Полимеры нового поколения



Рассмотрены перспективы развития индустрии биоразлагаемых пластиков в мире, Европе, России. Оценены преимущества и недостатки биополимеров в сравнении с пластиками, полученными из продуктов нефтехимии. Показано, что биоразлагаемые материалы, несомненно «выигрывают» по ряду экологических свойств перед полностью синтетическими полимерами, однако по химическим свойствам (прочности и износостойкости) намного им уступают.

Ключевые слова: биополимеры, синтетические пластики, пластмассы, биоразлагаемые материалы, производство.

В последние годы в связи с ростом цен на нефть и интенсивном загрязнении окружающей среды на смену традиционным синтетическим полимерам на основе пластмасс приходят так называемые компостируемые пластики (биоразлагаемые пластмассы), дающие возможность полимерным материалам разлагаться в природных условиях под действием вне и внутриклеточных ферментов микроорганизмов до практически безвредных соединений без ущерба для окружающей природной среды.

В качестве сырьевой основы для производства современных биополимеров могут служить воспроизводимые природные полимеры, компоненты сельскохозяйственных или дикорастущих растений (крахмал, целлюлоза, лигнин), продукты нефтехимии, или комбинированные технологии [1].

Первый в мире биодеградабельный пластик на основе крахмала был получен в 1989 году итальянской промышленной корпорацией Ferruzi Finanziaria. В настоящее время многочисленные фирмы в США, Японии, странах Европы ведут разработки новых видов пластмасс путем последовательного вкрапления крахмала в полимерные цепочки. Например, в результате сополимеризации этилена и винилацетата образуется этиленвинилацетат (ЭВА) в который в качестве биодеградируемого компонента вводится крахмал. Полученный полимер хорошо разлагается под действием ферментов микроорганизмов, не загрязняя при этом почву [1; 3; 5; 6; 7].

Производство этиленвинилацетата сконцентрировано по большей части в Азии и Северной Америке. Самыми крупными поставщиками этиленвинилацетата являются DuPont (Elvax) (американская химическая компания, одна из крупнейших в мире), ExxonMobil (крупнейшая американская частная нефтяная компания), Polimeri Europa (крупнейшая нефтегазовая компания в Испании), и Total (французская нефтегазовая компания) [7; 8].

Самым известным синтетическим продуктом, на основе наполнителя крахмала является материал Mater — Bi фирмы Nowamont S. p.A (Италия). Уникальность данного синтетического продукта заключается в его способности поглощать и пропускать жидкости, что дает возможность его использования в производстве «дышащих пленок» [4].

Широкое распространение получила композиция полистирола с природными биополимерами (крахмалом или целлюлозой), используемая для выпуска пищевой упаковки и сельскохозяйственной пленки. В компосте этот полимер разрушается практически полностью — через 80 дней [4].

Одним из перспективных биопластиков считается полилактид — биоразлагаемый, биосвместимый, термопластичный, алифатический полиэфир, продукт конденсации молочной кислоты и возобновляемого сырья биологического происхождения. На основе полилактида получают пористые материалы, пищевую упаковку, одноразовую посуду, пакеты, различную тару, а также медицинские хирургические нити и штифты. Основным производителем полилактидов является компании RURAC (Нидерланды) [8].

Хотелось бы отметить, что не менее распространенными полимерами нового поколения, считающимися наиболее перспективными материалами 21 века, по мнению ряда ученых, являются полиоксиалканоаты (ПГА) (сополимер оксибутирата и оксивалерата), по своим физико-химическим свойствам сходные с полиэтиленом и полипропиленом, но способные к биодеградации. Уникальность этих биополимеров заключается в том, что их делают с помощью водородокисляющих микроорганизмов — водородных бактерий. Как и синтетические полимеры на основе полипропилена и полиэтилена они прочны и термопластичны, но в отличие от вышеупомянутых полимеров они обладают антиоксидантными свойствами, оптической активностью, пьезоэлектрическим эффектом, и самое главное — это экологически чистые полимерные материалы, разлагаемые в естественных условиях до конечных продуктов воды и углекислого газа. Широкий рынок изделий на основе ПГА представлен в США, где на основе ПГА методом экструзии получают различной формы флаконы, банки, бутылки, контейнеры и коробки, используемые в косметологии. На их основе также изготавливают наполнители для стабилизации красителей, прочные гели и латексы [2].

Среди многих компаний изготовителей пищевой продукции большую популярность находит упаковочный материал эколин (EcoLean), получаемый из полиэтилена или полипропилена с добавлением природных минеральных наполнителей, известняка или доломита. Содержание минералов в пленке придает упаковке защитные свойства от ультрафиолетового излучения, обеспечивает масло и жиростойкость упаковки. Кроме того, данный материал является экологически безопасным для окружающей среды, поскольку обладает способностью разлагаться под воздействием факторов внешней среды (интенсивном солнечном излучении и ветре) в течение 4–5 месяцев [4; 9].

Количество инноваций в области производства нового поколения полимерных материалов ежегодно растет. Так, недавно была создана пленка «Greensack», изготовленная из зерна кукурузы, благодаря чему имеющая возможность точно также как и все продукты растительного происхождения полностью разлагается в почве [1]. Итальянская компания Convex Plastics по аналогичной технологии разработала материал «New Greensack», полученный из кукурузного крахмала. Несмотря на то, что стоимость такой упаковки больше обычной в Европе распространены продуктовые и бытовые пакеты из подобных пластиков. Пленка «Greensack» также находит применение в качестве обертки для журналов, пищевой упаковки, в индустрии fast food, молочных упаковок [5].

