Biologisch abbaubare Polymere: Konzept, Eigenschaften, Herstellungsverfahren und Reaktionsbeispiele

2024 Autor: Howard Calhoun | [email protected]. Zuletzt bearbeitet: 2023-12-17 10:23

Sie werden vielleicht feststellen, dass Produkte mit dem Zusatz „bio“im letzten Jahrzehnt an Popularität gewonnen haben. Es soll darüber informieren, dass das Produkt sicher für Mensch und Natur ist. Es wird aktiv von den Medien beworben. Es kam sogar zum Lächerlichen - bei der Auswahl eines Getränks h alten sie Biokefir für das Beste, und Biokraftstoff ist keine Alternative zu Öl mehr, sondern ein umweltfreundliches Produkt. Und vergessen Sie nicht die Bioextrakte, die Kosmetika „Wunder“bewirken lassen.

Allgemeine Informationen

Jetzt werden wir ernst. Wenn Sie sich auf den Straßen bewegen, können Sie oft spontane Deponien sehen. Darüber hinaus gibt es vollwertige Deponien, auf denen menschliche Abfälle gelagert werden. Es scheint nicht schlecht zu sein, aber es gibt ein Minus - zu lange Zersetzungszeit. Es gibt eine Vielzahl von Möglichkeiten, dies zu beheben - dies ist das Recycling von Müll und die Verwendung weniger schädlicher Materialien, die Zersetzer schnell zerstören. Lassen Sie uns über den zweiten Fall sprechen.

Hier gibt es viele Punkte. Verpackungen, Reifen, Glas, Derivate der chemischen Industrie. Alle von ihnen erfordernAufmerksamkeit. Ein bestimmtes Universalrezept gibt es jedoch nicht. Daher ist es notwendig, konkret zu wissen, was und wie die Vermeidung von Umweltbelastungen gewährleistet werden kann.

Biologisch abbaubare Polymere wurden als Antwort auf das Problem der Plastikmüllentsorgung entwickelt. Es ist kein Geheimnis, dass ihr Volumen jedes Jahr wächst. Das Wort Biopolymere wird auch für ihre abgekürzte Bezeichnung verwendet. Was ist ihre Besonderheit? Sie können sich in der Umwelt aufgrund der Einwirkung physikalischer Faktoren und Mikroorganismen - Pilze oder Bakterien - zersetzen. Ein Polymer gilt als solches, wenn seine gesamte Masse innerhalb von sechs Monaten in Wasser oder Boden aufgenommen wird. Dadurch wird das Abfallproblem teilweise gelöst. Gleichzeitig entstehen Zersetzungsprodukte - Wasser und Kohlendioxid. Wenn es etwas anderes gibt, muss es auf Sicherheit und das Vorhandensein von toxischen Substanzen untersucht werden. Sie können auch durch die meisten Standard-Kunststoffherstellungstechnologien wie Extrusion, Blasformen, Thermoformen und Spritzgießen recycelt werden.

An welchen Bereichen arbeiten wir?

Biologisch abbaubare Polymere zu erh alten ist eine ziemlich mühselige Aufgabe. Die Entwicklung von Technologien, die es ermöglichen, sichere Materialien zu erh alten, wird in den Vereinigten Staaten, auf dem europäischen Kontinent, in Japan, Korea und China aktiv betrieben. Leider ist anzumerken, dass in Russland die Ergebnisse unbefriedigend sind. Eine Technologie für den biologischen Abbau von Kunststoffen und deren Herstellung aus nachwachsenden Rohstoffen zu schaffen, ist ein teures Vergnügen. Außerdem hat das Land noch genug Öl für die Produktion von Polymeren. Aber allesGleichermaßen lassen sich drei Hauptrichtungen unterscheiden:

1. Herstellung biologisch abbaubarer Polyester auf Basis von Hydroxycarbonsäuren.
2. Herstellung von Kunststoffen auf Basis reproduzierbarer natürlicher Inh altsstoffe.
3. Industrielle Polymere werden biologisch abbaubar.

Aber wie sieht es in der Praxis aus? Schauen wir uns genauer an, wie biologisch abbaubare Polymere hergestellt werden.

Bakterielle Polyhydroxyalkanoate

Mikroorganismen wachsen oft in Umgebungen, in denen Nährkohlen verfügbar sind. In diesem Fall liegt ein Phosphor- oder Stickstoffmangel vor. In solchen Fällen synthetisieren und akkumulieren Mikroorganismen Polyhydroxyalkanoate. Sie dienen als Kohlenstoffspeicher (Nahrungsspeicher) und Energie. Sie können gegebenenfalls Polyhydroxyalkanoate zersetzen. Diese Eigenschaft wird für die industrielle Produktion von Materialien dieser Gruppe genutzt. Die für uns wichtigsten sind Polyhydroxybutyrat und Polyhydroxyvalerat. Somit sind diese Kunststoffe biologisch abbaubar. Gleichzeitig sind sie UV-beständige aliphatische Polyester.

