Слайд 1
Биоразлагаемые полимеры – полимеры, разлагующиеся под действием микроорганизмов (бактерий или грибков) и физических факторов (УФ-излучение, температура, кислород), в отличии от остальных пластиков. Длинные цепочки молекул биоразлагаемых полимеров распадаются на углекислый газ и воду, а также метан, биомассу и неорганические соединения.
Биоразлагаемые пластики в основном производятся из крахмала, полимолочной кислоты, полигидроксиалканоатов, целлюлозы и лигнина.
Добавление к небиоразлагаемому пластику природных биоразлагаемых наполнителей (крахмала, древесной муки) не делает конечный товарный продукт биоразлагаемым.
Для достижения максимальной биологической разлагаемости пластики должны компостироваться вместе с органическими отходами
Слайд 2
Способы производства биоразлагаемых полимеров могут быть химическими или биологическими (под воздействием микроорганизмов или ферментов):
· Получение из природных полимеров путем их механической и химической обработки. Примеры: биоразлагаемый пластик из деструктурированного крахмала, из целлюлозы. Высокая стоимость. Страдает продуктовая безопасность: то, что является продуктом питания, мы используем для синтеза пластика, в то время как сотни миллионов людей в мире страдают от голода.
· Химический синтез полимеров из мономеров, получаемых биопревращением возобновляемых источников сырья (в частности, использование молочной кислоты, получаемой при ферментизации сахаров, для выработки химическим способом полимолочной кислоты). Для биоразложения полимера на основе PLA (полилактид) необходимы определенные условия: температура и кислород. PLA получают из кукурузы, сахарного тростника, сахарной свеклы. Таким образом, в данном случае получения биоразлагаемого полимера также страдает продуктовая безопасность
· Получение биотехнологическим способом из возобновляемых сырьевых источников (применительно к ферментации сахаров, при которой микроорганизмы синтезируют термопластичные алифатические полиэфиры, в частности, полигидроксибутират, полигидроксиалканоаты (PHA), бактериальную целлюлозу). Способы получения биоразлагаемых полимеров с помощью синтеза бактериями являются дорогостоящими и нецелесообразными с точки зрения рентабельности к промышленному производству.
· Химический синтез из продуктов переработки нефти и других невозобновляемых источников сырья. Традиционные синтетические пластики с введенными в них биоразрушающими добавками.
Слайд 3
Достоинства:
Очевидными плюсами является экологичность и безопасное, быстрое и полное разложение биополимеров. Также материалы позволяют сохранить генетическую информацию, что важно для разных отраслей промышленности.
Полиактиды (сахарные полимеры) обладают высокой приживаемостью, поэтому хорошо генерируют в организме человека, не вызывая отторжения и побочных эффектов. В связи с чем и были выбраны в качестве основы для хирургических имплантатов.
С экологической точки зрения биоразлагаемые полимеры не имеют аналогов. Они способствуют уменьшению углекислого газа в атмосфере, имеют стабильную структуру, легко компостируются.
Биологические соединения позволят в будущем уменьшить зависимость от невозобновляемых ископаемых видов топлива и пластика. Их прочность и долговечность также ведет к снижению использования синтетических веществ.
Недостатки:
Необходима определенная процедура утилизации. Биоразложение продукции достигается только в том случае, если она утилизируется надлежащим образом. Если предметы из биопластика выбрасывать просто на свалку, срок их разложения увеличивается многократно. Компостирование идет намного медленнее, когда погода становится холоднее. При недостаточной влажности процесс почти полностью останавливается.
При производстве биопластиков могут применяться опасные химические вещества. Для того чтобы увеличить урожаи органических культур, из которых производят биопластики, не исключено применение различных химикатов. Законодательных норм, ограничивающих это, нигде в мире не принято. Если же нет возможности исключить этот риск при производстве конечной продукции, вся идея «чистоты» биоматериалов и безопасности их применения становится ничтожной.
Не все биопластики можно утилизировать. При создании некоторых биопластиков используются углеводороды. И хотя в этом случае зависимость от нефтепродуктов снижается, современные технологии не позволяют полностью утилизировать такие гибридные элементы.
Производство биопластиков требует увеличения пахотных земель. В случае если биопластики станут заменой полимеров на основе углеводородного сырья массово, проблемы продовольственного дефицита могут обостриться. Оправданно ли выращивать товарные культуры для производственных целей, когда людям нужна пища?
Снижение СО2 не гарантировано. При производстве полимеров на основе углеводородного сырья используется попутный газ, который появляется при добыче нефти. Вытеснение этих материалов может снова привести к увеличению доли сжигания газа.
Однако ряд аналитиков в ответ на эти аргументы выдвигают встречные доводы.
Так, по их мнению, сырье для производства биопластиков не выращивается специализированно, а покупается на рынке. Причем речь часто идет о технических сортах, непригодных для питания людей. Кроме того, в ряде случаев человечество обладает избыточными мощностями для сельскохозяйственного производства.
Не все биопластики требуют именно промышленного компостирования. Некоторые биополимеры могут разлагаться в домашнем компосте без специальных условий.
Слайд 4
Существует два больших классов биополимеров:
· Биокомпозиты;
· Биоэластомеры.
