Биопластик в упаковке
Федеральное агентство по образованию РФ
Уральский Государственный Лесотехнический Университет
Кафедра Химической технологии древесины и целлюлозно-бумажного производства
Реферат на тему: Биопластик в упаковке
Дисциплина: Химия полимеров
Содержание
Введение
Актуальность замены полиэтиленов и полипропиленов на растительные компоненты
Биоразлагаемые полиэфиры
Пластмассы с природными полимерами
Модификации синтетических полимеров
Анализ рынка биоразлагаемых материалов на сегодняшний день
Заключение
Список используемых источников
Введение
полипропилен полиэфир синтетический полимер
Уже более тридцати лет полимеры лидируют среди упаковочных материалов. Объемы пластиков, которые идут на это полезное дело, огромны: из 130 млн.т/год всех выпускаемых полимеров чуть меньше половины (41%) используется в производстве упаковки, и причем половина этого количества (47%) становится упаковкой пищевых продуктов. Это и понятно: полимеры удобны и безопасны, дешевы, а значит, их производство будет расти и дальше.
Все бы хорошо с полимерами, но в отличие от стекла (которое используют повторно) и бумаги (которая разлагается в естественных условиях), упаковка из синтетических материалов практически вечна. А поскольку именно она составляет 40% бытового мусора, вопрос «что делать с полимерной упаковкой» становится глобальной экологической проблемой. Можно не преувеличивая сказать, что именно от решения этого вопроса в большой степени будет зависеть экологическая ситуация в мире и судьбе производства пластмасс в ХХI веке. Если мы не найдем решения, то утонем в мусоре.
Поэтому целью работы является изучение преимуществ, недостатков и перспектив развития биоразлагаемой упаковки.
Актуальность замены полиэтиленов и полипропиленов на растительные компоненты
Еще до возникновения нефтяной проблемы предприниматели начали поиск альтернативного сырья для полимеров. Корни этих поисков уходят в 30-е годы, когда промышленный автогигант Генри Форд исследовал возможность использования пластиков на основе соевых культур для различных комплектующих своих автомобилей. Только в последнее десятилетие исследовательские проекты в институтских лабораториях по всему миру предлагали применять самые различные растения: от привычных нашему сознанию картофеля, бобовых, пшеницы, свеклы до более экзотических: тапиоки, древесины тополя, осины. "В этом есть своя доля иронии, - отмечает Скиф Маккеффи, профессор университета штата Массачусетс, - ведь индустрия пластмасс началась с использования в качестве сырья природных ингредиентов - натурального каучука и нитроцеллюлозы. Пластики на основе нефтепродуктов, поливинилхлорид и полиэтилен, начали широко применяться лишь во время Второй Мировой войны из-за резкой нехватки резины и металла". Первые эксперименты с биоразлагаемыми полимерами были неудачными, в результате чего ряд проектов по их производству был закрыт. "Первые биоразлагаемые пластики были, по сути, ошибкой». Они не были по-настоящему биоразлагаемыми и подвергались серьезной критике со стороны Greenpeace и Федеральной торговой комиссии США, - говорит профессор Маккеффи. - Кроме того, вялый маркетинг и слабые продажи привели к тому, что многие фирмы, занимающиеся этим бизнесом, были просто выкинуты с рынка". Так, корпорация Churchhil Technology, производитель биоразлагаемых добавок, полимеров специального назначения и водорастворимых материалов, обанкротилась в 1997 году, предварительно пустив на ветер 24 млн. долларов Компании пришлось продать свой патент на биоразлагаемые материалы итальянской фирме Novamont SpA.Последние два года перспективы роста потребления биоразлагаемых полимеров улучшаются. Сформировалась рыночная ниша, появились рентабельные предприятия, да и свойства новых биополимеров стали приближаться к характеристикам традиционных пластиков - полистиролу, полипропилену и т.д.
