البوليمرات القابلة للتحلل: المفهوم ، الخصائص ، طرق التحضير وأمثلة على التفاعلات

2024 مؤلف: Howard Calhoun | [email protected]. آخر تعديل: 2023-12-17 10:18

قد تلاحظ أنه على مدار العقد الماضي ، اكتسبت المنتجات ذات البادئة "bio" المضافة إلى الاسم شعبية. الغرض منه هو إعلام أن المنتج آمن للبشر والطبيعة. يتم الترويج لها بنشاط من قبل وسائل الإعلام. حتى أن الأمر كان سخيفًا - عند اختيار مشروب ، فإنهم يعتبرون أن biokefir هو الأفضل ، ولم يعد الوقود الحيوي بديلاً للزيت ، بل منتجًا صديقًا للبيئة. ولا تنسى المستخلصات الحيوية التي تجعل مستحضرات التجميل تعمل "معجزات".

معلومات عامة

الآن دعونا نكون جادين. في كثير من الأحيان ، أثناء التحرك على طول الطرق ، يمكنك رؤية مقالب تلقائية. بالإضافة إلى ذلك ، هناك مدافن قمامة كاملة حيث يتم تخزين النفايات البشرية. يبدو أنه ليس سيئًا ، ولكن هناك ناقص واحد - وقت التحلل الطويل جدًا. هناك عدد كبير من الطرق لإصلاح ذلك - هذه هي إعادة تدوير القمامة ، واستخدام مواد أقل ضررًا تقضي على المُحلِّلات بسرعة. فلنتحدث عن الحالة الثانية

هناك العديد من النقاط هنا. التعبئة والتغليف والإطارات والزجاج ومشتقات الصناعات الكيماوية. كل منهم يتطلبالانتباه. ومع ذلك ، لا توجد وصفة عالمية محددة. لذلك ، من الضروري معرفة ما وكيفية ضمان الوقاية من التلوث البيئي على وجه التحديد.

تم تطوير البوليمرات القابلة للتحلل كإجابة لمشكلة التخلص من النفايات البلاستيكية. ليس سراً أن حجمها يتزايد كل عام. تستخدم كلمة البوليمرات الحيوية أيضًا لتسمياتها المختصرة. ما هي خصوصيتهم؟ يمكن أن تتحلل في البيئة بسبب تأثير العوامل الفيزيائية والكائنات الحية الدقيقة - الفطريات أو البكتيريا. يعتبر البوليمر مثل هذا إذا تم امتصاص كتلته بالكامل في الماء أو التربة في غضون ستة أشهر. هذا يحل جزئيا مشكلة النفايات. في الوقت نفسه ، يتم الحصول على منتجات التحلل - الماء وثاني أكسيد الكربون. إذا كان هناك أي شيء آخر ، فيجب فحصه للتأكد من سلامته ووجود مواد سامة. يمكن أيضًا إعادة تدويرها بواسطة معظم تقنيات تصنيع البلاستيك القياسية مثل البثق والقولبة بالنفخ والتشكيل الحراري والقولبة بالحقن.

ما هي المجالات التي نعمل عليها؟

يعد الحصول على البوليمرات القابلة للتحلل مهمة شاقة إلى حد ما. يتم تنفيذ تطوير التقنيات التي تجعل من الممكن الحصول على مواد آمنة بنشاط في الولايات المتحدة ، في القارة الأوروبية ، في اليابان وكوريا والصين. لسوء الحظ ، تجدر الإشارة إلى أن النتائج في روسيا غير مرضية. يعد إنشاء تقنية للتحلل الحيوي للمواد البلاستيكية وإنتاجها من المواد الخام المتجددة متعة باهظة الثمن. بالإضافة إلى ذلك ، لا يزال لدى البلاد ما يكفي من النفط لإنتاج البوليمرات. لكن كل شيءنفس ، ثلاثة اتجاهات رئيسية يمكن تمييزها:

1. إنتاج البوليسترات القابلة للتحلل على أساس أحماض الهيدروكسي كربوكسيل.
2. صنع البلاستيك على أساس المكونات الطبيعية القابلة للتكاثر.
3. البوليمرات الصناعية تصبح قابلة للتحلل.

