Кіріспе

Жаңартылатын биомасса көздерінен алынған пластмасса Жаңартылатын биомасса көздерінен жасалған пластмасса Биопластмасса - өсімдік майлары мен майлары, жүгері крахмалы, сабан, ағаш сынықтары, пісіру шашы, қайта өңделген азық-түлік қалдықтары және т.б. сияқты жаңартылатын биомасса көздерінен өндірілген пластмасса материалдар. Кейбір биопластиктер табиғи биополимерлерден (мысалы, крахмал, целлюлоза, хитозан және альгинат) және белоктардан (мысалы, соя ақуызы, глютен және желатин) тікелей өңдеу арқылы алынады, ал басқалары химиялық жолмен қант туындыларынан (мысалы, сүт қышқылы) және өсімдіктерден немесе жануарлардан алынған липидтерден (майлар мен майлар) немесе қанттар мен липидтерді ашыту арқылы биологиялық жолмен жасалады. Ал кәдімгі пластиктер, мысалы, қалдықты отын пластиктері (оларды мұнай негізіндегі полимерлер деп те атайды) мұнайдан немесе табиғи газдан алынады. Биопластиктердің бір артықшылығы - шикізат ретінде, яғни мұнай саясаты мен қоршаған ортаға әсерімен байланысты, шектеулі және әлемде біркелкі бөлінбеген ресурс ретінде, олардың табиғи отыннан тәуелсіздігі. Өмір циклын талдау зерттеулері кейбір биопластиктерді олардың қалдықтарына қарағанда көміртегі шығарындысы төмен болуы мүмкін екенін көрсетеді, мысалы, биомасса шикізат ретінде, сондай-ақ энергия өндіру үшін пайдаланылған кезде. Алайда, басқа биопластиктердің процестері тиімділігі төмен және олардың көміртегі көздері фоссилді пластмассаға қарағанда жоғары. Қазба емес (био) пластик пен қазба пластик арасындағы айырмашылық шектеулі, өйткені мұнай сияқты материалдар тек қазбаланған биомасса болып табылады. Осылайша, пластиктің қандай да бір түрі ыдырайды немесе ыдырайды емес (тұрақты) дегені оның молекулалық құрылымына байланысты, шикізатты құрайтын биомассаның фоссильденгеніне емес. Био-ПЕТ немесе биополиэтилен (полиэтилен терефталат пен полиэтиленнің биологиялық аналогтары) сияқты тұрақты биопластиктер де, полилакты қышқылы, полибутилен сукцинаты немесе полигидроксиалканоаттар сияқты ыдырайтын биопластиктер де бар. Биопластиктерді пластикалық ластанудан аулақ болу үшін, фоссилді пластиктерге ұқсас қайта өңдеу керек; "сату" биопластиктер (мысалы, биополиэтилен) қолданыстағы қайта өңдеу ағыстарына сәйкес келеді. Екінші жағынан, қазіргі қайта өңдеу ағынында биологиялық ыдырайтын биопластиктерді қайта өңдеу қосымша қиындықтар тудырады, өйткені ол сұрыптау шығындарын арттырып, қайта өңделген өнімнің өнімділігі мен сапасын төмендетеді. Алайда биологиялық ыдырау биологиялық ыдырайтын биопластмассаны пайдалану мерзімі аяқталғаннан кейін ғана лақтырып тастаудың жалғыз қолайлы жолы емес, сонымен қатар механикалық және химиялық қайта өңдеу көбінесе экологиялық тұрғыдан қолайлы таңдау болып табылады. Биологиялық ыдырау белгілі бір қолданбаларда, мысалы ауыл шаруашылығы мальчисінде өмір сүрудің аяқталуын ұсына алады, бірақ биологиялық ыдырау түсінігі көпшіліктің ойындай қарапайым емес. Биологиялық ыдырауға бейімділік полимердің химиялық негізгі құрылымына қатты тәуелді, әр түрлі биопластиктердің құрылымы әр түрлі, сондықтан қоршаған ортадағы биопластиктердің тез ыдырайды деп болжауға болмайды. Керісінше, биологиялық ыдырайтын пластикті де, табиғи отыннан синтездеуге болады. 2018 жылы биопластмасса әлемдік пластик өнімінің шамамен 2%-ын құрады (>380 млн. тонна). Биопластикалық өнімдер бойынша зерттеулер жалғасып, биопластикалық компанияларға инвестиция салу және фоссилді негізіндегі пластмассаны бақылаудың артуымен биопластикалық өнімдер кейбір нарықтарда басымдыққа ие болып келеді, ал фоссилді пластмасса өнімінің көлемі де тұрақты түрде артып келеді.

