Биоразлагаемый пластик

Содержание

1. Виды биоразлагающихся полимеров
2. Полибутилен сукцинат (PBS)
3. Полигидроксиалканоаты (PHA)
4. Полиактиды (PLA)
5. Mater-Bi
6. Biocell
7. Синтетические материалы с каталитическими добавками
8. Оксо-биополимеры
9. Технология производства биопластиков
10. Правда и ложь о биополимерах
11. Плюсы и минусы биоразлагаемого пластика
12. Проблемы утилизации биоразлагаемого пластика
13. Условия и скорость разложения биополимеров
14. Области применения
15. Предлагаемые в мире решения

Пластик давно и надолго вошел в жизнь большинства людей. Сложно представить себе комфортный быт без использования удобных и практически вечных пластиковых изделий. Это и привычные всем упаковочные материалы, и тара, и элементы корпусов бытовой техники, электроники. Но долговечность изделий из полимеров имеет и обратную сторону, которая не такая радужная: пластик разлагается естественным путем более 400 лет.

Получается, что уже использованные пластиковые изделия никуда не денутся сами по себе, но производственные мощности и спрос должны расти. Вместе с тем растет и объем неразлагаемых отходов, что отрицательно сказывается на экологической обстановке в мире. За год объем пластиковых отходов увеличивается на 10-12%, но безвредных способов полной утилизации таких изделий не придумали. Частично проблему решает рециклинг полимеров с последующим производством вторичного сырья, пригодного для дальнейшего использования в новых изделиях. Но не все полимеры подвержены вторичной переработке.

Сжигание не является приемлемым методом утилизации, поскольку в процессе горения из полимерной массы выделяются ядовитые газы. Известно около 210 видов газов, которые разрушают озоновый слой и губительно действуют на живые организмы. Закапывание мусора также не решает проблему, поскольку он не подвержен разложению естественным путем. Следовательно, необходимо найти принципиально новый подход к решению проблемы загрязнения окружающей среды пластиковыми отходами.

Справедливости ради стоит отметить, что бумагу и текстиль тоже нельзя отнести к безопасным материалам, используемым для производства упаковки. Не только с полимерным, но и с целлюлозно-бумажным производством борются экологи по всему миру, поскольку оно также наносит серьезный вред окружающей среде.

Одним из инновационных решения, которое активно начали реализовывать несколько лет назад, является производство биоразлагаемого пластика. Это сравнительно новый вид материала, хотя технология существует более 30 лет, но активно не использовалась. Его производят на основе натурального сырья на основании ГОСТ Р 57432—2017 (биоразлагаемая упаковка) и  ГОСТ 33747-2016 (оксо-биоразлагаемая упаковка). Следовательно, использованные изделия не будут вредить общему экологическому фону планеты.

Виды биоразлагающихся полимеров

Существуют следующие виды биоразлагаемых и биоосновных полимеров:

• полибутилен сукцинат (PBS);
• полигидроксиалканоаты (PHA);
• полиактиды (PLA)
• Mater;
• Biocell;
• синтетические полимеры с каталитическими добавками;
• оксо-биополимеры.

Они отличаются технологией производства, сроком разложения и склонности к полному компостированию. Бисоосновные пластики не разлагаются, но разрушаются.

При производстве биоразлагаемых пластиков используются компоненты, которые получают из органических отходов или возобновляемых источников. К основным из них относится кукурузный крахмал, целлюлоза, молочная кислота.

Полибутилен сукцинат (PBS)

Основой для производства полибутилен сукцината служит  крахмал, который встречается в составе многих растений. Благодаря своей биологической доступности кукурузный крахмал стал самым популярным сырьем для производства пластика. Но необходимо создать определенные условия для его биологического разложения, что усложняет утилизацию.

PBS используется для производства биоразлагаемой одноразовой посуды, пленочных материалов, применяемых в сельском хозяйстве в качестве укрывного материала. Также сырье применяется для производства упаковочных изделий.

Полигидроксиалканоаты (PHA)

Полигидроксиалканоаты – это синтезированные бактериями полимеры. При дефиците азота и фосфора отдельные виды бактерий могут выделять РНА, который в последующем преобразуется в полимер. РНА сам по себе служит источником энергии для данный бактерий, что способствует его разложению при определенных условиях в будущем. Но при отсутствии бактерий полимер достаточно прочен и долговечен.

Биополимеры PHA достаточно долго находились в разработке, но сейчас активно синтезируются и используются для производства различных изделий. По своими физико-механическим свойствам полигидроксиалканоаты (PHA) схожи с полистиролами (PS), акрилонитрилбутадиенстиролами (ABS) и полипропиленами (РР). Они могут служить основой для производства того же класса изделий. Из полиактидов изготавливают шовный медицинский материал, гели, лаки, различные косметические средства.

