Plastics_3_2015

w w w . p l a s t i c s . r u 46 СПЕЦТЕМА/ БИО- И НАНОПЛАСТИКИ П Л А С Т И К С № 3 ( 1 4 3 ) 2 0 1 5 промышленные процессы, технологиями ко- торых владеют одна-две компании в мире. По мере углубления переделов часто падают по- казатели селективности и конверсии сырья, растет число побочных продуктов. Все это усложняет и удорожает производство, создает экономические и технологические ограни- чения мощности. Поэтому биоразлагаемые пластики, производимые из углеводородно- го сырья, являются очень дорогостоящими материалами с довольно специфическими областями применения. Природные полимеры Наиболее логичный путь к получению биоразлагаемых пластиков для человека — предоставить природе возможность самой их производить. Таким образом получаются биопластики группы 4а. Большинство моле- кул в биологических организмах представляет собойполимеры—длинные цепочки, состоя- щие из одинаковых звеньев. Полимерами являются, например, все белки, в том числе ферменты — биологические катализаторы, нуклеиновые кислоты (в частности ДНК — носитель генетической информации), и, са- мое главное, углеводы в живых организмах чаще всего также содержатся в виде более или менее длинных полимерных цепочек, извест- ных как полисахариды. Один из наиболее распространенных по- лисахаридов природного происхождения — крахмал. Он в том или ином количестве присутствует почти во всех растительных культурах, употребляемых человеком в пищу. В мировом производстве, однако, более 80% приходится на две культуры: кукурузу (так на- зываемую сахарнуюили пищевуюкукурузу) и картофель. Для растений крахмал — это мо- лекулярный аккумулятор энергии, которую они накапливают впрок, синтезируя ее из углекислого газа и воды под действием света. По своей структуре крахмал — поли- мерный углевод (полисахарид), мономером которого является глюкоза. Технология из- влечения крахмала из растительного сырья предельно проста: кукурузное зерно или картофельные клубни (или вообще любое крахмалосодержащее сырье) подвергаются так называемому мокрому измельчению, при котором клетки, содержащие крахмал, частично разрушаются и смываются в воду. Получающийся таким образом раствор про- мывается и упаривается до сухого вещества. Сам по себе крахмал в первичной форме трудно назвать биопластиком в силу его очень высокой гигроскопичности и вообще нестой- кости к гидролизу. Тонкие пленки из немо- дифицированного крахмала используются, например, в качестве быстрорастворяемой оболочки капсул медицинских препаратов. Однако для придания крахмалу хоть сколько- нибудь стабильных свойств по отношению к влажности его модифицируют. Вариантов достаточно много: это сополимеризация с другими мономерами (например, акри- лонитрилом с последующим гидролизом), модификация боковых гидроксиметильных фрагментов. Модифицированный крахмал, особенно после введения пластификаторов, уже лучше поддается обработке классически- миметодами переработки термопластов (экс- трузией, литьем и другими). Однако сегодня чаще всего под крах- мальными биопластиками подразумевают уже композиционные материалы, где моди- фицированный крахмал смешивается с не- ким полимерным аддитивом, обладающим более подходящими механическими свой- ствами. Для производства дешевых изделий с коротким циклом жизни (пакеты, сельско- хозяйственная пленка для мульчирования, мусорные пакеты) используют композит из неочищенного крахмала, упомянутого выше поливинилового спирта и талька в качестве балластного наполнителя. В других более от- ветственных применениях используются и другие полимерыиз группы 2: поликапролак- тоны или PBAT. Тогда получающийся ком- позит сохраняет биоразлагаемые свойства. Иногда в качестве наполнителя используют и классические полиолефины. Помимо крахмала в природе встречаются и другие полимеры глюкозы, пригодные для производства пластиков. Это главным обра- зом целлюлоза — полисахарид, выполняю- щий в живой природе функцию структурной основы клеточных оболочек у растений. Хотя целлюлоза, как и крахмал, является полиме- ром глюкозы, она значительно отличается от него структурно, и в целом ее труднее вы- делять из природного сырья и подвергать дальнейшей переработке. Для извлечения целлюлозы из древесной щепы применяют Рисунок 1. Классификация биопластиков (источник — RUPEC) Небиоразлагаемые Биоразлагаемые Из ископаемого сырья Из природного сырья Традиционные полимеры (ПЭ, ПП, ПЭТ, ПВХ, ПС, ПУ, ПУ…) Традиционные полимеры из биоэтилена, био-МЭГ или био-1,4-бутандиола (био-ПЭ, био-ПЭТ, био-ПБТ, био-ПВХ) + полиамид-11 PBAT, PBS, PCL, PVAL, PGA Традиционные пластики с биоразлагающими добавками Традиционные пластики, сополимеризованные с гидролитически нестойкими компонентами Полимер встречается в природе Полимеры на основе крахмала, целлюлозы Продукт бактерий — полимер PHA, другие полиэфиры Продукт бактерий — мономер PLA 1 2 2a 2б 4a 4б 4в 3 Фото DuPont