Биоразлагаемые полимеры

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Биоразлагаемые полимеры можно перерабатывать с помощью большинства стандартных технологий производства пластмасс, включая горячее формование, экструзию, литьевое и выдувное формование.

Существует две основных сферы жизнедеятельности человека, которые остро нуждаются в применении искусственных биодеградируемых полимеров, - это охрана окружающей среды и медицина.

В настоящее время для защиты окружающей среды от пластмассовых отходов активно разрабатываются два основных подхода: захоронение (хранение отходов на свалках) и утилизация (сжигание; пиролиз; рециклизация - переработка). Однако как сжигание, так и пиролиз отходов тары и упаковки и. вообще пластмасс кардинально, не улучшают экологическую обстановку. Но многие преимущества синтетических полимеров - их разнообразие, стабильность, способность образовывать пространственные сетки -- затрудняют вторичную переработку.

Радикальным решением проблемы «полимерного мусора» по мнению специалистов, является создание и освоение широкой гаммы полимеров, способных при соответствующих условиях биодеградировать, на безвредные для живой и не живой природы компоненты.

1. Тенденции развития мирового рынка биоразлагаемых полимеров

Некоторые результаты исследования глобального рынка биоразлагаемых материалов, выполненного компанией «ВСС Research».

Новые биоразлагаемые полимеры входят на рынок, неизменно вытесняя другие виды продукции, причем это сопровождается сменой ключевых игроков на рынке. Несмотря на то, что этот нишевый рынок приобрел коммерческое значение более 20 лет назад, его развитию до сих пор мешает целый ряд нерешенных проблем, среди которых достаточно упомянуть высокие цены, отсутствие промышленной инфраструктуры и сильные законодательные ограничения.

2. Анализ мирового рынка биополимеров: обзор и прогнозы

Возрастающее потребление полимеров для тары и упаковки, а также других бытовых изделий разового пользования создают проблему пластмассового мусора и угрозу окружающей среде. Захоронение пластмассовых отходов - это перекладывание сегодняшних проблем на плечи будущих поколений. Утилизация путем сжигания или пиролиза кардинально не улучшает экологическую обстановку. В определенной степени этот вопрос решает вторичная переработка, однако при этом требуются значительные трудовые и энергетические затраты: отбор из бытового мусора пластиковой тары и упаковки, разделение пластиков по виду, мойка, сушка, измельчение и только затем переработка в конечное изделие. Сбор и повторная переработка полимерной тары и упаковки приводят не только к последующему их удорожанию, но и снижают качество рециклизованного полимера. К тому же не каждый потребитель согласен использовать упаковку из такого пластика.

Специалисты считают, что только для транспортных и непищевых упаковок возможно применение до 25% вторичных пластмасс, но никак не для пищевых продуктов. Даже если допустить, что значительная часть тары и упаковки будет использована вторично, возникает вопрос: какая кратность переработки является допустимой, когда наступит время захоронения или, если возможно, сжигания отработанной упаковки? В любом случае утилизация полимеров даже путем вторичной переработки не снизит напряженность экологической обстановки. Радикальным решением проблемы полимерного мусора, по мнению большинства специалистов, является разработка, производство и применение широкой гаммы полимеров, способных при соответствующих условиях биодеградировать на безвредные для экологической среды компоненты.

Сегментация мирового рынка

Благодаря стремлению решить экологические проблемы, а также снизить зависимость полимерной отрасли от ископаемых сырьевых продуктов, цены на которые постоянно растут, рынок биополимеров активно расширяется. Наибольший рост мирового рынка биоразлагаемых полимеров, согласно прогнозам аналитиков, ожидается в течение ближайших 5 лет. Мировой рынок биоразлагаемых полимеров в 2011 г. оценивался в $1,484 млрд., в 2016 г. его объем в денежном выражении достигнет $4,14 млрд. Есть и более смелые прогнозы. Так, аналитики IBAW считают, что к 2020 г. производство биоразлагаемых пластиков превратится в глобальный бизнес стоимостью $38 млрд.

Сегмент упаковочных биоматериалов составляет около 70% общего объема рынка, так как широкое использование экологически безопасного и "самоутилизируемого" материала в качестве пищевой упаковки предпочтительнее по сравнению с полимерами из нефти или природного газа. К 2016 г. ожидается незначительное уменьшение доли данного сектора до 65%. В 2011 г. в денежном выражении производство биополимеров для упаковки составило $1,04 млрд., а в 2016 г. оно увеличится до $2,7 млрд.

Другой сегмент - производство волокон/ткани - также продемонстрирует существенный рост в течение прогнозируемого периода, особенно в секторе продуктов гигиены. Использование биоразлагаемых полимеров при производстве волокон и ткани в 2011 г. оценивалось в $213,4 млн., а в 2016 г., согласно прогнозам, достигнет $692,8. Таким образом, наиболее значительный рост мирового рынка биопластиков ожидается в секторах упаковки и волокон/нитей.

