Изучение науки и решений, связанных с разлагаемыми пластиками #
Полимерные материалы, особенно пластики, являются неотъемлемой частью современной промышленности и повседневной жизни. Однако их долговечность и устойчивость к естественному разложению привели к значительным экологическим проблемам. В этой статье рассматриваются механизмы разложения пластика, разработка разлагаемых пластиков и основные категории биоразлагаемых материалов.
Механизмы разложения полимеров #
Полимерные материалы могут подвергаться различным формам разложения под воздействием внешних факторов, встречающихся при производстве, обработке и использовании. К ним относятся:
- Термическое растрескивание
- Механическое растрескивание
- Фотолиз
- Радиационное растрескивание
- Окислительное растрескивание
- Биологическое растрескивание
- Химическое растрескивание
Часто несколько видов расщепления происходят одновременно. Среди них окислительное растрескивание является наиболее распространённым, особенно при воздействии воздуха на полимеры. Контроль этих факторов для продления прочности и срока службы полимерных изделий остаётся ключевой задачей материаловедения.
Двойные пути в развитии полимеров #
С быстрым развитием пластиковой промышленности исследования сосредоточены на двух основных направлениях:
- Повышение стабильности полимеров для продления срока службы продукции и замедления разложения.
- Ускорение разложения для решения проблемы загрязнения окружающей среды твёрдыми отходами, особенно в условиях глобального ужесточения политики по ограничению пластика.
Второе направление привело к разработке различных разлагаемых материалов, включая биоразлагаемые, фотодеградируемые, термодеградируемые и химически разлагаемые пластики.
Экологическая проблема пластиков #
Пластики стали повсеместными, но их высокая химическая стабильность означает устойчивость к кислотам, щелочам, плесени и коррозии. При захоронении они могут сохраняться веками, способствуя накоплению отходов и экологическим рискам. Необходимость сокращения загрязнения пластиком стимулирует поиск альтернатив, особенно для одноразовых изделий, таких как упаковка и ланч-боксы.
Что такое разлагаемые пластики? #
Разлагаемые пластики разработаны для разрушения при определённых условиях. Стабильность пластиковых полимеров обусловлена их молекулярной структурой — длинными цепочками углеродных атомов, связанных прочными углерод-углеродными связями. Это затрудняет естественное разложение. Однако три основных метода разложения доказали свою эффективность:
- Биоразложение
- Химическое разложение
- Фотодеградация
Учёные синтезировали пластики, адаптированные к каждому из этих методов, такие как биоразлагаемые, химически разлагаемые и фотодеградируемые пластики, все они способствуют борьбе с «белым загрязнением».
Биоразлагаемые пластики #
Биоразлагаемые пластики предназначены для разложения под действием микроорганизмов и ферментов в природных условиях, таких как почва или компост. В конечном итоге они распадаются на углекислый газ (CO2), метан (CH4), воду (H2O), минерализованные неорганические соли и новую биомассу.
Применение:
- Защитные покрытия для саженцев, разлагающиеся в почве после пересадки
- Разлагаемые хирургические нити, исчезающие в организме через несколько месяцев
Проблемы:
- Высокая стоимость производства по сравнению с обычными пластиками
Методы производства биоразлагаемых пластиков:
- Добавление крахмала: Введение крахмала ослабляет углеродную цепь, делая её более доступной для микробов, что приводит к разложению на воду и CO2.
- Желатинизированный крахмал и добавки: Добавление 40–50% желатинизированного крахмала или крахмала, обработанного органосиликоновыми сшивателями и ненасыщенными жирными кислотами. Этот метод дорогой и медленный, полное разложение занимает 3–5 лет в условиях компостирования.
- Крахмал и полиамид капролактам: Сочетание этих компонентов сокращает время разложения, подходит для изделий, таких как хирургические швы, но стоит дорого.
Ведутся работы по снижению стоимости за счёт использования природных отходов, таких как рисовая шелуха и древесная масса.
Химически разлагаемые пластики #
Химически разлагаемые пластики содержат специальную упаковку — крахмал, инкапсулирующий окислители. При захоронении бактерии потребляют крахмал, оставляя пористую оболочку. Затем окислитель реагирует с солями почвы и водой, разрушая углерод-углеродные связи пластика.
Преимущества:
- Низкая стоимость
- Эффективное разложение (измельчается примерно за 6 месяцев, полностью разлагается за несколько лет при идеальных условиях)
Фотодеградируемые пластики #
Фотодеградируемые пластики разлагаются под воздействием солнечного света, особенно ультрафиолетового излучения. Наличие гидроксильных групп в полимерной цепи позволяет УФ-свету разрушать углерод-углеродные связи, вызывая расщепление цепей.
Характеристики:
- Сначала остаются остатки и обломки; полное разложение занимает несколько лет
- Требуется длительное воздействие солнечного света
- Часто используются для пищевых упаковочных пакетов
Основные категории биоразлагаемых материалов #
1. PLA (полимолочная кислота) #
- Источник: Полимеризуется из молочной кислоты
- Разложение: Компостируется при температуре выше 55°C в присутствии кислорода и микроорганизмов, распадаясь на CO2 и воду
- Свойства: Биобезопасный, биоразлагаемый, обладает хорошей механической прочностью, легко обрабатывается
- Применение: Упаковка, текстиль, сельскохозяйственные плёнки, биомедицинские полимеры
- Ограничение: Требует специфических условий разложения, но является экономичным среди биоразлагаемых пластиков
2. PBS (поли-бутилен-сукцинат) #
- Источник: Конденсация сукциновой кислоты и бутандиола (из нефти или биологической ферментации)
- Разложение: Легко разлагается микроорганизмами или ферментами
- Свойства: Хорошая биосовместимость, биоабсорбируемость, термостойкость
- Применение: Упаковочные плёнки, посуда, пенопластовая упаковка, бутылки, сельскохозяйственные плёнки, материалы с замедленным высвобождением
- Варианты: PBAT и PBSA с похожими характеристиками, но менее удобные в обработке
3. PBAT (поли-бутилен-адипат-терефталат) #
- Источник: Производится из алифатических кислот и бутандиола (нефтехимия или биологическая ферментация)
- Свойства: Термопластичный, обладает хорошей пластичностью, удлинением, термостойкостью, ударной вязкостью, отличной плёнообразующей способностью
- Применение: Одноразовые упаковочные плёнки, сельскохозяйственные плёнки
- Примечание: Широко используется и хорошо изучен среди разлагаемых пластиков
4. PHAs (поли-гидроксиалканоаты) #
- Типы: Включают PHA, PHB (поли-гидроксибутираты)
- Разложение: Полностью распадаются на β-гидроксибутираты, CO2 и воду
- Свойства: Высокая температура деформации под нагрузкой, хорошая биосовместимость, но узкий диапазон обработки, низкая термостабильность, высокая хрупкость
- Применение: Одноразовые изделия, медицинское оборудование, упаковочные пакеты, компостируемые пакеты, медицинские швы, ремонтные устройства, бинты, костные штифты, антипригарные плёнки, стенты