پلیمرهای زیست تخریب پذیر: مفهوم، خواص، روش های آماده سازی و نمونه هایی از واکنش ها

2024 نویسنده: Howard Calhoun | [email protected]. آخرین اصلاح شده: 2023-12-17 10:25

ممکن است متوجه شوید که در دهه گذشته، محصولاتی با پیشوند "bio" به نام اضافه شده محبوبیت پیدا کرده اند. در نظر گرفته شده است که این محصول برای انسان و طبیعت بی خطر است. به طور فعال توسط رسانه ها تبلیغ می شود. حتی به مضحک هم رسید - هنگام انتخاب نوشیدنی، آنها بیوکفیر را بهترین می دانند و سوخت زیستی دیگر جایگزینی برای روغن نیست، بلکه محصولی سازگار با محیط زیست است. و در مورد عصاره های زیستی که باعث می شود لوازم آرایشی "معجزه" کنند، فراموش نکنید.

اطلاعات عمومی

حالا بیایید جدی بگیریم. اغلب، در حرکت در امتداد جاده ها، می توانید زباله های خود به خودی را ببینید. علاوه بر این، محل های دفن زباله کاملی نیز وجود دارد که زباله های انسانی در آنها ذخیره می شود. به نظر می رسد بد نیست، اما یک منهای وجود دارد - زمان تجزیه بسیار طولانی است. راه های زیادی برای رفع این مشکل وجود دارد - این بازیافت زباله و استفاده از مواد کمتر مضر است که به سرعت تجزیه کننده ها را از بین می برد. بیایید در مورد مورد دوم صحبت کنیم.

در اینجا نکات زیادی وجود دارد. بسته بندی، لاستیک، شیشه، مشتقات صنایع شیمیایی. همه آنها نیاز دارندتوجه با این حال، هیچ دستور العمل جهانی خاصی وجود ندارد. بنابراین، لازم است به طور خاص بدانیم که چه چیزی و چگونه می توان از جلوگیری از آلودگی محیط زیست اطمینان حاصل کرد.

پلیمرهای زیست تخریب پذیر به عنوان پاسخی به مشکل دفع زباله های پلاستیکی ساخته شدند. بر کسی پوشیده نیست که حجم آنها هر سال در حال افزایش است. کلمه پلیمرهای زیستی نیز برای نام اختصاری آنها استفاده می شود. ویژگی آنها چیست؟ آنها می توانند در محیط به دلیل عملکرد عوامل فیزیکی و میکروارگانیسم ها - قارچ ها یا باکتری ها تجزیه شوند. پلیمر در صورتی چنین در نظر گرفته می شود که کل جرم آن در عرض شش ماه در آب یا خاک جذب شود. این تا حدودی مشکل زباله را حل می کند. در همان زمان، محصولات تجزیه به دست می آیند - آب و دی اکسید کربن. اگر چیز دیگری وجود دارد، باید از نظر ایمنی و وجود مواد سمی بررسی شود. آنها همچنین می توانند توسط اکثر فناوری های استاندارد تولید پلاستیک مانند اکستروژن، قالب گیری دمشی، شکل دهی حرارتی و قالب گیری تزریقی بازیافت شوند.

در چه زمینه هایی کار می کنیم؟

دستیابی به پلیمرهای زیست تخریب پذیر یک کار نسبتاً پر زحمت است. توسعه فن آوری هایی که امکان دستیابی به مواد ایمن را فراهم می کند به طور فعال در ایالات متحده، در قاره اروپا، در ژاپن، کره و چین انجام می شود. متاسفانه، باید توجه داشت که در روسیه نتایج رضایت بخش نیست. ایجاد فناوری برای تجزیه زیستی پلاستیک ها و تولید آنها از مواد خام تجدیدپذیر لذت گرانی است. علاوه بر این، این کشور همچنان نفت کافی برای تولید پلیمرها را در اختیار دارد. اما همه چیزبه همین ترتیب، سه جهت اصلی قابل تشخیص است:

1. تولید پلی استرهای زیست تخریب پذیر بر پایه اسیدهای هیدروکسی کربوکسیلیک.
2. ایجاد پلاستیک بر اساس مواد طبیعی قابل تکرار.
3. پلیمرهای صنعتی زیست تخریب پذیر می شوند.

