Biologisch afbreekbare polymeren: concept, eigenschappen, bereidingswijzen en voorbeelden van reacties

2024 Auteur: Howard Calhoun | [email protected]. Laatst gewijzigd: 2023-12-17 10:36

Het is je misschien opgevallen dat de afgelopen tien jaar producten met het voorvoegsel "bio" aan de naam aan populariteit hebben gewonnen. Het is bedoeld om te informeren dat het product veilig is voor mens en natuur. Het wordt actief gepromoot door de media. Het kwam zelfs tot het belachelijke - bij het kiezen van een drankje beschouwen ze biokefir als de beste, en biobrandstof is niet langer een alternatief voor olie, maar een milieuvriendelijk product. En vergeet de bio-extracten niet die cosmetica tot "wonderen" laten werken.

Algemene informatie

Laten we nu serieus worden. Vaak zie je, als je langs de wegen rijdt, spontane stortplaatsen. Daarnaast zijn er volwaardige stortplaatsen waar menselijk afval wordt opgeslagen. Het lijkt niet slecht te zijn, maar er is één minpuntje: te lange ontledingstijd. Er zijn een groot aantal manieren om dit op te lossen - dit is het recyclen van afval en het gebruik van minder schadelijke materialen die ontbinders snel vernietigen. Laten we het hebben over het tweede geval.

Er zijn hier veel punten. Verpakkingen, banden, glas, derivaten van de chemische industrie. Ze vereisen allemaal:aandacht. Er is echter geen specifiek universeel recept. Daarom is het noodzakelijk om specifiek te weten wat en hoe de preventie van milieuvervuiling moet worden gegarandeerd.

Biologisch afbreekbare polymeren zijn ontwikkeld als antwoord op het probleem van de verwijdering van plastic afval. Het is geen geheim dat hun volume elk jaar groeit. Het woord biopolymeren wordt ook gebruikt voor hun afgekorte aanduiding. Wat is hun eigenaardigheid? Ze kunnen in het milieu ontleden door de werking van fysieke factoren en micro-organismen - schimmels of bacteriën. Een polymeer wordt als zodanig beschouwd als zijn gehele massa binnen zes maanden in water of bodem is opgenomen. Dit lost het afvalprobleem gedeeltelijk op. Tegelijkertijd worden ontledingsproducten verkregen - water en koolstofdioxide. Als er iets anders is, dan moet dat worden onderzocht op veiligheid en de aanwezigheid van giftige stoffen. Ze kunnen ook worden gerecycled door de meeste standaard kunststofproductietechnologieën, zoals extrusie, blaasvormen, thermovormen en spuitgieten.

Aan welke gebieden werken we?

Het verkrijgen van biologisch afbreekbare polymeren is een nogal arbeidsintensieve taak. De ontwikkeling van technologieën die het mogelijk maken om veilige materialen te verkrijgen, wordt actief uitgevoerd in de Verenigde Staten, op het Europese continent, in Japan, Korea en China. Helaas moet worden opgemerkt dat in Rusland de resultaten onbevredigend zijn. Het creëren van een technologie voor de biologische afbraak van kunststoffen en hun productie uit hernieuwbare grondstoffen is een kostbaar genoegen. Daarnaast heeft het land nog genoeg olie voor de productie van polymeren. Maar alleshetzelfde zijn er drie hoofdrichtingen te onderscheiden:

1. Productie van biologisch afbreekbare polyesters op basis van hydroxycarbonzuren.
2. Kunststoffen maken op basis van reproduceerbare natuurlijke ingrediënten.
3. Industriële polymeren worden biologisch afbreekbaar.

Maar hoe zit het in de praktijk? Laten we eens nader bekijken hoe biologisch afbreekbare polymeren worden gemaakt.

Bacteriële polyhydroxyalkanoaten

Micro-organismen groeien vaak in omgevingen waar nutriëntenkoolstoffen beschikbaar zijn. In dit geval is er een tekort aan fosfor of stikstof. In dergelijke gevallen synthetiseren en accumuleren micro-organismen polyhydroxyalkanoaten. Ze dienen als een reserve van koolstof (voedselopslag) en energie. Indien nodig kunnen ze polyhydroxyalkanoaten afbreken. Deze eigenschap wordt gebruikt voor de industriële productie van materialen van deze groep. De belangrijkste voor ons zijn polyhydroxybutyraat en polyhydroxyvaleraat. Deze kunststoffen zijn dus biologisch afbreekbaar. Tegelijkertijd zijn het alifatische polyesters die bestand zijn tegen ultraviolette straling.