Es sollte beachtet werden, dass, obwohl sie in der aquatischen Umwelt eine ausreichende Stabilität aufweisen, das Meer, der Boden, die Kompostierung und die Recyclingumgebung zu ihrem biologischen Abbau beitragen. Und es passiert ziemlich schnell. Wenn der Kompost beispielsweise eine Luftfeuchtigkeit von 85 % und 20–60 Grad Celsius hat, dauert die Zersetzung in Kohlendioxid und Wasser 7–10 Wochen. Wo werden Polyhydroxyalkanoate eingesetzt?

Siewerden zur Herstellung von biologisch abbaubaren Verpackungen und Vliesstoffen, Einwegtüchern, Fasern und Folien, Körperpflegeprodukten, wasserabweisenden Beschichtungen für Karton und Papier verwendet. Sie sind in der Regel sauerstoffdurchlässig, beständig gegen aggressive Chemikalien, relativ thermisch stabil und haben eine mit Polypropylen vergleichbare Festigkeit.

Apropos Nachteile biologisch abbaubarer Polymere: Sie sind sehr teuer. Ein Beispiel ist Biopol. Es kostet 8-10 Mal mehr als herkömmliches Plastik. Daher wird es nur in der Medizin zum Verpacken einiger Parfüms und Körperpflegeprodukte verwendet. Beliebter unter den Polyhydroxyalkanoaten ist Mirel, das aus verzuckerter Maisstärke gewonnen wird. Sein Vorteil sind relativ niedrige Kosten. Trotzdem ist sein Preis immer noch doppelt so hoch wie der von herkömmlichem Polyethylen niedriger Dichte. Gleichzeitig machen Rohstoffe 60 % der Kosten aus. Und die Hauptanstrengungen zielen darauf ab, billige Gegenstücke zu finden. Der fragliche Prospekt ist die Stärke von Getreide wie Weizen, Roggen, Gerste.

Polymilchsäure

Die Herstellung biologisch abbaubarer Polymere für Verpackungen erfolgt ebenfalls unter Verwendung von Polylactid. Es ist auch Polymilchsäure. Was repräsentiert er? Es ist ein linearer aliphatischer Polyester, ein Kondensationsprodukt von Milchsäure. Es ist ein Monomer, aus dem Polylactid künstlich von Bakterien synthetisiert wird. Es sollte beachtet werden, dass seine Herstellung mit Hilfe von Bakterien einfacher ist als die traditionelle Methode. Schließlich werden Polylactide in einem technologisch einfachen Prozess von Bakterien aus vorhandenem Zucker hergestellt. Das Polymer selbst ist eine Mischung aus zwei optischen Isomeren gleicher Zusammensetzung.

Die resultierende Substanz hat eine ziemlich hohe thermische Stabilität. Die Verglasung erfolgt also bei einer Temperatur von 90 Grad Celsius, während das Schmelzen bei 210-220 Grad Celsius erfolgt. Außerdem ist Polylactid UV-beständig, leicht entzündlich und wenn es brennt, dann mit etwas Rauch. Es kann mit allen für Thermoplaste geeigneten Verfahren verarbeitet werden. Aus Polylactid erh altene Produkte haben eine hohe Steifigkeit, Glanz und sind transparent. Aus ihnen werden Platten, Schalen, Folien, Fasern, Implantate (so werden biologisch abbaubare Polymere in der Medizin verwendet), Verpackungen für Kosmetika und Lebensmittel, Flaschen für Wasser, Saft, Milch (aber keine kohlensäureh altigen Getränke, da das Material durchgeht) hergestellt Kohlendioxid). Sowie Stoffe, Spielzeug, Handyhüllen und Computermäuse. Wie Sie sehen können, ist die Verwendung von biologisch abbaubaren Polymeren sehr umfangreich. Und das nur für eine ihrer Gruppen!

Produktion und biologischer Abbau von Polymilchsäure

Zum ersten Mal wurde bereits 1954 ein Patent für seine Herstellung erteilt. Doch die Kommerzialisierung dieses Biokunststoffs begann erst zu Beginn des 21. Jahrhunderts – im Jahr 2002. Trotzdem gibt es bereits eine große Anzahl von Unternehmen, die sich mit der Herstellung beschäftigen - allein in Europa gibt es mehr als 30 davon. Ein wichtiger VorteilPolymilchsäure ist relativ kostengünstig – sie konkurriert bereits fast gleichberechtigt mit Polypropylen und Polyethylen. Es wird davon ausgegangen, dass Polylactide bereits 2020 damit beginnen können, sie auf den Weltmarkt zu bringen. Um die biologische Abbaubarkeit zu erhöhen, wird ihm häufig Stärke zugesetzt. Dies wirkt sich auch positiv auf den Preis des Produktes aus. Allerdings sind die resultierenden Mischungen ziemlich zerbrechlich und es müssen ihnen Weichmacher wie Sorbit oder Glycerin zugesetzt werden, um das Endprodukt elastischer zu machen. Eine alternative Lösung des Problems besteht darin, eine Legierung mit anderen abbaubaren Polyestern herzustellen.

