Введение

Пластмассы, полученные из возобновляемых источников биомассы пластмассы, полученные из возобновляемых источников биомассы Биопластмассы - это пластиковые материалы, полученные из возобновляемых источников биомассы, такие как растительные жиры и масла, кукурузный крахмал, солома, древесные щепки, пиловая пыль, переработанные пищевые отходы и т. д. Некоторые биопластики получают путем обработки непосредственно из природных биополимеров, включая полисахариды (например, крахмал, целлюлоза, хитозан и альгинат) и белки (например, соевый белок, глютен и желатин), в то время как другие химически синтезируются из производных сахара (например, молочной кислоты) и липидов (масел и жиров) из растений или животных, или биологически генерируются путем ферментации сахаров или липидов. В отличие от этого, обычные пластмассы, такие как пластмассы из ископаемого топлива (также называемые полимерами на основе нефти), получены из нефти или природного газа. Одним из преимуществ биопластика является его независимость от ископаемого топлива в качестве сырья, который является конечным и глобально неравномерно распределенным ресурсом, связанным с нефтяной политикой и воздействием на окружающую среду. Исследования по анализу жизненного цикла показывают, что некоторые биопластики могут быть изготовлены с меньшим углеродным следом, чем их ископаемые аналоги, например, когда биомасса используется в качестве сырья, а также для производства энергии. Однако процессы других биопластиков менее эффективны и приводят к более высокому углеродному следу, чем у ископаемых пластмасс. Различие между не ископаемой (био) пластикой и ископаемой пластикой имеет ограниченное значение, поскольку такие материалы, как нефть, сами по себе являются просто ископаемой биомассой. Таким образом, разлагаемость или неразлагаемость (прочность) любого вида пластика зависит от его молекулярной структуры, а не от того, окаменела ли биомасса, составляющая сырье. Существуют как долговечные биопластики, такие как Bio PET или биополиэтилен (аналоги на биологической основе полиэтилентерефталата и полиэтилена на основе ископаемых материалов), так и разлагаемые биопластики, такие как полимолочная кислота, полибутиленсукцинат или полигидроксиалканоаты. Биопластик должен быть переработан аналогично пластику на основе ископаемых ископаемых, чтобы избежать загрязнения пластиком; "капельные" биопластики (такие как биополиэтилен) вписываются в существующие потоки переработки. С другой стороны, переработка биоразлагаемых биопластиков в текущих потоках переработки представляет дополнительные проблемы, поскольку может увеличить стоимость сортировки и снизить урожайность и качество переработанного материала. Однако биоразложение не является единственным приемлемым способом утилизации биологически разлагаемых биопластиков в конце их жизненного цикла, а механическая и химическая переработка часто являются предпочтительным выбором с экологической точки зрения. Биоразлагаемость может предложить конец жизненного пути в определенных применениях, таких как сельскохозяйственная мульча, но концепция биоразложения не так проста, как многие считают. Подверженность биоразложению в значительной степени зависит от химической структуры основы полимера, а различные биопластики имеют разные структуры, поэтому нельзя предполагать, что биопластик в окружающей среде будет легко разрушаться. И наоборот, биоразлагаемые пластмассы также могут быть синтезированы из ископаемого топлива. По состоянию на 2018 год биопластик составлял примерно 2% мирового объема производства пластмасс (>380 млн тонн). Благодаря продолжающимся исследованиям в области биопластика, инвестициям в компании, занимающиеся производством биопластика, и растущей проверке пластика на основе ископаемых материалов, биопластик становится все более доминирующим на некоторых рынках, в то время как производство ископаемого пластика также неуклонно растет.

