ბიოდეგრადირებადი პოლიმერები: კონცეფცია, თვისებები, მომზადების მეთოდები და რეაქციების მაგალითები

2024 ავტორი: Howard Calhoun | [email protected]. ბოლოს შეცვლილი: 2023-12-17 10:32

შეიძლება შეამჩნიოთ, რომ გასული ათწლეულის განმავლობაში პოპულარობა მოიპოვა პროდუქტებმა სახელზე დამატებული პრეფიქსით "ბიო". გამიზნულია ინფორმირება, რომ პროდუქტი უსაფრთხოა ადამიანებისა და ბუნებისთვის. მას მედია აქტიურად უჭერს მხარს. სასაცილოდაც კი მივიდა - სასმელის არჩევისას საუკეთესოდ ბიოკეფირს თვლიან და ბიოსაწვავი უკვე აღარ არის ზეთის ალტერნატივა, არამედ ეკოლოგიურად სუფთა პროდუქტი. და არ დაივიწყოთ ბიო ექსტრაქტები, რომლებიც კოსმეტიკას „სასწაულებს“აქცევს.

ზოგადი ინფორმაცია

ახლა მოდით დასერიოზულდეთ. ხშირად, გზებზე გადაადგილებისას, შეგიძლიათ ნახოთ სპონტანური ნაგავსაყრელები. გარდა ამისა, არის სრულფასოვანი ნაგავსაყრელები, სადაც ადამიანის ნარჩენები ინახება. როგორც ჩანს, ცუდი არ არის, მაგრამ არის ერთი მინუსი - ძალიან გრძელი დაშლის დრო. ამის გამოსწორების უამრავი გზა არსებობს - ეს არის ნაგვის გადამუშავება და ნაკლებად მავნე მასალების გამოყენება, რომლებიც სწრაფად ანადგურებენ რღვევებს. მოდით ვისაუბროთ მეორე შემთხვევაზე.

აქ ბევრი პუნქტია. შეფუთვა, საბურავები, მინა, ქიმიური მრეწველობის წარმოებულები. ყველა მათგანი მოითხოვსყურადღება. თუმცა, არ არსებობს კონკრეტული უნივერსალური რეცეპტი. ამიტომ აუცილებელია ვიცოდეთ კონკრეტულად რა და როგორ უზრუნველვყოთ გარემოს დაბინძურების პრევენცია.

ბიოდეგრადირებადი პოლიმერები შეიქმნა, როგორც პასუხი პლასტმასის ნარჩენების განადგურების პრობლემაზე. საიდუმლო არ არის, რომ მათი მოცულობა ყოველწლიურად იზრდება. სიტყვა ბიოპოლიმერები ასევე გამოიყენება მათი შემოკლებული აღნიშვნისთვის. რა არის მათი თავისებურება? მათ შეუძლიათ გარემოში დაშლა ფიზიკური ფაქტორების და მიკროორგანიზმების – სოკოების ან ბაქტერიების მოქმედების გამო. პოლიმერი ითვლება ასეთად, თუ მისი მთელი მასა შეიწოვება წყალში ან ნიადაგში ექვსი თვის განმავლობაში. ეს ნაწილობრივ წყვეტს ნარჩენების პრობლემას. ამავდროულად, მიიღება დაშლის პროდუქტები - წყალი და ნახშირორჟანგი. თუ სხვა რამეა, მაშინ საჭიროა მისი უსაფრთხოება და ტოქსიკური ნივთიერებების არსებობის გამოკვლევა. მათი გადამუშავება ასევე შესაძლებელია პლასტმასის წარმოების უმეტესი სტანდარტული ტექნოლოგიებით, როგორიცაა ექსტრუზია, აფეთქება, თერმოფორმირება და ინექციური ჩამოსხმა.

რა სფეროებზე ვმუშაობთ?