ولكن ماذا عن الممارسة العملية؟ دعونا نلقي نظرة فاحصة على كيفية صنع البوليمرات القابلة للتحلل.

البكتيرية polyhydroxyalkanoates

غالبًا ما تنمو الكائنات الحية الدقيقة في البيئات التي تتوفر فيها الكربونات المغذية. في هذه الحالة يوجد نقص في الفوسفور أو النيتروجين. في مثل هذه الحالات ، تقوم الكائنات الحية الدقيقة بتجميع وتجميع polyhydroxyalkanoates. أنها بمثابة احتياطي من الكربون (مخازن المواد الغذائية) والطاقة. إذا لزم الأمر ، يمكنهم تحلل polyhydroxyalkanoates. تستخدم هذه الخاصية للإنتاج الصناعي لمواد هذه المجموعة. والأهم بالنسبة لنا هو بولي هيدروكسي الزبدات وبولي هيدروكسي فاليرات. وبالتالي ، فإن هذه المواد البلاستيكية قابلة للتحلل. في نفس الوقت ، فهي بوليستر أليفاتية مقاومة للأشعة فوق البنفسجية.

وتجدر الإشارة إلى أنه على الرغم من أن لديهم استقرارًا كافيًا في البيئة المائية ، فإن البحر والتربة وبيئات التسميد وإعادة التدوير تساهم في تدهورها البيولوجي. ويحدث بسرعة كبيرة. على سبيل المثال ، إذا كانت نسبة الرطوبة في السماد 85٪ و20-60 درجة مئوية ، فإن التحلل إلى ثاني أكسيد الكربون والماء سيستغرق من 7 إلى 10 أسابيع. أين تستخدم polyhydroxyalkanoates؟

همتستخدم لتصنيع مواد التعبئة والتغليف القابلة للتحلل والمواد غير المنسوجة ، والمناديل والألياف والأفلام ومنتجات العناية الشخصية والطلاء المقاوم للماء للكرتون والورق. كقاعدة عامة ، يمكنها تمرير الأكسجين ، ومقاومة للمواد الكيميائية العدوانية ، ولها ثبات حراري نسبي ، ولها قوة مماثلة لمادة البولي بروبلين.

عند الحديث عن عيوب البوليمرات القابلة للتحلل الحيوي ، تجدر الإشارة إلى أنها باهظة الثمن. مثال على ذلك Biopol. يكلف 8-10 مرات أكثر من البلاستيك التقليدي. لذلك فهو يستخدم فقط في الطب لتغليف بعض العطور ومنتجات العناية الشخصية. الأكثر شعبية بين polyhydroxyalkanoates هو mirel ، الذي يتم الحصول عليه من نشا الذرة المتسكر. ميزتها منخفضة التكلفة نسبيا. ولكن ، مع ذلك ، لا يزال سعره ضعف سعر البولي إيثيلين التقليدي منخفض الكثافة. في الوقت نفسه ، تمثل المواد الخام 60٪ من التكلفة. وتهدف الجهود الرئيسية إلى إيجاد نظيراتها الرخيصة. الاحتمال المعني هو نشا الحبوب مثل القمح والجاودار والشعير.

عديد حمض اللبنيك

يتم أيضًا إنتاج البوليمرات القابلة للتحلل للتعبئة باستخدام polylactide. وهو أيضا حمض عديد حمض اللبنيك. ماذا يمثل؟ إنه بوليستر أليفاتي خطي ، منتج تكثيف لحمض اللبنيك. وهو مونومر يتم من خلاله تصنيع عديد حمض اللبنيك بشكل مصطنع بواسطة البكتيريا.وتجدر الإشارة إلى أن إنتاجه بمساعدة البكتيريا أسهل من الطريقة التقليدية. بعد كل شيء ، يتم إنشاء polylactides بواسطة البكتيريا من السكريات المتاحة في عملية بسيطة من الناحية التكنولوجية. البوليمر نفسه عبارة عن خليط من أيزومرين بصريين لهما نفس التركيب