Основным препятствием для развития биопластиков в США является отсутствие в стране инфраструктуры переработки отходов и изготовления компостов. Американские специалисты утверждают, что "людям нужны удобрения, а не свалки". В Европе иной подход к этим вопросам. Во-первых, там существует более разветвленная инфраструктура компостирования, а население с пониманием относится к важности утилизации отходов и готово переплатить за упаковку, если она, по сравнению с другими, более экологична. Во-вторых, европейское законодательство благоволит к использованию биоразлагаемых упаковочных материалов, пытаясь скоординировать директивы по переработке отходов, их захоронению и созданию системы компостов. В последнем докладе по европейскому рынку биоразлагаемых материалов консультант фирмы Frost&Sullivan Ян Хэнкок указывает, что "значимость создания системы компостов для биоразлагаемых материалов нельзя переоценить. Когда биоупаковки не подвергаются компостированию, а собираются и захороняются как обычный мусор или вместе с ним, то их экологическая ценность сводится на нет. Если будут действовать специальные программы по сбору биоразлагаемых упаковок, их раздельному складированию и приготовлению компостных ям, то экономическая ценность нового вида упаковки станет очевидной". Изданные в этом году Европейским Союзом директивы как раз запрещают совместное захоронение различных видов отходов, предполагая раздельное захоронение. Для биоразлагаемых упаковок выделяются специальные площади под компосты. В докладе, опубликованном консалтинговой фирмой SRI, наиболее перспективными с ценовой точки зрения названы два материала: полимолочная кислота и алифатический (ароматический) сополиэфир. Ожидается, что в ближайшие годы использование только биоразлагаемого полиэфира возрастет на 70%.
Биоразлагаемые полиэфиры
Самое активное на сегодня направление - производство полимеров на основе гидроксикарбоновых кислот:
║
Эти исследования имеют довольно давнюю историю. Еще в 1925 году ученые обнаружили, что полигидроксимасляная кислота - очень хорошая питательная среда для хранения различных видов микроорганизмов. Они ее с удовольствием едят, оставляя «рожки да ножки» - СО2 и Н2О. Совершенно такие же свойства имеют полиэфиры других гидроксикарбоновых кислот: гликолевой, молочной, валериановой или капроновой:
HO(─CH─C─O─),H
│ ║O
Один из самых перспективных биодеградируемых пластиков для упаковки - продукт конденсации молочной кислоты полилактид.
Дело в том, что и мономер лактид и полимер полилактид можно производить как синтетическим способом, так и ферментативным брожением декстрозы сахара, мальтозы, сусла зерна или картофеля. А это, как всем понятно, возобновляемое сырье.
Полилактид исключительно хорош с экологической точки зрения: в компосте он разлагается за один месяц, а также вполне переваривается микробами морской воды. Конечно, нужны еще и потребительские свойства. Здесь тоже все в порядке, это прозрачный, бесцветный и термопластичный полимер. Последнее весьма существенно, поскольку означает, что его можно перерабатывать всеми способами, применяемыми сегодня для переработки полимеров. Из листов полилактида можно делать подносы, тарелки, получать пленку, волокно, упаковку для пищевых продуктов, имплантанты для нужд медицины. Если добавить пластификатор, то полилактид становится похож на эластичный полиэтилен, поливинилхлорид или пропилен. Естественно, чем меньше мономерной молочной кислоты в составе полимера, тем больше срок службы полимера.
Несмотря на все очевидные достоинства полилактида, понятную и отлаженную технологию, до массового его внедрения еще далеко. Дело в том, что он получается довольно дорогой, и все усилия концернов направлены на то, чтобы удешевить биоразлагаемый продукт за счет новых высокопроизводительных технологических процессов. Активным совершенствованием технологии производства молочной кислоты занимается, например, американская фирма «Cargill inc». Она производит полилактид, ферментируя декстрозу кукурузы, и сейчас эта линия может выдавать до 6 тыс. тонн полимера в год. В перспективе - расширение производства до 50-150 тыс. т/год и снижение стоимости полилактида с 250 до 2,2 дол./кг.
Голландцы (фирма «CSMN») уже сейчас готовы выпускать 34 тыс.т/год молочной кислоты с возможным увеличением мощности в два раза. Японцы также почти близки к цели. Технологи «Mitsui Toats» придумали, как получать полилактид в одну стадию, - тогда цена нового материала составит 4,95 дол./кг. К тому же свойства полимера лучше, чем у пластика, полученного в две стадии. На его основе уже разработаны две пленки - жесткая пленка, по свойствам сравнимая с полистиролам, и эластичная, похожая на полиэтилен:
(─CH─CH2─C─O─)n H
│ ║
СН3 О
Поли-3-оксибутират
НО(─СН─С─О─)n Н
│ ║
С2 Н5 О
НО(─СН─СН2─С─О─)n Н
│ ║
С2Н5 О
Поли-3-оксивалериановая кислота
Кроме полилактида, есть и другие перспективные полиэфиры (их называют ПОА - полиоксиалканоаты). Например, ученые используют смеси поли-3-оксибутирата, поли-2-оксибутирата и поли-3-оксивалериановой кислоты.