اما در عمل چطور؟ بیایید نگاهی دقیق تر به نحوه ساخت پلیمرهای زیست تخریب پذیر بیندازیم.

پلی هیدروکسی آلکانوات های باکتریایی

میکروارگانیسم‌ها اغلب در محیط‌هایی رشد می‌کنند که کربن‌های مغذی در دسترس هستند. در این حالت کمبود فسفر یا نیتروژن وجود دارد. در چنین مواردی، میکروارگانیسم ها پلی هیدروکسی آلکانوات ها را سنتز و انباشته می کنند. آنها به عنوان ذخیره کربن (ذخایر مواد غذایی) و انرژی عمل می کنند. در صورت لزوم، آنها می توانند پلی هیدروکسی آلکانوات ها را تجزیه کنند. از این خاصیت برای تولید صنعتی مواد این گروه استفاده می شود. مهمترین آنها برای ما پلی هیدروکسی بوتیرات و پلی هیدروکسی والرات است. بنابراین، این پلاستیک ها زیست تخریب پذیر هستند. در عین حال، آنها پلی استرهای آلیفاتیک هستند که در برابر اشعه ماوراء بنفش مقاوم هستند.

لازم به ذکر است که اگرچه آنها در محیط آبی از پایداری کافی برخوردار هستند، اما محیط های دریا، خاک، کمپوست و بازیافت به تخریب بیولوژیکی آنها کمک می کنند. و خیلی سریع اتفاق می افتد. به عنوان مثال، اگر کمپوست دارای رطوبت 85 درصد و 20-60 درجه سانتیگراد باشد، تجزیه به دی اکسید کربن و آب 7-10 هفته طول می کشد. پلی هیدروکسی آلکانوات ها کجا استفاده می شوند؟

آنهابرای ساخت بسته بندی های زیست تخریب پذیر و مواد نبافته، دستمال مرطوب یکبار مصرف، الیاف و فیلم ها، محصولات مراقبت شخصی، پوشش های ضد آب برای مقوا و کاغذ استفاده می شود. به عنوان یک قاعده، آنها می توانند اکسیژن را از خود عبور دهند، در برابر مواد شیمیایی تهاجمی مقاوم هستند، پایداری حرارتی نسبی دارند و استحکامی قابل مقایسه با پلی پروپیلن دارند.

در مورد مضرات پلیمرهای زیست تخریب پذیر، باید توجه داشت که بسیار گران هستند. نمونه آن بیوپول است. قیمت آن 8 تا 10 برابر بیشتر از پلاستیک سنتی است. بنابراین، فقط در پزشکی، برای بسته بندی برخی از عطرها و محصولات مراقبت شخصی استفاده می شود. محبوب‌تر در میان پلی‌هیدروکسی‌آلکانوآت‌ها، میمل است که از نشاسته ذرت به دست می‌آید. مزیت آن هزینه نسبتا کم است. اما، با این وجود، قیمت آن هنوز دو برابر پلی اتیلن کم چگالی سنتی است. در عین حال مواد اولیه 60 درصد هزینه تمام شده را تشکیل می دهد. و تلاش اصلی برای یافتن همتایان ارزان آن است. چشم انداز مورد بحث نشاسته غلات مانند گندم، چاودار، جو است.

پلی لاکتیک اسید

تولید پلیمرهای زیست تخریب پذیر برای بسته بندی نیز با استفاده از پلی لاکتید انجام می شود. همچنین پلی لاکتیک اسید است. او چه چیزی را نمایندگی می کند؟ این یک پلی استر آلیفاتیک خطی، محصول تراکم اسید لاکتیک است. این یک مونومر است که پلی لاکتید به طور مصنوعی توسط باکتری ها از آن ساخته می شود.لازم به ذکر است که تولید آن با کمک باکتری نسبت به روش سنتی آسانتر است. از این گذشته، پلی‌لاکتیدها توسط باکتری‌ها از قندهای موجود در یک فرآیند ساده از نظر فناوری ایجاد می‌شوند. خود پلیمر مخلوطی از دو ایزومر نوری با ترکیب یکسان است.