В качестве основы в биокомпозитах может выступать любое разлагаемое вещество, армирующим наполнителем служит натуральное растительное волокно.
Биокомпозиты делятся на три основные группы:
· Полимеры из нефтехимических компонентов с армирующими натуральными волокнами;
· Небиоразлагаемые полимеры из растительного сырья, армированные растительными волокнами;
· Биоразлагаемые полимеры из возобновляемого сырья, армированные натуральными волокнами.
Наиболее изучаемые сегодня - материалы первой группы. В качестве волокон используются семена хлопка, кокоса, стебли льна, джута, листья сизали, а также отходы текстильной промышленности.
Основными отраслями применения биокомпозитов являются: автомобилестроение (дверные панели, крыши, багажники, спинки сидений, приборные панели и т.д.), строительная промышленность, спортивный инвентарь, потребительские товары.
На сегодняшний день рынок производства биокомпозитов неуклонно растет, объем потребления в недалеком будущем по прогнозам европейских компаний вырастет до 100 тысяч тонн. Легковые автомобили доминируют в потреблении и занимают 90% рынка.
Отметим, что наиболее востребованное натуральное волокно для армирования биополимеров – льняное.
Слайд 5
Биоэластомеры – это класс каучуков и резин. Самым распространенным материалом является этиленпропилендиеновый каучук (EPDM), который уже выпускается серийно. Широкое применение материал получил в производстве деталей для специальной техники (моющей и чистящей), в которой используются щелочи, горячая вода, пар, стиральные порошки и т.д.
Промышленность выпускает штоковые и поршневые уплотнители, кольца, детали стиральных машин, уплотнители для тормозной системы автомобилей.Эластичность материала сохраняется даже при минусовых температурах. В состав каучука входит сажа.
Среди сверхинновационных разработок применения биоэластомеров – 3Д-печать нейронов на спецпринтере. Материал графен является основой для создания прочных структур, которые по форме и свойствам напоминают нейроны, а связующим и укрепляющим звеном является биоэластомер. В будущем этими жидкими чернилами можно будет напечатать целую часть нервной системы или мозга человека.
Основным направлением изучения и использования биоэластомеров является именно медицина и биология. Ученые трудятся над созданием материалов, которые бы имитировали кожу, мягкие ткани, сосуды и т.д.
Рост данного вида материалов выше, чем у биокомпозитов –23,5% в год. В основном интерес проявляют европейские и азиатские компании (Франция, Япония, Таиланд и др.).
Слайд 6
Основные производители биополимеров и продукции из них
Symphony Environmental (Великобритания) — мировой лидер и пионер в разработке добавок для производства обычных пластмасс, биоразлагаемых и защитных технологий для улучшения пластмассовых изделий. Компания стремится к сокращению ненужного пластика и повторному использованию/утилизации, где это возможно. Основной ее продукт — d2w (degradable to water), самая популярная в мире добавка для биоразложения пластиков.
Environmental Products Inc. (EPI, Канада). Входит в состав EPI Group, основана в 1991 году. Пионер в области оксобиоразлагаемых пластиков. Является разработчиком, лицензиаром и дистрибьютором полностью разлагаемых пластиковых добавок TDPA (Totally Degradable Plastic Additives). Добавка вводится в соотношении 2–3% к общему объему основного пластика (полиэтилен, полипропилен, полистирол).
EPI имеет около 30 патентов, охватывающих различные аспекты технологии. Она, как правило, не продает продукты розничным торговцам или конечным пользователям, а лицензирует пакеты аддитивов производителям, которые уже поставляют готовую продукцию на рынок.
Willow Ridge Plastics (WRP) — один из ведущих производителей оксобиоразлагаемых добавок для пластиков. Добавки фирмы нетоксичны, безопасны для использования в пищевой отрасли. Продукты приняты во всем мире как соответствующие самому высокому стандарту в индустрии.
Bio-Tec Environmental (США). Основана в 2003 году Джоном Лейком, изобретателем, создателем технологии EcoPure. В настоящее время продукты марки EcoPure распространяются по всему миру. Добавки EcoPure можно использовать более чем с 15 полимерами, они разлагаются микроорганизмами. Марка разделяет продукты нескольких классов и конечных назначений: от потребительской, промышленной упаковки до автозапчастей и игрушек.
ECM BioFilms (США) является лидером движения за устойчивое развитие в промышленности по переработке пластмасс, создавая решения для производства биоразлагаемых пластиков. Компания на своем сайте заявляет, что ее продукт для биоразложения пластиков ECM MasterBatch превосходит по множеству параметров продукты-аналоги ведущих конкурентов Symphony Environmental и EPI Environmental Products Inc. ECM BioFilms выпускает добавки для полистирола, полиуретанов и ПЭТФ. Добавка разлагается микроорганизмами.
Согласно последним данным Европейского института биопластиков и научно-исследовательского института nova-Institute (Хюрт, Германия), которые являются ведущими организациями в области исследования биополимеров, глобальные производственные мощности по выпуску биопластиков увеличатся примерно с 2,11 млн тонн в 2018 году до приблизительно 2,62 млн тонн в 2023 году.