ბიოდეგრადირებადი პოლიმერების მიღება საკმაოდ შრომატევადი ამოცანაა. ტექნოლოგიების განვითარება, რომლებიც შესაძლებელს ხდის უსაფრთხო მასალების მოპოვებას, აქტიურად მიმდინარეობს შეერთებულ შტატებში, ევროპის კონტინენტზე, იაპონიაში, კორეასა და ჩინეთში. სამწუხაროდ, უნდა აღინიშნოს, რომ რუსეთში შედეგები არადამაკმაყოფილებელია. პლასტმასის ბიოდეგრადაციის ტექნოლოგიის შექმნა და განახლებადი ნედლეულისგან მათი წარმოება ძვირადღირებული სიამოვნებაა. გარდა ამისა, ქვეყანას ჯერ კიდევ აქვს საკმარისი ზეთი პოლიმერების წარმოებისთვის. მაგრამ ყველაფერიიგივე, სამი ძირითადი მიმართულება შეიძლება გამოიყოს:

1. ბიოდეგრადირებადი პოლიესტერების წარმოება ჰიდროქსიკარბოქსილის მჟავებზე დაფუძნებული.
2. პლასტმასის შექმნა რეპროდუცირებადი ბუნებრივი ინგრედიენტების საფუძველზე.
3. სამრეწველო პოლიმერები ხდება ბიოდეგრადირებადი.

მაგრამ რაც შეეხება პრაქტიკაში? მოდით უფრო დეტალურად განვიხილოთ, თუ როგორ მზადდება ბიოდეგრადირებადი პოლიმერები.

ბაქტერიული პოლიჰიდროქსიალკანოატები

მიკროორგანიზმები ხშირად იზრდებიან ისეთ გარემოში, სადაც მკვებავი ნახშირბადებია ხელმისაწვდომი. ამ შემთხვევაში, არსებობს ფოსფორის ან აზოტის დეფიციტი. ასეთ შემთხვევებში მიკროორგანიზმები სინთეზირებენ და აგროვებენ პოლიჰიდროქსიალკანოატებს. ისინი ემსახურებიან ნახშირბადის (საკვების მაღაზიების) და ენერგიის რეზერვს. საჭიროების შემთხვევაში მათ შეუძლიათ პოლიჰიდროქსიალკანოატების დაშლა. ეს ქონება გამოიყენება ამ ჯგუფის მასალების სამრეწველო წარმოებისთვის. ჩვენთვის ყველაზე მნიშვნელოვანია პოლიჰიდროქსი ბუტირატი და პოლიჰიდროქსი ვალერატი. ამრიგად, ეს პლასტმასები ბიოდეგრადირებადია. ამავე დროს, ისინი წარმოადგენენ ალიფატურ პოლიესტერებს, რომლებიც მდგრადია ულტრაიისფერი გამოსხივების მიმართ.

უნდა აღინიშნოს, რომ მიუხედავად იმისა, რომ მათ აქვთ საკმარისი სტაბილურობა წყლის გარემოში, ზღვა, ნიადაგი, კომპოსტირება და გადამუშავების გარემო ხელს უწყობს მათ ბიოლოგიურ დეგრადაციას. და ეს საკმაოდ სწრაფად ხდება. მაგალითად, თუ კომპოსტს აქვს ტენიანობა 85% და 20-60 გრადუსი ცელსიუსით, მაშინ ნახშირორჟანგად და წყალში დაშლას 7-10 კვირა დასჭირდება. სად გამოიყენება პოლიჰიდროქსიალკანოატები?

ისინიგამოიყენება ბიოდეგრადირებადი შეფუთვისა და უქსოვი მასალების, ერთჯერადი ტილოების, ბოჭკოების და ფილმების, პირადი მოვლის საშუალებების, წყალგაუმტარი საფარების დასამზადებლად მუყაოსა და ქაღალდისთვის. როგორც წესი, მათ შეუძლიათ ჟანგბადის გადატანა, მდგრადია აგრესიული ქიმიკატების მიმართ, აქვთ შედარებითი თერმული სტაბილურობა და აქვთ პოლიპროპილენის მსგავსი სიმტკიცე.