ماده به دست آمده دارای پایداری حرارتی نسبتاً بالایی است. بنابراین، انجماد در دمای 90 درجه سانتیگراد رخ می دهد، در حالی که ذوب در دمای 210-220 سانتیگراد رخ می دهد. همچنین پلی لاکتید در برابر اشعه ماوراء بنفش مقاوم است، کمی قابل اشتعال است و اگر بسوزد با مقدار کمی دود همراه است. می توان آن را با استفاده از تمام روش هایی که برای ترموپلاستیک ها مناسب است پردازش کرد. محصولات به دست آمده از پلی لاکتید دارای سفتی، براقیت بالا و شفاف هستند. از آنها برای ساخت بشقاب، سینی، فیلم، فیبر، ایمپلنت (به این ترتیب از پلیمرهای زیست تخریب پذیر در پزشکی استفاده می شود)، بسته بندی برای لوازم آرایشی و بهداشتی و محصولات غذایی، بطری برای آب، آب میوه، شیر (اما نه نوشیدنی های گازدار، زیرا مواد عبور می کنند) استفاده می شود. دی اکسید کربن). و همچنین پارچه ها، اسباب بازی ها، قاب های تلفن همراه و موس های کامپیوتری. همانطور که می بینید، استفاده از پلیمرهای زیست تخریب پذیر بسیار گسترده است. و این فقط برای یکی از گروه های آنهاست!

تولید و تجزیه زیستی پلی لاکتیک اسید

برای اولین بار، حق ثبت اختراع برای تولید آن در سال 1954 صادر شد. اما تجاری سازی این بیوپلاستیک تنها در آغاز قرن بیست و یکم - در سال 2002 - آغاز شد. با وجود این، در حال حاضر تعداد زیادی شرکت وجود دارد که در ساخت آن مشغول هستند - فقط در اروپا بیش از 30 مورد از آنها وجود دارد. یک مزیت مهمپلی لاکتیک اسید نسبتاً کم هزینه است - در حال حاضر تقریباً به طور مساوی با پلی پروپیلن و پلی اتیلن رقابت می کند. فرض بر این است که در سال 2020، پلی لاکتید قادر خواهد بود آنها را در بازار جهانی شروع کند. برای افزایش زیست تخریب پذیری، اغلب نشاسته به آن اضافه می شود. این امر بر قیمت محصول نیز تاثیر مثبت دارد. درست است که مخلوط‌های به‌دست‌آمده نسبتاً شکننده هستند و برای اینکه محصول نهایی الاستیک‌تر شود، باید نرم‌کننده‌هایی مانند سوربیتول یا گلیسیرین به آنها اضافه شود. یک راه حل جایگزین برای مشکل ایجاد یک آلیاژ با سایر پلی استرهای تجزیه پذیر است.

پلی لاکتیک اسید در دو مرحله تجزیه می شود. ابتدا گروه های استر با آب هیدرولیز می شوند و در نتیجه اسید لاکتیک و چند مولکول دیگر تشکیل می شود. سپس در محیط خاصی با کمک میکروب ها تجزیه می شوند. پلی‌لاکتیدها طی 20 تا 90 روز تحت این فرآیند قرار می‌گیرند و پس از آن فقط دی‌اکسید کربن و آب باقی می‌مانند.

اصلاح نشاسته

وقتی از مواد اولیه طبیعی استفاده می شود، خوب است، زیرا منابع برای آن دائما تجدید می شود، بنابراین آنها عملا نامحدود هستند. نشاسته از این نظر بیشترین محبوبیت را به دست آورده است. اما یک اشکال دارد - توانایی افزایش جذب رطوبت دارد. اما اگر متوجه قسمتی از گروه های هیدروکسیل روی استر شوید، می توان از این امر جلوگیری کرد.

درمان شیمیایی به شما امکان می دهد پیوندهای اضافی بین قطعات پلیمر ایجاد کنید که به افزایش مقاومت در برابر حرارت و پایداری کمک می کند.به اسیدها و نیروی برشی نتیجه، نشاسته اصلاح شده، به عنوان یک پلاستیک زیست تخریب پذیر استفاده می شود. در مدت دو ماه در دمای 30 درجه در کمپوست تجزیه می شود و آن را بسیار دوستدار محیط زیست می کند.

