Перспективы использования биодеградируемых полимерных материалов для производства гибкой упаковки

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.

© Е. И. Алексеев - студент КНИТУ; Р. З. Хайруллин - к.б.н., доц. каф. пром. безопасности КНИТУ, khayrullinrz@gmail.com; В. В. Янов - к.т.н., доц. каф. технологии синтетического каучука КНИТУ.

© 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.