Описание проекта
Одна из мировых экологических проблем современного мира является накопление в окружающей среде огромное количество отходов синтетических полимеров (пластмассы, каучуки, волокна), которые не подвергаются интенсивному физико-химическому и биологическому разложению. Несмотря на разнообразие способов их утилизации (сжигание, пиролиз, химическая модификация, захоронение, вторичная переработка), сегодня не существует комплексного подхода к их уничтожению без вреда для окружающей среды и значительных экономических затрат . Вариант решения этой проблемы рассматривается в создании материалов, способных в достаточно короткие сроки деградировать под воздействием химических (кислород воздуха, вода), физических (тепло, солнечный свет), биологических (бактерии, насекомые, грибы, водоросли, дрожжи) факторов окружающей среды.
Большинство биоразлагаемых материалов изготавливается из растительного сырья:
Картофеля;
Пшеницы;
Бобовых;
Подсолнечника;
Сахарной свеклы;
Древесины тополя и осины.
В настоящее время используются такие природные полимеры, как:
Целлюлоза;
Натуральный каучук;
Полисахариды;
Полипептиды;
Хитин;
Лигнин;
Сложные полиэфиры.
Крахмал, являясь природным полисахаридом, имеет ряд уникальных свойств и особенностей, к числу которых относятся [5]:
Ежегодная возобновляемость и неиссякаемость сырьевых ресурсов (картофель, кукуруза, рожь, пшеница, маниока, горох и др.), что выгодно отличает его от целлюлозы, выделяемой из древесины, минимальный срок созревания которой даже для быстрорастущей древесины составляет 18‒20 лет;
Легкая изменяемость и придание новых практически ценных свойств путем химического, бактериологического или комбинированного воздействия;
Возможность осуществления с крахмалом всех превращений, известных из химии низкомолекулярных соединений;
Не токсичность и удобство работы с ним как с полимером.
На данный момент проблема загрязнения окружающей среды упаковкой из синтетических полимеров достаточно актуальна. Одним из главных путей решения этой проблемы является разработка и производство биополимеров. Но биополимеры зачастую уступают синтетическим полимерам в своих характеристиках. Среди биополимеров термопластичный крахмал является достаточно популярным сырьём для их производства, но он не может заменить синтетические полимеры в силу своей гигроскопичности. Данная проблема решается путём модифицирования ТПК различными добавками, поверхностно активными веществами, а также совмещению его с другими полимерами или использования его как наполнитель для других биополимеров.
Российский рынок биополимеров ещё недостаточно развит для того чтобы предлагать достаточно конкурентно способные решения в области пищевой упаковки, а в частности плёночных упаковок.
Биопластики — это пластмассовые материалы, производимые из возобновляемых источников биомассы, таких как растительные жиры и масла, кукурузный крахмал, солома, щепа, опилки, переработанные пищевые отходы и т. д. Биопласт может быть изготовлен из сельскохозяйственных побочных продуктов, а также из использованных пластиковых бутылок и других контейнеров с использованием микроорганизмов. Обычные пластики, такие как ископаемые виды топлива (также называемые бензиновыми полимерами), получают из нефти или природного газа. Не все биопластики являются биоразлагаемыми и не разлагаются быстрее, чем пластмассы, полученные из ископаемого топлива. Биопластики обычно получают из производных сахара, включая крахмал, целлюлозу и молочную кислоту.
В настоящее время термопластичный крахмал является одним из главных направлений исследования для производства биоразлагаемых материалов, широко распространенным биопластиком, который составляет примерно 17% рынка биопластиков.
Является подходящим материалом для производства капсул лекарственных препаратов фармацевтического сектора и гибкой упаковки.
Хитозан производят главным образом из хитина, составляющего основу панцирей моллюсков и ракообразных. Покрытия на основе хитозана рекомендованы вследствие антибактериальных и газобарьерных свойств (предотвращают созревание плодов, поскольку поглощают этилен и пропускают углекислый газ) для хранения фруктов (яблоки, клубника, сливы, груши, персики) и овощей (перец, огурцы). Съедобное покрытие на основе хитозана и лизоцина, являющегося протеином яичного белка, предложено наносить на продукты для увеличения срока их хранения вследствие бактерицидных свойств.
Крахмал
Крахмал является основным компонентом биополимерной структуры, относится к группе полисахаридов и считается вторым наиболее важным возобновляемым источником после целлюлозы. Он недорогой и полностью биоразлагаемый, что вызывает большой интерес к превращению его в компонент биопластика.
Известно, что крахмал является универсальным материалом, поскольку его можно превратить в химические вещества, такие как:
Этанол;
Ацетон;
Органические кислоты.
