1954 жылы берілді. Бірақ бұл биопластикті коммерцияландыру тек 21 ғасырдың басында - 2002 жылы басталды. Осыған қарамастан, оны өндірумен айналысатын көптеген компаниялар бар - тек Еуропада олардың 30-дан астамы бар. Маңызды артықшылықполилактикалық қышқыл салыстырмалы түрде арзан - ол қазірдің өзінде полипропилен және полиэтиленмен тең дәрежеде бәсекелеседі. 2020 жылдың өзінде полилактид оларды әлемдік нарыққа шығара алады деп болжануда. Оның биоыдырағыштығын арттыру үшін оған крахмал жиі қосылады. Бұл да өнімнің бағасына оң әсер етеді. Рас, алынған қоспалар өте нәзік және соңғы өнімді серпімді ету үшін оларға сорбит немесе глицерин сияқты пластификаторларды қосу керек. Мәселенің балама шешімі - басқа ыдырайтын полиэфирлермен қорытпа жасау.

Полилактикалық қышқыл екі сатыда ыдырайды. Алдымен эфир топтары сумен гидролизденеді, нәтижесінде сүт қышқылы және бірнеше басқа молекулалар түзіледі. Содан кейін олар микробтардың көмегімен белгілі бір ортада ыдырайды. Полилактидтер бұл процестен 20-90 күнде өтеді, содан кейін тек көмірқышқыл газы мен су қалады.

Крахмалды өзгерту

Табиғи шикізатты пайдаланған кезде жақсы, өйткені оған арналған ресурстар үнемі жаңарып отырады, сондықтан олар іс жүзінде шексіз. Осыған байланысты крахмал ең кең танымалдыққа ие болды. Бірақ оның кемшілігі бар - ылғалды сіңіру қабілеті жоғары. Бірақ күрделі эфирде гидроксил топтарының бір бөлігін байқасаңыз, мұны болдырмауға болады.

Химиялық өңдеу полимер бөліктері арасында ыстыққа төзімділікті, тұрақтылықты арттыруға көмектесетін қосымша байланыстар жасауға мүмкіндік береді.қышқылдарға және ығысу күшіне. Нәтижесінде модификацияланған крахмал биологиялық ыдырайтын пластик ретінде пайдаланылады. Ол екі ай ішінде компостта 30 градуста ыдырайды, бұл оны өте экологиялық таза етеді.

Материалдың құнын төмендету үшін тальк пен поливинил спиртімен араласқан шикі крахмал қолданылады. Оны кәдімгі пластмасса сияқты жабдықты пайдаланып жасауға болады. Өзгертілген крахмалды әдеттегі әдістер арқылы бояуға және басып шығаруға болады.

Бұл материал антистатикалық сипатта екенін ескеріңіз. Крахмалдың кемшілігі оның физикалық қасиеттері негізінен мұнай-химиялық жолмен өндірілген шайырлардан төмен. Яғни, полипропилен, сондай-ақ жоғары және төмен қысымды полиэтилен. Дегенмен, ол нарықта қолданылады және сатылады. Сонымен, ол тамақ өнімдеріне арналған паллеттерді, ауылшаруашылық пленкаларын, орау материалдарын, ас құралдарын, сондай-ақ жемістер мен көкөністерге арналған торларды жасау үшін қолданылады.

Басқа табиғи полимерлерді пайдалану

Бұл салыстырмалы түрде жаңа тақырып - биологиялық ыдырайтын полимерлер. Табиғатты ұтымды пайдалану осы саладағы жаңа ашылуларға ықпал етеді. Биологиялық ыдырайтын пластмасса өндірісінде басқа да көптеген табиғи полисахаридтер қолданылады: хитин, хитозан, целлюлоза. Және жеке ғана емес, сонымен қатар аралас. Мысалы, хитозаннан, микроцеллюлоза талшықтарынан және желатиннен беріктігі жоғары пленка алынады. Ал оны жерге көміп тастасаңыз, ол тез боладымикроорганизмдермен ыдырайды. Оны орауыш, науалар және ұқсас заттар үшін пайдалануға болады.

Сонымен қатар целлюлозаның дикарбоксил ангидридтерімен және эпоксидті қосылыстармен үйлесуі жиі кездеседі. Олардың күші төрт аптада ыдырайды. Алынған материалдан бөтелкелер, мульчирование үшін пленкалар, бір рет қолданылатын ыдыс-аяқтар жасалады. Оларды жасау және өндіру жыл сайын белсенді түрде өсіп келеді.

Өнеркәсіптік полимерлердің биоыдырағыштығы

Бұл мәселе өте өзекті. Мысалдары жоғарыда қоршаған ортамен реакциялары үшін келтірілген биологиялық ыдырайтын полимерлер қоршаған ортада бір жыл да тұра алмайды. Ал өнеркәсіптік материалдар оны ондаған жылдар, тіпті ғасырлар бойы ластауы мүмкін. Мұның бәрі полиэтилен, полипропилен, поливинилхлорид, полистирол, полиэтилентерефталатқа қатысты. Сондықтан олардың тозу уақытын қысқарту маңызды міндет болып табылады.