Polymilchsäure zerfällt in zwei Schritten. Zuerst werden die Estergruppen mit Wasser hydrolysiert, was zur Bildung von Milchsäure und einigen anderen Molekülen führt. Dann zersetzen sie sich in einer bestimmten Umgebung mit Hilfe von Mikroben. Polylactide durchlaufen diesen Prozess in 20-90 Tagen, danach bleiben nur Kohlendioxid und Wasser übrig.

Stärkemodifizierung

Wenn natürliche Rohstoffe verwendet werden, ist das gut, denn die Ressourcen dafür werden ständig erneuert, sind also praktisch unbegrenzt. Stärke hat in dieser Hinsicht die größte Popularität erlangt. Aber es hat einen Nachteil - es hat eine erhöhte Fähigkeit, Feuchtigkeit aufzunehmen. Dies kann jedoch vermieden werden, wenn Sie einen Teil der Hydroxylgruppen am Ester bemerken.

Durch die chemische Behandlung können Sie zusätzliche Bindungen zwischen den Teilen des Polymers herstellen, was zur Erhöhung der Hitzebeständigkeit und Stabilität beiträgtgegenüber Säuren und Scherkräften. Das Ergebnis, modifizierte Stärke, wird als biologisch abbaubarer Kunststoff verwendet. Es zersetzt sich bei 30 Grad im Kompost in zwei Monaten und ist somit sehr umweltfreundlich.

Um die Materialkosten zu senken, wird Rohstärke verwendet, die mit Talkum und Polyvinylalkohol vermischt wird. Es kann mit der gleichen Ausrüstung wie gewöhnlicher Kunststoff hergestellt werden. Die modifizierte Stärke kann auch mit konventionellen Techniken gefärbt und bedruckt werden.

Bitte beachten Sie, dass dieses Material antistatisch ist. Der Nachteil von Stärke besteht darin, dass ihre physikalischen Eigenschaften den petrochemisch hergestellten Harzen im Allgemeinen unterlegen sind. Das heißt Polypropylen sowie Hoch- und Niederdruckpolyethylen. Und doch wird es auf dem Markt angewendet und verkauft. So werden daraus Paletten für Lebensmittel, Agrarfolien, Verpackungsmaterialien, Besteck sowie Netze für Obst und Gemüse hergestellt.

Verwendung anderer natürlicher Polymere

Das ist ein relativ neues Thema - biologisch abbaubare Polymere. Rationelles Naturmanagement trägt zu neuen Entdeckungen in diesem Bereich bei. So viele andere natürliche Polysaccharide werden bei der Herstellung biologisch abbaubarer Kunststoffe verwendet: Chitin, Chitosan, Zellulose. Und das nicht nur einzeln, sondern auch in Kombination. Beispielsweise wird ein Film mit erhöhter Festigkeit aus Chitosan, Mikrozellulosefaser und Gelatine erh alten. Und wenn Sie es im Boden vergraben, wird es schnellvon Mikroorganismen abgebaut. Es kann für Verpackungen, Tabletts und ähnliches verwendet werden.

Darüber hinaus sind Kombinationen von Cellulose mit Dicarbonsäureanhydriden und Epoxidverbindungen weit verbreitet. Ihre Stärke ist, dass sie sich in vier Wochen zersetzen. Aus dem resultierenden Material werden Flaschen, Folien zum Mulchen, Einweggeschirr hergestellt. Ihre Kreation und Produktion wächst jedes Jahr aktiv.

Bioabbaubarkeit industrieller Polymere

Dieses Problem ist ziemlich relevant. Biologisch abbaubare Polymere, von denen oben Beispiele für Reaktionen mit der Umwelt genannt wurden, h alten in der Umwelt nicht einmal ein Jahr. Während Industriematerialien es für Jahrzehnte und sogar Jahrhunderte verschmutzen können. All dies gilt für Polyethylen, Polypropylen, Polyvinylchlorid, Polystyrol, Polyethylenterephthalat. Daher ist es eine wichtige Aufgabe, die Zeit ihres Abbaus zu verkürzen.