ბიოდეგრადირებადი პოლიმერების ნაკლოვანებებზე საუბრისას, უნდა აღინიშნოს, რომ ისინი ძალიან ძვირია. ამის მაგალითია ბიოპოლი. ღირს 8-10-ჯერ მეტი ვიდრე ტრადიციული პლასტმასი. ამიტომ გამოიყენება მხოლოდ მედიცინაში, ზოგიერთი სუნამოების და პირადი მოვლის საშუალებების შესაფუთად. პოლიჰიდროქსიალკანოატებს შორის უფრო პოპულარულია მირელი, რომელიც მიიღება საქარირებული სიმინდის სახამებლისგან. მისი უპირატესობა შედარებით დაბალი ღირებულებაა. მაგრამ, მიუხედავად ამისა, მისი ფასი მაინც ორჯერ აღემატება ტრადიციულ დაბალი სიმკვრივის პოლიეთილენს. ამასთან, ნედლეულის ღირებულების 60% მოდის. და ძირითადი ძალისხმევა მიმართულია მისი იაფი კოლეგების პოვნაზე. სადავო პერსპექტივა არის მარცვლეულის სახამებელი, როგორიცაა ხორბალი, ჭვავი, ქერი.

პოლილაქტური მჟავა

შეფუთვისთვის ბიოდეგრადირებადი პოლიმერების წარმოება ასევე ხორციელდება პოლილაქტიდის გამოყენებით. ეს ასევე არის პოლილაქტური მჟავა. რას წარმოადგენს ის? ეს არის ხაზოვანი ალიფატური პოლიესტერი, რძემჟავას კონდენსაციის პროდუქტი. ეს არის მონომერი, საიდანაც პოლილაქტიდი ხელოვნურად სინთეზირებულია ბაქტერიების მიერ.აღსანიშნავია, რომ მისი წარმოება ბაქტერიების დახმარებით უფრო ადვილია, ვიდრე ტრადიციული მეთოდი. ყოველივე ამის შემდეგ, პოლილაქტიდები იქმნება ბაქტერიების მიერ ხელმისაწვდომი შაქრებიდან ტექნოლოგიურად მარტივი პროცესით. თავად პოლიმერი არის ორი ოპტიკური იზომერის ნარევი ერთი და იგივე შემადგენლობით.

მიღებულ ნივთიერებას აქვს საკმაოდ მაღალი თერმული სტაბილურობა. ასე რომ, ვიტრიფიკაცია ხდება 90 გრადუს ცელსიუს ტემპერატურაზე, ხოლო დნობა ხდება 210-220 ცელსიუსზე. ასევე, პოლილაქტიდი ულტრაიისფერი რეზისტენტულია, ოდნავ აალებადი და თუ იწვის, მაშინ მცირე რაოდენობით კვამლთან ერთად. მისი დამუშავება შესაძლებელია თერმოპლასტიკისთვის შესაფერისი ყველა მეთოდით. პოლილაქტიდისგან მიღებულ პროდუქტებს აქვთ მაღალი სიმტკიცე, სიპრიალის და გამჭვირვალე. ისინი გამოიყენება თეფშების, უჯრების, ფირის, ბოჭკოს, იმპლანტაციის დასამზადებლად (ასე იყენებენ ბიოდეგრადირებად პოლიმერებს მედიცინაში), კოსმეტიკური და საკვები პროდუქტების შესაფუთად, წყლის, წვენის, რძის ბოთლებისთვის (მაგრამ არა გაზიანი სასმელებისთვის, რადგან მასალა გადის. ნახშირორჟანგი). ასევე ქსოვილები, სათამაშოები, მობილურის ქეისები და კომპიუტერის მაუსები. როგორც ხედავთ, ბიოდეგრადირებადი პოლიმერების გამოყენება ძალიან ფართოა. და ეს მხოლოდ მათი ერთ-ერთი ჯგუფისთვის!

პოლილაქტური მჟავის წარმოება და ბიოდეგრადირება

პირველად, მისი წარმოების პატენტი გაიცა ჯერ კიდევ 1954 წელს. მაგრამ ამ ბიოპლასტიკის კომერციალიზაცია დაიწყო მხოლოდ 21-ე საუკუნის დასაწყისში - 2002 წელს. ამის მიუხედავად, უკვე არსებობს უამრავი კომპანია, რომლებიც მის წარმოებაში არიან დაკავებულნი - მხოლოდ ევროპაში არის 30-ზე მეტი მათგანი. მნიშვნელოვანი უპირატესობაპოლილაქტური მჟავა შედარებით დაბალი ღირებულებაა - ის უკვე თითქმის თანაბარ კონკურენციას უწევს პოლიპროპილენსა და პოლიეთილენს. ვარაუდობენ, რომ უკვე 2020 წელს პოლილაქტიდი შეძლებს მათი გაშვების დაწყებას მსოფლიო ბაზარზე. ბიოდეგრადაციის გასაზრდელად მას ხშირად უმატებენ სახამებელს. ეს ასევე დადებითად მოქმედებს პროდუქტის ფასზე. მართალია, მიღებული ნარევები საკმაოდ მყიფეა და პლასტიზატორები, როგორიცაა სორბიტოლი ან გლიცერინი, უნდა დაემატოს მათ, რათა საბოლოო პროდუქტი უფრო ელასტიური გახდეს. პრობლემის ალტერნატიული გადაწყვეტა არის შენადნობის შექმნა სხვა დეგრადირებადი პოლიესტერებით.