На основе полигидроксиалканоатов получают гибкий и эластичный пластик, обладающий устойчивостью к излучению УФ. Срок его разложения 7-10 недель в условиях влажности от 85% и температуры 20-60°С. При разложении выделяется углекислый газ и вода.

Полиактиды (PLA)

Молочная кислот, являющиеся основой для производства полиактидов, является промежуточным компонентом, полученным в результате ферментации сахара, крахмала или патоки. Молочную кислоту для своей жизнедеятельности используют кисломолочные бактерии.

PLA является самым доступным вариантом среди биопластиков на рынке благодаря своей низкой стоимости. Он демонстрирует хорошую устойчивость к ультрафиолетовым лучам, слабо воспламеняется и плохо горит, выделяя минимальное количество дыма. Температура плавления биополимера PLA составляет 210-220°С, температура стеклования - 90°С.

Современные технологии позволяют перерабатывать PLA различными способами, включая экструзию пленок. При компостировании продукты, изготовленные из PLA, полностью разлагаются на воду и углекислый газ в течение 20-90 дней.

Продукты, изготовленные из PLA, обладают значительной твердостью, прозрачностью и глянцевым блеском, что делает их схожими с изделиями из полистирола. В качестве пластифицирующего агента можно применить саму молочную кислоту.

Сфера применения полиактидов – производство упаковки для пищевых продуктов, одноразовой посуды, медицинских изделий одноразового использования. В частности, из него изготавливают одноразовые стаканчики и столовые приборы. Материал не подходит для газированных напитков, поскольку пропускает углекислый газ.

Mater

Mater-Bi – еще один пример биоразлагаемого пластика. Его производят на основе амилозы, амилопектина и поливинилового спирта (ПВС) или поликапролактона. Изделия из этого материала подходят только для хранения сухих продуктов, поскольку при контакте с водой полимер начинает растворяться. Чем выше процент влаги, тем быстрее происходит растворение. В среднем, растворение занимает несколько минут. После этого воду можно вылить в грунт, не причиняя вред окружающей среде.

Biocell

Популярный синтетический полимер импортного производства  – Biocell. Это смесь ацетата целлюлозы с различными добавками и пластификаторами. Материал прозрачен, обладает хорошими механическими свойствами. Данный материал применяют для производства пакетов, бутылок из органического стекла. Разложение начинается под действием ультрафиолетового излучения, почвенной микрофлоры и воды. Средний период разложения составляет 18 месяцев.

Синтетические материалы с каталитическими добавками

Одним из решений является использование синтетических полимеров с введением в состав катализаторов, ускоряющих разложение. В большинстве случаев это соединения переходных металлов, которые в определенный момент запускают реакцию разложения. Провоцирующими факторами, включающими биодеградацию, можно назвать тепло или свет. Для таких материалов характерны традиционные методы переработки: литье, экструзия, выдув, формование. При этом полимеры должны выдерживать нагрев без разрушения и проявления признаков биологического разложения на этапе производства изделий. Рекомендованное время нагрева для таких материалов должно составлять 7-12 минут в течение производственного цикла.

Использование биоразлагающих катализаторов актуально при производстве изделий, которые отправляются в мусорное ведро после разового использования. Это пакеты, пленки, одноразовая посуда или медицинские изделия, тара. Потому чаще всего катализаторы вводят в традиционные полимеры, применяемые для производства этих изделий: полипропилен, полистирол, полиэтилентерефталат.

Производством таких добавок-катализаторов занимаются европейские компании. Российский рынок пока не предлагает достойных аналогов.

Оксо-биополимеры

К данному классу стоит отнести полимеры, при производстве которых вводят различные добавки, главной из которых является кислород. Самой популярной добавкой следует считать d2w. Средний срок разложения составляет 1-2 года. Но такие пластики не следует относить к истинным биоразлагаемым полимерам, поскольку при активации добавки происходит укорочение полимерной цепи, изделие теряет прочность и распадается на мелкие фрагменты.

Материал не разлагается полностью. Его не принимают ни в компостирование, как истинные биополимеры, ни во вторичную переработку, как синтетические полимеры. Они могут испортить вторичное сырье, а компостную массу сделать непригодной для дальнейшего использования. Утилизация оксо-биополимеров осуществляется только на специальных полигонах. Это необходимо учитывать, если в составе указана добавка d2w.