Все большее практическое применение для производства экологически безвредных пластиков находят полимеры на основе молочной кислоты — полилактаты, сырьем для производства, которых может служить кукуруза, сахарный тростник, картофель. Изделия на основе полилактатов по сравнению, например с полипропиленом обладают рядом важных химических свойств: высокой жесткостью, прозрачностью и блеском, а также большой способностью сохранять форму после сжатия или кручения [5].

В России биополимеры пока не находят широкого применения. На сегодняшний день единственно действующей компанией, осуществляющей с 2007 года, мелкосерийное производство биоразлагаемой пластиковой упаковки из возобновляемого сырья на основе полилактида (PLA) являетсяЗАО «Национальная упаковочная компания «Пагода». Как уверяет, производитель упаковка из PLA, является полностью биоразлагаемой и не наносит вред окружающей среде. Сроки утилизации упаковки составляют: 47 дней при +60 ⁰С в условиях промышленного компостинга, 120 дней при +40 ⁰С в условиях домашнего компостинга, 1 год и 3 месяца при +20 ⁰С на солнце, 2 года при +15 ⁰С в почве, 4 года при +4 ⁰С в пресной и соленой воде [10].

В перспективе компанией НБ-Ретал в Подмосковье планируется строительство первого завода по производству биоразлагаемой полилактидной пленки [1].

Рассмотрим преимущества и недостатки биополимеров.

Очевидным преимуществом биополимеров, отличающим их от остальных пластиков, является их низкая токсичность и способность разлагаться в природных условиях под действием ферментов микроорганизмов, что позволяет одновременно решать проблему утилизации отходов.

На биодеградацию полимеров существенно влияет их молекулярная структура, величина и гибкость их макромолекул, длина участков между функциональными группами. Известно, что компактное расположение структурных фрагментов полукристаллических и кристаллических полимеров ограничивает их набухание в воде и препятствует проникновению ферментов в полимерную матрицу, что затрудняет воздействие ферментов микроорганизмов не только на главную углеродную цепь полимера, но и на биоразрушаемые участки цепи. Кроме того, аморфная часть полимера всегда менее устойчива к биодеструкции, чем кристаллическая.

Наиболее высокой способностью к биодеструкции обладают те природные и синтетические полимеры, которые содержат химические связи, легко подвергаемые гидролизу. Повышению биодеструкции также способствует присутствие заместителей в полимерной цепи.

Не менее важными преимуществами, обусловленными физико-химическими свойствами биополимеров являются: низкий барьер пропускания кислорода, водяного пара, а также стойкость к разложению в обычных условиях.

Среди недостатков биоразлагаемых полимеров можно отметить следующие: ограниченные возможности для крупнотоннажного производства и их высокая стоимость [3; 11; 12; 13].

Таким образом, полимеры нового поколения (компостируемые пластики) несомненно «выигрывают» по ряду экологических свойств перед полностью синтетическими полимерами, компонентами которых являются высокотоксичные синтетические соединения. Биодеградабельные полимеры справедливо называют экологически чистыми полимерами, поскольку они не выделяет в окружающую среду опасные для человека, животных, растений и микроорганизмов соединения. Однако по химическим свойствам (прочности и износостойкости) намного им уступают в связи, с чем пока не могут быть использованы для широкомасштабного получения и применения. В тоже время многочисленные публикации свидетельствуют о продолжающемся поиске перспективных разработок в области производства биоразлагаемых материалов.

Литература:

1. Биоразлагаемая упаковка: успехи, сырье, материалы, переработка отходов, логистика. URL: http://article.unipack.ru/6075
2. Исследование биологических свойств полиоксиалканоатов в хроническом эксперименте in vivo. URL: https://www.fesmu.ru/ elib/Article.aspx?id=78559
3. Биополимеры: свойства, применение, перспективы развития. URL: https://www.plastinfo.ru/information/articles/61
4. Упаковка. URL: http://www.packs.ru/component/content/article/34-etc/54-pack
5. Биополимеры: тенденции, мнения, перспективы. URL: http://www.newchemistry.ru
6. Саморазлагающиеся пластики. URL: http://upack.by/spanspanstati
7. Евразийский химический рынок. Международный деловой журнал. URL: http://chemmarket.info/ru/home/ article/3988/
8. БИОПЛАСТИКИ: технологии, рынок, перспективы (I часть) URL: http://www.newchemistry.ru/letter.php?n_id=1609
9. Биопластики: становясь из побочного основным направлением URL:http://www.plastics.ru/index.php?category_id=27&entry_id=11728&lang=ru&view=news
10. URL: http://www.pagoda-upakovka.ru
11. Тасекеев М. С. Производство полимеров как один из путей решения проблем экологии и АПК / М. С. Тасекеев, Л. М. Еремеева. — Аналитический обзор. — Алма-Аты: НЦ НТИ, 2009. — 200 с.
12. Scott G. Abiotic control of polymer biodegradation / G. Scott // Trends in polymer science/ — 1997. — vol.5, № 11. — Р.361–368.
13. Biodegradable Polymers Isabelle Vroman and Lan Tighzert Materials, 2009. — № 2. — с.307–344.