პოლილაქტური მჟავა იშლება ორ ეტაპად. პირველ რიგში, ესტერების ჯგუფები ჰიდროლიზდება წყლით, რის შედეგადაც წარმოიქმნება რძემჟავა და რამდენიმე სხვა მოლეკულა. შემდეგ ისინი იშლება გარკვეულ გარემოში მიკრობების დახმარებით. პოლილაქტიდები ამ პროცესს გადიან 20-90 დღეში, რის შემდეგაც რჩება მხოლოდ ნახშირორჟანგი და წყალი.

სახამებლის მოდიფიკაცია

როდესაც ბუნებრივ ნედლეულს იყენებენ, კარგია, რადგან ამისთვის რესურსები მუდმივად განახლდება, ამიტომ ისინი პრაქტიკულად შეუზღუდავია. სახამებელმა ამ მხრივ ყველაზე ფართო პოპულარობა მოიპოვა. მაგრამ მას აქვს ნაკლი - მას აქვს გაზრდილი უნარი შეიწოვოს ტენიანობა. მაგრამ ამის თავიდან აცილება შესაძლებელია, თუ შეამჩნევთ ჰიდროქსილის ჯგუფების ნაწილს ეთერზე.

ქიმიური დამუშავება საშუალებას გაძლევთ შექმნათ დამატებითი ბმა პოლიმერის ნაწილებს შორის, რაც ხელს უწყობს სითბოს წინააღმდეგობის გაზრდას, სტაბილურობასმჟავებს და ათვლის ძალას. შედეგად, მოდიფიცირებული სახამებელი, გამოიყენება როგორც ბიოდეგრადირებადი პლასტმასი. ის იშლება კომპოსტში 30 გრადუსზე ორ თვეში, რაც მას ძალიან ეკოლოგიურად ხდის.

მასალის ღირებულების შესამცირებლად გამოიყენება ნედლი სახამებელი, რომელსაც ურევენ ტალკსა და პოლივინილ სპირტს. მისი წარმოება შესაძლებელია იგივე აღჭურვილობის გამოყენებით, როგორც ჩვეულებრივი პლასტმასისთვის. მოდიფიცირებული სახამებელი ასევე შეიძლება იყოს შეღებილი და დაბეჭდილი ჩვეულებრივი ტექნიკის გამოყენებით.

გთხოვთ გაითვალისწინოთ, რომ ეს მასალა ანტისტატიკური ხასიათისაა. სახამებლის მინუსი არის ის, რომ მისი ფიზიკური თვისებები ზოგადად ჩამოუვარდება პეტროქიმიურად წარმოებულ ფისებს. ანუ პოლიპროპილენი, ასევე მაღალი და დაბალი წნევის პოლიეთილენი. და მაინც, იგი გამოიყენება და იყიდება ბაზარზე. ასე რომ, იგი გამოიყენება კვების პროდუქტების, სასოფლო-სამეურნეო ფილმების, შესაფუთი მასალების, დანაჩანგალისთვის, ასევე ხილისა და ბოსტნეულის ბადეების დასამზადებლად.

