Біорозкладні полімери в пакувальній індустрії

Пластик в наші дні став одним з найбільш використовуваних матеріалів у світі, полімерні вироби повсюдно застосовуються в техніці і в побуті. Тільки поліетиленових пакетів використовується щорічно більше десятка мільярдів. Однак, пластик має ряд недоліків: пластикові вироби виготовляються з невідновлювальних природних ресурсів - нафти, вугілля, газу. Фантастична питома міцність пластику, до якої так прагнули його винахідники і яка вважалася одним з його достоїнств, у довгостроковій перспективі обернулася одним з його головних недоліків і тепер загрожує засміченню всієї планети, завдає значної шкоди тваринному та рослинному світу. Пластик (пластмаса, пластична маса) — це один з головних видів синтетичних матеріалів, основою яких є високомолекулярні сполуки (полімери). Молекула полімеру (макромолекула) являє собою гігантський ланцюг, що складається з великої кількості сполучених між собою групувань — ланок, маленьких молекул або мономерів (моно — в перекладі з грецького — «один», «полі» — «багато») однакової будови. В залежності від характеру зв’язків між макромолекулами полімери можуть володіти різними властивостями, чим і обумовлено їхнє широке застосування в самих різних галузях. Наприклад, і поліетиленовий пакет (гнучкий, легко скручується в рулон), і пластмасовий стілець (володіє достатньою жорсткістю, щоб витримати масу сидячої на ньому людини) виготовлені з полімерів, однак, в одному з матеріалів хімічні зв’язки між молекулами вільні, а в іншому — більш міцні.

Так, молекула поліетилену, з якого виготовляють плівку і пакети, являє собою ланцюг приблизно із 50 тисяч молекул етилену. Поліетилен отримують шляхом полімеризації (хімічної реакції з’єднання однакових молекул в складні молекули великої молекулярної маси) етилену (CH₂ = CH₂ ):

п (CH₂ = CH₂ ) → (— H₂C — CH₂ —)п.

Полімери можуть мати не тільки штучне, але і природне походження. Природними полімерами є, наприклад, целюлоза, шкіра, хутро, вовна, шовк, бавовна. Багато з природних полімерів є дуже практичними у використанні, однак, синтетичним матеріалам, зазвичай, віддають перевагу — вони мають більший термін використання, оскільки менше піддаються розкладу (розпаду) за тих або інших однакових умов. З кожним роком споживання пластмаси зростає, а разом з ним ростуть і гори нерозкладних відходів, що забруднюють навколишнє середовище.

У кінцевому рахунку врятувати нас від сміття можуть не повсюдно виставлені контейнери, які виявилися дуже обтяжливими для місцевої влади, і не грамотно організовані звалища або сміттєспалювальні заводи - все це, безумовно необхідно, щоб остаточно не потонути в смітті.

Проблеми, пов'язані з утилізацією виробів із пластику, що відслужили свій вік, стимулювали вчених із багатьох країн задуматися над створенням матеріалу, близького пластмасі за властивостями, але, на відміну від неї, легко розкладного бактеріями і виготовленого з відновлюваних компонентів - наприклад, з рослин.

Ідея створення біорозкладних полімерних матеріалів знаходиться в центрі уваги вчених всього світу більше 30 років. Під біорозкладом розуміють здатність матеріалу розпадатись на складові частини в природних умовах під дією мікроорганізмів, ультрафіолету, радіації, що призводить до мікробіального засвоєння цього матеріалу. Очікується, що продукти біорозкладу, як правило, є сполуки вуглецю, азоту, сірки, а тому повинні бути нетоксичними для довкілля.

Будь-який створений у Європі матеріал повинен пройти сертифікацію в Німецькому інституті стандартизації (DIN) або Європейському комітеті з стандартизації (CEN), які розглядають питання впливу цього матеріалу на навколишнє середовище, термін розкладу тощо.

Звичайно, критерії оцінки біорозкладу і компостування ще до кінця не вияснено. Компостування і закопування в землю – екологічно співзвучний з навколишнім середовищем шлях, але необхідно провести перевірку компосту на присутність важких металів і токсичних речовин.

На сьогодні лише четверта частина полімерних матеріалів належить до біорозкладних пластиків. Основні недоліки цих матеріалів – висока вартість і неповний розклад, можливість негативного впливу на харчові продукти під час передчасного розкладу паковання в процесі його використання.

Разом з тим, відносно високі ціни на біорозкладні полімери постійно знижуються. У світі вже виготовляється біля 135 млн. т. таких пластиків. Загальний товарообіг становить 25 млн. фунтів стерлінгів і прогнозується до зростання. Так, якщо лише 10 років тому вартість 1 кг. полілактиду (на основі полісахаридів) була 38 фунтів стерлінгів, то тепер – від 2,3 до 4,5. Для порівняння вартість поліетилену – 0,5 – 0,6 фунтів стерлінгів за 1 кг.