Opgemerkt moet worden dat hoewel ze voldoende stabiliteit hebben in het aquatische milieu, de zee, de bodem, de composterings- en recyclingomgevingen bijdragen aan hun biologische afbraak. En het gebeurt vrij snel. Als de compost bijvoorbeeld een luchtvochtigheid heeft van 85% en 20-60 graden Celsius, dan duurt de ontbinding in koolstofdioxide en water 7-10 weken. Waar worden polyhydroxyalkanoaten gebruikt?

Zeworden gebruikt voor de vervaardiging van biologisch afbreekbare verpakkingen en nonwoven materialen, wegwerpdoekjes, vezels en films, producten voor persoonlijke verzorging, waterafstotende coatings voor karton en papier. Ze kunnen in de regel zuurstof doorlaten, zijn bestand tegen agressieve chemicaliën, hebben een relatieve thermische stabiliteit en hebben een sterkte die vergelijkbaar is met die van polypropyleen.

Over de nadelen van biologisch afbreekbare polymeren gesproken, moet worden opgemerkt dat ze erg duur zijn. Een voorbeeld is Biopol. Het kost 8-10 keer meer dan traditioneel plastic. Daarom wordt het alleen in de geneeskunde gebruikt, voor het verpakken van sommige parfums en producten voor persoonlijke verzorging. Meer populair onder polyhydroxyalkanoaten is mirel, verkregen uit versuikerd maïszetmeel. Het voordeel is relatief lage kosten. Maar niettemin is de prijs nog steeds twee keer zo hoog als die van traditioneel polyethyleen met lage dichtheid. Tegelijkertijd zijn grondstoffen goed voor 60% van de kosten. En de belangrijkste inspanningen zijn gericht op het vinden van zijn goedkope tegenhangers. Het prospect in kwestie is het zetmeel van granen zoals tarwe, rogge, gerst.

Polymelkzuur

De productie van biologisch afbreekbare polymeren voor verpakkingen wordt ook uitgevoerd met behulp van polylactide. Het is ook polymelkzuur. Wat vertegenwoordigt hij? Het is een lineaire alifatische polyester, een condensatieproduct van melkzuur. Het is een monomeer waaruit polylactide kunstmatig wordt gesynthetiseerd door bacteriën. Opgemerkt moet worden dat de productie ervan met behulp van bacteriën gemakkelijker is dan de traditionele methode. Polylactiden worden immers in een technologisch eenvoudig proces door bacteriën gemaakt uit beschikbare suikers. Het polymeer zelf is een mengsel van twee optische isomeren met dezelfde samenstelling.

De resulterende stof heeft een vrij hoge thermische stabiliteit. Verglazing vindt dus plaats bij een temperatuur van 90 graden Celsius, terwijl smelten plaatsvindt bij 210-220 Celsius. Ook is polylactide UV-bestendig, licht ontvlambaar en als het brandt, dan met een kleine hoeveelheid rook. Het kan worden verwerkt met alle methoden die geschikt zijn voor thermoplasten. Producten verkregen uit polylactide hebben een hoge stijfheid, glans en zijn transparant. Ze worden gebruikt voor het maken van borden, trays, film, vezels, implantaten (zo worden biologisch afbreekbare polymeren gebruikt in de geneeskunde), verpakkingen voor cosmetica en voedselproducten, flessen voor water, sap, melk (maar geen koolzuurhoudende dranken, omdat het materiaal passeert kooldioxide). Evenals stoffen, speelgoed, hoesjes voor mobiele telefoons en computermuizen. Zoals je ziet is het gebruik van biologisch afbreekbare polymeren zeer uitgebreid. En dat is alleen voor een van hun groepen!

