В данной статье рассматривается целесообразность использования биоразлагаемых пластиков как альтернативную замену традиционных материалов, их свойства и особенности.
Ключевые слова: пластик, биоразлагаемый материал, окружающая среда, экологические проблемы.
В век технологий всё более актуальными становятся экологические проблемы, одной из которых является переработка пластических масс. По данным статистики с 1950 по 2017 год было произведено около 9,2 миллиарда тонн пластика: более тонны на каждого ныне живущего на Земле человека. Большая часть приходится на долю одноразовых изделий и упаковки. Утилизировано лишь менее 10 % всех произведенных пластмасс [1]. Широкому применению полимерных материалов способствуют их дешевизна, технологичность и долговечность. Однако синтетические высокомолекулярные соединения деструктируют с большим вредом для природы. Возможно ли решить данную проблему производством и использованием полимеров, способных безвредно разлагаться в окружающей среде?
Рынок биоразлагаемых полимеров постоянно растет, в связи с тем, что они не аллергенны, не канцерогенны, легко окрашиваются субстантивными классами красителей, пригодны для вторичной переработки [2]. По данным European bioplastics производственные мощности биопластика значительно увеличатся с примерно 2,41 млн тонн в 2021 году до примерно 7,59 млн тонн в 2026 году. Таким образом, их доля в мировом производстве пластика впервые превысит двухпроцентную отметку.
Основным критерием классификациибиодеградируемых материалов является сырье для их производства, в связи с этим выделяют две группы рассматриваемых типов соединений [3]:
- Биоразлагаемые пластики из ископаемого сырья
Это полностью синтетические материалы из углеродного сырья, способные в силу своих структурных особенностей подвергаться биодеградации. Они способствуют сокращению пластиковых отходов, но до конца данную проблему экологии они не решают. К ним относятся: полибутираты (PBAT), полибутиленсукцинаты (PBS), поливиниловый спирт (PVAL), поликапролактоны (PCL) и полигликолевая кислота (PGA). К этой группе можно также отнести традиционные пластики, улучшенные с помощью промоторов деполимеризации, либо полученные с введением нестойких к гидролизу сополимеров.
- Биоразлагаемые пластики из природного сырья
Это материалы на основе воспроизводимого животного и растительного сырья. Главными компонентами таких пластиков служат: крахмал, модифицированная целлюлоза, хитозан, полигидроксиолканаты (PHA), полимолочная кислота (PLA). К преимуществам данных соединений можно отнести возобновляемость использованного сырья, в отличие от нефти и газа, которые имеют ограниченный запас. К недостаткам природных биополимеров можно отнести недостаточную механическую прочность, высокую себестоимость и сложность обработки.
Среди большого разнообразия биоразлагаемых полимеров особое внимание уделяется PBAT, PHA и PLA, которые более подробно рассмотрены далее.
Полибутираты
Яркий представитель пластика на основе полибутирата — полибутиленадипаттерефталат. Является одним из легко воспроизводимых пластиков, за счет замены адипиновой кислоты на часть PTA (политерефталевая кислота) в PBT (полибутилентерефталат) алифатической двухосновной, что привело к разделению ароматических частей внутри полимера. Этим можно объяснить его способность к биоразлагаемости. Чаще всего физические свойства PBAT сравниваются с полиэтиленом низкой плотности. Главные недостатки чистого полибутирата — высокая стоимость производства и низкие механические свойства по сравнению с традиционными пластмассами. Эффективным способом решения проблем является модификация крахмалом или армирующими материалами (PLA). [4,5]
Полигидроксиалканоаты
Это алифатические полиэфиры, важными представителями которых являются полигидроксибутират и полигидроксивалерат. Основным источником изготовления являются растительные сахара, которые после подвергаются бактериальной ферментации. Готовыми изделиями данных пластмасс являются различные биоразлагаемые упаковки, нетканные материалы для одноразовых салфеток и средств личной гигиены, связующие материалы для металлических и керамических порошков и водостойких покрытий для бумаги или картона [6]. Как правило, процессы ферментации имеют более высокие технологические затраты, связанные с низким выходом по сравнению с процессами в реакторах. Таким образом, PHA имеют ограниченное коммерческое применение, несмотря на их промышленный потенциал.