تتمتع المادة الناتجة باستقرار حراري مرتفع إلى حد ما. لذلك يحدث التزجيج عند درجة حرارة 90 درجة مئوية ، بينما يحدث الذوبان عند درجة حرارة 210-220 درجة مئوية. أيضا ، polylactide مقاوم للأشعة فوق البنفسجية ، وقابل للاشتعال قليلا ، وإذا كان يحترق ، ثم مع كمية صغيرة من الدخان. يمكن معالجتها باستخدام جميع الطرق المناسبة للبلاستيك الحراري. المنتجات التي تم الحصول عليها من polylactide صلابة عالية ، لمعان وشفافة. يتم استخدامها لصنع الأطباق والصواني والأفلام والألياف والغرسات (هذه هي الطريقة التي تستخدم بها البوليمرات القابلة للتحلل في الطب) ، وتغليف مستحضرات التجميل والمنتجات الغذائية ، وزجاجات المياه ، والعصير ، والحليب (ولكن ليس المشروبات الغازية ، لأن المواد تمر ثاني أكسيد الكربون). وكذلك الأقمشة ولعب الأطفال وحالات الهواتف المحمولة وفئران الكمبيوتر. كما ترون ، فإن استخدام البوليمرات القابلة للتحلل واسع النطاق للغاية. وهذا فقط لواحدة من مجموعاتهم!

إنتاج والتحلل البيولوجي لحمض عديد حمض اللبنيك

لأول مرة ، تم إصدار براءة اختراع لإنتاجه في عام 1954. لكن تسويق هذا البلاستيك الحيوي لم يبدأ إلا في بداية القرن الحادي والعشرين - في عام 2002. على الرغم من ذلك ، يوجد بالفعل عدد كبير من الشركات التي تعمل في تصنيعها - فقط في أوروبا يوجد أكثر من 30 شركة. ميزة مهمةحمض polylactic منخفض التكلفة نسبيًا - فهو يتنافس بالفعل تقريبًا على قدم المساواة مع البولي بروبلين والبولي إيثيلين. من المفترض أنه في عام 2020 ، سيكون عديد اللاكتيد قادرًا على البدء في دفعها في السوق العالمية. لزيادة قدرتها على التحلل البيولوجي ، غالبًا ما يضاف إليها النشا. هذا أيضًا له تأثير إيجابي على سعر المنتج. صحيح أن المخاليط الناتجة هشة نوعًا ما ، ويجب إضافة الملدنات ، مثل السوربيتول أو الجلسرين ، لجعل المنتج النهائي أكثر مرونة. حل بديل للمشكلة هو إنشاء سبيكة مع بوليستر آخر قابل للتحلل.

يتحلل حمض عديد حمض اللبنيك في خطوتين. أولاً ، تتحلل مجموعات الإستر بالماء ، مما يؤدي إلى تكوين حمض اللاكتيك وعدد قليل من الجزيئات الأخرى. ثم تتحلل في بيئة معينة بمساعدة الميكروبات. يخضع عديد اللاكتيدات لهذه العملية في 20-90 يومًا ، وبعد ذلك يبقى ثاني أكسيد الكربون والماء فقط.

تعديل النشا

عند استخدام المواد الخام الطبيعية ، فهذا جيد ، لأن الموارد الخاصة بها تتجدد باستمرار ، لذا فهي عمليا غير محدودة. اكتسب النشا أوسع شعبية في هذا الصدد. لكن لها عيبًا - فهي تتمتع بقدرة متزايدة على امتصاص الرطوبة. ولكن يمكن تجنب ذلك إذا لاحظت وجود جزء من مجموعات الهيدروكسيل على الإستر.

يسمح لك العلاج الكيميائي بإنشاء روابط إضافية بين أجزاء البوليمر ، مما يساعد على زيادة مقاومة الحرارة والاستقرارللأحماض وقوة القص. النتيجة ، النشا المعدل ، يستخدم كبلاستيك قابل للتحلل. يتحلل عند 30 درجة في سماد خلال شهرين ، مما يجعله صديقًا للبيئة.

