Polímers biodegradables: concepte, propietats, mètodes de preparació i exemples de reaccions

2024 Autora: Howard Calhoun | [email protected]. Última modificació: 2023-12-17 10:21

És possible que noteu que durant l'última dècada, els productes amb el prefix "bio" afegit al nom han guanyat popularitat. Es pretén informar que el producte és segur per als humans i la natura. És promogut activament pels mitjans de comunicació. Fins i tot va arribar al ridícul: a l'hora de triar una beguda, consideren que el biokefir és el millor, i el biocombustible ja no és una alternativa al petroli, sinó un producte respectuós amb el medi ambient. I no us oblideu dels extractes biològics que fan que els cosmètics facin "miracles".

Informació general

Ara posem-nos seriosament. Sovint, movent-se per les carreteres, es poden veure abocadors espontanis. A més, hi ha abocadors complets on s'emmagatzemen els residus humans. Sembla que no està malament, però hi ha un inconvenient: un temps de descomposició massa llarg. Hi ha un gran nombre de maneres de solucionar-ho: es tracta del reciclatge d'escombraries i l'ús de materials menys nocius que destrueixen ràpidament els descomponedors. Parlem del segon cas.

Aquí hi ha molts punts. Embalatge, pneumàtics, vidre, derivats de la indústria química. Tots ells requereixenatenció. Tanmateix, no hi ha cap recepta universal específica. Per tant, cal saber concretament què i com garantir la prevenció de la contaminació ambiental.

Els polímers biodegradables es van desenvolupar com a resposta al problema de l'eliminació de residus plàstics. No és cap secret que el seu volum creix cada any. La paraula biopolímers també s'utilitza per a la seva designació abreujada. Quina és la seva peculiaritat? Es poden descompondre a l'entorn per l'acció de factors físics i microorganismes -fongs o bacteris. Un polímer es considera tal si tota la seva massa s'absorbeix a l'aigua o al sòl en sis mesos. Això resol parcialment el problema dels residus. Al mateix temps, s'obtenen productes de descomposició: aigua i diòxid de carboni. Si hi ha alguna cosa més, cal investigar-ne la seguretat i la presència de substàncies tòxiques. També es poden reciclar amb la majoria de tecnologies estàndard de fabricació de plàstics, com ara l'extrusió, el modelat per bufat, el termoconformat i el modelat per injecció.

En quines àrees estem treballant?

L'obtenció de polímers biodegradables és una tasca força laboriosa. El desenvolupament de tecnologies que permetin l'obtenció de materials segurs es duu a terme activament als Estats Units, al continent europeu, al Japó, Corea i la Xina. Malauradament, cal tenir en compte que a Rússia els resultats no són satisfactoris. Crear una tecnologia per a la biodegradació de plàstics i la seva producció a partir de matèries primeres renovables és un plaer car. A més, el país encara té prou petroli per a la producció de polímers. Però totmateix, es poden distingir tres direccions principals:

1. Producció de polièsters biodegradables a base d'àcids hidroxicarboxílics.
2. Creació de plàstics a partir d'ingredients naturals reproduïbles.
3. Els polímers industrials esdevenen biodegradables.

Però què passa amb la pràctica? Mirem més de prop com es fan els polímers biodegradables.

Polihidroxialcanoats bacterians

Els microorganismes creixen sovint en entorns on hi ha carbonis nutritius disponibles. En aquest cas, hi ha una deficiència de fòsfor o nitrogen. En aquests casos, els microorganismes sintetitzen i acumulen polihidroxialcanoats. Serveixen com a reserva de carbonis (magatzems d'aliments) i energia. Si cal, poden descompondre polihidroxialcanoats. Aquesta propietat s'utilitza per a la producció industrial de materials d'aquest grup. Els més importants per a nos altres són el polihidroxi butirat i el polihidroxi valerat. Així, aquests plàstics són biodegradables. Al mateix temps, són polièsters alifàtics resistents a la radiació ultraviolada.

S'ha de tenir en compte que tot i que tenen prou estabilitat en el medi aquàtic, els entorns marí, sòl, compostatge i reciclatge contribueixen a la seva degradació biològica. I passa força ràpid. Per exemple, si el compost té una humitat del 85% i 20-60 graus centígrads, la descomposició en diòxid de carboni i aigua trigarà entre 7 i 10 setmanes. On s'utilitzen els polihidroxialcanoats?

Ellss'utilitzen per a la fabricació d'envasos biodegradables i materials no teixits, tovalloletes d'un sol ús, fibres i pel·lícules, productes per a la cura personal, recobriments repel·lents a l'aigua per a cartró i paper. Per regla general, poden passar l'oxigen, són resistents a productes químics agressius, tenen una estabilitat tèrmica relativa i tenen una resistència comparable al polipropilè.