Productie en biologische afbraak van polymelkzuur

Voor de eerste keer werd in 1954 een patent op de productie ervan verleend. Maar de commercialisering van dit bioplastic begon pas aan het begin van de 21e eeuw - in 2002. Desondanks zijn er al een groot aantal bedrijven die zich bezighouden met de productie ervan - alleen in Europa zijn er meer dan 30. Een belangrijk voordeel:polymelkzuur is relatief goedkoop - het concurreert al bijna op gelijke voet met polypropyleen en polyethyleen. Aangenomen wordt dat polylactide al in 2020 ze op de wereldmarkt kan gaan duwen. Om de biologische afbreekbaarheid te vergroten, wordt er vaak zetmeel aan toegevoegd. Dit heeft ook een positief effect op de prijs van het product. Toegegeven, de resulterende mengsels zijn nogal kwetsbaar en er moeten weekmakers, zoals sorbitol of glycerine, aan worden toegevoegd om het eindproduct elastischer te maken. Een alternatieve oplossing voor het probleem is om een legering te maken met andere afbreekbare polyesters.

Polymelkzuur ontleedt in twee stappen. Eerst worden de estergroepen gehydrolyseerd met water, wat resulteert in de vorming van melkzuur en enkele andere moleculen. Vervolgens ontbinden ze in een bepaalde omgeving met behulp van microben. Polylactiden ondergaan dit proces in 20-90 dagen, waarna alleen kooldioxide en water overblijven.

Zetmeelmodificatie

Als natuurlijke grondstoffen worden gebruikt, is dat goed, omdat de middelen ervoor voortdurend worden vernieuwd, dus ze zijn praktisch onbeperkt. Zetmeel heeft in dit opzicht de grootste populariteit gewonnen. Maar het heeft een nadeel: het heeft een verhoogd vermogen om vocht op te nemen. Maar dit kan worden vermeden als je een deel van de hydroxylgroepen op de ester ziet.

Met een chemische behandeling kunt u extra bindingen creëren tussen de delen van het polymeer, wat helpt om de hittebestendigheid en stabiliteit te vergrotentegen zuren en schuifkracht. Het resultaat, gemodificeerd zetmeel, wordt gebruikt als biologisch afbreekbaar plastic. Het ontleedt bij 30 graden in compost in twee maanden, waardoor het zeer milieuvriendelijk is.

Om de kosten van het materiaal te verlagen, wordt ruw zetmeel gebruikt, dat wordt gemengd met talk en polyvinylalcohol. Het kan worden geproduceerd met dezelfde apparatuur als voor gewoon plastic. Het gemodificeerde zetmeel kan ook met conventionele technieken worden geverfd en bedrukt.

Houd er rekening mee dat dit materiaal antistatisch van aard is. Het nadeel van zetmeel is dat de fysische eigenschappen ervan over het algemeen inferieur zijn aan die van petrochemisch geproduceerde harsen. Dat wil zeggen, polypropyleen, evenals hoge- en lagedrukpolyethyleen. En toch wordt het toegepast en op de markt verkocht. Het wordt dus gebruikt om pallets te maken voor voedselproducten, landbouwfilms, verpakkingsmaterialen, bestek, evenals netten voor fruit en groenten.

Gebruik van andere natuurlijke polymeren

Dit is een relatief nieuw onderwerp - biologisch afbreekbare polymeren. Rationeel natuurbeheer draagt bij aan nieuwe ontdekkingen op dit gebied. Er worden zoveel andere natuurlijke polysachariden gebruikt bij de productie van biologisch afbreekbare kunststoffen: chitine, chitosan, cellulose. En niet alleen apart, maar ook in combinatie. Er wordt bijvoorbeeld een film met verhoogde sterkte verkregen uit chitosan, microcellulosevezel en gelatine. En als je het in de grond begraaft, dan zal het snelafgebroken door micro-organismen. Het kan worden gebruikt voor verpakkingen, trays en soortgelijke artikelen.

Bovendien zijn combinaties van cellulose met dicarbonzuuranhydriden en epoxyverbindingen heel gewoon. Hun kracht is dat ze in vier weken uiteenvallen. Van het resulterende materiaal worden flessen, films voor mulchen, wegwerpservies gemaakt. Hun creatie en productie groeit elk jaar actief.

Biologische afbreekbaarheid van industriële polymeren

Dit probleem is heel relevant. Biologisch afbreekbare polymeren, waarvan hierboven voorbeelden zijn genoemd voor reacties met de omgeving, gaan in het milieu nog geen jaar mee. Terwijl industriële materialen het decennia en zelfs eeuwenlang kunnen vervuilen. Dit alles is van toepassing op polyethyleen, polypropyleen, polyvinylchloride, polystyreen, polyethyleentereftalaat. Daarom is het verkorten van de tijd van hun degradatie een belangrijke taak.

