Оксо-биоразлагаемые полимеры как материал для создания современной упаковки | Статья в журнале «Молодой ученый»

Авторы: ,

Рубрика: Технические науки

Опубликовано в Молодой учёный №5 (85) март-1 2015 г.

Дата публикации: 03.03.2015

Статья просмотрена: 561 раз

Библиографическое описание:

Бахаева А. Н., Ивановский С. К. Оксо-биоразлагаемые полимеры как материал для создания современной упаковки // Молодой ученый. — 2015. — №5. — С. 122-124. — URL https://moluch.ru/archive/85/15940/ (дата обращения: 16.07.2018).

Ежегодно в мире отмечается стремительный рост потребления упаковки. В России ежегодный рост составляет 5–6 %. Все это делает актуальной проблему утилизации упаковки [8]. В большей степени это касается утилизации полимерной упаковки, т. к. ее доля быстро увеличивается — более 60 % упаковки в Европе состоит из полимерных материалов [1,3].

Однако, объемы утилизации отходов в России находятся на низком уровне. Так, в 2003 г. в России было утилизировано 1,18 млн т макулатуры, что составляет 57,4 % от общего объема этих отходов, 0,18 млн т стеклобоя (84,1 %), а полимерных отходов — всего 0,61 млн т (7,7 %), что заметно меньше, чем в 1990 г. (0,72 млн т и 23,5 % соответственно).

В целом, только 3 % всех отходов перерабатывается промышленными методами, остальные вывозятся на полигоны или сжигаются. Под полигоны и свалки твердых бытовых отходов ежегодно отчуждается до 10 тыс. га земель, включая плодородные земли, изымаемые из сельскохозяйственного оборота [1,7].

Несколько лет тому назад тема биоразлагаемых полимеров и их производство казались совершенно иллюзорными. Резкие скачки цен на углеводороды привели к тому, что биологическое сырье для производства пластиков сегодня является вполне конкурентоспособным (цены на сельскохозяйственное сырье и продукты его производства, не столь подвержены мировым колебаниям).

Отходы полимеров, в том числе и упаковочных материалов, подвергают либо захоронению в земле, либо утилизации, которая осуществляется по одному из трех направлений: сжигание, пиролиз, рециклинг. Одним из наиболее эффективных способов решения проблемы полимерного мусора является производство биоразлагаемых полимеров, способных разрушаться в природе с образованием безвредных веществ.

Биоразлагаемые полимеры отличаются от всех других полимеров тем, что могут относительно быстро разлагаться под влиянием химических, биологических или физических воздействий. Биоразлагаемость — это способность материала подвергаться разложению на углекислый газ, метан, воду, неорганические компаунды или биомассы, при котором преобладающим механизмом является энзимное действие микроорганизмов [6].

Большинство синтетических полимеров не являются биоразлагаемыми. Такие полимеры, как полиэтилен и полипропилен, могут существовать в окружающей среде после своего поступления на свалку на протяжении нескольких десятков лет. Биоразлагаемые полимеры обычно получают с помощью полимеризации сырьевых материалов на биологической основе. Такие сырьевые материалы либо выделяют из растений и животных, либо синтезируются с использованием современных промышленных технологий. Многие полимеры в окружающей среде разлагаются в течение длительного времени, поэтому создание биодеградируемых материалов — такая же важная задача, как и их стабилизация.

Применяемые в быту полимеры, пленочные материалы и пластмассы после их использования должны достаточно быстро деградировать под воздействием факторов окружающей среды: химических (кислород, воздух, вода); физических (солнечный свет, тепло); биологических (бактерии, грибы, дрожжи, насекомые) факторов.

Способность полимерных материалов разлагаться под действием бактерий и грибов зависит от физических и химических свойств. Для полимеров биологическое разложение протекает в два этапа:

1) под действием химических, биохимических и других агентов происходит разрушение кристаллической макромолекулярной структуры, которое в некоторых случаях происходит вплоть до образования мономеров;

2) происходит усвоение остатков макромолекул биологическими организмами, которые разрушают вещество до воды, углекислого газа, метана (при анаэробном брожении).     Способность к биологическому разложению, прежде всего, обусловлена размером макромолекул: полимеры с большой молекулярной массой устойчивы к воздействию организмов. Молекулы с низким молекулярным весом усваиваются легче. Также более быстрому биологическому разложению подвергаются полимеры, содержащие заместители, связи, легко поддающиеся гидролизу. Скорость разложения зависит и от кристаллической структуры полимера. Устойчивость традиционных полимеров биологическому разложению связана именно с прочностью кристаллической структуры и большими размерами макромолекул. Аморфные материалы более доступны для проникновения ферментов и воды, которая вызывает набухание. В наибольшей мере разложению подвержены полимеры, полученные из натурального сырья. При разложении смешанных материалов разложение начинается с натурального компонента, который разлагается полностью и тем самым разрушает всю структуру. Однако при этом неизбежно встает вопрос о синтетическом остатке.