Ұсынылған қосымшалар

Биопластиктерді коммерциялық қолдану өте аз. Шығын мен өнімділік проблемалы болып қала береді. Италияның мысалы жақсы, онда 2011 жылдан бастап сатып алушыларға биологиялық ыдысқа айналатын пластикалық қаптар міндетті түрде беріледі. Құрылымдық материалдардан басқа, электр тоғын тасымалдауға мүмкіндік беретін электрлік биопластиктер әзірленуде. Биопластикті бір рет пайдаланылатын бұйымдар үшін, мысалы, қаптамалар, ыдыс-аяқ, ас-аяқ, ыдыстар, табақтар мен сабандар үшін пайдаланады. Биополимерлер кең таралған мұнай-химиялық қаптамалар емес, қағаз үшін қаптама ретінде қол жетімді. Биопластиктер деп аталатын биопластиктер химиялық жағынан олардың қалдықты отынмен жасалатын аналогтарына ұқсас, бірақ жаңартылатын ресурстардан жасалады. Мысалы, био-ПЭ, био-ПЕТ, био-пропилен, био-ПП және био-нейлон. Биопластиктерді азайтуды техникалық тұрғыдан жүзеге асыру оңай, өйткені қолданыстағы инфрақұрылымды пайдалануға болады. Биологиялық негіздегі арнаулы жол дәстүрлі химиялық реакциялар арқылы алына алмайтын өнімдерді өндіруге мүмкіндік береді және фоссилді негіздегі баламаларға қарағанда бірегей және жоғары қасиеттерге ие өнімдерді жасауға мүмкіндік береді. Қарапайым крахмал биопластикалық пленкасын үйде крахмалды желатинизациялау және ерітінді құю арқылы жасауға болады. Таза крахмал ылғалды сіңіре алады, сондықтан ол фармацевтикалық секторда дәрілік заттардың капсулаларын өндіруге арналған қолайлы материал болып табылады. Алайда, таза крахмалдан жасалған биопластик сынық. Сонымен қатар, крахмал термопластикалық жолмен өңделуі үшін глицерин, гликоль және сорбитол сияқты пластикаторларды қосуға болады. Нәтижесінде пайда болатын биопластиктің (сонымен қатар "термопластикалық крахмал" деп те аталады) сипаттамаларын осы қоспалардың мөлшерін түзету арқылы нақты қажеттіліктерге сәйкес келтіруге болады. Кәдімгі полимерлерді өңдеу әдістері, мысалы экструзия, инъекциялық қалыптау, компрессиялық қалыптау және ерітінді құю сияқты крахмалды биопластикке өңдеу үшін пайдаланылуы мүмкін. Алайда, жоғары амилозды крахмалдың өңдеу қабілеті төмен, өйткені оның гелатинизациялау температурасы жоғары және балқыту тұтқырлығы жоғары. Қышқыл негізіндегі биопластиктерді көбінесе биологиялық ыдырайтын полиэстерлермен араластырып, қышқыл / полимінекті қышқыл, қышқыл / поликапролактон немесе қышқыл / Ecoflex (BASF өндіретін полибутилен адипат котерефталаты) қоспаларын жасайды. Бұл қоспалар өнеркәсіптік мақсаттарда қолданылады және олар компостауға да жарамды. Roquette сияқты басқа өндірушілер крахмал мен полиолефин қоспаларын да әзірледі. Бұл қоспалар биологиялық ыдырай алмайды, бірақ мұнайдан жасалған пластмассадан гөрі көміртегі шығаратын жері аз. Ашытқы арзан, көптеп кездеседі және қайта жаңғыртылуы мүмкін. Қышқыл негізіндегі пленкалар (негізінен таңбалау мақсаттарында пайдаланылады) негізінен термопластикалық полиэстерлермен араластырылған қышқылдан биологиялық ыдырайтын және компостауға болатын өнімдерді жасау үшін жасалады. Бұл пленкалар, әсіресе, тұтыну тауарларының, журналдардың орамалары мен көпіршікті пленкалардың таңбаларында кездеседі. Тамақтарды қаптау кезінде бұл пленкалар нан пісіру немесе жеміс-жидек пен көкөніс пакеттері ретінде көрінеді. Бұл пленкалар органикалық қалдықтарды іріктеп жинау кезінде пайдаланылады. Крахмалға негізделген нанокомпозиттер механикалық қасиеттері жақсарғанын, жылу тұрақтылығын, ылғалға төзімділігін және газ кедергісі қасиеттерін көрсеткен кеңінен зерттелді.

