Перспективы использования биодеградируемых полимерных материалов для производства гибкой упаковки

Алексеев Е.И.; Хайруллин Р.З.; Янов В.В.

УДК 621.798

Е. И. Алексеев, Р. З. Хайруллин, В. В. Янов ПЕРСПЕКТИВЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ БИОДЕГРАДИРУЕМЫХ ПОЛИМЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ

ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА ГИБКОЙ УПАКОВКИ

Ключевые слова: биодеградируемые полимеры, упаковочные материалы, полимерные отходы.

Рассмотрены основные стадии разложения биополимеров. Приведены перспективные направления повышения способности полимерных упаковочных материалов к биодеградации.

Keywords: biodegradable polymers, packaging materials, plastic waste.

Main stage of decomposition of biopolymers are considered. Perspective ways for improving the ability of polymeric packaging materials to biodegradation are shown.

В настоящее время наблюдается существенный рост производства упаковочных материалов, в том числе изготовленных из полимерных материалов. Однако полимерной упаковке присущ и ряд недостатков, самым существенным из которых является длительный срок разложения после утилизации. Так бумага разлагается в среднем от 2 до 5 лет, деревянные изделия - до 10 лет, железные банки - около 12 лет, жестяные банки - около 95 лет, алюминиевые - около 520 лет, изделиям из полиэтилена требуется не менее 500 лет для полного разложения. В то же время биополимеры в компосте разлагаются менее чем за 6 месяцев.

С каждым годом всё острее встает проблема утилизации использованных полимерных

упаковочных материалов, так как, скапливаясь в больших количествах, они наносят ощутимый вред состоянию окружающей среды. Сжигание или пиролиз полимерных отходов в некоторой степени решает проблему скопления их на полигонах, однако не способствует улучшению общей экологической обстановки. Вторичная переработка полимерных отходов более экологична, но в данном случае требуются значительные трудовые и энергетические затраты на сортировку полимерных материалов и их последующую переработку. Необходимо отметить, что рециклинг полимеров проводится ограниченное количество раз, после чего снова встает проблема захоронения либо сжигания данных материалов.

В последние годы всё более активно развивается направление по разработке, так называемой, биодеградируемой упаковки, под которой подразумевают упаковочный материал, сохраняющий свои свойства до момента утилизации, а затем в течение достаточно короткого времени полностью разлагающейся в почве. Иначе говоря, биодеградируемые материалы должны сохранять эксплуатационные характеристики только в течение периода потребления, а затем претерпевать физико-химические превращения под действием факторов окружающей среды, т.е. превращаться в безопасные для человека и природы вещества [1, 2].

Биоразлагаемые полимерные материалы -композиционные полимерные материалы, которые полностью разлагаются под действием микроорганизмов на воду, углекислый газ и биомассу. В зависимости от влажности, температуры и типа

полимера разложение идет с разной скоростью. Микроорганизмы (бактерии, грибы, водоросли) используют такие полимеры как источник органических соединений и источник энергии. Другими словами такие материалы представляют собой «пищу» для микроорганизмов (рис. 1).

Рис. 1 - Общая схема деструкции биополимера

Установлено, что в основе процесса биоразложения лежат химические реакции, условно разделяющиеся на 2 типа: реакции, основанные на окислении и реакции, основанные на гидролизе. Эти реакции могут протекать как последовательно, так и одновременно [3].

Для биополимеров разложение протекает в два этапа:

1. Под действием биохимических или физических факторов происходит разрушение полимерной цепочки, иногда даже вплоть до мономеров;

2. Усвоение остатков биоорганизмами и выделение их в виде метана, углекислого газа, воды, биомассы.

