Использование биоразлагаемых материалов и ИИ

3. 3.3. Синтетические биополимеры

Сырьё для синтетических полимеров — это исходные материалы, которые после переработки превращаются в мономеры — молекулярные звенья, соединяемые в длинные полимерные цепи в процессе полимеризации или поликонденсации. Основные источники — ископаемые углеводороды, биологическое сырьё и вторичные материалы.

Биоразлагаемые пластики из ископаемого сырья-это полимеры которые создаются из углеводородного сырья классическими нефтехимическими способами, которые только ввиду своей особой присадки, например - d2w, стимулируют биоразложение. Отношение таких полимеров к биоразлагаемым весьма условно, так как они разлагаются на микропластик - более мелкие частицы, которые по сути являются тем же самым пластиком, что не уменьшает количество мусора и не влияет на улучшение экологической обстановки. К таким биопластикам относятся полибутираты и остальные пластики с добавками.

Ископаемые углеводороды:

1. Нефть — один из главных источников сырья. При переработке нефти выделяют различные фракции, в том числе нафту (прямогонный бензин), которая используется как сырьё для производства пластиковой смолы. Нефтехимическое сырьё — наиболее распространённый источник для производства полимеров. К нему относятся:

Этилен — сырьё для полиэтилена. Получают при переработке нефти (в процессе парового крекинга) и природного газа (например, из этана).

Пропилен — основа для полипропилена. Выделяют из пропан-пропиленовой фракции, которая образуется при крекинге и пиролизе нефтяных углеводородов.

Стирол — мономер для полистирола. В промышленности его получают дегидрированием этилбензола.

Винилхлорид — базовый элемент для поливинилхлорида (ПВХ). Может быть получен гидрохлорированием ацетилена или из этилена и хлора через дихлорэтан.

2. Природный газ также важен как сырьё. После очистки от примесей этан и пропан подвергают пиролизу, в результате чего образуются этилен и пропилен — мономеры для производства полиэтилена и полипропилена.

3. Попутный нефтяной газ (ПНГ) — побочный продукт нефтедобычи. Его разделяют на компоненты, например, изобутан-изобутиленовую фракцию используют для производства синтетических каучуков, а нормальный пентан и изопентан — для синтеза изопрена, из которого производят определённые виды каучуков.

4. Уголь — менее распространённый источник сырья. После очистки от примесей уголь сжигают, чтобы получить углекислый газ, который преобразуют в монооксид углерода и водород с помощью процесса Фишера-Тропша. Полученные вещества используют для синтеза мономеров, которые далее полимеризуются.

5. Вторичное сырьё — переработанный пластик. Наиболее эффективным и экономически выгодным направлением работ в области создания биоразлагаемых полимеров на основе синтетических высокомолекулярных соединений является смешение синтетических и природных полимеров, способных к биоразложению, поскольку этот метод позволяет утилизировать такие многотоннажные промышленные полимеры, как полиэтилен, полипропилен, поливинилхлорид, полиэтилентерефталат, полиамид и др.

Синтетические полимеры обладают высокими механическими и термическими характеристиками, но устойчивы к действию микроорганизмов и не способны к деструкции, в то время как природные полисахариды, хотя и являются биодеградируемыми, имеют плохие механические параметры. Получение смесей на их основе является простым и недорогим методом модификации исходных полимеров, позволяющим максимально полно использовать свойства каждого из компонентов. Так, упаковочные материалы для пищевых и других видов продуктов должны не только легко уничтожаться после их использования, но и быть стабильными по свойствам при эксплуатации, поэтому возникает необходимость использования смесей полимеров, в которых один компонент был бы синтетическим, а другой – природным. Последний должен обеспечивать как быструю биодеградацию, так и надлежащие эксплуатационные свойства. Приоритетным направлением получения биоразлагаемых синтетических пластиков в настоящее время является синтез соответствующих полиэфиров и полиэфирамидов. Например, разлагаемые сополиэфиры получают на основе алифатических диолов и органических дикарбоновых кислот. Их склонность к биоразложению зависит от количества терефталевой кислоты в полиэфире по отношению к алифатической. Такие полиэфиры сохраняют биоразлагаемость и обладают при этом физико-механическими свойствами, обеспечивающими практическое использование полимера.

Синтетические полимеры могут содержать такие наполнители, как целлюлозу, древесную муку, крахмал и другие биоразлагаемые полимерные компоненты, придающие материалу достаточную жесткость и прочность. В последние годы активно разрабатываются биоразлагаемые композиции, содержащие в своих составах как полиэфир-полиамидные, так и уретановые, карбонатные группы и в особенности фрагменты гидроксикарбоновых кислот, что позволяет получать на их основе широкую гамму компостируемых изделий, обладающих высокими физико-механическими свойствами и приемлемой ценой. Синтетические полимеры обычно получают путём прямой полимеризации мономеров, полученных из нефтехимического сырья. При производстве важно не только сырьё, но и катализаторы, стабилизаторы, антиоксиданты и другие добавки, которые влияют на свойства конечного продукта. Таким образом, выбор сырья зависит от типа полимера, требуемых свойств и технологических возможностей производства.