Виды биоразлаемых пластиков

Биополимерами принято называть материалы, которые разлагаются микроорганизмами и получены из возобновляемых и не возобновляемых сырьевых источников, а также материалы, которые не разлагаются микроорганизмами, но получены из возобновляемых ресурсов. В области разработки биоразлагаемых полимеров можно выделить 3 основных направления:

получение полиэфиров гидроксикарбоновых кислот,

получение пластмасс на основе воспроизводимых природных полимеров,

придание биоразлагаемости промышленным многотоннажным полимерам.

Многотоннажные полимеры.

Придание биоразлагаемости многотоннажным промышленным полимерам (полиэтилену, полипропилену, поливинилхлориду, полистиролу и полиэтилентерефталату) может быть обеспечено несколькими способами:

введением в структуру полимеров молекул, содержащих в составе функциональные группы, способствующие ускоренному фоторазложению полимера;

получением композиций многотоннажных полимеров с биоразлагаемыми природными добавками, способными в определенной степени инициировать распад основного полимера;

направленным синтезом биодеградируемых пластических масс на основе промышленно освоенных синтетических продуктов.

Рынок упаковки

Наиболее существенную долю рынка сегодня занимают полимеры из полилактида, далее следуют пластмассы на основе крахмала и целлюлозы. Однако, согласно прогнозам Pira International Ltd., традиционные биопластичные упаковки на основе крахмала, целлюлозы и полиэфира к 2020 г. будут постепенно вытесняться биополиэтиленом. Сегодня доля биодеградируемого ПЭ составляет менее 1%, к 2020 г. этот материал может занять четверть всего рынка биоупаковки.

Стандартизация биополимеров

Основной проблемой стандартизации является классификация и типологизация биополимеров. Многие эксперты сходятся во мнении, что критерий "возобновляемости углерода" должен быть главным признаком классификации биополимеров. Кроме того, в качестве признаков классификации предлагаются параметры, определяющие содержание "растительной массы" или "биологической массы" в составе биополимера. В случае решения проблемы стандартизации биополимеров возможен переход к утверждению стандартов по компостированию биополимеров и условий их переработки на предприятиях утилизации. На данном этапе необходимо определить допустимые нормы выхода СО2 при утилизации биополимеров и способы его абсорбции с целью ограничения дополнительных выбросов парниковых газов в атмосферу.

Основные производители

В настоящее время производители полимеров на базе молочной кислоты значительное внимание уделяют вопросам удешевления биоразлагаемой продукции за счет создания высокопроизводительных технологических процессов. Активную работу в совершенствовании технологии производства молочной кислоты проводит американская фирма Cargill Inc. На базе молочной кислоты она освоила выпуск биоразлагаемого полимера Eco-Pla, листы из которого сравнимы по ударопрочности с полистиролом. Покрытия и пленки отличаются высокой прочностью, прозрачностью, блеском, приемлемой температурой экструзии (около 200°С), имеют низкий коэффициент трения. Пленка хорошо сваривается и при этом может биоразлагаться при компостировании. Фирмой Cargill Inc. в результате проведенных работ освоено производство полилактида ферментацией декстрозы кукурузы мощностью до 6 тыс. т/год. В перспективе она планирует расширить производство до 50-150 тыс. т/год и снизить стоимость полилактида с $250 до $2,2/кг.

Голландская фирма CSMN выпускает 34 тыс. т/год молочной кислоты с возможным увеличением мощности в 2 раза. Технология получения кислоты разработана и запатентована совместной фирмой PURAC-GRUPPE, поставляющей молочную кислоту под маркой PURAC на мировой рынок.

С целью удешевления полимера на основе молочной кислоты японской фирмой Mitsui Toatsu освоена опытно-промышленная установка получения полилактида в одну стадию. Образующийся продукт представляет собой термостойкий полимер со свойствами лучшими, чем пластик, полученный по двухстадийному процессу. При этом цена нового материала составляет $4,95/кг. На основе этого полилактида фирма Dai Nippon разработала жесткую пленку, по свойствам сравнимую с полистиролом и эластичную - с полиэтиленом. полимерный биодеградируемый медицинский экологический

Исследованием технологии получения полимеров на основе полимолочной кислоты с 1991 г. активно занимается финская фирма Neste, где всесторонне изучаются физико-механические свойства полилактида с молекулярной массой 5000-10000 и рассматриваются области применения такого полимера.

Департамент биотехнологии японской группы Toyota построил пилотную установку мощностью 1 тыс. т по производству полимолочной кислоты. Hycail - предприятие, находящееся в Нидерландах, пустило промышленное производство полимолочной кислоты мощностью 50 тыс. т продукта в год.

В США агрохимическая группа ADM и биотехнологическая компания Metabolix планируют построить завод по производству биополиэфира (биополиэстера) мощностью 50 тыс. т/год. Американская группа Procter&Gamble Chemicals планирует пустить в Европе производство ферментативного полиэстера. Завод компании Tianan по производству полимолочной кислоты работает в Китае.

