Polimeri biodegradabili: concetto, proprietà, metodi di preparazione ed esempi di reazioni

2024 Autore: Howard Calhoun | [email protected]. Ultima modifica: 2023-12-17 10:31

Puoi notare che negli ultimi dieci anni i prodotti con il prefisso "bio" aggiunto al nome hanno guadagnato popolarità. Si intende informare che il prodotto è sicuro per l'uomo e la natura. È attivamente promosso dai media. È arrivato persino al ridicolo: quando scelgono una bevanda, considerano il biokefir il migliore e il biocarburante non è più un' alternativa al petrolio, ma un prodotto ecologico. E non dimenticare i bioestratti che rendono i cosmetici "miracoli".

Informazioni generali

Ora facciamo sul serio. Spesso, spostandosi lungo le strade, si possono vedere discariche spontanee. Inoltre, ci sono discariche a tutti gli effetti dove vengono immagazzinati i rifiuti umani. Sembra non essere male, ma c'è un meno: tempo di decomposizione troppo lungo. Esistono molti modi per risolvere questo problema: questo è il riciclaggio dei rifiuti e l'uso di materiali meno dannosi che distruggono rapidamente i decompositori. Parliamo del secondo caso.

Ci sono molti punti qui. Imballaggi, pneumatici, vetro, derivati dell'industria chimica. Tutti richiedonoAttenzione. Tuttavia, non esiste una ricetta universale specifica. Pertanto, è necessario sapere nello specifico cosa e come garantire la prevenzione dell'inquinamento ambientale.

I polimeri biodegradabili sono stati sviluppati come risposta al problema dello sm altimento dei rifiuti di plastica. Non è un segreto che il loro volume cresce ogni anno. La parola biopolimeri è usata anche per la loro designazione abbreviata. Qual è la loro particolarità? Possono decomporsi nell'ambiente a causa dell'azione di fattori fisici e microrganismi - funghi o batteri. Un polimero è considerato tale se la sua intera massa viene assorbita nell'acqua o nel suolo entro sei mesi. Questo risolve in parte il problema dei rifiuti. Allo stesso tempo, si ottengono prodotti di decomposizione: acqua e anidride carbonica. Se c'è qualcos' altro, allora deve essere studiato per la sicurezza e la presenza di sostanze tossiche. Possono anche essere riciclati dalla maggior parte delle tecnologie di produzione di plastica standard come estrusione, soffiaggio, termoformatura e stampaggio a iniezione.

In quali aree stiamo lavorando?

Ottenere polimeri biodegradabili è un compito piuttosto laborioso. Lo sviluppo di tecnologie che consentono di ottenere materiali sicuri viene svolto attivamente negli Stati Uniti, nel continente europeo, in Giappone, Corea e Cina. Purtroppo, va notato che in Russia i risultati sono insoddisfacenti. Creare una tecnologia per la biodegradazione delle materie plastiche e la loro produzione da materie prime rinnovabili è un piacere costoso. Inoltre, il paese ha ancora abbastanza petrolio per la produzione di polimeri. Ma tuttostesso, si possono distinguere tre direzioni principali:

1. Produzione di poliesteri biodegradabili a base di acidi idrossicarbossilici.
2. Creare materie plastiche a base di ingredienti naturali riproducibili.
3. I polimeri industriali diventano biodegradabili.

Ma che dire in pratica? Diamo un'occhiata più da vicino a come vengono prodotti i polimeri biodegradabili.

Poliidrossialcanoati batterici

I microrganismi crescono spesso in ambienti in cui sono disponibili carboni nutrienti. In questo caso, c'è una carenza di fosforo o azoto. In questi casi, i microrganismi sintetizzano e accumulano poliidrossialcanoati. Servono come riserva di carbonio (deposito di cibo) ed energia. Se necessario, possono decomporre i poliidrossialcanoati. Questa proprietà è utilizzata per la produzione industriale di materiali di questo gruppo. I più importanti per noi sono il poliidrossibutirrato e il poliidrossivalerato. Pertanto, queste plastiche sono biodegradabili. Allo stesso tempo, sono poliesteri alifatici resistenti alle radiazioni ultraviolette.