Целюлоза негізіндегі пластмасса

Целлюлоза биопластмассалары негізінен целлюлоза эфирлері (целлюлоза ацетаты мен нитроцеллюлозаны қоса алғанда) және олардың туындылары, соның ішінде целлюлоид. Целлюлоза кеңінен өзгертілген кезде термопластикалық бола алады. Бұған мысал ретінде целлюлоза ацетатын аламыз, ол қымбат, сондықтан оны таңбалауға сирек қолданады. Алайда, крахмалға қосылған целлюлозалық талшықтар механикалық қасиеттерін, газға өткізгіштігін және крахмалға қарағанда гидрофилділігі төмен болғандықтан суға төзімділігін жақсарта алады.

Белсенді негізіндегі пластмасса

Биопластикті әр түрлі ақуыздан жасауға болады. Мысалы, бидай глютені мен казеиннің биологиялық ыдырайтын полимерлер үшін шикізат ретінде перспективалы қасиеттері бар. Сонымен қатар, соя ақуызы биопластиктің тағы бір көзі ретінде қарастырылуда. Соя ақуыздары жүз жылдан астам уақыт бойы пластик өндірісінде пайдаланылып келеді. Мысалы, Ford автомобильінің түпнұсқа корпусы соядан жасалған пластмассадан жасалған. Соя ақуыздарына негізделген пластмассаны пайдалануда қиындықтар бар, себебі олар суға сезімтал және салыстырмалы түрде қымбат. Сондықтан соя ақуызын біраз биологиялық ыдырайтын полиэстерлермен араластыру судың сезімталдығын және шығынды арттырады.

Кейбір алифалық полиэстерлер

Алифалық биополиэстерлер негізінен полигидроксиалканоаттар (ПГА), мысалы поли-3 гидроксибутират (ПГБ), полигидроксиваленрат (ПГВ) және полигидроксигексаноат (ПГХ).

Полилакты қышқылы (PLA)

Полилакты қышқылы (ПЛА) - жүгері немесе декстрозадан өндірілетін мөлдір пластик. Оның сыртқы пішіні ПС сияқты мұнай-химиялық негізіндегі кәдімгі пластмассаға ұқсас. Ол өсімдіктерден алынады және өнеркәсіптік компостинг жағдайында биологиялық ыдырайды. Өкінішке орай, ол биологиялық ыдырайтын пластиктерге қарағанда төмен әсер ету беріктігі, жылулық беріктігі және кедергі қасиеттері (мембрана арқылы ауа тасымалын бөлейтін) төмен. PLA және PLA қоспалары көбінесе түйіршіктер түрінде болады. PLA пленкалар, талшықтар, пластикалық ыдыстар, тостағандар мен бөтелкелер өндірісінде шектеулі мөлшерде қолданылады. PLA сонымен қатар 3D принтерлерде үйде балқытылған шөгінділерді модельдеу үшін қолданылатын пластмасса сүтінің ең кең таралған түрі болып табылады.