لتقليل تكلفة المادة ، يتم استخدام النشا الخام الممزوج بالتلك والكحول البولي ينيل. يمكن إنتاجه باستخدام نفس المعدات المستخدمة في صناعة البلاستيك العادي. يمكن أيضًا صبغ النشا المعدل وطباعته باستخدام التقنيات التقليدية.

يرجى ملاحظة أن هذه المادة مضادة للكهرباء الساكنة بطبيعتها. عيب النشا هو أن خواصه الفيزيائية تكون بشكل عام أدنى من الراتنجات المنتجة بتروكيماويات. وهذا هو ، البولي بروبلين ، وكذلك البولي إيثيلين الضغط العالي والمنخفض. ومع ذلك ، يتم تطبيقه وبيعه في السوق. لذلك ، يتم استخدامه لصنع منصات نقالة للمنتجات الغذائية ، والأغشية الزراعية ، ومواد التعبئة والتغليف ، وأدوات المائدة ، وكذلك شبكات الفواكه والخضروات.

استخدام بوليمرات طبيعية أخرى

هذا موضوع جديد نسبيًا - البوليمرات القابلة للتحلل. تساهم إدارة الطبيعة العقلانية في الاكتشافات الجديدة في هذا المجال. يتم استخدام العديد من السكريات الطبيعية الأخرى في إنتاج المواد البلاستيكية القابلة للتحلل: الكيتين ، الشيتوزان ، السليلوز. وليس فقط بشكل منفصل ، ولكن أيضًا معًا. على سبيل المثال ، يتم الحصول على فيلم ذو قوة متزايدة من الشيتوزان وألياف ميكروسيليلوز والجيلاتين. وإذا دفنته في الأرض ، فسوف يحدث بسرعةمفككة بواسطة الكائنات الحية الدقيقة. يمكن استخدامه للتغليف والصواني والأشياء المماثلة.

بالإضافة إلى ذلك ، فإن توليفات السليلوز مع أنهيدريد ثنائي الكربوكسيل ومركبات الإيبوكسي شائعة جدًا. قوتهم أنها تتحلل في أربعة أسابيع. الزجاجات والأغشية وأدوات المائدة التي تستخدم لمرة واحدة مصنوعة من المواد الناتجة. يتزايد إنشائها وإنتاجها بنشاط كل عام.

التحلل البيولوجي للبوليمرات الصناعية

هذه المشكلة وثيقة الصلة بالموضوع. البوليمرات القابلة للتحلل ، التي تم الاستشهاد بأمثلة منها أعلاه للتفاعلات مع البيئة ، لن تدوم حتى عام في البيئة. في حين أن المواد الصناعية يمكن أن تلوثها لعقود وحتى قرون. كل هذا ينطبق على البولي إيثيلين والبولي بروبيلين والبولي فينيل كلوريد والبوليسترين والبولي إيثيلين تيريفثالات. لذلك ، فإن تقليل وقت تدهورها هو مهمة مهمة.

لتحقيق هذه النتيجة ، هناك العديد من الحلول الممكنة. إحدى الطرق الأكثر شيوعًا هي إدخال إضافات خاصة في جزيء البوليمر. وفي الحرارة أو في الضوء ، تتسارع عملية تحللها. هذا مناسب لأدوات المائدة التي تستخدم لمرة واحدة ، والزجاجات ، والتغليف والأفلام الزراعية ، والحقائب. لكن ، للأسف ، هناك مشاكل أيضًا.

الأول هو أنه يجب استخدام المواد المضافة بالطرق التقليدية - القولبة ، والصب ، والبثق. في هذه الحالة ، لا ينبغي أن تتحلل البوليمرات ، على الرغم من تعرضها لدرجة الحرارةيتم المعالجة. بالإضافة إلى ذلك ، يجب ألا تؤدي المواد المضافة إلى تسريع تحلل البوليمرات في الضوء ، وكذلك السماح بإمكانية استخدامها على المدى الطويل تحتها. أي أنه من الضروري التأكد من أن عملية التدهور تبدأ في لحظة معينة. انه صعب جدا. تتضمن العملية التكنولوجية إضافة 1-8٪ إضافات (على سبيل المثال ، يتم إدخال النشا الذي تمت مناقشته سابقًا) كجزء من طريقة معالجة نموذجية صغيرة ، عندما لا يتجاوز تسخين المادة الخام 12 دقيقة. ولكن في الوقت نفسه ، من الضروري التأكد من توزيعها بالتساوي في جميع أنحاء كتلة البوليمر. كل هذا يجعل من الممكن الحفاظ على فترة التدهور في المدى من تسعة أشهر إلى خمس سنوات.

