Рост производства и потребления полимеров – одно из основных направлений развития мировой экономики. В последние годы темпы роста производства полимерных материалов неуклонно возрастают. Вместе с тем остро встает проблема утилизации полимерных отходов после истечения срока эксплуатации материалов и изделий, получаемых на их основе. До настоящего времени наиболее распространенным методом ликвидации полимерных отходов является компостирование. Однако синтетические полимеры инертны к воздействию факторов окружающей среды и практически не разлагаются в естественных условиях. В этой связи в мире все большее внимание исследователей привлекает задача придания биоразлагаемости синтетическим полимерным системам, которые охраняли бы свои потребительские свойства в течение срока эксплуатации, а по его истечении подвергались бы при определенных условиях физико-химическими биохимическим превращениям, ускоренно разрушаясь и разлагаясь на безвредные для природы компоненты. Биоразлагаемые полимеры получают как естественным, так и синтетическим путем и в основном состоят из сложноэфирных, амидных и простых эфирных функциональных групп. Их свойства и механизм разрушения определяются их точной структурой. Эти полимеры часто синтезируются реакциями конденсации, полимеризацией с раскрытием цикла и металлическими катализаторами. Существует множество примеров и применений биоразлагаемых полимеров. Биоразлагаемые полимеры представляют значительный интерес для различных областей, включая медицину, сельское хозяйство и упаковку. Также прилагаются значительные усилия по замене материалов, полученных из нефтехимии, материалами, которые могут быть изготовлены из биоразлагаемых компонентов. Одним из наиболее часто используемых полимеров для упаковки является полимолочная кислота, PLA. В отличие от большинства пластмасс, биоразлагаемые полимеры могут расщепляться в условиях окружающей среды с помощью микроорганизмов, таких как бактерии или грибки. Полимер, как правило, считается полностью биоразлагаемым, если вся его масса разлагается в почве или воде за период в шесть месяцев.

Данная работа будет полезна для студентов и специалистов, занимающихся исследованием и применением полимерных биоразлагаемых материалов для изготовления изделий и упаковок в различных отраслях промышленности, в медицине и утилизацией отходов после их использования.

ГЛАВА 1. МИРОВОЙ РЫНОК БИОМАТЕРИАЛОВ

Мировое потребление биоразлагаемых пластиков развивается высокими темпами. Среднегодовой рост составляет 27%. В период с 2012 по 2016 г. потребление выросло в 2.7 раза, рис.1. Контейнеры, пленки и пеноматериалы, изготовленные из биоразлагаемых полимеров, используются для упаковки мяса, молочных продуктов, выпечки и пр.

Рис.1.Мировое потребление биоразлагаемых пластиков

Другим наиболее распространенным применением являются одноразовые бутылки и стаканчики для воды, молока, соков и прочих напитков, тарелки, миски и поддоны. Еще одним рынком сбыта для таких материалов является производство мешков для сбора и компостирования пищевых отходов, а также пакетов для супермаркетов. Развивающимся применением этих полимеров является рынок сельскохозяйственных пленок и медицинских изделий. В настоящее время биопластики составляют примерно 1% от 335 млн тонн пластиков, производимых ежегодно. Согласно последним данным Европейского института биопластиков (European Bioplastics), рис. 2, и научно-исследовательского института nova-Institute (Хюрт, Германия), которые являются ведущими организациями в области исследования биополимеров, глобальные производственные мощности по выпуску биопластиков увеличатся примерно с 2,11 млн тонн в 2018 году до приблизительно 2,62 млн тонн в 2023 году. В число биоразлагаемых полимеров входят: крахмальные смеси, PLA – полимолочная кислота, РВАТ – полибутилен адипат/терефталат, PBS – полибутилен сукцинита, PHA – полигидроксиалканоаты. По оценкам экспертов, производственные мощности PHA увеличатся в четыре раза в течение следующих пяти лет. Кроме того, удвоятся производственные мощности PLA к 2023 году. PLA является отличной заменой для PS (полистирола), PP (полипропилена и ABS (акрилонитрилбутадиенстирола). Перспективна разработка PEF (полиэтиленфураноата), нового полимера, который, как ожидается, появится на рынке в 2023 году. PEF сопоставим с PET, но на 100 % состоит из биологического сырья и имеет превосходные барьерные и термические свойства, что делает его идеальным материалом для упаковки напитков, пищевых и непродовольственных товаров. Также ожидается, что к 2023 году на рынок в коммерческом масштабе с сильным потенциалом роста благодаря применению в широком спектре секторов выйдет PP (полипропилен) на биологической основе.

