Biyobozunur polimerler: kavram, özellikler, hazırlama yöntemleri ve reaksiyon örnekleri

2024 Yazar: Howard Calhoun | [email protected]. Son düzenleme: 2023-12-17 10:43

Son on yılda, adına "biyo" ön eki eklenen ürünlerin popülerlik kazandığını fark edebilirsiniz. Ürünün insanlar ve doğa için güvenli olduğu konusunda bilgilendirme amaçlıdır. Medya tarafından aktif olarak desteklenmektedir. Hatta saçma geldi - bir içecek seçerken, biyokefirin en iyisi olduğunu düşünüyorlar ve biyoyakıt artık yağa alternatif değil, çevre dostu bir ürün. Ve kozmetiklerin "mucizeler" yaratmasını sağlayan biyo-özütleri de unutmayın.

Genel bilgi

Şimdi ciddileşelim. Çoğu zaman, yollar boyunca hareket ederken, kendiliğinden çöplükler görebilirsiniz. Ayrıca, insan atıklarının depolandığı tam teşekküllü depolama alanları da bulunmaktadır. Fena değil gibi görünüyor, ancak bir eksi var - çok uzun ayrışma süresi. Bunu düzeltmenin çok sayıda yolu vardır - bu, çöplerin geri dönüştürülmesi ve ayrıştırıcıları hızla yok eden daha az zararlı malzemelerin kullanılmasıdır. İkinci vaka hakkında konuşalım.

Burada birçok nokta var. Ambalaj, lastik, cam, kimya endüstrisinin türevleri. Hepsi gerektirirdikkat. Ancak, belirli bir evrensel tarif yoktur. Bu nedenle özellikle çevre kirliliğinin önlenmesinin ne ve nasıl sağlanacağını bilmek gerekir.

Biyobozunur polimerler, plastik atık bertarafı sorununa bir yanıt olarak geliştirildi. Hacimlerinin her yıl arttığı bir sır değil. Biyopolimer kelimesi ayrıca kıs altılmış isimleri için de kullanılır. Onların özelliği nedir? Fiziksel faktörlerin ve mikroorganizmaların - mantar veya bakteri - etkisi nedeniyle ortamda ayrışabilirler. Tüm kütlesi altı ay içinde su veya toprakta emilirse bir polimer kabul edilir. Bu kısmen atık sorununu çözer. Aynı zamanda, ayrışma ürünleri elde edilir - su ve karbondioksit. Başka bir şey varsa, güvenlik ve toksik maddelerin varlığı araştırılmalıdır. Ayrıca ekstrüzyon, şişirme, termoform ve enjeksiyonlu kalıplama gibi çoğu standart plastik üretim teknolojisiyle geri dönüştürülebilirler.

Hangi alanlar üzerinde çalışıyoruz?

Biyobozunur polimerler elde etmek oldukça zahmetli bir iştir. Güvenli malzeme elde etmeyi mümkün kılan teknolojilerin geliştirilmesi, Amerika Birleşik Devletleri'nde, Avrupa kıtasında, Japonya, Kore ve Çin'de aktif olarak gerçekleştirilmektedir. Ne yazık ki, Rusya'da sonuçların tatmin edici olmadığı belirtilmelidir. Plastiklerin biyolojik olarak parçalanması ve yenilenebilir hammaddelerden üretilmesi için bir teknoloji yaratmak pahalı bir zevktir. Buna ek olarak, ülke hala polimer üretimi için yeterli petrole sahip. Ama her şeyaynı, üç ana yön ayırt edilebilir:

1. Hidroksikarboksilik asitlere dayalı biyolojik olarak parçalanabilen polyesterlerin üretimi.
2. Tekrarlanabilir doğal içeriklere dayalı plastikler yaratmak.
3. Endüstriyel polimerler biyolojik olarak parçalanabilir hale gelir.

Peki ya pratikte? Biyobozunur polimerlerin nasıl yapıldığına daha yakından bakalım.

Bakteriyel polihidroksialkanoatlar

Mikroorganizmalar genellikle besin karbonlarının bulunduğu ortamlarda büyür. Bu durumda, fosfor veya azot eksikliği vardır. Bu gibi durumlarda mikroorganizmalar polihidroksialkanoatları sentezler ve biriktirir. Karbon (gıda depoları) ve enerji rezervi olarak hizmet ederler. Gerekirse polihidroksialkanoatları parçalayabilirler. Bu özellik, bu gruptaki malzemelerin endüstriyel üretimi için kullanılır. Bizim için en önemlileri polihidroksi butirat ve polihidroksi valerattır. Bu nedenle, bu plastikler biyolojik olarak parçalanabilir. Aynı zamanda ultraviyole radyasyona dayanıklı alifatik polyesterlerdir.