Биоразлагаемые полимеры по своей структуре похожи на традиционные синтетические полимеры, а стандартные способы переработки могут быть использованы для трансформации их в разнообразные виды продукции. Процесс производства состоит из нескольких стадий. Технология производства материалов из биополимеров аналогична способам переработки обычных полимеров. Применяются методы экструзии, ламинирования и т. д. На конечный продукт может быть нанесена печатью или этикетка. Решающим фактором для выбора материалов и процессов является способность биополимеров к разложению. Проблема придания свойств биоразлагаемости хорошо освоенным промышленным полимерам (полиэтилен, полипропилен, поливинхлорид, полистирол, полиэтилентерефталат) занимает основное место в исследованиях.

Активно разрабатываются три основных направления:

-        введение в структуру биоразлагаемых молекул содержащих в своем составе функциональные группы, способствующие фоторазложению полимера;

-        получение композиций полимеров с биоразлагаемыми природными добавками, способными в определенный момент инициировать распад основного полимера;

-        направленный синтез биодеградируемых пластических масс на основе промышленно освоенных синтетических продуктов [5].

Преимущества биоразлагаемых полимеров:

-        возможность обработки, как и обычных полимеров, на стандартном оборудовании;

-        высокие барьерные свойства.

-        стойкость к разложению в обычных условиях;

-        быстрая и полная разлагаемость при специально созданных условиях или естественных –отсутствие проблем с утилизацией отходов;

-        независимость от нефтехимического сырья.

Недостатки биоразлагаемых полимеров: ограниченные возможности для крупнотоннажного производства; высокая стоимость.

Биоразлагаемые пластики, изготовленные с применением биоразлагаемой добавки d2w (дитиокарбонат железа или никеля), относят к классу оксо-биоразлагаемых, так как их разрушение происходит в два этапа: окисление и биоразложение.

Использование добавки обеспечивает следующий процесс: в полимер поступает продеградант, который выступает в качестве катализатора, способствующего относительно быстрому разрушению длинных молекулярных цепей. Данный продеградант представляет собой соль металла, вызывающую разрушение углеродных связей в молекулярных цепочках — таким образом активируется распад. Длинные цепочки рвутся, в результате чего образуется большое количество коротких цепочек. Молекулярная масса стремительно уменьшается до показателя менее 40 тысяч единиц атомной массы. На этой стадии пластиковые изделия становятся хрупкими и быстро распадаются на мелкие хлопья, материал становится смачиваемым, вследствие увеличения адгезии. Короткие цепочки способны более легко гидратироваться, подвергаться окислению, а также действию микроорганизмов (стадия биологического распада), в результате образуется углекислый газ, вода и побочные вещества (сложные эфиры, карбоновые кислоты, этанол (этиловый спирт), альдегиды, кетоны). Побочные вещества со временем усваиваются микроорганизмами.

При введении 1 % добавки в процессе производства изделия (пленки, пакета, контейнера и т. д.) получается точно такое же изделие, как и без добавки: с теми же физико-механическими характеристиками, таким же внешним видом и т. д. С одной лишь разницей: через определенный промежуток времени, заложенный рецептурой добавки (обычно 1–2 года), изделие в результате сначала окислительных реакций, а затем и биораспада начнет менять свои свойства: постепенно утрачивать прочность, охрупчиваться, распадаться на фрагменты, а затем и вовсе исчезнет, оставив небольшое количество воды, биомассы и углекислого газа [2,4].

В отличие от биополимеров на растительной основе, которые подвержены разложению только в специальных условиях промышленного компостирования, пластмассам с добавкой d2w не нужны особые условия по температуре, влажности, давлению. Единственное, что необходимо — свет и наличие микроорганизмов. Другими словами, пакет, выброшенный на берегу реки или попавший на свалку, непременно «исчезнет» через год-полтора. Изделия, хранящиеся в складских условиях, дольше сохранят свои первоначальные свойства, и процесс разложения будет активизирован после того, как изделие использовано и выброшено. Такая «гибкость» процесса разложения выгодна всем: и производителю упаковки, и тому, кто ее использует для упаковки своего продукта, и конечному потребителю.