Именно такого типа биоразлагаемые полимеры выпускает английская фирма «Zeneca Bioproducts PLC». В 1995 году она получила 75 тонн полимера Biopol по цене 6,2 дол./кг, что в5-7 раз дороже полиэтилена, полипропилена, полистирола или поливинилхлорида, и в 1, 5-2 раза дороже полиамида.
Конечно, пока цены на биоразлагаемые пластмассы не станут сопоставимы с ценами на крупнотоннажные синтетические полимеры, о массовом использовании остается только мечтать. Лимитирующая стадия в удешевлении процесса - найти бактерии, которые работают более эффективно и производят больше полимера. Чаще всего в качестве исходного сырья (пищи для бактерий) используют сахар, органические кислоты, спирты. Сегодня считается удачным производство 50-60 кг полимера кубометром фермента в день. Ученые надеются, что удастся еще сократить затраты сырья, найти более эффективные штаммы и оптимизировать аппаратурно-технологическое решение. Тогда можно рассчитывать, что стоимость продукта дойдет до 1,35 дол./кг и он станет конкурентоспо-собным.
Итак, полиэфиры на основе гидроксикарбоновых кислот имеют огромные возможности и могут стать реальностью в самое ближайшее время. Особенно если будут приняты законодательные нормативы, ограничивающие применение неразлагаемых полимеров.
Пластмассы с природными полимерами
Еще один возможный путь - это композиционные материалы 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 нужны свойства, имело приемлемую цену и разлагалось в окружающей среде. Как правило, предполагается, что даже такую биоупаковку не будут бросать на зеленую лужайку, а собирать и складывать в компост. Именно для таких условий приводится время разложения.
Самая распространенная основа для разлагаемых композитных материалов - крахмал. Пластификаторами могут быть глицерин или полиоксиэтиленгликоль. Несмотря на то, что сам крахмал разлагается, в некоторые композиции вводят еще полиэфиры, чтобы ускорить процесс. Например, пленка, полученная из смеси крахмала и полилактида, разлагается в компосте при 40ºС 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: упаковка, пленка для мульчирования, пакеты для мусора.
Крахмалосодержащие биоразлагаемые пластики, так же, как и полиэфирные, уже вышли из стен лабораторий - некоторые фирмы перешли к промышленному производству таких материалов. Фирма «Biotec GmbH» на основе крахмала производит биопластамассы различного назначения: Гранулы для литья одноразовых изделий; пеноматериалы для упаковки пищевых продуктов и многое другое. Время разложения таких материалов в компосте при 30ºС - два месяца. Чешская фирма «Fatra» совместное производителями крахмала и Институтом полимеров разработала разлагающуюся за три-четыре месяца упаковочную пленку на основе крахмала с полиолефином. Поскольку компоненты недорогие, готовая планка стоит примерно 1,9 дол./кг.
Основой композита может быть не только крахмал, но и целлюлоза, хитин и другие природные материалы (лигнин и лигниносодержащие вещества) в сочетании с протеином и другими добавками. Японские технологи даже делают пластик из древесной массы в сочетании с поливинилацетатом и глицерином.
В последнее время внимание разработчиков привлекают композиции на хитозане и целлюлозе. Из них получают биоразлагаемые пластики, пленки с хорошей прочностью и водостойкостью (10-20% хотозана). Одна из японских фирм использует для этого хитозан из панцирей крабов и креветок. Хитозан интерес тем, что можно менять скорость его биоразложения в зависимости от видов обработки. Так, пленка на основе хитозана, ацилированного по NH2 - группам, разлагается в аэробном городском компосте на много быстрее, чем целлофановые или даже поли (гидроксибутират) валериановые пленки. Разлагаемые композиты можно делать на основе природных белков, или протеинов. Чтобы завертывать влажную пищу или просто для коробочек для пищевых продуктов, используют пленку на основе гидрофобного протеина - цеина. Список им не ограничивается - в состав композита добавляют метакрилиновый желатин (в этом случае материал подходит для упаковки пищевых продуктов, парфюмерии и лекарственных препаратов), казеин, кератиносодержащие натуральные продукты.