Su ortamında yeterli stabiliteye sahip olmalarına rağmen deniz, toprak, kompostlama ve geri dönüşüm ortamlarının biyolojik bozulmalarına katkıda bulunduğuna dikkat edilmelidir. Ve oldukça hızlı gerçekleşir. Örneğin, kompostun nemi %85 ve 20-60 santigrat derece ise, karbon dioksit ve suya ayrışması 7-10 hafta sürecektir. Polihidroksialkanoatlar nerede kullanılır?

Onlarbiyolojik olarak parçalanabilen ambalaj ve dokunmamış malzemeler, tek kullanımlık mendiller, lifler ve filmler, kişisel bakım ürünleri, karton ve kağıt için su geçirmez kaplamaların imalatında kullanılır. Kural olarak, oksijeni geçirebilirler, agresif kimyasallara karşı dirençlidirler, göreceli termal stabiliteye sahiptirler ve polipropilen ile karşılaştırılabilir bir mukavemete sahiptirler.

Biyobozunur polimerlerin dezavantajlarından bahsetmişken, çok pahalı olduklarını da belirtmek gerekir. Bir örnek Biopol'dür. Geleneksel plastikten 8-10 kat daha pahalıdır. Bu nedenle sadece tıpta, bazı parfümlerin ve kişisel bakım ürünlerinin ambalajlanmasında kullanılmaktadır. Polihidroksialkanoatlar arasında daha popüler olanı, şekerli mısır nişastasından elde edilen mireldir. Avantajı nispeten düşük maliyetlidir. Ancak yine de fiyatı geleneksel düşük yoğunluklu polietilenin iki katıdır. Aynı zamanda, hammaddeler maliyetin %60'ını oluşturmaktadır. Ve ana çabalar ucuz muadillerini bulmayı amaçlıyor. Söz konusu ihtimal buğday, çavdar, arpa gibi tahılların nişastasıdır.

Polilaktik asit

Ambalaj için biyolojik olarak parçalanabilen polimerlerin üretimi de polilaktit kullanılarak gerçekleştirilir. Aynı zamanda polilaktik asittir. Neyi temsil ediyor? Laktik asidin yoğunlaştırma ürünü olan lineer bir alifatik polyesterdir. Polilaktidin bakteriler tarafından yapay olarak sentezlendiği bir monomerdir. Bakteri yardımıyla üretiminin geleneksel yönteme göre daha kolay olduğu unutulmamalıdır. Ne de olsa polilak titler, teknolojik olarak basit bir işlemle mevcut şekerlerden bakteriler tarafından oluşturulur. Polimerin kendisi, aynı bileşime sahip iki optik izomerin bir karışımıdır.

Ortaya çıkan madde oldukça yüksek bir termal stabiliteye sahiptir. Böylece vitrifikasyon 90 santigrat derece sıcaklıkta gerçekleşirken, erime 210-220 santigrat derece arasında gerçekleşir. Ayrıca polilaktit UV ışınlarına dayanıklıdır, hafif yanıcıdır ve yanarsa az miktarda duman çıkar. Termoplastiklere uygun tüm yöntemler kullanılarak işlenebilir. Polilaktitten elde edilen ürünler yüksek rijitliğe, parlaklığa ve şeffaflığa sahiptir. Plakalar, tepsiler, film, elyaf, implantlar (tıpta biyolojik olarak parçalanabilen polimerler bu şekilde kullanılır), kozmetik ve gıda ürünleri için ambalajlar, su, meyve suyu, süt için şişeler (ancak gazlı içecekler için değil, çünkü malzeme geçer) yapmak için kullanılırlar. karbon dioksit). Kumaşların, oyuncakların, cep telefonu kılıflarının ve bilgisayar farelerinin yanı sıra. Gördüğünüz gibi, biyolojik olarak parçalanabilen polimerlerin kullanımı çok geniştir. Ve bu sadece gruplarından biri için!

Polilaktik asit üretimi ve biyolojik bozunması

İlk kez, 1954'te üretimi için bir patent verildi. Ancak bu biyoplastiğin ticarileşmesi ancak 21. yüzyılın başında - 2002'de başladı. Buna rağmen, üretimiyle uğraşan çok sayıda şirket var - sadece Avrupa'da 30'dan fazlası var. Önemli bir avantajpolilaktik asit nispeten düşük maliyetlidir - zaten polipropilen ve polietilen ile neredeyse eşit bir temelde rekabet eder. Zaten 2020'de polilaktidin onları dünya pazarında zorlamaya başlayabileceği varsayılıyor. Biyolojik olarak parçalanabilirliğini arttırmak için genellikle nişasta eklenir. Bu da ürünün fiyatını olumlu etkiler. Doğru, ortaya çıkan karışımlar oldukça kırılgandır ve nihai ürünü daha elastik hale getirmek için sorbitol veya gliserin gibi plastikleştiricilerin bunlara eklenmesi gerekir. Soruna alternatif bir çözüm, diğer bozunabilir polyesterlerle bir alaşım oluşturmaktır.