آفاق التنمية

على الرغم من أن استخدام البوليمرات القابلة للتحلل الحيوي يكتسب زخمًا ، إلا أنها تشكل الآن نسبة ضئيلة من إجمالي السوق. لكن ، مع ذلك ، ما زالوا يجدون تطبيقًا واسعًا جدًا وأصبحوا أكثر شيوعًا. لقد أصبحوا الآن راسخين جيدًا في مجال تغليف المواد الغذائية. بالإضافة إلى ذلك ، تستخدم البوليمرات القابلة للتحلل على نطاق واسع في الزجاجات والأكواب والأطباق والأوعية والصواني التي تستخدم لمرة واحدة. لقد أثبتوا أيضًا وجودهم في السوق في شكل أكياس لجمع النفايات الغذائية وتسميدها لاحقًا ، وأكياس لمحلات السوبر ماركت ، والأفلام الزراعية ومستحضرات التجميل. في هذه الحالة ، يمكن استخدام المعدات القياسية لإنتاج البوليمرات القابلة للتحلل. نظرًا لمزاياها (مقاومة التدهور في ظل الظروف العادية ، وانخفاض الحاجز أمام بخار الماء والأكسجين ، وعدم وجود مشاكل في التخلص من النفايات ، والاستقلال عن المواد الخام البتروكيماوية) ، فقد استمروا في الفوزالسوق

من العيوب الرئيسية ، يجب على المرء أن يتذكر صعوبات الإنتاج على نطاق واسع والتكلفة المرتفعة نسبيًا. يمكن حل هذه المشكلة ، إلى حد ما ، عن طريق أنظمة الإنتاج واسعة النطاق. كما أن تحسين التكنولوجيا يجعل من الممكن الحصول على مواد أكثر متانة ومقاومة للتآكل. بالإضافة إلى ذلك ، تجدر الإشارة إلى أن هناك ميلًا قويًا للتركيز على المنتجات ذات البادئة "eco". يتم تسهيل ذلك من خلال وسائل الإعلام وبرامج الدعم الحكومية والدولية.

يتم تشديد تدابير الحفظ تدريجياً ، مما أدى إلى حظر بعض المنتجات البلاستيكية التقليدية في بعض البلدان. على سبيل المثال ، الحزم. تم حظرها في بنغلاديش (بعد أن وجد أنها تسد أنظمة الصرف وتتسبب في فيضانات كبيرة مرتين) وإيطاليا. يأتي تدريجياً إدراك السعر الحقيقي الذي يجب دفعه مقابل القرارات الخاطئة. وفهم أنه من الضروري ضمان سلامة البيئة سيؤدي إلى المزيد والمزيد من القيود على البلاستيك التقليدي. لحسن الحظ ، هناك طلب للانتقال إلى مواد أكثر تكلفة ولكنها صديقة للبيئة. بالإضافة إلى ذلك ، تبحث مراكز الأبحاث في العديد من البلدان والشركات الخاصة الكبرى عن تقنيات جديدة وأرخص تكلفة ، وهذا خبر سار.

الخلاصة

لذا فقد درسنا ما هي البوليمرات القابلة للتحلل البيولوجي ، وطرق الإنتاج ونطاق هذه المواد. هناك ثابتتحسين وتحسين التقنيات. لذلك دعونا نأمل أن تكلفة البوليمرات القابلة للتحلل الحيوي ستلحق بالفعل بالمواد التي تم الحصول عليها بالطرق التقليدية في السنوات القادمة. بعد ذلك ، سيكون الانتقال إلى مشاريع أكثر أمانًا وصديقة للبيئة مسألة وقت فقط.