6. Полиэфиры и полиэфирамиды. Полиэфиры – высокомолекулярные соединения, содержащие в основной цепи сложноэфирные группы. Полиэтилентерефталат (ПЭТФ) разлагается, как правило, при высоких температурах (300–600°С) практически полностью и образует очень небольшое количество нелетучего остатка (кокса). ПЭТФ и материалы на его основе существенно превосходят по биостойкости природные полимеры (целлюлозу, коллаген, крахмал, муку злаков, кукурузы). Высокая оценка биостойкости дана как ПЭТФ, так и полибутилентерефталату (ПБТ). Резистентность полимерного материала зависит от вводимых в синтетическую матрицу полимера низкомолекулярных компонентов (пластификаторов, наполнителей, красителей, стабилизаторов, модификаторов и др.), которые в ряде случаев могут быть легкодоступным субстратом для большого числа микроорганизмов и причиной снижения грибостойкости материала в целом и на основе ПЭТФ и ПБТ в частности. Однако наличие низкомолекулярных веществ органической природы в композите не может служить однозначно признаком не грибостойкости материалов. В ряде научных работ отмечают, что грибостойкость смеси, в состав которой входит органический компонент, может быть достаточно высока, если само связующее (труднодоступная синтетическая матрица) хорошо обволакивает наполнитель. Степень доступности субстрата может быть оценена исходя из его химической природы. Например, наличие ненасыщенной валентности R=CH2, R–CH=R' в цепи полимерной молекулы является участком с легкодоступной формой углерода для большинства микроорганизмов, к таким можно отнести и структуру в макромолекулах полимеров, подверженных гидролитическому распаду. Участки молекулы, образованные такими единицами, характеризуются большей степенью подверженности гидролизу. Кроме того, снижение ММ, также как и полиморфизм, привносящий в систему некоторую степень разупорядоченности структуры, повышает доступность синтетического субстрата как источника питательных веществ и энергии микодеструкторам. В ряде работ показано, что алифатические полиэфиры биодеградируют тем легче, чем меньше расстояния между эфирными связями. Разветвленность макромолекул действует угнетающе на рост и развитие колоний микроорганизмов на поверхности полимеров в сравнении с их линейными аналогами, а переход от аморфной структуры к кристаллической повышает их биостойкость. В литературе встречаются указания и на другие причины, способствующие активному освоению микроорганизмами конкретного материала. Прежде всего это развитая удельная поверхность, наличие механических повреждений и загрязнений поверхности загрязнителя различного рода, а также знака и величины электростатического заряда поверхности материала. Деструктивное действие микромицетов на полиэфирные материалы, как и на другие полимеры, – это сложный процесс. Он происходит в результате непосредственного внедрения в субстрат верхушечных пленок, а также прямого и косвенного влияния образуемых ими продуктов метаболизма, представленных органическими кислотами и системами внеклеточных окислительно-восстановительных ферментов, включая:

– перенос спорового материала из почвы, воздуха, водной среды к поверхности материала;

– адсорбцию клеток, их закрепление на поверхности;

– рост колоний микромицетов;

– изменение структуры состава, свойств материала в результате воздействия биоагента (процесс биодеградации).

Изучение кинетических закономерностей таких макроскопических процессов, как адгезия и биодеструкция, позволяет моделировать механизм сложного процесса биоразрушения полимерного материала. Следует отметить, что рассматривать процессы биологического разрушения материалов, какой бы химической природы они не были, изолированно от действия УФ-лучей, кислорода воздуха, механических воздействий ошибочно, так как весь спектр перечисленных факторов оказывает самое непосредственное влияние на механизм, кинетику и глубину деградации материала, их одновременное действие усложняет механизм деградации полимерного материала, привнося в него новые возможности и альтернативные вариации протекания процесса. Синергизм действия различных факторов среды и микробиологической деструкции – это один из путей ускоренной деградации в экзогенных условиях даже самых стойких синтетических материалов, в том числе ПЭТФ. Одним из способов создания БПМ на их основе является использование при синтезе этих полимеров оксикислот как модифицирующих компонентов.

Примеры конкретных полимеров и их сырья представлены в таблице 3.1.

Таблица 3.1. Примеры конкретных полимеров и их сырья

Полимер

Сырьё

Полиэтилен

Этилен

Полипропилен

Пропилен

Полистирол

Стирол

Поливинилхлорид (ПВХ)

Винилхлорид, хлор, этилен

Синтетические полимеры обычно получают путём прямой полимеризации мономеров, полученных из нефтехимического сырья. При производстве важно не только сырьё, но и катализаторы, стабилизаторы, антиоксиданты и другие добавки, которые влияют на свойства конечного продукта. Таким образом, выбор сырья зависит от типа полимера, требуемых свойств и технологических возможностей производства.

3.3.4. Композиционные полимерные материалы

Одним из возможных путей создания биоразлагаемых полимерных материалов является создание композиционных материалов на основе природных полимеров: крахмала, целлюлозы, хитозана или белков. Конечно, помимо разлагаемой основы, туда должны входить пластификаторы и различные добавки. Композиты бывают двойные и тройные: их состав зависит от того, какие потребительские свойства надо получить. Понятно, что для очковых оправ, рукояток инструментов, зубных щеток, детских подгузников и одноразовой посуды нужны разные композиции. Главное – найти правильное соотношение компонентов, которое сохраняло бы нужные свойства, имело приемлемую цену и разлагалось в окружающей среде после срока использования. Самая распространенная основа для разлагаемых композитных материалов – крахмал. Пластификаторами могут быть глицерин или полиоксиэтиленгликоль. Несмотря на то, что сам крахмал разлагается, в некоторые композиции дополнительно вводят полиэфиры, чтобы ускорить процесс. Например, пленка, полученная из смеси крахмала и полилактида, разлагается в компосте при 40°С за семь суток. Конечно, такой композиционный материал тоже оказывается дороже, чем синтетический полимер. Чтобы сделать его дешевле, можно использовать неочищенный крахмал, смешанный с поливиниловым спиртом и тальком, но тогда полимер подойдет исключительно для бытового назначения: упаковки, пленки для мульчирования, пакетов для мусора.