Polilaktik asit iki adımda ayrışır. İlk olarak, ester grupları su ile hidrolize edilir, bu da laktik asit ve birkaç başka molekülün oluşumu ile sonuçlanır. Daha sonra belirli bir ortamda mikropların yardımıyla ayrışırlar. Polilaktidler 20-90 gün içinde bu işleme tabi tutulur ve sonrasında geriye sadece karbondioksit ve su kalır.

Nişasta modifikasyonu

Doğal hammaddeler kullanıldığında iyidir, çünkü bunun için kaynaklar sürekli yenilenir, bu nedenle pratik olarak sınırsızdır. Nişasta bu konuda en geniş popülerliği kazanmıştır. Ancak bir dezavantajı var - nemi emme kabiliyeti arttı. Ancak ester üzerindeki hidroksil gruplarının bir kısmını fark ederseniz bu önlenebilir.

Kimyasal işlem, polimerin parçaları arasında ısı direncini, kararlılığı artırmaya yardımcı olan ek bağlar oluşturmanıza olanak tanırasitlere ve kesme kuvvetine. Sonuç, modifiye nişasta, biyolojik olarak parçalanabilen bir plastik olarak kullanılır. İki ayda kompostta 30 derecede ayrışır, bu da onu son derece çevre dostu yapar.

Malzemenin maliyetini az altmak için talk ve polivinil alkol ile karıştırılmış ham nişasta kullanılır. Sıradan plastikle aynı ekipman kullanılarak üretilebilir. Modifiye nişasta ayrıca geleneksel teknikler kullanılarak boyanabilir ve basılabilir.

Lütfen bu malzemenin doğası gereği antistatik olduğunu unutmayın. Nişastanın dezavantajı, fiziksel özelliklerinin genellikle petrokimyasal olarak üretilen reçinelerden daha düşük olmasıdır. Yani polipropilen ve ayrıca yüksek ve düşük basınçlı polietilen. Yine de piyasada uygulanıyor ve satılıyor. Bu nedenle, gıda ürünleri, tarım filmleri, ambalaj malzemeleri, çatal bıçak takımı için paletlerin yanı sıra meyve ve sebzeler için ağlar yapmak için kullanılır.

Diğer doğal polimerleri kullanma

Bu nispeten yeni bir konu - biyolojik olarak parçalanabilen polimerler. Akılcı doğa yönetimi bu alanda yeni keşiflere katkıda bulunur. Biyobozunur plastiklerin üretiminde pek çok başka doğal polisakkarit kullanılmaktadır: kitin, kitosan, selüloz. Ve sadece ayrı ayrı değil, aynı zamanda kombinasyon halinde. Örneğin, kitosan, mikroselüloz lifi ve jelatinden mukavemeti arttırılmış bir film elde edilir. Ve eğer onu toprağa gömersen, o zaman çabucakmikroorganizmalar tarafından parçalanır. Paketleme, tepsi ve benzeri eşyalar için kullanılabilir.

Ayrıca, selülozun dikarboksilik anhidritler ve epoksi bileşikleri ile kombinasyonları oldukça yaygındır. Güçleri, dört hafta içinde parçalanmalarıdır. Elde edilen malzemeden şişeler, malçlama filmleri, tek kullanımlık sofra takımları yapılır. Yaratılışları ve üretimleri her yıl aktif olarak büyüyor.

Endüstriyel polimerlerin biyolojik olarak parçalanabilirliği

Bu sorun oldukça alakalı. Yukarıda çevre ile reaksiyonları için örnekleri verilen biyobozunur polimerler, çevrede bir yıl bile dayanmaz. Oysa endüstriyel malzemeler onu on yıllar ve hatta yüzyıllar boyunca kirletebilir. Bütün bunlar polietilen, polipropilen, polivinil klorür, polistiren, polietilen tereftalat için geçerlidir. Bu nedenle, bozulma sürelerini az altmak önemli bir görevdir.

