Біопластичні характеристики, види, виробництво та використання



The біопластика це пластикові полімерні матеріали, отримані з сировини біологічного походження, тобто з відновлюваних природних ресурсів, таких як біомаса крохмалю, целюлози, молочної кислоти, жирів, рослинних і тваринних білків, серед інших.

Термін біопластика використовується для розрізнення цих матеріалів біологічного походження, від нафтопластиків, які синтезуються з нафтопродуктів.

Пластики - це легко формовані матеріали, які можуть деформуватися, не вдаючись у більш-менш широкий діапазон умов; саме тому вони є матеріалами великої універсальності.

Більшість пластмас виготовляється з сировини, отриманої з нафти. Ці нафтопластики надходять з видобутку та переробки нафти, яка є невідновлюваним, кінцевим і вичерпним природним ресурсом.

Крім того, нафтопластики не є біорозкладаними і створюють серйозні екологічні проблеми, такі як так звані "пластикові острови і супи" в океанах. Вони спричиняють масову загибель риби та морських птахів через забруднення моря та повітря пластиковими мікрочастинками у суспензії, від їхньої фізичної деградації.

Крім того, спалювання нафтопластиків створює високотоксичні викиди.

На відміну від нафтопластики, більшість біопластів може бути повністю біорозкладаним і екологічно чистим. Вони можуть навіть сприяти динаміці екосистем.

Індекс

  • 1 Характеристики біопластики
    • 1.1 Економічне та екологічне значення біопластів
    • 1.2 Біодеградація
    • 1.3 Обмеження біопластики
    • 1.4 Покращення властивостей біопластів
  • 2 типи (класифікація)
    • 2.1 Класифікація згідно з її підготовкою
    • 2.2 Класифікація по сировині
  • 3 Промислове виробництво біопластів
  • 4 Використання біопластів
    • 4.1 Одноразові вироби
    • 4.2 Будівництво та цивільне будівництво
    • 4.3 Фармацевтичні застосування
    • 4.4 Медичні застосування
    • 4.5 Повітряний, морський і наземний транспорт і промисловість
    • 4.6 Сільське господарство
  • 5 Посилання

Характеристики біопластики

Економічне та екологічне значення біопластів

Останнім часом більше наукових і промислових інтересів виникла для виробництва пластмас з поновлюваної сировини і які є біорозкладаними.

Це пов'язано з тим, що світові запаси нафти вичерпуються і що є більша обізнаність щодо серйозних екологічних збитків, спричинених нафтопластикою..

Зі зростанням попиту на пластмаси на світовому ринку, попит на біорозкладані пластмаси також зростає.

Біодеградируемость

Відходи біорозкладаних біопластів можуть розглядатися як органічні відходи, швидкої та екологічно чистої деградації. Наприклад, вони можуть бути використані в якості ґрунтових змін у компостуванні, оскільки вони природним чином переробляються біологічними процесами.

Обмеження біопластики

Виробництво біорозкладаних біопластів стикається з великими проблемами, оскільки біопластика має поступальні властивості для нафтопластики, а її застосування, хоча і зростає, обмежена.

Поліпшення властивостей біопластів

Для поліпшення властивостей біопластів розробляються суміші біополімерів з різними видами добавок, такими як вуглецеві нанотрубки та природні волокна, модифіковані хімічними процесами.

Загалом, добавки, що застосовуються до біопластів, покращують такі властивості, як:

  • Жорсткість і механічна стійкість.
  • Бар'єрні властивості щодо газів і води.
  • Термостійкість і термостійкість.

Ці властивості можуть бути розроблені в біопластику за допомогою хімічних методів приготування і обробки.

Типи (класифікація)

Класифікація за вашою підготовкою

Біопластику можна класифікувати за способом їх приготування:

  • Біопластики, синтез яких виготовляють з полімерної сировини, витягуваної безпосередньо з біомаси.
  • Біопластики, отримані шляхом синтезу біотехнологічними шляхами (з використанням нативних або генетично модифікованих мікроорганізмів).
  • Біопластики, отримані в результаті класичного хімічного синтезу, починаючи з біологічних мономерів (які б використовувалися для їхнього будівництва).

Класифікація по сировині

Також біопластику можна класифікувати за походженням їх сировини:

Біопластика на основі крохмалю

Крохмаль являє собою біополімер, здатний поглинати воду і для цих біопластів функціональний, до них додаються пластифікатори, які забезпечують гнучкість (наприклад, сорбіт або гліцерин).