Предлагаемые применения

Для биопластика существует несколько коммерческих применений. Затраты и производительность остаются проблематичными. Типичным примером является Италия, где биоразлагаемые пластиковые пакеты стали обязательными для покупателей с 2011 года с введением специального закона. Помимо конструкционных материалов, разрабатываются электроактивные биопластики, которые обещают переносить электрический ток. Биопластик используется для изготовления одноразовых предметов, таких как упаковка, посуда, столовые приборы, горшки, миски и соломинки. Биополимеры доступны в качестве покрытий для бумаги, а не более распространенных нефтехимических покрытий. Биопластик, называемый drop in bioplastics, химически идентичен своим аналогам из ископаемого топлива, но изготовлен из возобновляемых ресурсов. Примеры включают био-PE, био-PET, био-пропилен, био-PP и био-найлоны. Снижение потребления биопластика легко осуществить с технической точки зрения, поскольку можно использовать существующую инфраструктуру. Специальный биологический путь позволяет производить продукты, которые не могут быть получены с помощью традиционных химических реакций, и может создавать продукты, которые имеют уникальные и превосходные свойства по сравнению с альтернативными ископаемыми. Простую крахмальную биопластиковую пленку можно сделать в домашних условиях путем желатинизации крахмала и литья раствора. Чистый крахмал способен поглощать влагу, и поэтому является подходящим материалом для производства лекарственных капсул фармацевтическим сектором. Однако чистый биопластик на основе крахмала хрупкий. Также можно добавлять пластификаторы, такие как глицерин, гликол и сорбитол, чтобы крахмал также можно было обработать термопластично. Характеристики получаемого биопластика (также называемого "термопластичным крахмалом") могут быть адаптированы к конкретным потребностям путем корректировки количества этих добавок. Для обработки крахмала в биопластик можно использовать обычные методы обработки полимеров, такие как экструзия, литье впрыска, литье с давлением и литье раствором. Однако крахмал с высоким содержанием амилозы имеет меньшую пригодность к обработке из-за более высокой температуры желатинизации и более высокой вязкости плавления. Биопластмассы на основе крахмала часто смешиваются с биоразлагаемыми полиэстерами для получения смеси крахмала/полимолевой кислоты, крахмала/поликапролактона или крахмала/Ecoflex (полибутиленовый адипатный котерефталат, производимый BASF). Эти смеси используются для промышленных целей и также компостируются. Другие производители, такие как Roquette, разработали другие смеси крахмала и полиолефинов. Эти смеси не являются биоразлагаемыми, но имеют более низкий углеродный след, чем пластмассы на нефтяной основе, используемые для тех же применений. Крахмал дешевый, изобилующий и возобновляемый. Фильмы на основе крахмала (в основном используемые для упаковки) изготавливаются в основном из крахмала, смешанного с термопластичными полиэстерами для получения биоразлагаемых и компостируемых продуктов. Эти пленки встречаются в упаковке товаров народного потребления, обложках журналов и пленках с пузырьками. В упаковке пищевых продуктов эти пленки можно увидеть как хлебобулочные или фруктовые и овощные пакеты. Компостирующие мешки с этой пленкой используются для селективного сбора органических отходов. Нанокомпозиты на основе крахмала были широко изучены, демонстрируя улучшенные механические свойства, тепловую устойчивость, влагостойкость и свойства газового барьера.

Пластмассы на основе целлюлозы

Биопластики из целлюлозы - это, главным образом, эфиры целлюлозы (включая ацетат целлюлозы и нитроцеллюлозу) и их производные, включая целлюлоид. Целюлоза может стать термопластичной при интенсивной модификации. Примером этого является ацетат целлюлозы, который является дорогим и поэтому редко используется для упаковки. Однако целлюлозные волокна, добавленные в крахмал, могут улучшить механические свойства, проницаемость газа и водостойкость из-за того, что они менее гидрофильны, чем крахмал.

Пластмассы на основе белка

Биопластик можно сделать из белков из разных источников. Например, пшеничный глютен и казеин обладают многообещающими свойствами в качестве сырья для различных биоразлагаемых полимеров. Кроме того, соевый белок рассматривается как еще один источник биопластика. Соевые белки используются в производстве пластмасс уже более ста лет. Например, панели кузова оригинального автомобиля Форда были сделаны из пластика на основе сои. Существуют трудности с использованием пластмасс на основе соевого белка из-за их чувствительности к воде и относительно высокой стоимости. Поэтому производство смеси соевого белка с некоторыми уже имеющимися биоразлагаемыми полиэстерами улучшает чувствительность воды и затраты.

Некоторые полиэтиленовые полиэтиленовые сплавы

Алифатические биополиэстеры в основном представляют собой полигидроксиалканоаты (ПГА), такие как поли-3 гидроксибутират (ПГБ), полигидроксиваленрат (ПГВ) и полигидроксигексаноат (ПГХ).

Полилактическая кислота (ПЛА)

Полимолочная кислота (ПМК) - это прозрачный пластик, получаемый из кукурузы или декстрозы. Поверхностно он похож на обычные нефтехимические массовые пластмассы, такие как ПС. Он получается из растений и биоразлагается в условиях промышленного компостирования. К сожалению, он обладает более низкой ударной прочностью, теплостойкостью и барьерными свойствами (блокирование воздушного транспорта через мембрану) по сравнению с не биоразлагаемыми пластмассами. ПЛК и смеси ПЛК обычно имеют форму гранул. PLA используется в ограниченном масштабе для производства пленок, волокон, пластиковых контейнеров, чашек и бутылок. PLA также является наиболее распространенным типом пластиковой нити, используемой для моделирования домашнего плавленого осаждения в 3D-принтерах.

