Индивидуальный проект "Биополимеры"

Бюджетное общеобразовательное учреждение города Омска

«Средняя общеобразовательная школа № 86»

ИТОГОВЫЙ ИНДИВИДУАЛЬНЫЙ ПРОЕКТ

«Биополимеры»

Выполнила: ученица 10 класса Пушминцева Валерия Евгеньевна Руководитель проекта: Учитель химии и биологии Трекоз Ирина Викторовна

г. Омск, 2021г.

Содержание

Введение…………………………………………………………………….
ГЛАВА 1. БИОПОЛИМЕРЫ ……………………………………………
1.1 Классификация биополимеров …………………………………..….
1.2 Виды биополимеров ……………………...……………...…………….
1.3 Упаковочные материалы из биоразлагаемых полимеров…………….
ГЛАВА 2. ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ……………………………………..
2.1Опыты по изготовлению полимеров………………………………..
2.2 Анкетирование ……………………………………………………….
2.3 Рекомендации по использованию полимеров……………………..
Заключение………………………………………………………………….
Список использованной литературы……………………………………...
Приложение………………………………………………………………..

Введение

Полимерные материалы в жизнедеятельности человека имеют огромное значение. Поэтому вопрос об их использовании и дальнейшей утилизации особо актуален. Люди, животные и растения состоят из полимеров – белков, ДНК, РНК, целлюлоза и т.д. Все ткани живых организмов представляют высокомолекулярные соединения – полимеры. Однако именно сейчас люди научились создавать искусственные полимеры, чем значительно расширили возможности строительства, производства и быта.

В настоящее время основным сырьем для производства большинства полимеров и пластмасс является сырая нефть, запасов которой при современном уровне ее потребления хватит до 2050 г. С тем, что запасы нефти на нашей планете рано или поздно иссякнут, согласны все, спор идёт лишь о том, как скоро это произойдёт. Нефть – это не только бензин, мазут и прочие виды топлива, это ещё и сырьё для химической индустрии, выпускающей поистине гигантский ассортимент продукции, в том числе и бытового назначения. На производство таких изделий, как пластиковая плёнка для теплиц или, скажем, пластмассовые бутылки и пакеты, расходуется изрядная доля невозобновляемых запасов нефти. Мало того, поскольку эти изделия практически не поддаются биологическому разложению, они требуют дорогой и сложной утилизации, в противном случае они попросту засорят окружающую среду на много столетий вперёд.

Актуальность: разработка и совершенствование технологий производства биополимеров. Такие процессы и происходят в живой природе, образуемые растениями целлюлоза и крахмал с химической точки зрения являются полимерами.

Проблема: Полимерные вещества внедрились во все сферы человеческой деятельности – технику, здравоохранение, быт. Ежедневно мы сталкиваемся с различными пластмассами, резинами, синтетическими волокнами. Существуют ли, полимеры которые не приносят вреда окружающей среде? Способны ли они разлагаться в короткий период?

Цель: изучить виды биополимеров и их свойства.

Задачи:

1. Изучить классификацию и виды биополимеров, их получение и свойства;

2. Изучить материалы из биоразрушающихся полимерных композиций;

3. Создать простые биополимеры в домашних условиях;

4. Разработать рекомендации по использованию полимеров;

5. Провести анкетирование осведомлённости учеников по данной теме.

Методы исследования:

• Отбор материала;

• Изучение имеющейся литературы;

• Анализ данных;

• Структурирование материала

• Проведение практической части

• Опрос учеников по данной работе

• Обобщение полученной информации

Объект: биополимеры, полимеры

Научная новизна: Полимерные материалы в жизнедеятельности человека имеют огромное значение. Поэтому вопрос об их использовании и дальнейшей утилизации особо актуален.

Практическая значимость: Ежедневно мы сталкиваемся с различными пластмассами, резинами, синтетическими волокнами. Полимерные материалы обладают многими полезными свойствами, но в тоже время не способны разлагаться в короткий срок. Биополимеры отличаются от остальных полимеров возможностью разложения путем химического, физического или биологического воздействия, за короткое время, не нанося вреда природе.