Va notato che, sebbene abbiano una sufficiente stabilità nell'ambiente acquatico, il mare, il suolo, gli ambienti di compostaggio e riciclaggio contribuiscono al loro degrado biologico. E succede abbastanza rapidamente. Ad esempio, se il compost ha un'umidità dell'85% e 20-60 gradi Celsius, la decomposizione in anidride carbonica e acqua richiederà 7-10 settimane. Dove vengono utilizzati i poliidrossialcanoati?

Lorosono utilizzati per la produzione di imballaggi biodegradabili e materiali non tessuti, salviette monouso, fibre e film, prodotti per la cura della persona, rivestimenti idrorepellenti per cartone e carta. Di norma, possono passare l'ossigeno, sono resistenti alle sostanze chimiche aggressive, hanno una relativa stabilità termica e hanno una resistenza paragonabile al polipropilene.

Parlando degli svantaggi dei polimeri biodegradabili, va notato che sono molto costosi. Un esempio è Biopol. Costa 8-10 volte di più della plastica tradizionale. Pertanto, viene utilizzato solo in medicina, per confezionare alcuni profumi e prodotti per la cura della persona. Più popolare tra i poliidrossialcanoati è il mirel, ottenuto dall'amido di mais saccarificato. Il suo vantaggio è un costo relativamente basso. Tuttavia, il suo prezzo è ancora il doppio di quello del tradizionale polietilene a bassa densità. Allo stesso tempo, le materie prime rappresentano il 60% del costo. E gli sforzi principali sono volti a trovare le sue controparti economiche. La prospettiva in questione è l'amido di cereali come frumento, segale, orzo.

Acido polilattico

Anche la produzione di polimeri biodegradabili per il packaging viene effettuata utilizzando il polilattide. È anche acido polilattico. Cosa rappresenta? È un poliestere alifatico lineare, prodotto di condensazione dell'acido lattico. È un monomero da cui il polilattide viene sintetizzato artificialmente dai batteri. Va notato che la sua produzione con l'aiuto di batteri è più facile rispetto al metodo tradizionale. Dopotutto, i polilattidi sono creati dai batteri dagli zuccheri disponibili in un processo tecnologicamente semplice. Il polimero stesso è una miscela di due isomeri ottici con la stessa composizione.

La sostanza risultante ha una stabilità termica abbastanza elevata. Quindi, la vetrificazione avviene a una temperatura di 90 gradi Celsius, mentre la fusione avviene a 210-220 gradi Celsius. Inoltre, il polilattide è resistente ai raggi UV, leggermente infiammabile e, se brucia, con una piccola quantità di fumo. Può essere lavorato con tutti i metodi adatti ai termoplastici. I prodotti ottenuti dal polilattide hanno un'elevata rigidità, lucentezza e sono trasparenti. Servono per realizzare piatti, vassoi, film, fibre, impianti (così si usano i polimeri biodegradabili in medicina), imballaggi per cosmetici e prodotti alimentari, bottiglie per acqua, succhi, latte (ma non bibite gassate, perché il materiale passa diossido di carbonio). Oltre a tessuti, giocattoli, custodie per cellulari e mouse per computer. Come puoi vedere, l'uso di polimeri biodegradabili è molto ampio. E questo è solo per uno dei loro gruppi!

Produzione e biodegradazione di acido polilattico

Per la prima volta, nel 1954 fu rilasciato un brevetto per la sua produzione. Ma la commercializzazione di questa bioplastica è iniziata solo all'inizio del 21° secolo, nel 2002. Nonostante ciò, esiste già un gran numero di aziende impegnate nella sua produzione - solo in Europa ce ne sono più di 30. Un vantaggio importantel'acido polilattico ha un costo relativamente basso: compete già quasi alla pari con polipropilene e polietilene. Si presume che già nel 2020 il polilattide sarà in grado di iniziare a spingerli sul mercato mondiale. Per aumentarne la biodegradabilità, viene spesso aggiunto dell'amido. Questo ha anche un effetto positivo sul prezzo del prodotto. È vero, le miscele risultanti sono piuttosto fragili e devono essere aggiunti plastificanti, come sorbitolo o glicerina, per rendere il prodotto finale più elastico. Una soluzione alternativa al problema è creare una lega con altri poliesteri degradabili.