Добавка d2w производится английской компанией Symphony (Великобритания) и применяется в производстве изделий из полиэтилена и полипропилена, основных материалов для изготовления упаковки. Она успешно используется в 60 странах мира, среди которых Канада, Великобритания, США, Франция, Италия, Бразилия, Индия и др.

Крупнейшими потребителями добавки являются предприятия-производители пленок и пакетов, поставляющие свою продукцию розничным сетям, сетям отелей, ресторанам. Упаковкой, содержащей добавку d2w, пользуются такие крупные компании, как Wal-Mart, Tesco, KFC, Pizza Hut, Marriott, Nescafe, ZARA, WWF и многие-многие другие.

Важно отметить, что наличие добавки никак не меняет свойства базового полимера и, соответственно, готового изделия. Упаковка, изготовленная с применением добавки, будет такой же прочной, хорошо окрашиваемой, при необходимости прозрачной и т. д.

Важное преимущество нового продукта в том, что пластики с добавкой d2w исчезнут в любых условиях, в отличие от биополимеров, для распада которых требуются определенные условия по свету, воздуху, влажности, температуре и т. д. При этом продукты разложения — углекислый газ, вода, гумус — абсолютно безопасны для человека и окружающей среды.

Сфера применения добавки d2w обширна: пакеты для различных нужд; перчатки, фартуки, бахилы в медицинских учреждениях; пищевые пленки для замороженных продуктов, хлеба; полимерные пленки для упаковки различных изделий (одежды, журналов, сигарет и т. д.); укрывные, упаковочные (пузырьковые) пленки; жесткая упаковка: одноразовая посуда, бутыли и т. д.; любые другие изделия, которым необходимо придать свойство «быстро исчезнуть».

Эффективность добавки d2w, ее безопасность, допуск к контакту с пищевыми продуктами, экологичность подтверждены сертификатами ведущих лабораторий и испытательных центров мира (например, RAPRA).

 

Литература:

 

1.        Власов С. В., Ольхов В. В. Биоразлагаемые полимерные материалы // Полимерные материалы. 2006, № 7. С. 23–26.

2.        Ершова О. В., Пономарев А. П., Бахаева А. Н. Влияние факторов окружающей среды на механические свойства полиэтилена низкого давления с оксо-биоразлагаемой добавкой  D2W// Молодой ученый. — 2014. — № 20. С. 125–128

3.        Ершова О. В., Чупрова Л. В., Муллина Э. Р., Мишурина О. В. Исследование зависимости свойств древесно-полимерных композитов от химического состава матрицы // Современные проблемы науки и образования. — 2014. — № 2. С. 26; URL: www.science-education.ru/116–12363 (дата обращения: 20.02.2015).

4.        Ершова О. В. Шайбакова Ю.А, Пономарев А. П. Исследование факторов влияния окружающей среды на механические свойства биоразлагаемых полимеров:/Десятая Санкт-Петербургская конференция молодых ученых с международным участием; -СПб, 2013 -116 с.

5.        Легонькова О. А., Сухарева Л. А. Тысяча и один полимер от биостойких до биоразлагаемых. — М.: РадиоСофт, 2004. — 272 с.

6.        Пластиковая упаковка не должна жить вечно: о добавках для самопроизвольного разрушения полимеров. / [Электронный ресурс] — режим доступа: http://article.unipack.ru/23419/

7.        Фомин В. А., Гузеев В. В. Биоразлагаемые полимеры, состояние и перспективы использования // Пластические массы. 2001, № 2. С. 42–46.

8.        Чупрова Л. В., Муллина Э. Р., Мишурина О. В., Ершова О. В. Исследование возможности получения композиционных материалов на основе вторичных полимеров // Современные проблемы науки и образования. — 2014. — № 4. — С. 212; URL: www.science-education.ru/118–14200 (дата обращения: 20.02.2015)

Основные термины (генерируются автоматически): полимер, углекислый газ, материал, окружающая среда, Россия, биологическое разложение, добавок, молекулярная масса, RAPRA, KFC.


Похожие статьи

Обзор оксо-биоразлагаемых добавок используемых для...

Добавка, принцип действия которой основан на уменьшении молекулярной массы основного полимера (для улучшения биологического разложения) под действием УФ-излучения и окислительных сред. Разлагается УФ-излучением и микроорганизмами.

Решение экологической проблемы утилизации отходов упаковки...

...мира (например, RAPRA) [5].

Гранулированный полимерный материал с добавкой из технологической емкости

Основные термины (генерируются автоматически): термоусадочная пленка, пленка, окружающая среда, добавок, упаковка, углекислый газ, термоусадочная...