Бұл нәтижеге жету үшін бірнеше ықтимал шешімдер бар. Ең кең таралған әдістердің бірі - полимер молекуласына арнайы қоспаларды енгізу. Ал ыстықта немесе жарықта олардың ыдырау процесі жеделдетіледі. Бұл бір рет қолданылатын ыдыстарға, бөтелкелерге, орауыштарға және ауылшаруашылық пленкаларына, сөмкелеріне жарайды. Бірақ, өкінішке орай, проблемалар да бар.

Біріншісі, қоспаларды дәстүрлі тәсілдермен - қалыптау, құю, экструзиямен пайдалану керек. Бұл жағдайда полимерлер температураға ұшырағанымен, ыдырамауы керекөңдеу. Сонымен қатар, қоспалар жарықта полимерлердің ыдырауын тездетпеуі керек, сонымен қатар оның астында ұзақ мерзімді пайдалану мүмкіндігін қамтамасыз етуі керек. Яғни, деградация процесі белгілі бір сәтте басталатынына көз жеткізу керек. Бұл өте қиын. Технологиялық процесс шикізатты қыздыру 12 минуттан аспайтын шағын типтік өңдеу әдісінің бөлігі ретінде 1-8% қоспаларды (мысалы, бұрын талқыланған крахмал енгізілген) қосуды қамтиды. Бірақ сонымен бірге олардың полимер массасына біркелкі таралуын қамтамасыз ету қажет. Мұның бәрі тозу кезеңін тоғыз айдан бес жылға дейінгі диапазонда сақтауға мүмкіндік береді.

Даму перспективалары

Биологиялық ыдырайтын полимерлерді пайдалану қарқын алғанымен, олар қазір жалпы нарықтың шамалы пайызын құрайды. Дегенмен, олар әлі де кең қолдануды тапты және барған сайын танымал бола бастады. Қазірдің өзінде олар азық-түлік қаптамасының тауашасына жақсы еніп кетті. Сонымен қатар, биологиялық ыдырайтын полимерлер бір рет қолданылатын бөтелкелер, шыныаяқтар, табақтар, тостағандар мен науалар үшін кеңінен қолданылады. Олар сондай-ақ азық-түлік қалдықтарын жинауға және кейіннен компост жасауға арналған сөмкелер, супермаркеттерге арналған сөмкелер, ауылшаруашылық пленкалары және косметика түрінде нарықта өзін көрсетті. Бұл жағдайда биологиялық ыдырайтын полимерлерді өндіруге арналған стандартты жабдықты пайдалануға болады. Артықшылықтарының арқасында (қалыпты жағдайда деградацияға төзімділік, су буы мен оттегіге төмен кедергі, қалдықтарды жоюда проблемалардың болмауы, мұнай-химия шикізатынан тәуелсіздік) олар жеңіске жетуді жалғастыруда.нарық.

Негізгі кемшіліктердің ішінде ауқымды өндірістің қиындықтары мен салыстырмалы түрде жоғары құнын еске түсіру керек. Бұл мәселе белгілі бір дәрежеде ауқымды өндіріс жүйелері арқылы шешіледі. Технологияны жетілдіру сонымен қатар берік және тозуға төзімді материалдар алуға мүмкіндік береді. Сонымен қатар, «эко» префиксі бар өнімдерге назар аударудың күшті үрдісі бар екенін атап өткен жөн. Бұған бұқаралық ақпарат құралдары да, үкіметтік және халықаралық қолдау бағдарламалары да ықпал етеді.

Қорғау шаралары бірте-бірте күшейтілуде, нәтижесінде кейбір елдерде дәстүрлі пластикалық өнімдерге тыйым салынды. Мысалы, пакеттер. Оларға Бангладеште (олар дренаждық жүйелерді бітеп тастайтыны және екі рет үлкен су тасқынына әкелетіні анықталғаннан кейін) және Италияда тыйым салынған. Бірте-бірте қате шешімдер үшін төленетін нақты бағаның жүзеге асуы келеді. Ал қоршаған ортаның қауіпсіздігін қамтамасыз ету қажет екенін түсіну дәстүрлі пластикке барған сайын шектеу қоюға әкеледі. Бақытымызға орай, одан да қымбат, бірақ экологиялық таза материалдарға көшу сұранысы бар. Сонымен қатар, көптеген елдердегі зерттеу орталықтары мен ірі жеке компаниялар жаңа әрі арзанырақ технологияларды іздейді, бұл жақсы жаңалық.

Қорытынды

Осылайша біз биологиялық ыдырайтын полимерлер деген не екенін, өндіріс әдістерін және осы материалдардың көлемін қарастырдық. Тұрақтысы бартехнологияларды жетілдіру және жетілдіру. Сондықтан алдағы жылдары биологиялық ыдырайтын полимерлердің құны шын мәнінде дәстүрлі әдістермен алынған материалдарды қуып жететініне сенейік. Осыдан кейін қауіпсіз және экологиялық таза әзірлемелерге көшу тек уақыт мәселесі болады.