Um dieses Ergebnis zu erzielen, gibt es mehrere mögliche Lösungen. Eine der gebräuchlichsten Methoden ist das Einbringen spezieller Additive in das Polymermolekül. Und in der Hitze oder im Licht wird der Prozess ihrer Zersetzung beschleunigt. Dies ist geeignet für Einweggeschirr, Flaschen, Verpackungs- und Agrarfolien, Beutel. Aber leider gibt es auch Probleme.

Der erste ist, dass die Zusatzstoffe auf herkömmliche Weise verwendet werden müssen - Formen, Gießen, Extrudieren. In diesem Fall sollten sich Polymere nicht zersetzen, obwohl sie Temperatur ausgesetzt werdenwird bearbeitet. Darüber hinaus sollten Additive die Zersetzung von Polymeren im Licht nicht beschleunigen und auch die Möglichkeit einer Langzeitanwendung darunter ermöglichen. Das heißt, es muss sichergestellt werden, dass der Abbauprozess zu einem bestimmten Zeitpunkt beginnt. Das ist sehr schwer. Der technologische Prozess beinh altet die Zugabe von 1-8% Zusatzstoffen (z. B. wird die zuvor besprochene Stärke eingeführt) als Teil eines kleinen typischen Verarbeitungsverfahrens, wenn das Erhitzen des Rohmaterials 12 Minuten nicht überschreitet. Gleichzeitig muss jedoch sichergestellt werden, dass sie gleichmäßig in der Polymermasse verteilt sind. All dies ermöglicht es, die Abbauzeit im Bereich von neun Monaten bis fünf Jahren zu h alten.

Entwicklungsperspektiven

Obwohl die Verwendung von biologisch abbaubaren Polymeren an Bedeutung gewinnt, machen sie nur noch einen geringen Prozentsatz des Gesamtmarktes aus. Dennoch finden sie immer noch eine recht breite Anwendung und erfreuen sich immer größerer Beliebtheit. In der Nische der Lebensmittelverpackungen haben sie sich schon jetzt fest etabliert. Darüber hinaus werden biologisch abbaubare Polymere häufig für Einwegflaschen, Becher, Teller, Schalen und Tabletts verwendet. Auch in Form von Tüten zum Sammeln und anschließenden Kompostieren von Speiseresten, Tüten für Supermärkte, Agrarfolien und Kosmetik haben sie sich am Markt etabliert. In diesem Fall kann Standardausrüstung für die Herstellung von biologisch abbaubaren Polymeren verwendet werden. Aufgrund ihrer Vorteile (Degradationsbeständigkeit unter Normalbedingungen, geringe Wasserdampf- und Sauerstoffbarriere, keine Entsorgungsprobleme, Unabhängigkeit von petrochemischen Rohstoffen) gewinnen sie weiterMarkt.

Von den Hauptnachteilen sollte man sich an die Schwierigkeiten der Massenproduktion und die relativ hohen Kosten erinnern. Dieses Problem kann bis zu einem gewissen Grad durch großtechnische Produktionssysteme gelöst werden. Die Verbesserung der Technologie ermöglicht es auch, h altbarere und verschleißfestere Materialien zu erh alten. Zudem ist zu beachten, dass eine starke Tendenz zur Fokussierung auf Produkte mit dem Präfix „eco“besteht. Dies wird sowohl durch die Medien als auch durch staatliche und internationale Unterstützungsprogramme erleichtert.

Konservierungsmaßnahmen werden schrittweise verschärft, was dazu führt, dass einige traditionelle Kunststoffprodukte in einigen Ländern verboten werden. Zum Beispiel Pakete. Sie sind in Bangladesch (nachdem festgestellt wurde, dass sie Entwässerungssysteme verstopfen und zweimal große Überschwemmungen verursachen) und Italien verboten. Allmählich kommt die Erkenntnis des wahren Preises, der für falsche Entscheidungen gezahlt werden muss. Und das Verständnis, dass es notwendig ist, die Sicherheit der Umwelt zu gewährleisten, wird zu immer mehr Einschränkungen für herkömmliche Kunststoffe führen. Glücklicherweise besteht eine Nachfrage nach einem Übergang zu noch teureren, aber umweltfreundlichen Materialien. Darüber hinaus suchen Forschungszentren in vielen Ländern und große Privatunternehmen nach neuen und billigeren Technologien, was eine gute Nachricht ist.

Schlussfolgerung

Also haben wir darüber nachgedacht, was biologisch abbaubare Polymere, Herstellungsverfahren und der Umfang dieser Materialien sind. Es gibt eine KonstanteVerbesserung und Verbesserung von Technologien. Hoffen wir also, dass die Kosten für biologisch abbaubare Polymere in den kommenden Jahren tatsächlich die Kosten für Materialien einholen, die durch traditionelle Methoden gewonnen werden. Danach ist der Übergang zu sichereren und umweltfreundlicheren Entwicklungen nur noch eine Frage der Zeit.