В настоящее время разработка биодеструктируемых полимеров для производства упаковочных материалов ведется по следующим перспективным направлениям:

1. Производство биоразлагаемых полиэфиров на основе гидроксокарбоновых кислот. Одним из перспективных направлений в данной области является линейный алифатический полиэфир -полилактид, представляющий собой продукт конденсации молочной кислоты. Его получают как синтетическими методами, так и ферментативным

брожением декстрозы сахара или мальтозы сусла зерна и картофеля. Полилактид достаточно термически устойчив, прочен, прозрачен, не разрушается под действием ультрафиолета, а также имеет высокий модуль упругости при растяжении [3]. Из него получаются изделия с хорошими эксплуатационными характеристиками, однако использование его для изготовления тары для газированных напитков ограничено, так как он пропускает молекулы углекислого газа;

2. Придание биоразлагаемости искусственным полимерам путем наполнения их различными добавками, в качестве которых наиболее часто используют такие органические наполнители как крахмал, целлюлозу, амилозу, амилопектин, декстрин, а также натуральный каучук (очищенный и неочищенный), что позволяет повысить способность к биодеградции полученных композиционных материалов. В данном случае большое значение имеет совместимость компонентов между собой, поэтому необходимо предварительно подобрать их оптимальные соотношения, а также в случае необходимости использовать компатибилизаторы;

3. Производство биополимеров на основе воспроизводимых природных компонентов. Наиболее широко для производства биодеградируемых упаковочных материалов используется крахмал, который в достаточно больших количествах содержится в таких растениях как картофель и кукуруза.

Таким образом, биодеградируемые полимерные композиты имеют большие перспективы использования в качестве упаковочных материалов, так как в процессе их утилизации после использования они разлагаются на безопасные для человека вещества; при производстве упаковочных материалов нет необходимости в существенной

перенастройке технологических линий - их делают на тех же самых машинах, которые производят обычные полимеры теми же самыми методами, такими как экструзия, инжектирование, ламинирование; биодеструктируемые

композиционные материалы не уступают по своим физическим свойствам традиционным полимерам, а также имеется возможность их производства из возобновляемых природных ресурсов.

Заключение

Биодеградируемые композиционные материалы составляют пока небольшую долю рынка пластмасс из-за высокой стоимости и ограниченных возможностей для крупнотоннажного производства. Однако снижение экологической нагрузки, наблюдаемое при использовании данных материалов в качестве сырья для производства упаковки, открывает перспективы для их использования не только в качестве гибких упаковочных материалов, но и в различных областях медицины и сельского хозяйства.

Литература

1. Хайруллин, Р.З. Биодеструкция полимерных смесей полипропилен-полиамидоэфир/ Р.З. Хайруллин, А.В. Иванова, В.П. Архиреев// Вестник Казанского технол. университета. -2008. -№4. -С.83-88.

2. Загрутдинова, А.К. Электретные биоразлагаемые материалы на основе полиэтилена высокого давления и хитозана/ А.К. Загрутдинова, А.А. Гужова, Р.З. Хайруллин// Вестник Казанского технол. университета. -2014. -Т.17. -№ 14. -С.281-283.

3. Кржан, А. Биоразлагаемые полимеры и пластики/ А.Кржан // Plastice. -С. 2-3.

4. Тасекеев, М.С. Производство биополимеров как один из путей решения проблем экологии и АПК / М.С Тасекеев, Л.М Еремеева. -Алматы: -2009. -С.25-26.

© E. 1 Alekseev - student of KNRTU; R. Z. Khayrullin - Ph.D, associate professor of the Industrial Safety Department of KNRTU, khayrullinrz@gmail.com; V. V Yanov - Ph.D, associate professor of Department of Synthetic Rubber Technology of KNRTU.

Аннотация научной статьи по промышленным биотехнологиям, автор научной работы — Алексеев Е. И., Хайруллин Р. З., Янов В. В.

Похожие темы научных работ по промышленным биотехнологиям , автор научной работы — Алексеев Е. И., Хайруллин Р. З., Янов В. В.

Текст научной работы на тему «Перспективы использования биодеградируемых полимерных материалов для производства гибкой упаковки»