Поли-3-гидроксибутират

Биополимер поли-3 гидроксибутират (PHB) - глюкозаны, жүгері крахмалын немесе ағынды суды өңдейтін кейбір бактериялар өндіретін полиэстер. Оның қасиеттері петропластикалық полипропиленмен (PP) ұқсас. PHB өндірісі артып келеді. Мысалы, Оңтүстік Американың қант өнеркәсібі PHB өндірісін өнеркәсіптік масштабқа дейін кеңейтуді шешті. PHB негізінен физикалық ерекшеліктерімен ерекшеленеді. Ол 130 градустан жоғары балқу температурасы бар мөлдір пленкаға айналуы мүмкін және қалдықсыз биологиялық ыдырайды.

Полигидроксиалканоаттар

Полигидроксиалканоаттар (ПГА) - табиғатта қант немесе липидтердің бактериялық ашытуымен өндірілетін сызықтық полиэстерлер. Олар көміртегі мен энергияны сақтау үшін бактериялар өндіреді. Өнеркәсіптік өндірісте полиэстерді бактериялардан шығарып, тазалайды, бұл қантты ашыту үшін жағдайды оңтайландыру арқылы жүзеге асырылады. Бұл отбасында 150-ден астам түрлі мономерлер біріктіріліп, ерекше ерекшеліктері бар материалдар алынады. PHA басқа пластмассаларға қарағанда көбірек икемді және иілгішсіз, сонымен қатар биологиялық ыдырайды. Бұл пластиктер медицина саласында кеңінен қолданылады.

Полиамид 11

PA 11 - табиғи мұнайдан алынған биополимер. Ол сондай-ақ Аркема коммерцияланған Rilsan B сауда атауымен белгілі. PA 11 техникалық полимерлер отбасына жатады және биологиялық ыдырай алмайды. Оның қасиеттері PA 12 сияқты, бірақ өндіріс барысында парниктік газдар шығарындылары мен жаңартылмайтын ресурстар тұтыну азаяды. Оның жылулық беріктігі де PA 12-ден жоғары. Ол жоғары өнімділікпен автомобильдерге арналған жанармай желілерінде, пневматикалық ауа тежегіш құбырларында, электр кабельдерін термитке қарсы қаптамада, икемді мұнай және газ құбырларында, бақылау сұйықтығы, спорттық аяқ киім, электрондық құрылғылар компоненттерінде және катетерлерде қолданылады. Дәл осындай пластик - полиамид 410 (PA 410), 70% -ы касторовый майынан алынған, сауда атауы EcoPaXX, DSM саудаға шығарған. PA 410 жоғары балқу температурасының артықшылықтарын біріктіретін жоғары өнімділігі бар полиамид (шамамен 410 °C). 250 °C), ылғалдылықты аз сіңіретін және әртүрлі химиялық заттарға өте жақсы төзімділік.

Биологиялық алынған полиэтилен

Полиэтиленнің негізгі құрылыс блогы (мономері) - этилен. Этилен химиялық жағынан қант шашағы немесе жүгері сияқты ауыл шаруашылығы шикізаттарын ашыту арқылы алынатын этанолға ұқсас және одан алынуы мүмкін. Биологиялық алынған полиэтилен химиялық және физикалық жағынан дәстүрлі полиэтиленмен бірдей, ол биологиялық ыдырай алмайды, бірақ қайта өңделеді. Бразилиялық Braskem химиялық компаниясы өзінің қант тарының этилонынан полиэтилен өндіру әдісін қолдану арқылы өндірілген әрбір тонна көгілдір полиэтилен үшін 2,15 тоннадан алады (орталықтан алып тастайды).