სხვა ბუნებრივი პოლიმერების გამოყენება

ეს შედარებით ახალი თემაა - ბიოდეგრადირებადი პოლიმერები. რაციონალური ბუნების მართვა ხელს უწყობს ამ სფეროში ახალ აღმოჩენებს. მრავალი სხვა ბუნებრივი პოლისაქარიდი გამოიყენება ბიოდეგრადირებადი პლასტმასის წარმოებაში: ქიტინი, ქიტოზანი, ცელულოზა. და არა მარტო ცალკე, არამედ კომბინაციაშიც. მაგალითად, გაზრდილი სიმტკიცის ფილმი მიიღება ქიტოზანისგან, მიკროცელულოზის ბოჭკოსა და ჟელატინისაგან. და თუ დამარხავთ მას მიწაში, მაშინ ის სწრაფად იქნებაიშლება მიკროორგანიზმებით. მისი გამოყენება შესაძლებელია შესაფუთად, უჯრებში და მსგავსი ნივთებისთვის.

გარდა ამისა, საკმაოდ გავრცელებულია ცელულოზის კომბინაცია დიკარბოქსილის ანჰიდრიდებთან და ეპოქსიდურ ნაერთებთან. მათი სიძლიერე ის არის, რომ ისინი იშლება ოთხ კვირაში. მიღებული მასალისგან მზადდება ბოთლები, მულჩირების ფილმები, ერთჯერადი ჭურჭელი. მათი შექმნა და წარმოება ყოველწლიურად აქტიურად იზრდება.

სამრეწველო პოლიმერების ბიოდეგრადირება

ეს პრობლემა საკმაოდ აქტუალურია. ბიოდეგრადირებადი პოლიმერები, რომელთა მაგალითები ზემოთ იყო მოყვანილი გარემოსთან რეაქციისთვის, გარემოში ერთი წელიც არ გაძლებს. მაშინ როდესაც სამრეწველო მასალებმა შეიძლება დააბინძუროს იგი ათწლეულების განმავლობაში და საუკუნეების განმავლობაშიც კი. ეს ყველაფერი ეხება პოლიეთილენს, პოლიპროპილენს, პოლივინილ ქლორიდს, პოლისტიროლს, პოლიეთილენ ტერეფტალატს. ამიტომ მათი დეგრადაციის დროის შემცირება მნიშვნელოვანი ამოცანაა.

ამ შედეგის მისაღწევად, არსებობს რამდენიმე შესაძლო გამოსავალი. ერთ-ერთი ყველაზე გავრცელებული მეთოდია პოლიმერის მოლეკულაში სპეციალური დანამატების შეყვანა. ხოლო სიცხეში ან სინათლეში მათი დაშლის პროცესი დაჩქარებულია. ეს განკუთვნილია ერთჯერადი ჭურჭლის, ბოთლების, შესაფუთი და სასოფლო-სამეურნეო ფილმებისთვის, ჩანთებისთვის. მაგრამ, სამწუხაროდ, არის პრობლემებიც.

პირველი ის არის, რომ დანამატები უნდა იქნას გამოყენებული ტრადიციული გზებით - ჩამოსხმა, ჩამოსხმა, ექსტრუზია. ამ შემთხვევაში, პოლიმერები არ უნდა დაიშალა, თუმცა ისინი ექვემდებარებიან ტემპერატურასდამუშავება. გარდა ამისა, დანამატებმა არ უნდა დააჩქაროს პოლიმერების დაშლა სინათლეში და ასევე მის ქვეშ გრძელვადიანი გამოყენების შესაძლებლობას. ანუ აუცილებელია დავრწმუნდეთ, რომ დეგრადაციის პროცესი გარკვეულ მომენტში იწყება. Ძალიან რთულია. ტექნოლოგიური პროცესი გულისხმობს 1-8%-იანი დანამატების დამატებას (მაგალითად, ადრე განხილული სახამებლის დანერგვა), როგორც მცირე ტიპიური გადამუშავების მეთოდის ნაწილი, როდესაც ნედლეულის გათბობა არ აღემატება 12 წუთს. მაგრამ ამავე დროს, აუცილებელია იმის უზრუნველსაყოფად, რომ ისინი თანაბრად გადანაწილდეს მთელ პოლიმერულ მასაზე. ეს ყველაფერი შესაძლებელს ხდის დეგრადაციის პერიოდის შენარჩუნებას ცხრა თვიდან ხუთ წლამდე.