Крім того, вони змішуються з біорозкладаними поліефірами, полимолочной кислотою, поликапролактонами, серед інших, для поліпшення їх механічних властивостей і їх стійкості до деградації водою..

Біопласти, вироблені з крохмалю, як економічна сировина, багата і поновлювана, називають "термопластичним крохмалем".

Вони являють собою деформовані матеріали при кімнатній температурі, розплавляються при нагріванні і тверднуть в стані склоподібне при охолодженні. Їх можна повторно нагрівати і реконструювати, але вони зазнають змін у своїх фізичних і хімічних властивостях за допомогою цих процедур.

Вони є найбільш вживаним біопластичним типом і складають 50% біопластів на ринку.

Біопласти на основі целюлози

Целюлоза є найбільш поширеною органічною сполукою в межах земної біомаси, структурної складової стінок клітин рослин. Нерозчинний у воді, етанолі та ефірі.

Біопластики на основі целюлози зазвичай являють собою ефіри целюлози (ацетат целюлози та нітроцелюлоза) та їх похідні (целулоїди). За допомогою хімічних модифікацій целюлози він може стати термопластиком.

Целюлоза, набагато менш гідрофільна (схожа на воду), ніж крохмаль, виробляє біопластику з поліпшеними властивостями механічної міцності, меншою газопроникністю і більшою стійкістю до деградації води..

Біопластики на основі білків

Можна зробити біопластику з використанням білків, таких як молочний казеїн, пшенична клейковина, соєвий білок і ін.

Зокрема, біопластика з соєвого білка дуже сприйнятлива до деградації водою і є економічно дорогою продукцією. Розробка сумішей, які є більш дешевими і більш стійкими, передбачає виклик в даний час.

Біопласти, отримані з ліпідів

Біопластики (поліуретани, поліефіри та епоксидні смоли) синтезовані з рослинних і тваринних жирів, властивості яких аналогічні властивостям петропластики.

Виробництво рослинних олій та дешевих масел з мікроводоростей може бути дуже сприятливим фактором для виробництва цього типу біопластів.

Наприклад, біопласт поліамід 410 (ПА 410), виробляється з 70% нафти з плодів касторової рослини (Ricinus comunis). Ця біопластика має високу температуру плавлення (250oВ) низьке водопоглинання і стійкість до різних хімічних агентів.

Іншим прикладом є поліамід 11 (PA 11), який виробляється з рослинних олій, але не є біорозкладаним.

Полігідроксиалканоати (PHA)

Велика різноманітність бактеріальних видів ферментує цукри та ліпіди, виробляючи як побічні продукти, звані сполуками полигидроксиалканоати (PHA), які зберігаються як джерело вуглецю та енергії.

PHAs нерозчинні у воді, біологічно розкладаються і нетоксичні.

Біопласти типу PHAs виробляють досить жорсткі пластмасові волокна, які є біорозкладаними. Вони являють собою дуже перспективну альтернативу щодо використання петрополімерів для виробництва медичних виробів.

Полимолочная кислота (PLA)

Полімолочна кислота (PLA) являє собою прозору біопластику, яка виробляється з кукурудзи або декстрози в якості сировини.

Для його виробництва спочатку крохмаль повинен бути вилучений з кукурудзи або іншого рослинного джерела; згодом з цього отримана молочна кислота, завдяки дії мікроорганізмів, і, нарешті, хімічний процес (полімеризація молочної кислоти) застосовується для отримання біопласта.

Біопластики PLA є прозорими, мають низьку стійкість до ударів, володіють термостійкістю і бар'єрними властивостями, блокуючи вхід повітря. Крім того, вони є біорозкладаними.

Біопластика на основі полі-3-гідроксибутирату (PHB)

Полі-3-гідроксибутират (PHB) - хімічний складний поліефірний тип, який утворюється деякими бактеріями, які метаболізують глюкозу та кукурудзяний крохмаль.

PHB має властивості, подібні до нафтопластичного поліпропілену (комерційно широко використовується), але його вартість виробництва в дев'ять разів вище, оскільки вона передбачає виробництво біомаси з дорогими джерелами вуглецю..

Ця біопластика може виробляти прозорі плівки, має температуру плавлення 130oС і є повністю біорозкладаним.

Біополіетилен

Поліетилен має мономером етилену як структурну одиницю; які можуть бути отримані шляхом хімічного синтезу, починаючи з етанолу в якості сировини.

Етанол виробляється при алкогольному бродінні мікроорганізмами, які метаболізують цукровий очерет, кукурудзу або інше.