L'acido polilattico si decompone in due fasi. In primo luogo, i gruppi esteri vengono idrolizzati con acqua, determinando la formazione di acido lattico e poche altre molecole. Quindi si decompongono in un determinato ambiente con l'aiuto dei microbi. I polilattidi subiscono questo processo in 20-90 giorni, dopodiché rimangono solo anidride carbonica e acqua.

Modifica dell'amido

Quando si utilizzano materie prime naturali, va bene, perché le risorse sono costantemente rinnovate, quindi sono praticamente illimitate. L'amido ha guadagnato la più ampia popolarità in questo senso. Ma ha uno svantaggio: ha una maggiore capacità di assorbire l'umidità. Ma questo può essere evitato se si nota parte dei gruppi ossidrile sull'estere.

Il trattamento chimico consente di creare legami aggiuntivi tra le parti del polimero, che aiutano ad aumentare la resistenza al calore, la stabilitàagli acidi e alla forza di taglio. Il risultato, l'amido modificato, viene utilizzato come plastica biodegradabile. Si decompone a 30 gradi nel compost in due mesi, il che lo rende altamente ecologico.

Per ridurre il costo del materiale, viene utilizzato amido grezzo, che viene miscelato con talco e alcol polivinilico. Può essere prodotto utilizzando la stessa attrezzatura della plastica ordinaria. L'amido modificato può anche essere tinto e stampato con tecniche convenzionali.

Si prega di notare che questo materiale è di natura antistatica. Lo svantaggio dell'amido è che le sue proprietà fisiche sono generalmente inferiori alle resine prodotte petrolchimicamente. Cioè, polipropilene, nonché polietilene ad alta e bassa pressione. Eppure, viene applicato e venduto sul mercato. Quindi, viene utilizzato per realizzare pallet per prodotti alimentari, film agricoli, materiali di imballaggio, posate e reti per frutta e verdura.

Utilizzo di altri polimeri naturali

Questo è un argomento relativamente nuovo: i polimeri biodegradabili. La gestione razionale della natura contribuisce a nuove scoperte in quest'area. Tanti altri polisaccaridi naturali vengono utilizzati nella produzione di plastiche biodegradabili: chitina, chitosano, cellulosa. E non solo separatamente, ma anche in combinazione. Ad esempio, un film con maggiore resistenza è ottenuto da chitosano, fibra di microcellulosa e gelatina. E se lo seppellisci nel terreno, lo farà prestoscomposto da microrganismi. Può essere utilizzato per imballaggi, vassoi e articoli simili.

Inoltre, le combinazioni di cellulosa con anidridi bicarbossiliche e composti epossidici sono abbastanza comuni. Il loro punto di forza è che si decompongono in quattro settimane. Bottiglie, film per pacciamatura, stoviglie usa e getta sono realizzati con il materiale risultante. La loro creazione e produzione cresce attivamente ogni anno.

Biodegradabilità dei polimeri industriali

Questo problema è abbastanza rilevante. I polimeri biodegradabili, esempi dei quali sono stati citati sopra per le reazioni con l'ambiente, non dureranno nemmeno un anno nell'ambiente. Mentre i materiali industriali possono inquinarlo per decenni e persino secoli. Tutto questo vale per polietilene, polipropilene, polivinilcloruro, polistirene, polietilene tereftalato. Pertanto, ridurre il tempo del loro degrado è un compito importante.

Per raggiungere questo risultato, ci sono diverse soluzioni possibili. Uno dei metodi più comuni è l'introduzione di additivi speciali nella molecola del polimero. E al calore o alla luce, il processo della loro decomposizione è accelerato. Questo è adatto per stoviglie usa e getta, bottiglie, imballaggi e film agricoli, borse. Ma, ahimè, ci sono anche problemi.