განვითარების პერსპექტივები

მიუხედავად იმისა, რომ ბიოდეგრადირებადი პოლიმერების გამოყენება სულ უფრო და უფრო მატულობს, ისინი ახლა მთლიანი ბაზრის უმცირეს პროცენტს შეადგენენ. მაგრამ, მიუხედავად ამისა, მათ მაინც იპოვეს საკმაოდ ფართო აპლიკაცია და სულ უფრო პოპულარული ხდება. ისინი უკვე საკმაოდ კარგად არიან ჩასმული საკვების შეფუთვის ნიშაში. გარდა ამისა, ბიოდეგრადირებადი პოლიმერები ფართოდ გამოიყენება ერთჯერადი ბოთლების, ჭიქების, თეფშების, თასებისა და უჯრებისთვის. ისინი ასევე დამკვიდრდნენ ბაზარზე ჩანთების სახით საკვების ნარჩენების შეგროვებისა და შემდგომ კომპოსტირებისთვის, სუპერმარკეტებისთვის განკუთვნილი ჩანთების, სასოფლო-სამეურნეო ფილმების და კოსმეტიკური საშუალებების სახით. ამ შემთხვევაში შეიძლება გამოყენებულ იქნას სტანდარტული აღჭურვილობა ბიოდეგრადირებადი პოლიმერების წარმოებისთვის. მათი უპირატესობების გამო (ნორმალურ პირობებში დეგრადაციისადმი წინააღმდეგობა, წყლის ორთქლისა და ჟანგბადის დაბალი ბარიერი, ნარჩენების განადგურების პრობლემები, ნავთობქიმიური ნედლეულისგან დამოუკიდებლობა), ისინი აგრძელებენ გამარჯვებას.ბაზარი.

მთავარი მინუსებიდან უნდა გავიხსენოთ ფართომასშტაბიანი წარმოების სირთულეები და შედარებით მაღალი ღირებულება. ეს პრობლემა, გარკვეულწილად, შეიძლება მოგვარდეს ფართომასშტაბიანი წარმოების სისტემებით. ტექნოლოგიის გაუმჯობესება ასევე შესაძლებელს ხდის უფრო გამძლე და აცვიათ მდგრადი მასალების მიღებას. გარდა ამისა, უნდა აღინიშნოს, რომ პრეფიქსი „ეკო“პროდუქტებზე ფოკუსირების მკვეთრი ტენდენციაა. ამას ხელს უწყობს როგორც მედია, ასევე სამთავრობო და საერთაშორისო მხარდაჭერის პროგრამები.

კონსერვაციის ზომები თანდათან გამკაცრდება, რის შედეგადაც ზოგიერთი ტრადიციული პლასტმასის პროდუქტი აიკრძალა ზოგიერთ ქვეყანაში. მაგალითად, პაკეტები. ისინი აკრძალულია ბანგლადეშში (მას შემდეგ, რაც აღმოაჩინა, რომ ბლოკავს სადრენაჟო სისტემებს და იწვევს ორჯერ დიდ წყალდიდობას) და იტალიაში. თანდათან ხვდება რეალური ფასი, რომელიც უნდა გადაიხადოთ არასწორი გადაწყვეტილებებისთვის. და იმის გაგება, რომ აუცილებელია გარემოს უსაფრთხოების უზრუნველყოფა, გამოიწვევს უფრო და უფრო მეტ შეზღუდვას ტრადიციულ პლასტმასზე. საბედნიეროდ, არის მოთხოვნა გადასვლის კიდევ უფრო ძვირი, მაგრამ ეკოლოგიურად მასალებზე. გარდა ამისა, მრავალი ქვეყნის კვლევითი ცენტრები და მსხვილი კერძო კომპანიები ეძებენ ახალ და იაფ ტექნოლოგიებს, რაც კარგი ამბავია.

დასკვნა

ჩვენ განვიხილეთ რა არის ბიოდეგრადირებადი პოლიმერები, წარმოების მეთოდები და ამ მასალების მოცულობა. არსებობს მუდმივიტექნოლოგიების გაუმჯობესება და გაუმჯობესება. ასე რომ, იმედი ვიქონიოთ, რომ უახლოეს წლებში, ბიოდეგრადირებადი პოლიმერების ღირებულება მართლაც დაეწევა ტრადიციული მეთოდებით მიღებულ მასალებს. ამის შემდეგ უსაფრთხო და ეკოლოგიურად სუფთა განვითარებაზე გადასვლა მხოლოდ დროის საკითხი იქნება.