Анализ химического состава гидрофобизирующих материалов...

крахмал, химический состав, катионный крахмал, бумажная упаковка, водная среда, материал, механическая прочность бумаги, анионный крахмал, замещенный крахмал, целлюлозная масса.

Влияние факторов окружающей среды на механические свойства...

Биоразлагаемость — это способность материла подвергаться разложению на углекислый газ, метан

Полимер считается биоразлагаемым, если вся его масса разлагается в воде или почве за

Ввод добавки составляет 1 %. Добавка абсолютна безвредна, имеются все необходимые...

Использование полимерных отходов для создания нефтесорбентов

отход, окружающая среда, ликвидация разливов нефти, сорбент, материал, механическая переработка, качество сорбентов, отход полиэтилена, полимерная упаковка, водная среда.

Альтернативные виды упаковки — путь к улучшению...

Биоразлагающийся материал с добавками (оксо-материал) — это обычный полимер, в состав которого были введены добавки-деграданты (d2w) в виде присадок. Добавки вызывают искусственное разложение материала наводу, углекислый газ и биомассу.

Полимеры нового поколения | Статья в сборнике международной...

На биодеградацию полимеров существенно влияет их молекулярная структура, величина и гибкость их макромолекул

Основные термины (генерируются автоматически): полимер, PLA, материал, окружающая среда, пластик, пищевая упаковка, свойство, Европа, RURAC, Россия.

Способы сортировки полимерных отходов | Статья в журнале...

Важное место среди методов термического разложения полимеров принадлежитпиролизу — термическому разложению органических веществ с целью

Основные термины (генерируются автоматически): отход, SPI, бытовой мусор, общая масса отходов, окружающая среда.

Переработка диоксида углерода с использованием...

Проблема загрязнения окружающей среды углекислым газом.

Синтез наноструктурного материала в диффузионной горелке с использованием различных источников углерода и катализаторных прекурсоров.

Обсуждение

Социальные комментарии Cackle

Похожие статьи

Обзор оксо-биоразлагаемых добавок используемых для...

Добавка, принцип действия которой основан на уменьшении молекулярной массы основного полимера (для улучшения биологического разложения) под действием УФ-излучения и окислительных сред. Разлагается УФ-излучением и микроорганизмами.

Решение экологической проблемы утилизации отходов упаковки...

...мира (например, RAPRA) [5].

Гранулированный полимерный материал с добавкой из технологической емкости

Основные термины (генерируются автоматически): термоусадочная пленка, пленка, окружающая среда, добавок, упаковка, углекислый газ, термоусадочная...

Анализ химического состава гидрофобизирующих материалов...

крахмал, химический состав, катионный крахмал, бумажная упаковка, водная среда, материал, механическая прочность бумаги, анионный крахмал, замещенный крахмал, целлюлозная масса.

Влияние факторов окружающей среды на механические свойства...

Биоразлагаемость — это способность материла подвергаться разложению на углекислый газ, метан

Полимер считается биоразлагаемым, если вся его масса разлагается в воде или почве за

Ввод добавки составляет 1 %. Добавка абсолютна безвредна, имеются все необходимые...

Использование полимерных отходов для создания нефтесорбентов

отход, окружающая среда, ликвидация разливов нефти, сорбент, материал, механическая переработка, качество сорбентов, отход полиэтилена, полимерная упаковка, водная среда.

Альтернативные виды упаковки — путь к улучшению...

Биоразлагающийся материал с добавками (оксо-материал) — это обычный полимер, в состав которого были введены добавки-деграданты (d2w) в виде присадок. Добавки вызывают искусственное разложение материала наводу, углекислый газ и биомассу.

Полимеры нового поколения | Статья в сборнике международной...

На биодеградацию полимеров существенно влияет их молекулярная структура, величина и гибкость их макромолекул

Основные термины (генерируются автоматически): полимер, PLA, материал, окружающая среда, пластик, пищевая упаковка, свойство, Европа, RURAC, Россия.

Способы сортировки полимерных отходов | Статья в журнале...

Важное место среди методов термического разложения полимеров принадлежитпиролизу — термическому разложению органических веществ с целью

Основные термины (генерируются автоматически): отход, SPI, бытовой мусор, общая масса отходов, окружающая среда.

Переработка диоксида углерода с использованием...

Проблема загрязнения окружающей среды углекислым газом.

Синтез наноструктурного материала в диффузионной горелке с использованием различных источников углерода и катализаторных прекурсоров.

Задать вопрос