 Гипотеза: предположим, что биополимеры –это природные высокомолекулярные соединения, являющиеся структурной основой всех живых организмов.

ГЛАВА 1. БИОПОЛИМЕРЫ

Биополимеры (полное название – биоразлагаемые полимеры) отличаются от остальных пластиков возможностью разложения на микроорганизмы путем химического, физического или биологического воздействия. Именно это свойство новых материалов позволяет решать проблему отходов.

Тот факт, что первые разработанные биоразлагаемые полимеры не разлагались надлежащим образом, заставила Американское общество по испытанию материалов сформулировать само понятие «биоразлагаемость». Биоразлагаемость означает, что продукт «способен подвергаться разложению на углекислый газ, метан, воду, неорганические компаунды или биомассы, при котором преобладающим механизмом является энзимное действие микроорганизмов, которое можно измерить с помощью стандартизированных испытаний в течение определенного периода времени с отражением имеющихся условий утилизации». Многие так называемые биоразлагаемые полимеры являются на самом деле биоэродируемыми, гидробиоразлагаемыми или же фотобиоразлагаемыми.

Продукты могут также расщепляться в ходе реализации одноэтапной технологии (растворимые в воде или способные подвергаться фотодеградации), после которой остаток уже более не разлагается микроорганизмами. Биоэродируемые полимеры способны подвергаться разложению без всякого воздействия микроорганизмов, по крайней мере, на начальной стадии. В процесс их разложения могут входить: растворение в воде, окислительное охрупчивание или же ультрафиолетовое охрупчивание.

Большинство синтетических полимеров не являются биоразлагаемыми. Такие полимеры, как полиэтилен и полипропилен, могут существовать в окружающей среде после своего поступления на свалку на протяжении нескольких десятков лет.

Биоразлагаемые полимеры обычно получают с помощью полимеризации сырьевых материалов на биологической основе. Такие сырьевые материалы либо выделяют из растений и животных, либо синтезируются с использованием современных промышленных технологий.

Многие полимеры в окружающей среде разлагаются в течение достаточно длительного времени, поэтому создание биодеградируемых материалов – такая же важная задача, как и их стабилизация.

Применяемые в быту полимеры, пластмассы и пленочные материалы после их использования должны достаточно быстро деградировать под воздействием факторов окружающей среды:

- химических (кислород, воздух, вода);

- физических (солнечный свет, тепло);

- биологических (бактерии, грибы, дрожжи, насекомые) факторов.

Эти факторы действуют синергически и в конечном итоге приводят к фрагментации полимера за счет деструкции макромолекул и превращения их в низкомолекулярные соединения, способные участвовать в естественном круговороте веществ в природе. Природные полимеры (целлюлоза, крахмал, хитин, полипептиды и др.) под влиянием различных микроорганизмов или продуцируемых ими ферментов разлагаются на низкомолекулярные вещества, участвующие в метаболизме простейших форм жизни.

Ферменты играют роль катализаторов, облегчающих распад главной цепи полимера. В ходе эволюции возникли специфические ферменты, избирательно разрушающие природные высокомолекулярные соединения, действующие, например, на целлюлозу, белки и другие природные полимеры. Так, амилаза вызывает распад молекулы крахмала. Ферменты, способные вызывать деструкцию синтетических полимеров, таких, как полиолефины или поливиниловые полимеры, в природе отсутствуют. Однако полимеры именно этих классов наиболее широко применяются при создании различных упаковочных материалов и изделий для кратковременного применения. Эти отходы составляют большую часть бытового мусора во всех промышленно развитых странах.