Parlant dels inconvenients dels polímers biodegradables, cal destacar que són molt cars. Un exemple és Biopol. Costa de 8 a 10 vegades més que el plàstic tradicional. Per tant, només s'utilitza en medicina, per envasar alguns perfums i productes de cura personal. Més popular entre els polihidroxialcanoats és el mirel, obtingut a partir de midó de blat de moro sacarificat. El seu avantatge és un cost relativament baix. Però, tanmateix, el seu preu segueix sent el doble que el tradicional polietilè de baixa densitat. Al mateix temps, les matèries primeres representen el 60% del cost. I els principals esforços estan dirigits a trobar els seus homòlegs barats. La perspectiva en qüestió és el midó de cereals com el blat, el sègol i l'ordi.

Àcid polilàctic

La producció de polímers biodegradables per a envasos també es porta a terme amb polilactida. També és àcid polilàctic. Què representa? És un polièster alifàtic lineal, un producte de condensació de l'àcid làctic. És un monòmer a partir del qual la polilactida és sintetitzada artificialment pels bacteris. Cal tenir en compte que la seva producció amb l'ajuda de bacteris és més fàcil que el mètode tradicional. Al cap i a la fi, els polilàctides són creats per bacteris a partir de sucres disponibles en un procés tecnològicament senzill. El polímer en si és una barreja de dos isòmers òptics amb la mateixa composició.

La substància resultant té una estabilitat tèrmica força alta. Per tant, la vitrificació es produeix a una temperatura de 90 graus centígrads, mentre que la fusió es produeix a 210-220 graus centígrads. A més, la polilactida és resistent als raigs UV, lleugerament inflamable i, si es crema, amb una petita quantitat de fum. Es pot processar amb tots els mètodes adequats per a termoplàstics. Els productes obtinguts a partir de polilactida tenen una gran rigidesa, brillantor i són transparents. S'utilitzen per fer plaques, safates, film, fibra, implants (així s'utilitzen polímers biodegradables en medicina), envasos per a cosmètica i productes alimentaris, ampolles per a aigua, suc, llet (però no begudes carbonatades, perquè el material passa). diòxid de carboni). Així com teles, joguines, fundes de mòbil i ratolins d'ordinador. Com podeu veure, l'ús de polímers biodegradables és molt extens. I això és només per a un dels seus grups!

Producció i biodegradació d'àcid polilàctic

Per primera vegada, l'any 1954 es va emetre una patent per a la seva producció. Però la comercialització d'aquest bioplàstic va començar només a principis del segle XXI, el 2002. Malgrat això, ja hi ha un gran nombre d'empreses que es dediquen a la seva fabricació; només a Europa n'hi ha més de 30. Un avantatge importantL'àcid polilàctic té un cost relativament baix: ja competeix gairebé en igu altat de condicions amb el polipropilè i el polietilè. Se suposa que ja el 2020, la polilactida podrà començar a impulsar-los al mercat mundial. Per augmentar la seva biodegradabilitat, sovint se li afegeix midó. Això també té un efecte positiu en el preu del producte. És cert que les mescles resultants són bastant fràgils i cal afegir-hi plastificants, com el sorbitol o la glicerina, per tal que el producte final sigui més elàstic. Una solució alternativa al problema és crear un aliatge amb altres polièsters degradables.

L'àcid polilàctic es descompon en dos passos. En primer lloc, els grups èster s'hidrolitzen amb aigua, donant lloc a la formació d'àcid làctic i algunes molècules més. Després es descomponen en un entorn determinat amb l'ajuda dels microbis. Els polilàctids es sotmeten a aquest procés en 20-90 dies, després dels quals només queden diòxid de carboni i aigua.

Modificació de midó

Quan s'utilitzen matèries primeres naturals, és bo, perquè els recursos per a això es renoven constantment, per la qual cosa són pràcticament il·limitats. El midó ha guanyat la popularitat més àmplia en aquest sentit. Però té un inconvenient: té una major capacitat d'absorbir la humitat. Però això es pot evitar si observeu part dels grups hidroxil de l'èster.

El tractament químic us permet crear enllaços addicionals entre les parts del polímer, la qual cosa ajuda a augmentar la resistència a la calor i l'estabilitat.als àcids i a la força de tall. El resultat, midó modificat, s'utilitza com a plàstic biodegradable. Es descompon a 30 graus en compost en dos mesos, cosa que el fa molt respectuós amb el medi ambient.

Per reduir el cost del material, s'utilitza midó brut, que es barreja amb talc i alcohol polivinílic. Es pot produir amb el mateix equip que el plàstic normal. El midó modificat també es pot tenyir i imprimir amb tècniques convencionals.

Tingueu en compte que aquest material és de naturalesa antiestàtica. El desavantatge del midó és que les seves propietats físiques són generalment inferiors a les resines produïdes per la petroquímica. És a dir, polipropilè, així com polietilè d' alta i baixa pressió. I tanmateix, s'aplica i es ven al mercat. Per tant, s'utilitza per fer palets per a productes alimentaris, pel·lícules agrícoles, materials d'embalatge, coberteria, així com xarxes per a fruites i verdures.