Генетикалық модификацияланған шикізат

ГМО жүгері кең таралған шикізат болғандықтан, біраз биопластиктердің одан жасалғаны таңқаларлық емес. Биопластиктерді өндіру технологияларының аясында "өсімдік фабрикасы" моделі бар, ол тиімділікті оңтайландыру үшін генетикалық модификацияланған дақылдарды немесе генетикалық модификацияланған бактерияларды қолданады.

Полигидроксиуретан

Полиаминдар мен циклді карбонаттардың конденсациясынан полигидроксиуретандар пайда болады. Дәстүрлі тіркесілген полиуретаннан айырмашылығы, тіркесілген полигидроксиуретандар, қағидаты бойынша, динамикалық транскарбамоилдеу реакциялары арқылы қайта өңдеуге және қайта өңдеуге бейім.

Липидтерден алынған полимерлер

Өсімдіктер мен жануарлардан алынған майлар мен майлардан биопластмассаның бірнеше класы синтезделген. Полиуретан, полиэстер, эпоксидті шайырлар және басқа да полимерлер түрлері шикі мұнайға негізделген материалдарға ұқсас қасиеттері бар. Олефин метатезасының жақындағы дамуы биомономерлер мен полимерлерге экономикалық түрлендіруге арналған шикізаттың кең ауқымын ашты. Дәстүрлі өсімдік майы мен арзан микротоқырамалар майының өсіп келе жатқаны осы саланың дамуына үлкен мүмкіндіктер туғызады.

Қоршаған ортаға әсері

Биопластмассаны өндіру үшін тыңайған отын ресурстарын алмастыру үшін крахмал, целлюлоза, ағаш, қант және биомасса сияқты материалдар пайдаланылады; бұл биопластмассаны өндіруді кәдімгі пластик өндірісіне қарағанда тұрақты қызмет түріне айналдырады. Биопластиктердің қоршаған ортаға әсері жиі талқыланады, өйткені "жасыл" үшін көптеген түрлі өлшемдер бар (мысалы, суды пайдалану, энергияны пайдалану, орманды жою, биологиялық ыдырау және т.б.). Сондықтан биопластиктің қоршаған ортаға әсері жаңартылмайтын энергияны пайдалану, климаттың өзгеруі, эвтрофикация және қышқылдану болып бөлінеді. Биопластикалық өнім өндіру жылыжай газдарының шығарындыларын едәуір азайтады және жаңартылмайтын энергияны тұтынуды азайтады. Биопластиктер кәдімгі пластмассаларға қарағанда жаңартылмайтын энергияны көбірек үнемдеп, кәдімгі пластмассаларға қарағанда парниктік газдарды аз шығарады, бірақ биопластмассаның эутрофикация және қышқылдану сияқты қоршаған ортаға теріс әсері бар. Биопластмассалар қышқылдануды да күшейтеді. Биопластиктердің қоршаған ортаға әсері биопластиктерді өндіруге пайдаланылатын дақылдарға пестицидтер қолдану арқылы токсикалық әсерін қамтиды. Биопластмассаның өте пайдалы екендігіне қарамастан, олар жаңартылмайтын тұтынуды және парниктік газдар шығарындыларын азайтады, сонымен қатар олар жер мен суды тұтыну, пестицидтер мен тыңайтқыштар қолдану, эвтрофикация және қышқылдану арқылы қоршаған ортаға теріс әсер етеді; сондықтан биопластмассаны немесе кәдімгі пластмассаны таңдау қоршаған ортаға әсер етудің ең маңыздысы деп есептейтін нәрсеге байланысты. Бұл биопластиктерді "1 - ұрпақ биопластиктер" деп атайды. Екінші буынның биопластикалық шикізаты азық-түлік өнімдері емес өсімдіктерді (целлюлозалық шикізат) немесе бірінші буынның шикізатынан алынған қалдықтарды (мысалы, өсімдік майынан шыққан қалдықтарды) пайдаланады. Үшінші буын биопластиктерінде балдырлар пайдаланылады.