Bu sonucu elde etmek için birkaç olası çözüm vardır. En yaygın yöntemlerden biri, polimer molekülüne özel katkı maddelerinin eklenmesidir. Ve ısıda veya ışıkta, ayrışma süreci hızlanır. Tek kullanımlık sofra takımları, şişeler, ambalajlar ve tarım filmleri, çantalar için uygundur. Ama ne yazık ki sorunlar da var.

İlki, katkı maddelerinin geleneksel yöntemlerle - kalıplama, döküm, ekstrüzyon - kullanılması gerektiğidir. Bu durumda polimerler sıcaklığa maruz kalmalarına rağmen bozunmamalıdır.işleme. Ayrıca katkı maddeleri, polimerlerin ışıkta bozunmasını hızlandırmamalı ve bunun altında uzun süreli kullanım imkanına da izin vermelidir. Yani bozulma sürecinin belirli bir anda başladığından emin olmak gerekir. Bu çok zor. Teknolojik işlem, hammaddenin ısıtılması 12 dakikayı geçmediğinde, küçük bir tipik işleme yönteminin bir parçası olarak %1-8 katkı maddelerinin (örneğin, daha önce tartışılan nişasta eklenir) eklenmesini içerir. Ancak aynı zamanda, polimer kütlesi boyunca eşit olarak dağılmalarını sağlamak gerekir. Bütün bunlar, bozulma süresini dokuz aydan beş yıla kadar tutmayı mümkün kılar.

Geliştirme için beklentiler

Biyobozunur polimerlerin kullanımı hız kazansa da, bunlar artık toplam pazarın küçük bir yüzdesini oluşturuyor. Ancak yine de oldukça geniş bir uygulama buldular ve giderek daha popüler hale geliyorlar. Şimdiden, gıda ambalajının nişine oldukça iyi yerleşmiş durumdalar. Ek olarak, biyolojik olarak parçalanabilen polimerler tek kullanımlık şişeler, bardaklar, tabaklar, kaseler ve tepsiler için yaygın olarak kullanılmaktadır. Ayrıca gıda atıklarının toplanması ve daha sonra kompost haline getirilmesi için torbalar, süpermarketler için torbalar, tarım filmleri ve kozmetik ürünleri şeklinde piyasada yer edinmişlerdir. Bu durumda biyolojik olarak parçalanabilen polimerlerin üretimi için standart ekipman kullanılabilir. Avantajları (normal koşullar altında bozulmaya karşı direnç, su buharı ve oksijene karşı düşük bariyer, atık bertarafında sorun olmaması, petrokimyasal hammaddelerden bağımsızlık) nedeniyle kazanmaya devam ediyorlar.pazar.

Temel dezavantajlardan, büyük ölçekli üretimin zorluklarını ve nispeten yüksek maliyetini hatırlamak gerekir. Bu sorun, bir dereceye kadar, büyük ölçekli üretim sistemleri ile çözülebilir. Teknolojinin geliştirilmesi, daha dayanıklı ve aşınmaya dayanıklı malzemelerin elde edilmesini de mümkün kılıyor. Ek olarak, "eco" ön ekine sahip ürünlere odaklanma konusunda güçlü bir eğilim olduğu belirtilmelidir. Bu, hem medya hem de hükümet ve uluslararası destek programları tarafından kolaylaştırılmaktadır.

Koruma önlemleri kademeli olarak sıkılaştırılıyor, bu da bazı ülkelerde bazı geleneksel plastik ürünlerin yasaklanmasına neden oluyor. Örneğin, paketler. Bangladeş'te (drenaj sistemlerini tıkadıkları ve iki kez büyük sellere neden oldukları tespit edildikten sonra) ve İtalya'da yasaklandılar. Yavaş yavaş, yanlış kararlar için ödenmesi gereken gerçek bedelin farkına varılır. Ve çevrenin güvenliğini sağlamanın gerekli olduğunu anlamak, geleneksel plastik üzerinde giderek daha fazla kısıtlamaya yol açacaktır. Neyse ki, daha pahalı ancak çevre dostu malzemelere geçiş için bir talep var. Ayrıca birçok ülkedeki araştırma merkezleri ve büyük özel şirketler yeni ve daha ucuz teknolojiler arıyor, bu da iyi bir haber.

Sonuç

Biyobozunur polimerlerin neler olduğunu, üretim yöntemlerini ve bu malzemelerin kapsamını inceledik. bir sabit varteknolojilerin iyileştirilmesi ve iyileştirilmesi. Öyleyse, önümüzdeki yıllarda biyolojik olarak parçalanabilen polimerlerin maliyetinin gerçekten de geleneksel yöntemlerle elde edilen malzemeleri yakalayacağını umalım. Bundan sonra, daha güvenli ve daha çevre dostu gelişmelere geçiş sadece bir zaman meselesi olacak.