Технология производства биопластиков

Существует несколько технологий производства биоразлагаемых пластиков:

• Механическая и химическая обработка деструктированного крахмала, полученного из целлюлозы. Недостаток такого способа в высокой стоимости. Также возникает угроза продуктовой безопасности, поскольку основное сырье – это продукт питания, востребованный во всем мире.
• Химический синтез полимеров из молочной кислоты. В свою очередь молочную кислоту получают путем ферментизации сахаров. Сырьем для молочной кислоты служат сахарная свекла, сахарный тростник и кукуруза. В данном случае также возникает угроза продуктовой безопасности.
• Биотехнологическое производство полимеров с привлечением микроорганизмов. Этот способ считается дорогостоящим и малорентабельным.
• Химический синтез полимеров из нефтепродуктов с добавлением катализаторов для возможности частичного биологического разложения.

Технология производства определяется типом биопластика или синтетического полимера. Каждый метод обладает своими достоинствами и недостатками, по-разному влияют на экологическую обстановку в мире.

Правда и ложь о биополимерах

Согласно маркетинговым кампаниям биополимеры безопасны и полностью безвредны для окружающей среды. В реальности факты немного искажены. Разложение отдельных полимеров происходит полностью или с выделением небольшого осадка в виде микрополимеров. Но для этого требуется приложить определенные усилия.

Вторым сомнительным фактором можно назвать безопасность состава. По технологии для биопластиков используют натуральное сырье, но при его выращивании могут использоваться вредные химические составы. Они неизменно отражаются на безопасности полимера для окружающей среды. Кроме того, стремясь снизить себестоимость, недобросовестные производители вводят различные добавки в состав, меняющие физические свойства в нужную сторону, но вредные для экологии.

Отдельные компании под видом биопластиков предлагают синтетические полимеры с мелом в составе. Введение данного компонента, действительно, способствует разрушению полимера, но не его разложению. Распавшийся на фрагменты пластик будет захоронен, поскольку он не подвержен вторичной переработке и компостированию, после чего пролежит в земле около 400 лет.

Плюсы и минусы биоразлагаемого пластика

Биоразлагаемые полимеры оказывают меньшее влияние на окружающую среду, как отмечалось ранее, но обладают и рядом недостатков. Рассмотрим основные преимущества и недостатки этих современных материалов.

Преимущества:

• Возможность изготовления изделий из биопластиков на обычном оборудовании традиционными методами.
• Возможность использования в области пищевой упаковки за счет низкой пропускной способности кислорода и водяного пара.
• Высока устойчивость к разложению в обычных условиях (необходимо создать специальные условия температуры, влажности, солнечного света).
• Возможность дальнейшего использования компоста в качестве удобрений.
• Безопасность для человека в процессе использования изделий из биопластиков.
• Независимость от нефтяной отрасли и нефтепродуктов, используемых для синтеза традиционных полимеров.
• Сокращение выбросов парниковых газов.
• Уменьшение количества неперерабатываемых ТБО. Разложение пластика происходит за короткий период при использовании специального компостирующего оборудования.
• Низкое потребление энергии при производстве биопластиков, снижение затрат на производство в долгосрочной перспективе.
• Использование в качестве сырья возобновляемых ресурсов, независимость от полезных ископаемых, запасы которых истощаются.
• Универсальность – важное преимущество. Материалы могут использоваться в различных областях, включая пищевую и медицинскую.

Маркетинговые и коммуникационные преимущества также следует учитывать, поскольку люди озабочены охраной окружающей среды. Недостаток в том, что не все биополимеры разлагаются полностью, как заявлено в маркетинговых кампаниях.

Недостатки:

• Необходимость в определенной процедуре утилизации и использовании специального оборудования. Если материал просто отправить на мусорный полигон, он будет разлагаться очень долго, особенно в северном климате. Утилизировать пластик следует по определенному алгоритму. Домашнее компостирование не дает результатов.
• При производстве отдельных видов биопластиков, а также для увеличения урожая органических возобновляемых культур могут применяться опасные химические вещества. Этот фактор сводит к минимуму безопасность материалов.
• Не все биопластики подвержены разложению. Часть из них может только распадаться на мелкие фрагменты.
• Высокая стоимость производства, а также последующей утилизации значительно ограничивают распространение биопластиков. Однако это явление считается временным, поскольку со временем массовое производство будет налажено, расходы уменьшатся.
• Временная недоступность крупнотоннажного производства из-за недостатка сырья и высокой стоимости производства, как отмечалось ранее.
• Угроза продуктовой безопасности во всем мире и, как следствие, необходимость увеличения пахотных земель. Биопластики производят из органического сырья, при росте их популярности продовольственный дефицит может обостриться.
• Невозможность вторичной переработки, что в совокупности с необходимостью специальных условий утилизации может негативно отразиться на экологической обстановке.
• Проблема загрязнения мирового океана при использовании биопластиков остается нерешенной.