Поли-3-гидроксибутират

Биополимер поли-3 гидроксибутират (PHB) - это полиэстер, вырабатываемый некоторыми бактериями, перерабатывающими глюкозу, кукурузный крахмал или сточные воды. Его характеристики схожи с характеристиками полипропилена из нефтепластика (ПП). Производство PHB увеличивается. Например, южноамериканская сахарная промышленность решила расширить производство ПХБ до промышленного масштаба. PHB отличается прежде всего своими физическими характеристиками. Он может быть обработан в прозрачную пленку с температурой плавления выше 130 градусов Цельсия и биоразлагается без остатков.

Полигидроксиалканоаты

Полигидроксиалканоаты (ПГА) - это линейные полиэстеры, получаемые в природе путем бактериальной ферментации сахара или липидов. Они производятся бактериями для хранения углерода и энергии. В промышленном производстве полиэстер извлекается и очищается от бактерий путем оптимизации условий для ферментации сахара. В рамках этого семейства можно комбинировать более 150 различных мономеров, чтобы получить материалы с чрезвычайно разными свойствами. ПХА более гибкий и менее эластичный, чем другие пластмассы, и он также биоразлагается. Эти пластмассы широко используются в медицинской промышленности.

Полиамид 11

PA 11 - это биополимер, полученный из натурального масла. Он также известен под торговым названием Rilsan B, коммерциализированным компанией Arkema. PA 11 относится к семейству технических полимеров и не является биоразлагаемым. Его свойства аналогичны свойствам PA 12, хотя во время его производства сокращаются выбросы парниковых газов и потребление невозобновляемых ресурсов. Его теплостойкость также превосходит PA 12. Он используется в высокопроизводительных приложениях, таких как автомобильные топливные линии, трубы для пневматических воздушных тормозов, антитермитные оболочки для электрических кабелей, гибкие нефтегазовые трубы, пуповины с контрольной жидкостью, спортивная обувь, компоненты электронных устройств и катетеры. Подобным пластиком является полиамид 410 (PA 410), полученный на 70% из касторового масла, под торговым названием EcoPaXX, продаваемый DSM. PA 410 - высокопроизводительный полиамид, который сочетает в себе преимущества высокой температуры плавления (приблизительно 0,6 °C). 250 °C), низкая влагопоглощение и отличная устойчивость к различным химическим веществам.

Полиэтилен биологического происхождения

Основным строительным блоком (мономером) полиэтилена является этилен. Этилен химически похож на этанол, который может быть получен от ферментации сельскохозяйственных сырья, таких как сахарный тростник или кукуруза. Биопроизводимый полиэтилен химически и физически идентичен традиционному полиэтилену, он не биоразлагается, но может быть переработан. Бразильская химическая группа Braskem утверждает, что при использовании ее метода производства полиэтилена из сахарного тростника этанол улавливает (вынимает из окружающей среды) 2,15 тонн на тонну произведенного зеленого полиэтилена.

ГМ-сырье

Поскольку ГМ кукуруза является обычным сырьем, неудивительно, что некоторые биопластики изготавливаются из нее. В рамках технологий производства биопластиков существует модель "фабрики растений", которая использует генетически модифицированные культуры или генетически модифицированные бактерии для оптимизации эффективности.

Полигидроксиуретаны

Конденсация полиаминов и циклических карбонатов приводит к получению полигидроксиуретанов. В отличие от традиционных полиуретанных соединений, полигидроксиуретанные соединения в принципе поддаются переработке и переработке в результате динамических реакций транскарбамоиляции.

Полимеры, полученные из липидов

Из жиров и масел растительного и животного происхождения синтезировано несколько классов биопластиков. Полиуретаны, полиэфиры, эпоксидные смолы и ряд других типов полимеров были разработаны с сопоставимыми свойствами с сырой нефтью. Недавнее развитие метатеза олефинов открыло широкий спектр сырья для экономического преобразования в биомономеры и полимеры. С ростом производства традиционных растительных масел, а также недорогих масел, полученных из микроводорослей, в этой области существует огромный потенциал для роста.