На основе крахмала фирма Biotec GmbH производит компостируемые пластические массы для различных областей применения: литьевой биопласт в виде гранул для литья изделий разового назначения, пеноматериалы для упаковки пищевых продуктов, гранулы для получения компостируемых раздувных и плоских пленок Bioflex. Высокая экологичность и способность разлагаться в компосте при 30°С в течение 2 месяцев с образованием благоприятных для растений продуктов распада делает перспективным применение подобных материалов в быту.

В рамках программы по охране окружающей среды чешская фирма Fatra совместно с производителями крахмала и институтом полимеров разработала разлагающуюся при компостировании упаковочную пленку марки Ecofol на основе крахмала с полиолефином. Использование недорогих компонентов позволило получить готовую пленку по 70 крон/кг. Такая пленка в условиях компостирования разлагается за 3-4 месяца.

Японские исследователи при получении биодеструктируемых полимерных материалов, находящих применение в сельском хозяйстве, используют обработанную термомеханически древесную массу в композиции с поливинил-ацетатом и глицерином. В последнее время особое внимание разработчиков привлекают композиции, содержащие хитозан и целлюлозу. Из них получают биоразлагаемые пластики, пленку с хорошей прочностью и водостойкостью, когда в смеси содержится 10-20% хитозана. Тонкие пленки деструктируют в почве за 2 месяца, полностью растворяются и исчезают. Плотность пластика целлюлоза-хитозан - 0,1-0,3 г/куб. см. Фирмой Showa (Япония) разработан биодеструктируемый полимер для внешнего корпуса телевизоров и персональных компьютеров. Полимер является одним из типов термореактопластов, получаемых при нагревании аминосмолы с протеином, хотя состав подробно не обсуждается. Предложенный материал имеет высокую теплостойкость, прочность и упругость, разлагается в воде и под действием подпочвенных бактерий.

BASF и Bayer AG занимаются получением биоразлагаемых синтетических пластиков путем синтеза полиэфиров и полиэфирамидов. На основе такого полиэфира еще в 1995 г. BASF освоил производство биоразлагаемого пластика Ecoflex F, применяемого для изготовления мешков, сельскохозяйственной пленки, гигиенической пленки, для ламинирования бумаги. Механические свойства Ecoflex F сравнимы с ПЭНП. Из него получают пленку с высокой разрывной прочностью, гибкостью, водостойкостью и проницаемостью водных паров. Перерабатывается он методом экструзии с раздувом и охлаждением на валках как полиэтилен низкой плотности. Его способность к деформации позволяет получить тонкие пленки (менее 20 мкм), которые не требуют специальной обработки.

Пленка из Ecoflex F хорошо сваривается, на нее наносится печать на обычном оборудовании. Использование фирмой собственного исходного сырья, производственных мощностей позволяет производить гранулы синтетического полиэфира по EUR6,5-8,0/кг в зависимости от качества. Композиции, содержащие основной компонент - сополиэфир повышенной вязкости, используют для получения биоразлагаемых пенопластов для упаковки. Со второй половины 90-х годов прошлого века Bayer AG выпускает новые компостируемые, биоразлагаемые в аэробных условиях термопласты ВАК-1095 и ВАК-2195 на основе полиэфирамида. Материал имеет высокую адгезию к бумаге, что позволяет широко использовать его для изготовления влаго- и погодостойкой упаковки, используемой в пищевой промышленности и сельском хозяйстве. Мешки из ВАК-1095 в компосте при соответствующем увлажнении разлагаются за 10 дней на биомассу, диоксид углерода и воду. Переработка композиций в конечные изделия ведется на стандартном оборудовании. Таким образом, можно достаточно быстро освоить выпуск новых экологически безопасных полимеров и в значительной степени решить задачу понижения цены биоразлагаемых пластиков, уменьшить проблему полимерного мусора из отходов тары и упаковки и сократить захоронения полимеров в землю.

Выводы

Биопластики - эффективные и технологически зрелые материалы. Они способны улучшить баланс между экологическими выгодами и воздействием пластмасс на окружающую среду. Анализ жизненного цикла показывает, что биопластик может сократить выбросы С02 на 30-70% по сравнению с обычной пластмассой (в зависимости от материала и области применения). Более того, увеличение использования биомассы в биопластике имеет явное преимущество: возобновляемость и доступность.

Направления применения биополимеров расширяются - от бытовых и сельскохозяйственных до общепромышленных и машиностроительных. Опережающее развитие технологий производства и переработки биодеградируемых и компостируемых полимеров имеет государственную поддержку в ряде стран Европы.

Литература

1. Аналитический портал химической промышленности. Новые химические технологии. Newchemistry.ru 2006. All Rights Reserved.

2. Источник: РБК-Украина. Международная маркетинговая группа 2003-2013

Размещено на Allbest.ru