Om dit resultaat te bereiken, zijn er verschillende mogelijke oplossingen. Een van de meest gebruikelijke methoden is de introductie van speciale additieven in het polymeermolecuul. En in hitte of in het licht wordt het proces van hun ontbinding versneld. Dit is geschikt voor wegwerpservies, flessen, verpakkingen en landbouwfolies, tassen. Maar helaas zijn er ook problemen.

De eerste is dat de additieven op traditionele manieren moeten worden gebruikt - gieten, gieten, extrusie. In dit geval mogen polymeren niet ontleden, hoewel ze onderhevig zijn aan temperatuurverwerken. Bovendien mogen additieven de afbraak van polymeren in het licht niet versnellen en ook de mogelijkheid van langdurig gebruik eronder mogelijk maken. Dat wil zeggen, het is noodzakelijk om ervoor te zorgen dat het afbraakproces op een bepaald moment begint. Het is heel moeilijk. Het technologische proces omvat de toevoeging van 1-8% additieven (het eerder besproken zetmeel wordt bijvoorbeeld geïntroduceerd) als onderdeel van een kleine typische verwerkingsmethode, wanneer de verwarming van de grondstof niet langer dan 12 minuten duurt. Maar tegelijkertijd moet ervoor worden gezorgd dat ze gelijkmatig door de polymeermassa worden verdeeld. Dit alles maakt het mogelijk om de degradatieperiode in het bereik van negen maanden tot vijf jaar te houden.

Vooruitzichten voor ontwikkeling

Hoewel het gebruik van biologisch afbreekbare polymeren aan kracht wint, vormen ze nu een miezerig percentage van de totale markt. Maar niettemin vonden ze nog steeds een vrij brede toepassing en worden ze steeds populairder. Ze zijn nu al behoorlijk goed verankerd in de niche van voedselverpakkingen. Daarnaast worden biologisch afbreekbare polymeren veel gebruikt voor wegwerpflessen, kopjes, borden, schalen en trays. Ze hebben zich ook op de markt gevestigd in de vorm van zakken voor het inzamelen en vervolgens composteren van voedselresten, zakken voor supermarkten, landbouwfolies en cosmetica. In dit geval kan gebruik worden gemaakt van standaardapparatuur voor de productie van biologisch afbreekbare polymeren. Door hun voordelen (weerstand tegen afbraak onder normale omstandigheden, lage barrière tegen waterdamp en zuurstof, geen problemen met afvalverwerking, onafhankelijkheid van petrochemische grondstoffen), blijven ze winnenmarkt.

Van de belangrijkste nadelen moet men zich de moeilijkheden van grootschalige productie en de relatief hoge kosten herinneren. Dit probleem kan tot op zekere hoogte worden opgelost door grootschalige productiesystemen. Verbetering van de technologie maakt het ook mogelijk om duurzamere en slijtvastere materialen te verkrijgen. Daarnaast moet worden opgemerkt dat er een sterke neiging is om zich te concentreren op producten met het voorvoegsel "eco". Dit wordt mogelijk gemaakt door zowel de media als de overheid en internationale steunprogramma's.

Conserveringsmaatregelen worden geleidelijk aangescherpt, waardoor sommige traditionele plastic producten in sommige landen worden verboden. Pakketten bijvoorbeeld. Ze zijn verboden in Bangladesh (nadat bleek dat ze afvoersystemen verstopten en twee keer grote overstromingen veroorzaakten) en Italië. Geleidelijk aan komt de realisatie van de echte prijs die betaald moet worden voor verkeerde beslissingen. En begrijpen dat het noodzakelijk is om de veiligheid van het milieu te waarborgen, zal leiden tot steeds meer beperkingen op traditioneel plastic. Gelukkig is er vraag naar de overstap naar nog duurdere, maar milieuvriendelijkere materialen. Bovendien zijn onderzoekscentra in veel landen en grote particuliere bedrijven op zoek naar nieuwe en goedkopere technologieën, wat goed nieuws is.

Conclusie

Dus we hebben overwogen wat biologisch afbreekbare polymeren zijn, productiemethoden en omvang van deze materialen. Er is een constanteverbetering en verbetering van technologieën. Laten we dus hopen dat de kosten van biologisch afbreekbare polymeren de komende jaren inderdaad zullen inlopen op die van materialen die op traditionele wijze zijn verkregen. Daarna is de overgang naar veiligere en milieuvriendelijkere ontwikkelingen slechts een kwestie van tijd.