Интересно, что японская фирма «Showa» уже разработала подобный биодектруктируемый полимер для корпуса телевизоров и персональных компьютеров. Этот пластик не боится высоких температур, прочен, упруг, разлагается в воде и под действием почвенных бактерий.
Добавление природных полимеров - полисахаридов и белков ценно прежде всего тем, что это возобновляемое сырье. Основная задача исследователей - подобрать такое соотношение компонентов, чтобы свойства композитов приближались к синтетическим полимерам.
Модификация синтетических полимеров
Несмотря на активное развитие двух описанных направлений, технологи продолжают попытки изменить уже хорошо освоенные крупнотоннажные полимеры: полиэтилен, полипропилен, поливинилхлорид, полистирол и полиэтилентерефталат. Без модификации перечисленные полимеры и изделия из них могут храниться в земле «вечно». Чтобы избежать этого, есть три пути: ввести в структуру синтетического полимера молекул, способствующие ускоренному фоторазложению полимера; получить сополимер с добавками, способными инициировать распад основного полимера; направленно синтезировать биодеградируемый полимер на основе промышленно освоенных синтетических продуктов.
Фоторазлагаемые полимеры - это, например, сополимеры этилена или полистирола с винилкетоном. Добавки таких фотоинициаторов в количестве всего 2-5% позволяют разложить полимер ультрафиолетовым излучением с длиной волны 290-320 нм. Светочувствительными добавками могут служить дитиокарбаматы железа и никеля или соответствующих пероксидов.
Второй, самый очевидный способ - это просто сочетать хорошо известные полимеры с биодеградируемыми компонентами. Так, полиэтилен и полистирол пытаются совместить с крахмалом, полиэфирами и другими биоразлагаемыми добавками. Однако, несмотря на то, что такие композиции условно относят к биоразлагаемым, как правило, при компостировании быстро разлагается крахмал, а синтетический полимер в большинстве случаев остается несъеденным. Достаточно привести еще один пример. Исследование пленки из смеси полилактида и поливинилацетата показало, что чистая полилактидная пленка разлагается за 10 часов на 52%, а с добавкой всего 5-10% поливилацетата - за 60 часов лишь на 8%. А если поливилацетата в смеси будет 30%, то пленка практически не разлагается. Ученые не могли не отметить бесперспективность подобных попыток - недаром число публикаций на эту тему резко уменьшилось.
Однако, похоже, перспективный путь все-таки есть. Это синтез соответствующих полиэфиров и полиэфирамидов. Особенно активно в этом плане работают два химических гиганта - «BASF» и «BAYER AG».
Разлагаемые сополиэфиры получают, например, на основе алифатических диолов и органических дикарбоновых кислот по схеме:
OOH + nHOCR2COH HO(R1OCR2CO)nH
║ ║ ║ ║O O O
Уже установлено, например, сколько терфталевой кислоты надо добавить к алифатической кислоте, чтобы полимер сохранил и нужные физико-химические свойства, и биоразлагаемость: 30-55 мольных %. На основе именно такого полиэфира в 1995 году фирма «BASF» освоила выпуск полностью биоразлагаемого пластика Ecoflex F и теперь делает из него мешки, сельскохозяйственную и гигиеническую пленку, ламинирует им бумагу. Механические свойства нового полимера сравнимы с таковыми у полиэтилена низкой плотности. Цена довольно небольшая: 2,9-3,6 дол./кг в зависимости от качества. Фирма «BASF» также выпускает боиразлагаемые пластики на основе полиэфиров и крахмала.
Не отстает другой гигант химиндустрии - начиная со второй половины 90-х годов фирма «BAYERAG» выпускает новые компостируемые, биоразлагаемые в аэробных условиях термопласты на основе полиэфирамида:
(R1OCR2CNR3NHCR2CO)nH
║ ║ ║ ║O O O
Один из них прекрасно прилипает к бумаге - так можно делать влагостойкую упаковку для пищевой промышленности и сельского хозяйства. При соответствующем увлажнении мешки из такого полимера разлагаются за десять дней на биомассу, диоксид углерода и воду. Другой полимер (алифатический полиэфирамид) легко перерабатывается литьем под давлением. В него можно добавлять наполнители: целлюлозу, древесную муку, крахмал, придающие ему достаточную прочность. И тогда получаются биоразлагаемые вазы и корзины для цветов, одноразовая посуда, предметы гигиены.