Также следует отметить, что до сих пор не существует единой маркировки для новых материалов. Путаница в маркировке биоразлагаемых, биоосновных и синтетических пластиков доставляет неудобство потребителям. Часто изделия утилизируются неправильно именно по этой причине.

Проблемы утилизации биоразлагаемого пластика

Основной отличительной чертой биопластиков является склонность к биологическому разложению под влиянием физических факторов: кислорода, УФ-излучения, температуры. Под действием перечисленных факторов бесконечно длинная цепочка молекул биополимера начинает распадаться на несколько составляющих: вода, углекислый газ, метан, биомасса и ряд неорганических соединений.

Полностью биоразлагаемых пластиков на данный момент не существует, каждый тип материала в определенной степени может нанести вред окружающей среде. При их утилизации можно столкнуться с рядом проблем:

• Специальные условия утилизации в соответствии с ГОСТ Р 54530-2011.
• Необходимость в определенных условиях окружающей среды для правильного разложения.
• Побочный продукт разложения данного материала – метан.

Еще одна проблема – мнимая доступность домашнего компостирования. Как правило, компостирование выполняется на специально оборудованных предприятиях. При разложении выделяется углекислый газ, вода и иные компоненты, которые служат органическими удобрениями для почвы.

Условия и скорость разложения биополимеров

Условия утилизации зависят от типа биополимера и содержания различных активных веществ в составе. К примеру, биоосновный полимер АБС будет разрушаться около 2 лет при контакте с воздухом в условиях высокой влажности и перепада температуры.

Истинный биополимер полиактид разлагается в течение 90 дней под воздействием воды и кисломолочных бактерий. Аналогичные условия требуются и для полигидроксиалканоатов: вода, жизнедеятельность разлагающих бактерий. Но для этого полимера характерен срок разложения 7-10 недель.

Такие материалы, как Biopol, Biocell, подвергаются биодеградации под прямыми солнечными лучами и под воздействием влаги. Полимер Mater разлагается в воде за несколько минут без дополнительных условий.

Области применения

Интерес аудитории к бипластикам стремительно растет благодаря высокой природной ценности и безопасности для окружающей среды. Они применяются во многих отраслях промышленности.
Материал может использоваться в следующих сферах:

• сельское хозяйство как компост после утилизации;
• в медицине для производства одноразовых изделий;
• в пищевой промышленности для упаковки и тары.

Сферы использования биопластиков постепенно расширяются. Уже выпускаются отдельные корпусные изделия, детали для автомобилей, лакокрасочные материалы на из основе.

Предлагаемые в мире решения

Ассортимент биоразлагаемых пластиков постепенно растет. Ученые всего мира открывают новые возможности, задействуют различные материалы, помимо используемых в настоящий момент (крахмал, целлюлоза).

Так компания Arkema разрабатывает варианты производства пластика из касторового масла, а Rodenburg Biopolymers - из картофеля.

В Голландии для биопластика используют водоросли. По технологии их превращают в жидкое сырье, которое затем заправляют в 3D-принтер. Такой биопластик используют для печати трехмерных пластиковых объектов.

В Индонезии также разработана технология получения полимеров из водорослей, но отличающаяся от голландской. Микробы Haloferax mediterranei питаются водорослями, выделяя продукт жизнедеятельности - полигидроксиалканоат. На его основе делают биополимер. Преимущество в том, что океан заполонен водорослями, которые можно использовать как исходное сырье. При этом не потребуется занимать пахотные земли для выращивания иного органического сырья.

 В Индонезии были разработаны технологии производства биополимеров из корня маниоки. По заявлениям индонезийской компании Avani Eco этот полимер разлагается в воде.

В Чили ученые привлекли в качестве исходного сырья для полимеров известковые породы камня. Этот материал используется для производства пакетов, которые легко растворяются в воде.

Интересный биополимер был разработан в Японии. В его основе водоросли и орехи. Особенность биополимера в возможности выдерживать высокую температуру без разрушения – до 120 ºC. Главным компонентом служит парамилон и полученные из скорлупы орехов жирные кислоты.
Продолжается поиск новых решений во всем мире. Ученые активно стремятся не только задействовать еще не используемые органические продукты, но и удешевить себестоимость биопластиков, сделав их более доступными для широких масс населения.