برای کاهش هزینه مواد از نشاسته خام استفاده می شود که با تالک و پلی وینیل الکل مخلوط می شود. می توان آن را با استفاده از تجهیزات مشابه برای پلاستیک معمولی تولید کرد. نشاسته اصلاح شده را می توان با استفاده از تکنیک های معمولی رنگ و چاپ کرد.

لطفا توجه داشته باشید که این ماده ماهیت ضد الکتریسیته ساکن دارد. عیب نشاسته این است که خواص فیزیکی آن به طور کلی نسبت به رزین های پتروشیمی پایین تر است. یعنی پلی پروپیلن و همچنین پلی اتیلن فشار قوی و کم. و با این حال، آن را اعمال و در بازار به فروش می رسد. بنابراین، از آن برای ساخت پالت برای محصولات غذایی، فیلم های کشاورزی، مواد بسته بندی، کارد و چنگال و همچنین توری برای میوه ها و سبزیجات استفاده می شود.

استفاده از سایر پلیمرهای طبیعی

این یک موضوع نسبتاً جدید است - پلیمرهای زیست تخریب پذیر. مدیریت منطقی طبیعت به اکتشافات جدید در این زمینه کمک می کند. بسیاری از پلی ساکاریدهای طبیعی دیگر در تولید پلاستیک های زیست تخریب پذیر استفاده می شوند: کیتین، کیتوزان، سلولز. و نه تنها به صورت جداگانه، بلکه در ترکیب. به عنوان مثال، یک فیلم با استحکام افزایش یافته از کیتوزان، فیبر میکروسلولز و ژلاتین به دست می آید. و اگر آن را در زمین دفن کنید، به سرعت انجام می شودتوسط میکروارگانیسم ها تجزیه می شود. می توان از آن برای بسته بندی، سینی و موارد مشابه استفاده کرد.

علاوه بر این، ترکیب سلولز با انیدریدهای دی کربوکسیلیک و ترکیبات اپوکسی بسیار رایج است. نقطه قوت آنها این است که در چهار هفته تجزیه می شوند. بطری ها، فیلم های مالچ پاشی، ظروف یکبار مصرف از مواد حاصل ساخته می شوند. ایجاد و تولید آنها هر سال به طور فعال در حال رشد است.

قابلیت تجزیه زیستی پلیمرهای صنعتی

این مشکل کاملاً مرتبط است. پلیمرهای زیست تخریب پذیر که نمونه هایی از آنها برای واکنش با محیط در بالا ذکر شد، حتی یک سال در محیط زیست دوام نمی آورند. در حالی که مواد صنعتی می توانند آن را برای دهه ها و حتی قرن ها آلوده کنند. همه اینها در مورد پلی اتیلن، پلی پروپیلن، پلی وینیل کلراید، پلی استایرن، پلی اتیلن ترفتالات صدق می کند. بنابراین، کاهش زمان تخریب آنها یک کار مهم است.

برای رسیدن به این نتیجه، چندین راه حل ممکن وجود دارد. یکی از متداول ترین روش ها، وارد کردن افزودنی های ویژه به مولکول پلیمر است. و در گرما یا در نور، روند تجزیه آنها تسریع می شود. این برای ظروف یکبار مصرف، بطری، بسته بندی و فیلم های کشاورزی، کیسه ها مناسب است. اما، افسوس، مشکلاتی نیز وجود دارد.

اول این است که افزودنی ها باید به روش های سنتی استفاده شوند - قالب گیری، ریخته گری، اکستروژن. در این حالت، پلیمرها نباید تجزیه شوند، اگرچه در معرض دما هستنددر حال پردازش. علاوه بر این، افزودنی ها نباید تجزیه پلیمرها را در نور تسریع کنند و همچنین امکان استفاده طولانی مدت در زیر آن را فراهم کنند. یعنی باید مطمئن شد که فرآیند تخریب در یک لحظه خاص شروع می شود. خیلی سخت است. فرآیند فن آوری شامل افزودن 1-8٪ مواد افزودنی (به عنوان مثال، نشاسته قبلاً مورد بحث معرفی شده است) به عنوان بخشی از یک روش پردازش معمولی کوچک است، زمانی که حرارت دادن مواد خام از 12 دقیقه تجاوز نمی کند. اما در عین حال، لازم است اطمینان حاصل شود که آنها به طور مساوی در سراسر توده پلیمری توزیع می شوند. همه اینها باعث می شود که دوره تخریب در محدوده نه ماه تا پنج سال حفظ شود.