А що в перспективі? Не зважаючи на те, що багато уваги приділяється крохмалю і целюлозі, останні роки свідчать про інтерес до використання альтернативних матеріалів, оскільки крохмально – і целюлознонаповнені пластики не відповідають деяким економічним і функціональним вимогам. Зараз вчені займаються питанням використання пектину, полісахаридів, сумісних з полівініловим спиртом, олії зерен ріпаку, з якого отримано полімер, що нагадує поліуретан.

Полівініловий спирт (-СН2 – СН(ОН)-)п. – синтетичний полімер, продукт взаємодії полівінілацетату з метиловим спиртом.

Полісахариди – складні вуглеводи, молекули яких побудовані з великої кількості останків молекул моносахаридів, наприклад, целюлоза, крохмаль.

Целофан – прозора плівка із віскози, пакувальний матеріал.

Пектин – полісахарид, утворений залишками, головним чином, галактуроноваї кислоти. Сировиною для отримання слугують яблучні вижимки, жом цукрового буряку.

Поліуретанове волокно – синтетичне волокно, яке формується із розчинів або розплавів поліуретанів

Поліуретани – синтетичні полімери, які містять у молекулі групи – NH – CO – O -, і утворюються шляхом взаємодії ди – або поліізоціанатів з дво– або триатомними спиртами; в’язкі рідини або тверді речовини.

Перспективним є полімер молочної кислоти – полілактид, продукт бактеріальної ферментації кукурудзи, цукрового буряка, який являє собою термопластичний кристалічний полімер з високою температурою плавлення. За своїми фізичними властивостями нагадує відомі синтетичні полімери – кристалічний полістирол, гнучкий ПВХ, повністю біодеградується за гідролізним механізмом. З цього матеріалу можна виготовляти кришки, піддони, посуд, тару для харчових продуктів, крупно габаритні вироби, волокно.

Покриття з полілактиду, який отримують шляхом полімеризації молочної кислоти СH3СHOHCOOH, характеризується високою міцністю, низькою температурою(217°С) соекструзії, низьким коефіцієнтом тертя. Плівки добре зварюються, перед нанесенням етикетки(друку) не потребують оброблення поверхні.

Розкладні полімери з високими технологічністю перероблення і механічними властивостями, регульованою розкладністю, низькою ціною знайдуть широке застосування у всіх сферах діяльності людини. Однак, ціна на біодеградуючі пластики сьогодні знаходиться в залежності тільки від ступеня їхнього використання, потреби і незамінності в тій або іншій сфері або галузі.

Головним чином ці матеріали застосовуються в медичних цілях, як імплантанти, лікарські капсули. В побуті поки що основна маса споживачів не має бажання платити більше за біорозкладний пакет для харчових продуктів.

Однак, з прийняттям у Європі нового закону, яким скорочується кількість місць захоронення відходів, вчені повинні більш активно брати участь в дослідницьких, науково-технічних програмах і проектах зі створення нових біорозкладних, безпечних для навколишнього середовища матеріалів, які матимуть широке застосування у виробництві паковання майбутнього, сприятимуть розвиткові і прогресу пакувальної індустрії.

Кардинальне вирішення задачі криється в змінюванні властивостей утилізованих продуктів. Слід створити нові пластмаси із зміненою фізико-хімічною структурою, помітно зменшивши терміни їхнього розкладання в природному середовищі, а для вже використовуваних пластичних матеріалів з нафтопродуктів знайти або створити агенти, що сприяють їхній деградації.

Такі підходи можливі з використанням біологічних агентів –– мікроорганізмів - крихітних, невидимих і нечутних трудівників. Саме найпростіші одноклітинні організми, особливо в співдружності з грибами, здатні розкласти на хімічні складові і переварити вироби з пластмас.

Але для цього їм треба допомогти, скоригувавши генетичні особливості бактерій під специфіку полімерів і створюючи пластики,що легко засвоюються мікробами. Обидва ці напрямки роботи у проблемі боротьби зі сміттям активно розвиваються в світі.

На відміну від більшості пластмас, біорозкладні полімери можуть розщеплюватися в умовах навколишнього середовища за допомогою мікроорганізмів, таких як бактерії або грибки. Полімер, як правило, вважається біорозкладним, якщо вся його маса розкладається в ґрунті або воді за період у шість місяців. У багатьох випадках продуктами розпаду є вуглекислий газ і вода.

Біорозкладні полімери можуть виготовлятися з поновлюваних джерел, таких як витяжки з кукурудзи, цукру, або ж їх можна отримувати з нафтохімічних сировинних матеріалів. Вони можуть використовуватися самі по собі або ж у поєднанні з іншими полімерними смолами і добавками.

Біорозкладні полімери можна переробляти за допомогою більшості стандартних технологій виробництва пластмас, включаючи гаряче формування, екструзії, литтєве і видувне формування.