Влияние на окружающую среду

Такие материалы, как крахмал, целлюлоза, древесина, сахар и биомасса, используются в качестве замены ископаемого топлива для производства биопластика; это делает производство биопластика более устойчивым видом деятельности по сравнению с обычным производством пластика. Относительно воздействия биопластика на окружающую среду часто ведутся дискуссии, поскольку существует множество различных показателей "зеленого" (например, использование воды, использование энергии, обезлесение, биоразложение и т. Д.). Следовательно, воздействие биопластика на окружающую среду подразделяется на использование возобновляемой энергии, изменение климата, эвтрофикацию и подкисление. Производство биопластика значительно сокращает выбросы парниковых газов и потребление энергии из невозобновляемых источников. Хотя биопластик экономит больше невозобновляемой энергии, чем обычный пластик, и выделяет меньше парниковых газов, чем обычный пластик, биопластик также оказывает негативное воздействие на окружающую среду, например, при придании углеводородов и окислении. Биопластик также усиливает окисление. Незначительные экологические последствия биопластика включают токсичность, вызванную использованием пестицидов на культурах, используемых для производства биопластика. Хотя биопластик чрезвычайно выгоден, поскольку сокращает потребление невозобновляемых источников энергии и выбросы парниковых газов, он также оказывает негативное влияние на окружающую среду за счет потребления земли и воды, использования пестицидов и удобрений, эвтрофикации и окисления; следовательно, предпочтение биопластика или обычного пластика зависит от того, что считается наиболее важным воздействием на окружающую среду. Эти биопластики называются "биопластиками первого поколения". В биопластике второго поколения используются непищевые культуры (целлюлозное сырье) или отходы от первого поколения (например, растительное масло). В биопластике третьего поколения используются водоросли в качестве сырья.

Промышленная компостируемость EN 13432, ASTM D6400

Для того чтобы заявлять, что пластиковый продукт компостируем на европейском рынке, необходимо соответствовать промышленному стандарту EN 13432. В целом, он требует многочисленных испытаний и устанавливает критерии прохождения/непрохождения, включая распад (физический и визуальный разложение) готового изделия в течение 12 недель, биоразложение (превращение органического углерода в углерод) полимерных ингредиентов в течение 180 дней, токсичность для растений и тяжелые металлы. Стандарт ASTM 6400 является нормативной базой для Соединенных Штатов и имеет аналогичные требования. Многие пластмассы на основе крахмала, пластмассы на основе ПЛА и некоторые алифатические ароматические сополиэфирные соединения, такие как сукцинаты и адипаты, получили эти сертификаты. Биопластики на основе добавок, продаваемые как фоторазлагаемые или оксо-биоразлагаемые, не соответствуют этим стандартам в их нынешнем виде.

Отмена стандарта ASTM D 6002

В январе 2011 года ASTM отозвала стандарт ASTM D 6002, который предоставил производителям пластмасс правовую надежность для маркировки пластмасс как компостируемых. В этом руководстве рассматриваются критерии, процедуры и общий подход к определению компостируемости экологически разлагаемых пластмасс. ASTM еще не заменил этот стандарт.

Биооснованные ASTM D6866

Метод ASTM D6866 был разработан для сертификации биологически полученного содержания биопластиков. Космические лучи, сталкивающиеся с атмосферой, означают, что часть углерода - это радиоактивный изотоп углерода 14. CO2 из атмосферы используется растениями в фотосинтезе, поэтому новый растительный материал будет содержать как углерод 14, так и углерод 12. При правильных условиях и в геологических масштабах остатки живых организмов могут быть преобразованы в ископаемое топливо. Через 100 000 лет весь углерод-14, присутствующий в первоначальном органическом материале, будет подвержен радиоактивному распаду, оставляя только углерод-12. Продукт, изготовленный из биомассы, будет иметь относительно высокий уровень углерода 14, в то время как продукт, изготовленный из нефтехимических продуктов, не будет иметь углерода 14. Процент возобновляемого углерода в материале (твердом или жидком) может быть измерен с помощью ускорителя массового спектрометра. Существует важное различие между биоразлагаемостью и содержанием биологических продуктов. Биопластик, такой как полиэтилен высокой плотности (ПВПЭ), может быть на 100% биологически чистым (то есть содержать 100% возобновляемого углерода), но при этом не быть биоразлагаемым. Эти биопластики, такие как HDPE, тем не менее играют важную роль в сокращении выбросов парниковых газов, особенно когда они сжигаются для производства энергии. Компонент биологической основы этих биопластиков считается углеродно-нейтральным, поскольку они происходят из биомассы.

Анаэробная биоразлагаемость ASTM D5511-02 и ASTM D5526

ASTM D5511 12 и ASTM D5526 12 - это методы испытаний, соответствующие международным стандартам, таким как ISO DIS 15985 для биоразлагаемости пластика.