چشم انداز توسعه

اگرچه استفاده از پلیمرهای زیست تخریب پذیر در حال افزایش است، اما اکنون درصدی ناچیز از کل بازار را تشکیل می دهند. اما، با این وجود، آنها هنوز هم کاربرد بسیار گسترده ای پیدا کردند و روز به روز محبوب تر می شوند. در حال حاضر آنها به خوبی در طاقچه بسته بندی مواد غذایی جا افتاده اند. علاوه بر این، پلیمرهای زیست تخریب پذیر به طور گسترده برای بطری ها، فنجان ها، بشقاب ها، کاسه ها و سینی های یکبار مصرف استفاده می شوند. آنها همچنین به شکل کیسه‌هایی برای جمع‌آوری و متعاقباً کمپوست‌سازی ضایعات مواد غذایی، کیسه‌هایی برای سوپرمارکت‌ها، فیلم‌های کشاورزی و لوازم آرایشی در بازار تثبیت شده‌اند. در این صورت می توان از تجهیزات استاندارد برای تولید پلیمرهای زیست تخریب پذیر استفاده کرد. با توجه به مزایایی که دارند (مقاومت در برابر تخریب در شرایط عادی، سد کم در برابر بخار آب و اکسیژن، عدم مشکل دفع زباله، عدم وابستگی به مواد اولیه پتروشیمی)، همچنان به پیروزی خود ادامه می دهند.بازار.

از معایب اصلی، باید مشکلات تولید در مقیاس بزرگ و هزینه نسبتاً بالا را به یاد آورد. این مشکل تا حدی با سیستم های تولید در مقیاس بزرگ قابل حل است. بهبود فناوری همچنین دستیابی به مواد بادوام تر و مقاوم در برابر سایش را ممکن می سازد. علاوه بر این، باید توجه داشت که تمایل زیادی به تمرکز بر محصولات با پیشوند "eco" وجود دارد. این امر توسط رسانه ها و برنامه های حمایتی دولتی و بین المللی تسهیل می شود.

اقدامات حفاظتی به تدریج تشدید می شوند و در نتیجه برخی از محصولات پلاستیکی سنتی در برخی کشورها ممنوع می شوند. به عنوان مثال، بسته ها. آنها در بنگلادش (بعد از اینکه مشخص شد سیستم‌های زهکشی را مسدود کرده و دو بار باعث سیل‌های بزرگ می‌شوند) و ایتالیا ممنوع هستند. به تدریج متوجه بهای واقعی می شود که باید برای تصمیمات اشتباه پرداخت. و درک این موضوع که برای اطمینان از ایمنی محیط ضروری است، محدودیت‌های هر چه بیشتر در پلاستیک سنتی ایجاد می‌شود. خوشبختانه، تقاضا برای انتقال به مواد حتی گران تر، اما سازگار با محیط زیست وجود دارد. علاوه بر این، مراکز تحقیقاتی در بسیاری از کشورها و شرکت‌های بزرگ خصوصی به دنبال فناوری‌های جدید و ارزان‌تر هستند که خبر خوبی است.

نتیجه گیری

بنابراین ما پلیمرهای زیست تخریب پذیر، روش های تولید و دامنه این مواد را در نظر گرفتیم. ثابت وجود داردبهبود و بهبود فناوری ها. پس بیایید امیدوار باشیم که در سال های آینده، هزینه پلیمرهای زیست تخریب پذیر واقعاً برابر با مواد به دست آمده با روش های سنتی باشد. پس از آن، انتقال به توسعه‌های ایمن‌تر و سازگارتر با محیط‌زیست فقط یک موضوع زمان خواهد بود.