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)