La prima è che gli additivi devono essere usati in modo tradizionale: stampaggio, colata, estrusione. In questo caso, i polimeri non dovrebbero decomporsi, sebbene siano soggetti alla temperaturain lavorazione. Inoltre, gli additivi non dovrebbero accelerare la decomposizione dei polimeri alla luce e consentire anche la possibilità di un uso a lungo termine. Cioè, è necessario assicurarsi che il processo di degrado inizi in un determinato momento. È molto difficile. Il processo tecnologico prevede l'aggiunta dell'1-8% di additivi (ad esempio viene introdotto l'amido precedentemente discusso) nell'ambito di un piccolo metodo di lavorazione tipico, quando il riscaldamento della materia prima non supera i 12 minuti. Ma allo stesso tempo, è necessario assicurarsi che siano distribuiti uniformemente su tutta la massa polimerica. Tutto ciò consente di mantenere il periodo di degrado compreso tra nove mesi e cinque anni.

Prospettive di sviluppo

Sebbene l'uso di polimeri biodegradabili stia guadagnando slancio, ora rappresentano una misera percentuale del mercato totale. Tuttavia, hanno ancora trovato un'applicazione piuttosto ampia e stanno diventando sempre più popolari. Già ora sono abbastanza ben radicati nella nicchia del confezionamento alimentare. Inoltre, i polimeri biodegradabili sono ampiamente utilizzati per bottiglie, tazze, piatti, ciotole e vassoi usa e getta. Si sono affermati sul mercato anche sotto forma di sacchi per la raccolta e successivo compostaggio dei rifiuti alimentari, sacchi per supermercati, pellicole agricole e cosmetici. In questo caso possono essere utilizzate apparecchiature standard per la produzione di polimeri biodegradabili. Per i loro vantaggi (resistenza al degrado in condizioni normali, bassa barriera al vapore acqueo e all'ossigeno, nessun problema con lo sm altimento dei rifiuti, indipendenza dalle materie prime petrolchimiche), continuano a vinceremercato.

Tra i principali svantaggi, bisogna ricordare le difficoltà della produzione su larga scala e il costo relativamente alto. Questo problema, in una certa misura, può essere risolto con sistemi di produzione su larga scala. Il miglioramento della tecnologia consente inoltre di ottenere materiali più durevoli e resistenti all'usura. Inoltre, va notato che c'è una forte tendenza a puntare su prodotti con il prefisso "eco". Ciò è facilitato sia dai media che dal governo e dai programmi di supporto internazionali.

Le misure di conservazione vengono gradualmente rafforzate, con il risultato che alcuni prodotti tradizionali in plastica sono stati banditi in alcuni paesi. Ad esempio, i pacchetti. Sono vietati in Bangladesh (dopo che sono stati trovati per intasare i sistemi di drenaggio e causare gravi inondazioni due volte) e in Italia. A poco a poco arriva la realizzazione del vero prezzo che deve essere pagato per decisioni sbagliate. E capire che è necessario garantire la sicurezza dell'ambiente porterà a sempre più restrizioni sulla plastica tradizionale. Fortunatamente, c'è una richiesta per il passaggio a materiali ancora più costosi, ma rispettosi dell'ambiente. Inoltre, i centri di ricerca in molti paesi e le grandi aziende private sono alla ricerca di tecnologie nuove e più economiche, il che è una buona notizia.

Conclusione

Quindi abbiamo considerato cosa sono i polimeri biodegradabili, i metodi di produzione e la portata di questi materiali. C'è una costantemiglioramento e miglioramento delle tecnologie. Speriamo quindi che nei prossimi anni il costo dei polimeri biodegradabili raggiunga davvero il livello dei materiali ottenuti con metodi tradizionali. Dopodiché, il passaggio a sviluppi più sicuri e rispettosi dell'ambiente sarà solo questione di tempo.