Чтобы снизить стоимость материалов на основе полиэфиров и полиамидов, фирмы используют свои свободные производственные мощности, а в качестве исходного сырья применяют хорошо освоенные промышленностью продукты. Перерабатывают новые композиции в конечные изделия на стандартном оборудовании. Но ведь все могут подойти к проблеме таким же образом - было бы только желание. Тогда будет несложно освоить выпуск новых экологически безопасных и не слишком дорогих полимеров. По данным фирмы «BASF», потенциальный рынок Западной Европы компостируемых биодеструктируемых матриалов из полиэфираимдов, сополтэфиров и их смесей с крахмалом составляет 200 тыс. т/год.
Надо сказать, что в последнее время ученые активно ищут и другие биоразлагаемые композиции, не только полиэфир-полиамидные, но и содержащие уретановые, карбонатные группы и фрагменты гидроксикарбоновых кислот. Поэтому скоро появится широкая гамма компостируемых изделий с высокими физико-механическими свойствами и приемлемой ценой.
Таким образом, в последнее десятилетие в биодеградируемых пластиках наблюдается явный прорыв, причем в Европе государственные структуры активнейшим образом взаимодействуют с крупными химическими производителями. Это - залог успешного решения столь сложной задачи. К сожалению, у нас в России этому уделяют непростительно мало внимания.
Анализ рынка биоразлагаемых материалов на сегодняшний день
На данный момент, пожалуй, все крупные в области производства полимерной продукции фирмы выдвинули свои версии биоразлагаемых материалов. Немецкая компания Bayer представила новый биоразлагаемый полиэфирамид. Полимер имеет полукристаллическую структуру и производится литьем под давлением или экструдируется на традиционном оборудовании. Сырьем для его производства является гексамителен диамин, бутандиол и адипиновая кислота. Получаемая пленка обладает степенью прозрачности, ранжируемой от полупрозрачной до прозрачной. Процесс биоразложения упаковки происходит в течение 60-ти дней при контакте с бактериями и грибками. Предполагаемая рыночная ниша - мешки для мусора <#"justify">Заключение
Таким образом, можно вывести преимущества биоразлагаемых полимеров, такие как:
возможность обработки, как и обычных полимеров, на стандартном оборудовании;
низкий барьер пропускания кислорода, водяного пара (оптимально для использования в области пищевой упаковки);
стойкость к разложению в обычных условиях;
быстрая и полная разлагаемость при специально созданных условиях или естественных - отсутствие проблем с утилизацией отходов.
ограниченные возможности для крупнотоннажного производства;
высокая стоимость (пока в среднем 2 - 5 евро за кг).
Однако, следует учесть, что экономическая стоимость, помимо цены продукта, содержит также и затраты по утилизации и использованию. В этом смысле биоразгагаемые полимеры предпочтительнее: возобновляемые ресурсы, необходимые для их производства, более выгодны. Важно также отметить, что высокая цена материала - явление временное, пока производство биополимеров не стало массовым и процесс их выпуска до конца не отлажен. Со временем, стоимость биопластиков снизится, и они станут доступными для широкого ряда предприятий. Несмотря на то, что в настоящее время доля биоразлагаемых пластиков на рынке чрезвычайно мала, потенциал этого рынка огромен. Дальнейшее ужесточение экологических требований может помочь биоразлагаемым пластмассам успешно конкурировать с обычными пластмассами, заменяя их. В настоящее время самая «массовая» сфера применения биоразлагаемых пластиков - тара и упаковка для пищевых продуктов. Кроме того, вся Европа использует биоразлагаемые мешки для биологических отходов, многие страны применяют и биоразлагаемую мульчу (с/х пленка). В России, к сожалению, биополимеры пока не производятся и не применяются. Основные тому причины: ограниченная платежеспособность как предприятий, так и конечных потребителей (неготовность платить за уникальную, экологически чистую, но дорогую упаковку), недостаточное внимание к экологическим проблемам со стороны законодательных властей и неготовность вкладывать в развитие новых технологий производства полимерных материалов. Но и у нас есть «первые ласточки»: компания «Пагода» начала производство одноразовых пищевых контейнеров из полилактида. И еще одна хорошая новость: компания «НБ-Ретал» заявила о начале строительства в Подмосковье первого Российского завода по производству биоразлагаемой полилактидной пленки. Возможно, скоро мы сможем приобрести продукты, упакованные в биопленку отечественного производства.
Список используемых источников
1. #"justify">.#"justify">. <http://www.upakovano.ru/articles/3121>