Utilitzar altres polímers naturals

Aquest és un tema relativament nou: els polímers biodegradables. La gestió racional de la natura contribueix a nous descobriments en aquest àmbit. Tants altres polisacàrids naturals s'utilitzen en la producció de plàstics biodegradables: quitina, quitosà, cel·lulosa. I no només per separat, sinó també en combinació. Per exemple, a partir de quitosà, fibra de microcel·lulosa i gelatina s'obté una pel·lícula amb una resistència augmentada. I si l'enterreu a terra, ho farà ràpidamentdescompost pels microorganismes. Es pot utilitzar per a envasos, safates i articles similars.

A més, les combinacions de cel·lulosa amb anhídrids dicarboxílics i compostos epoxi són força habituals. La seva força és que es descomponen en quatre setmanes. Amb el material resultant es fabriquen ampolles, pel·lícules per a mulching, vaixella d'un sol ús. La seva creació i producció creix activament cada any.

Biodegradabilitat dels polímers industrials

Aquest problema és força rellevant. Els polímers biodegradables, exemples dels quals s'han citat anteriorment per a les reaccions amb el medi ambient, no duraran ni un any al medi ambient. Mentre que els materials industrials poden contaminar-lo durant dècades i fins i tot segles. Tot això s'aplica al polietilè, polipropilè, clorur de polivinil, poliestirè, tereftalat de polietilè. Per tant, reduir el temps de la seva degradació és una tasca important.

Per aconseguir aquest resultat, hi ha diverses solucions possibles. Un dels mètodes més comuns és la introducció d'additius especials a la molècula del polímer. I en calor o a la llum, el procés de la seva descomposició s'accelera. Això és adequat per a vaixella d'un sol ús, ampolles, envasos i pel·lícules agrícoles, bosses. Però, per desgràcia, també hi ha problemes.

La primera és que els additius s'han d'utilitzar de manera tradicional: emmotllament, fosa, extrusió. En aquest cas, els polímers no s'han de descompondre, encara que estan sotmesos a temperaturaprocessament. A més, els additius no haurien d'accelerar la descomposició dels polímers a la llum i també permetre la possibilitat d'utilitzar-los a llarg termini. És a dir, cal assegurar-se que el procés de degradació comença en un moment determinat. És molt difícil. El procés tecnològic implica l'addició d'un 1-8% d'additius (per exemple, s'introdueix el midó comentat anteriorment) com a part d'un petit mètode de processament típic, quan l'escalfament de la matèria primera no supera els 12 minuts. Però al mateix temps, cal assegurar-se que es distribueixen uniformement per tota la massa del polímer. Tot això permet mantenir el període de degradació entre els nou mesos i els cinc anys.

Perspectives de desenvolupament

Tot i que l'ús de polímers biodegradables està guanyant impuls, ara representen un percentatge mins del mercat total. Però, tanmateix, encara van trobar una aplicació força àmplia i cada cop són més populars. Ara ja estan força ben arrelats en el nínxol de l'envasament d'aliments. A més, els polímers biodegradables s'utilitzen àmpliament per a ampolles, tasses, plats, bols i safates d'un sol ús. També s'han consolidat al mercat en forma de bosses per a la recollida i posterior compostatge de residus alimentaris, bosses per a supermercats, pel·lícules agrícoles i cosmètics. En aquest cas, es poden utilitzar equips estàndard per a la producció de polímers biodegradables. A causa dels seus avantatges (resistència a la degradació en condicions normals, baixa barrera al vapor d'aigua i a l'oxigen, sense problemes amb l'eliminació de residus, independència de les matèries primeres petroquímiques), continuen guanyant.mercat.

Dels principals desavantatges, cal recordar les dificultats de la producció a gran escala i el cost relativament elevat. Aquest problema, fins a cert punt, es pot resoldre mitjançant sistemes de producció a gran escala. La millora de la tecnologia també permet obtenir materials més duradors i resistents al desgast. A més, cal destacar que hi ha una forta tendència a centrar-se en productes amb el prefix "eco". Això es facilita tant pels mitjans de comunicació com pels programes de suport governamentals i internacionals.

Les mesures de conservació s'estan endurint gradualment, donant lloc a la prohibició d'alguns productes plàstics tradicionals en alguns països. Per exemple, paquets. Estan prohibits a Bangla Desh (després que es descobrís que obstruïen els sistemes de drenatge i provocaven grans inundacions dues vegades) i Itàlia. A poc a poc s'adona el preu real que s'ha de pagar per decisions equivocades. I entendre que és necessari garantir la seguretat del medi ambient comportarà cada cop més restriccions al plàstic tradicional. Afortunadament, hi ha una demanda de transició a materials encara més cars, però respectuosos amb el medi ambient. A més, els centres de recerca de molts països i les grans empreses privades busquen tecnologies noves i més barates, la qual cosa és una bona notícia.

Conclusió

Així que hem considerat què són els polímers biodegradables, els mètodes de producció i l'abast d'aquests materials. Hi ha una constantmillora i millora de les tecnologies. Així doncs, esperem que en els propers anys, el cost dels polímers biodegradables s'aconsegueixi efectivament amb els materials obtinguts per mètodes tradicionals. Després d'això, la transició a desenvolupaments més segurs i respectuosos amb el medi ambient només serà qüestió de temps.