Таким чином, поєднуючи алкогольну ферментацію та хімічний синтез етилену та поліетилену, можна отримати біопластик, званий поліетилен, отриманий з біологічного походження..

Цей біопластичний поліетилен хімічно і фізично ідентичний нафто-пластиковій. Він не є біорозкладаним, але може бути перероблений.

Полігідроксиуретани

Останнім часом спостерігається великий інтерес до виробництва біопластичних поліуретанів, які не містять високотоксичних сполук ізоціанату.

Ізоціанати широко використовуються в процесах промислового виробництва синтетичних полімерів (поліуретанів, що застосовуються до губчастих пластиків, жорстких пінопластів, лаків, інсектицидів, клеїв, вибухових речовин, серед інших) як у сільському господарстві, так і в медицині.

Запропоновано хімічний метод Поперечна полімеризація полигидроксиуретанов, що виробляє повністю перероблювану та вільну біопластику ізоціанату.

Промислове виробництво біопластів

Промислове виробництво біопластів включає 4 фундаментальні кроки:

  1. Отримання сировини (біомаси).
  2. Синтез полімерів.
  3. Модифікація полімеру в залежності від бажаних властивостей згідно з кінцевим продуктом, що підлягає розробці.
  4. Формують з біопластиків методами високого або низького тиску, щоб отримати необхідну кінцеву форму.

Використання біопластів

В даний час існує мало комерційних застосувань біопластів, оскільки економічні витрати на їх виробництво і поліпшення їх властивостей все ще представляють проблеми для вирішення..

Одноразові предмети

Однак біопластика вже використовується у виробництві багатьох одноразових предметів, таких як поліетиленові пакети, пакувальні контейнери та харчові обгортки, столові прилади, склянки та їстівні пластикові страви..

Будівництво та цивільне будівництво

Біопластики крохмалю використовувалися як будівельні матеріали та біопласти, армовані нановолокнами в електричних установках.

Крім того, вони були використані при приготуванні біопластичні ліси для меблів, які не піддаються нападам ксилофагів і не гнили з вологою.

Фармацевтичні застосування

Вони були виготовлені з капсулами з біопластів, що містять ліки та засоби, які вивільняються повільно. Таким чином, біодоступність препаратів регулюється з плином часу (доза, отримана пацієнтом в певний час).

Медичні застосування

Для захисту ран, інженерії кісткової тканини та регенерації шкіри людини були виготовлені біопластики целюлози, які застосовуються в імплантатах, тканинної інженерії, хітинової біопластиці та хітозані..

Біопластики целюлози також були виготовлені для біосенсорів, сумішей з гідроксиапатитом для виготовлення зубних імплантатів, біопластичних волокон в катетерах, серед інших..

Повітряний, морський і наземний транспорт і промисловість

Використовувалися тверді пінопласти на основі рослинних олій (біопластика), як на промислових, так і на транспортних пристроях; автозапчастин і аерокосмічної частини.

Електронні компоненти стільникових телефонів, комп'ютерів, аудіо та відео пристроїв також були виготовлені з біопластів.

Сільське господарство

Біопластичні гідрогелі, які поглинають і утримують воду і можуть повільно вивільнятися, корисні як захисні покриття культивованого ґрунту, зберігаючи його вологість і сприяючи росту сільськогосподарських насаджень у сухих регіонах і в дефіцитних дощових сезонах..

Список літератури

  1. Chen, G. and Patel, M. (2012). Пластики, отримані з біологічних ресурсів: сьогодення і майбутнє. Технічний та екологічний огляд. Хімічні огляди. 112 (4): 2082-2099. doi: 10.1021 / cr.20162d
  2. Довідник з біопластів та біокомпозитів. (2011). Редактор Srikanth Pilla. Салем, США: Scrivener Publishing LLC. Опубліковані Джон Уайлі та сини.
  3. Lampinen, J. (2010). Тенденції розвитку біопластів та біокомпозитів. VTT Research Notes. Центр технічних досліджень Фінляндії. 2558: 12-20.
  4. Shogren, R.L., Fanta, G. і Doane, W. (1993). Розробка пластиків на основі крохмалю: перегляд окремих полімерних систем в історичній перспективі. Крохмаль 45 (8): 276-280. doi: 10.1002 / star.19930450806
  5. Vert, M. (2012). Термінологія для біореляційних полімерів та застосувань (рекомендації IUPAC). Чиста і прикладна хімія. 84 (2): 377-410. doi: 10.1351 / PAC-REC-10-12-04