Полимолочная кислота
Одними из перспективных видов биополимеров являются полилактиды — термопластичные полиэфиры молочной кислоты. Растущий интерес к этому материалу объясняется тем, что они могут быть получены как синтетическим способом, так и в ходе брожения сусла зерна, кукурузы, пшеницы и картофеля. Чаще всего различные виды пластика на основе полилактида предназначены для изготовления упаковки для пищевых и непищевых продуктов, тканей и различных медицинских изделий.
Благодаря своей биоразлагаемости и биосовместимости деструкция данного пластика наносит минимальный ущерб природе. Необходимо все же учитывать тот факт, что его разложение возможно лишь при правильном сборе и компостировании, так как оптимальный распад возможен только в присутствии других органических отходов и при определенной температуре и влажности [7].
Из всего выше сказанного можно сделать вывод, что серьезные экологические проблемы привели к повышенному интересу к биоразлагаемым пластикам, которые могут предложить ряд преимуществ в области защиты окружающей среды. В отличие от других пластмасс, биодеградируемые пластики разлагаются в земле или воде за полгода под действием микроорганизмов (бактерий, грибков) на углекислый газ и воду. Их можно изготавливать из возобновляемых ресурсов, которые используются как самостоятельно, так и в сочетании с другими пластиковыми смолами или добавками.
Однако существует ряд недостатков, препятствующих распространению данных материалов на мировом рынке и требующих их решений. Например, случайное попадание биоразлагаемых пластиков на полигон, усилит уже существующее разложение за счет образования большого количества фильтрата и газов и, таким образом, еще более усугубит ситуацию с загрязнением грунтовых вод и поверхностных вод, а также окружающей среды. По своей сути такой пластик не предназначен для вторичной переработки, так как при повторном нагреве он начинает разрушаться, что приводит к невозможности его использования. Серьезным ограничением промышленного производства является высокая себестоимость данных пластмасс по сравнению с традиционными материалами, которые изготовлены из нефтяного или газового сырья. Процессы получения биопластиков достаточно сложны в аппаратурном оформлении и многостадийны. Поэтому следует признать, что все виды биоразлагаемых пластмасс в современных реалиях могут быть использованы в качестве дополнений к традиционным материалам, но не в качестве альтернативы. Безусловно, развитие производства биопластиков требует внимания и дальнейшего изучения, однако глобальную экологическую проблему утилизации отходов они на данный не решают.
Литература:
- Пластиковый атлас | Heinrich Böll Stiftung | Москва — Российская Федерация [Electronic resource] // Heinrich-Böll-Stiftung. URL: https://ru.boell.org/ru/2020/05/21/plastikovyy-atlas (accessed: 07.03.2022).
- Шевелева Н. П., Полищук Б. О. Перспективы Производства Искусственных Биоразлагаемых Полимеров. Тюменский индустриальный университет, 2011. P. 233–235.
- Костин А. Биопластики: перспективы в России //ПЛАСТИКС: индустрия переработки пластмасс. — 2015. — №. 3. — С. 44–50.
- Jian J., Xiangbin Z., Xianbo H. An overview on synthesis, properties and applications of poly(butylene-adipate-co-terephthalate)–PBAT // Advanced Industrial and Engineering Polymer Research. 2020. Vol. 3, № 1. P. 19–26.
- The biodegradable polymer PBAT is hitting the big time [Electronic resource]. URL: https://cen.acs.org/business/biobased-chemicals/biodegradable-polymer-PBAT-hitting-big/99/i34 (accessed: 10.03.2022).
- Борисов Е. В центре внимания—биоразлагаемые полимеры //The Chemical Journal. — 2005. — №. 5. — С. 68.
- Федорова О. Ю. Переработка бывших в употреблении изделий из полилактида. 2016. P. 485–486.