Рис.2. Глобальные производственные мощности биопластиков в 2018 г

PUR на биооснове (полиуретаны) – это еще одна важная группа полимеров, которые имеют огромные производственные мощности с хорошо развитым рынком. Сегодня существует «биопластичная» альтернатива практически для любого обычного пластикового материала соответствующего применения. В зависимости от материала, биопластмассы имеют те же свойства, что и обычные пластмассы, и предлагают некоторые преимущества, такие как уменьшенный углеродный след или дополнительные варианты управления отходами, как, например, промышленное компостирование. Биопластмассы используются в различных секторах: от упаковки, продуктов питания, бытовой электроники, автомобилестроения, сельского хозяйства и игрушек до текстиля и ряда других, рис.3. В структуре потребления крупнейшей областью применения биопластмасс является упаковка. В 2018 году данный сектор составлял почти 65 % (1,2 млн тонн) от общего рынка биопластиков. Для получения гибкой упаковки среди полимеров на биооснове наиболее распространенный тип – материалы на основе крахмалов. За ним по частоте использования следует РВАТ (полибутилен адипат/терефталат), PLA и PBS (полибутилен сукцинита). Для получения гибкой упаковки среди полимеров на биооснове наиболее распространенный тип – материалы на основе крахмалов. За ним по частоте использования следует РВАТ (полибутилен адепта/терефталат), PLA и PBS (полибутилен сукцинита). Европа занимает первое место в области исследований и разработок биопластиков. Здесь выпускается около пятой части от мирового объема подобных материалов. К 2023 году доля биопластика, изготовленного в Европе, достигнет 27%, что обусловлено недавно принятой политикой в таких странах, как Италия и Франция.

Рис.3. Использование биопластмасс в различных секторах

Наибольшей популярностью пользуется биопластик на основе природных полимеров – крахмала и целлюлозы (из сахарного тростника и кукурузы). Биопластик из кукурузы производят компании Metabolix, Nature Works, CRC и Novamont. Из сахарного тростника материалы производят предприятия Braskem. Компания Arkema в качестве сырья использует касторовое масло. Rodenburg Biopolymers получает биопластик из картофеля.

Голландские дизайнеры Эрик Кларенбик и Мартжи Дрос изобрели способ получения биопластика из водорослей. Их технология превращает водоросли в жидкое сырье, из которого посредством 3D-принтера можно печатать трехмерные пластиковые объекты.

Финская фирма Paptic выпускает материал для пакетов на основе целлюлозы и биопластика под одноименной маркой. Материал Paptic представляет собой что-то среднее между бумагой и пластиком. Фирму патронирует финский Фонд инвестиций в инновации.

Основанная в 2014 году в Индонезии компания Avani Eco создает продукцию из альтернативных пластику биоразлагаемых материалов. В частности, это пакеты из корня маниоки, которые якобы разлагаются в воде за несколько минут, а также пищевые контейнеры из сахарного тростника, посуда из PLA и кукурузного крахмала. Avani Eco – ведущий поставщик альтернативной упаковки в Юго-Восточной Азии.

Пластик из водорослей придумали в Израиле ученые Тель-Авивского университета. Микробы вида Haloferax mediterranei питаются водорослями Ulva lactuca. Побочным продуктом их жизнедеятельности является вещество полигидроксиалканоат, которое используется для производства пластмасс. Водоросли можно выращивать прямо в океане, на любой свободной территории, не занимая полезных земель. Согласно доступной информации, новый материал достаточно быстро разлагается в земле (в течение двух лет) и сравнительно недорог в производстве.

В 2012 году сообщалось, что ученые все того же университета Тель-Авива создали суперпрочный биоразлагаемый полипропилен, который может заменить металл и прочие материалы в бытовых товарах.

Компания JJG Biodegradable Product (Китай) производит и продает биоразлагаемые материалы на основе крахмала (получаемого из таких растений, как кукуруза, картофель, маниока, батат). Материалы могут использоваться в аграрной, пищевой и других отраслях промышленности. Биоразлагаемые продукты JJG BioPlast были экспонированы в Малайзии, Франции, США и произвели сенсационный эффект. Позже были заключены долгосрочные договоры на поставки с иностранными предприятиями из Франции, Японии, Малайзии, Саудовской Аравии и других стран мира. Чилийские ученые изобрели пакет на основе известняковых пород камня, который разлагается в холодной воде за несколько минут. В научно-исследовательском центре IRIS (Барселона, Испания) создан биоразлагемый пластик, сырьем для которого послужила молочная сыворотка, которая, как известно, является побочным продуктом при производстве сыров.

Японские ученые создали биоразлагаемый пластик из водорослей и орехов. Особенностью нового материала является его способность выдерживать температуру до 120ºC. Это примерно вдвое больше, чем показатели другого биоразлагаемого пластика – полилактида. Основными компонентами нового пластика являются парамилон (разновидность полисахарида, который накапливается в клетках исключительно представителей эвгленовых), а также жирные кислоты, полученные из скорлупы орехов кешью. Разработкой нового способа получения биопластика занимались Национальный институт прогрессивной промышленной науки и технологий, Университет Миядзаки и одна из крупнейших телекоммуникационных компаний страны – NEC.

Первопроходцем в сфере биополимеров, ведущим исследования с 1989 года, является компания Novamont (Италия). Недавно за создание растительного пластика Mater-Bi она была удостоена европейской премии «Изобретатель года». Этот пластик создан из комплекса крахмала (полученного из кукурузы, выращенной в Италии) и биоразлагаемых полимерных агентов, которые формируют разнообразные молекулярные сверхструктуры с широкой сферой применения. Другие компоненты включают в себя целлюлозу и полиэфиры из растительных масел в материале нового поколения Origo-Bi. Продукт прошел строгие испытания и сертифицирован как экологичный биоразлагаемый материал.