Которые используются в производстве синтетических полимеров, такие как полимолочная кислота и также может быть преобразован в ТПК с помощью пластификатора в условиях температуры и сдвига.
В промышленных масштабах его получают из картофеля, кукурузы, пшеницы, риса.
Выбор крахмала в качестве основы для создания композиционных полимерных материалов обусловлен рядом причин:
Доступностью и практически неисчерпаемой сырьевой базой;
Наличием таких полезных свойств, которые отсутствуют у синтетических полимеров (повышенная гидрофильность, устойчивость к действию органических растворителей, легкость биохимического разложения, большая поглощающая способность по отношению к некоторым реагентам);
В индустрии производства пластмасс одной из важнейших технологий является экструзионная обработка, охватывающая более половины выпускаемых в мире термопластичных материалов.
Процесс получения биополимеров, как и процесс получения обычных полимеров основан на методе экструзии.
Кроме экструзионого способа получения крахмальных плёнок существует ряд других способов:
Поливом
Распылением (напылением)
Термоформованием
Метод полива больше относится к лабораторным способам получения крахмальных пленок.
Главным требованием к биополимерам помимо определённых характеристик и качеств в зависимости от направления их использования, является безостаточное разложение при компостировании или же в условиях естественной среды. Под безостаточным разложением понимается что материал в конечном итоге распадётся на безопасные составляющие такие как углекислый газ, вода, органические соединения, биомассу и метан. Не мало важным фактором является разложение всего материала, так как существуют комбинации синтетических и биополимеров где разлагается лишь бионачинка, тогда как синтетическая часть хоть и с большей скоростью, но всё же не так быстро продолжает разлагаться. Помимо безостаточного и полного разложения ещё одним требованиям к такой упаковке является скорость её разложения при компостировании и в естественной среде. Главным же фактором является скорость разложения в естественной среде, так как не всегда удаётся собрать и отсортировать необходимый пластик для компостирования, и зачастую упаковочные материалы оказываются в естественной среде обитания.
Пониженная в 1,7 раза динамическая вязкость и развитая площадь взаимодействия крахмала с пластификаторами глицерином, МГД (моноглецириды дистиллированные) и полиэтиленом в процессе экструзии должны были обеспечить равномерное распределение компонентов по всей поверхности модифицированного ТПК и его гибридной композиции с ПЭНП и большую степень изменения физико-механических свойств готовых изделий в процессе хранения.
С использованием данного модифицированного крахмала была приготовлена экструзионная композиция ТПК с применением пластификаторов и добавлением поверхностно активного вещества Tween 20 (Полисорбат). Соотношение компонентов (модифицированный крахмал, глицерин, МГД) для разработки состава ТПК определяли с использованием результатов экспериментов, выполненных на лабораторном экструдере. Было установлено что наилучшие характеристики ТПК получены при соотношении крахмал:глицерин:МГД – 60:30:10, а также температуре на выходе из экструдера – 115 OC, добавление ПАВ предполагается 5% по отношению к исходной массе крахмала.
Смешение ПАВ и крахмала предлагается проводить в смесителе с лопастной мешалкой. Далее изготовление ТПК происходит по принципиальной схеме.
Как правило, это полигидроксиалканоаты (PHA) или подобные вещества PHB, PHV и PHH. Полигидроксиалканоат — это представитель вида линейных полиэстеров, которые в природи появляются во время процесса бактериального брожения липидов и сахаров. Полигидроксиалканоаты появляються в следствии взаимодействия бактерий для того чтобы сохранить углерода. В индустриальных масштабах полиэстер экстрагируется и проходит очистку от бактерий через оптимизацию объемов брожения. В РНА-группе находится практически несколько сотен различных мономеров с исключительно разными особенностями. Такой вид биопластиков широко применяются в медицинской сфере.
Полигидроксибутират (PHB) может производиться только некоторыми бактериями, которые имеют свойство перерабатывать глюкозу, крахмал из кукурузы или сточные воды. Характеристики, свойственные полигидроксибутирату, можно наблюдать и в строении полипропилена (РР).
Типовой технологический процесс производства биопластика PLA предполагает, что при полимеризации лактонов используются металлосодержащие катализаторы, которые являются опасными для здоровья и окружающей среды.
Поэтому для решения этой проблемы необходимо создание не только разлагаемого, но и безопасного в производстве пластика.
Использование комбинированных пластиков на основе крахмала и побочных продуктов переработки целлюлозы (свекловичного жома) сокращает стоимость производства, а также приобретает новые рынки в разных отраслях пищевой промышленности.