Өнеркәсіптік компосталдану EN 13432, ASTM D6400

ЕО нарығында пластикалық өнімнің компосталдануы үшін EN 13432 өнеркәсіптік стандартына сәйкес болуы керек. Қорыта айтқанда, ол бірнеше сынақтарды талап етеді және 12 апта ішінде дайын бұйымның ыдырауын (физикалық және визуалды ыдырауды), полимерлік құрамдас бөліктердің 180 күн ішінде биологиялық ыдырауын (органикалық көміртектің () түрленуі), өсімдіктерге токсикалық әсерін және ауыр металдарды қоса алғанда, өту / өтпеу критерийлерін белгілейді. ASTM 6400 стандарты - АҚШ-тың нормативтік базасы және ұқсас талаптарға ие. Көптеген крахмал негізіндегі пластмассалар, PLA негізіндегі пластмассалар және кейбір алифалық ароматты полиэстер қосылыстары, мысалы сукцинаттар мен адипаттар, осы сертификаттарға ие болды. Фототазылағыш немесе оксотазылағыш ретінде сатылатын аддитивті негізіндегі биопластмассалар қазіргі түрінде осы стандарттарға сәйкес келмейді.

ASTM D 6002 стандартының алынып тасталуы

2011 жылдың қаңтар айында ASTM ASTM D 6002 стандартын кері қайтарып алды, ол пластик өндірушілерге пластикті компостауға болатын деп белгілеуге құқықтық сенімділік берді. Оның сипаттамасы былай: Бұл нұсқаулықта қоршаған ортаға ластануға қабілетті пластиктердің компосталдануын анықтау үшін ұсынылған критерийлер, процедуралар және жалпы тәсіл қамтылған. ASTM әлі осы стандартты алмастырмаған.

Биологиялық негізде ASTM D6866

Биопластмассаның биологиялық құрамын растау үшін ASTM D6866 әдісі әзірленді. Атмосфераға соқтығысқан ғарыш сәулелері көміртегінің бір бөлігі радиоактивті көміртек-14 изотопы екенін білдіреді. Атмосферадан алынған СО2 өсімдіктер фотосинтезде пайдаланады, сондықтан жаңа өсімдік материалы 14 және 12 көміртегіден тұрады. Дұрыс жағдайда және геологиялық уақыт аралығында тірі организмдердің қалдықтары табиғи отынға айналуы мүмкін. 100 000 жылдан кейін бастапқы органикалық материалдағы барлық көміртек-14 радиоактивті ыдырауға ұшырайды, сонда тек көміртек-12 ғана қалады. Биомассадан жасалған өнімде көміртек-14 мөлшері жоғары болады, ал мұнай-химия өнімдерінен жасалған өнімде көміртек-14 болмайды. Материалдағы (қатты немесе сұйық) жаңартылатын көміртегінің пайызын жеделдетуші массалық спектрометрмен өлшеуге болады. Биологиялық ыдырау қабілеті мен биологиялық негіздегі мазмұнның арасында маңызды айырмашылық бар. Биопластик, мысалы, жоғары тығыздықты полиэтилен (ЖДПЭ) 100% биобазалы болуы мүмкін (яғни 100% жаңартылатын көміртекті қамтиды), бірақ биологиялық ыдырай алмайды. Дегенмен, HDPE сияқты биопластиктер парниктік газдарды азайтуда маңызды рөл атқарады, әсіресе олар энергия өндіру үшін жанғанда. Биопластикалық материалдардың биологиялық компоненттері көміртегі нейтралды болып саналады, өйткені олардың шығу тегі биомассадан.

Анаэробты биологиялық ыдырау ASTM D5511-02 және ASTM D5526

ASTM D5511 12 және ASTM D5526 12 - пластиктің биологиялық ыдырауына арналған ISO DIS 15985 сияқты халықаралық стандарттарға сәйкес келетін сынақ әдістері.