Биополимеры – это полимеры микробного происхождения, в частности на основе оксипроизводных жирных кислот, так называемые полиоксиалканоаты (ПОА). Физико-химические свойства ПОА, например термопластичность, такие же, как у полипропилена и полиэтилена, они обладают антиоксидантными и оптическими свойствами и пьезоэлектрическим эффектом. Основными достоинствами биополимеров являются биосовместимость (неотторжение организмом изделий из биополимеров при использовании в медицине) и экологичность (быстрое и нетоксичное разложение изделий из биополимеров в окружающей среде). Поэтому они перспективны для использования в медицине (хирургические и одноразовые материалы), фармакологии (пролонгация действия лекарственных веществ), пищевой промышленности (упаковочный и антиоксидантный материал), сельском хозяйстве (обволакиватели семян, разрушаемые пленки). В настоящее время получают 3 вида биополимеров: полиоксибутират и его сополимеры с оксибутиратом и оксивалератом.

Способность полимерных материалов разлагаться под действием бактерий и грибов зависит от химических и физических свойств. Для всякого вида полимеров биологическое разложение протекает в два этапа:

1) под действием химических, биохимических и иных агентов происходит разрушение кристаллической макромолекулярной структуры, которое в некоторых случаях происходит вплоть до образования мономеров;

2) происходит усвоение остатков макромолекул биологическими организмами (бактерии, грибы и т. д.), которые разрушают вещество до воды, углекислого газа, метана (при анаэробном брожении).

Способность к биологическому разложению, прежде всего, обусловлена размером макромолекул: полимеры с большой молекулярной массой устойчивы к воздействию организмов. Чтобы ускорить разложение такого материала, необходимо добиваться снижения массы и размеров молекул с помощью термического и фотоокисления, механической деградации и т. д. Молекулы с низким молекулярным весом усваиваются легче. Также более быстрому биологическому разложению подвергаются полимеры, содержащие заместители, связи, легко поддающиеся гидролизу. Скорость разложения зависит и от кристаллической структуры полимера. Устойчивость традиционных полимеров биологическому разложению связана именно с прочностью кристаллической структуры и большими размерами макромолекул. Аморфные материалы более доступны для проникновения ферментов и воды, которая вызывает набухание. В наибольшей мере разложению подвержены полимеры, полученные из натурального сырья. При разложении смешанных материалов разложение начинается с натурального компонента, который разлагается полностью и тем самым разрушает всю структуру. Однако при этом неизбежно встает вопрос о синтетическом остатке.

В категорию «биоразлагаемые» пластмассы объединяется большой класс материалов, которые могут производиться исключительно из растительного сырья, но также включать и традиционно используемые в промышленности полимерные материалы. Таким образом, способность к биоразложению и натуральное происхождение сырья – не одно и то же. Так, из углеводородного сырья также могут производиться биоразлагаемые материалы.

1.1 Классификация биополимеров

Традиционно доступными являются более 30 различных биополимеров, которые находят широкое применение не только на рынке упаковки, но и в таких направлениях, как текстиль, сельское хозяйство, медицина, строительство и отделка. Пленки (около 50%), пенки (около 20%), волокна и прочее (около 20%) представляют собой переработанные биополимеры. Биоразлагаемые полимеры отличаются от прочих пластиков тем, что в окружающей среде под действием микроорганизмов (бактерий или грибков) и физических факторов (УФ-излучение, температура, кислород) разлагаются. Длинные цепочки молекул биоразлагаемых полимеров распадаются на углекислый газ и воду, а также метан, биомассу и неорганические соединения (рис.1)

Рисунок 1. Классификация биопластиков

Процессы синтеза биоразлагаемых полимеров развиваются в следующих основных направлениях:

1. Получение биоразлагаемых полиэфиров на базе гидроксикарбоновых кислот.

2. Придание свойств биоразлагаемости выпускаемым в настоящие время пластикам за счет смешения и модификации.

3. Производство новых пластиков на основе воспроизводимых природных компонентов.

Технологии синтеза биоразлагаемых полимеров активно развиваются в США, Европе. Внедрения в производство есть в Корее, Японии, Китае. В России разработка таких технологий находится в начале становления.

Биоразлагаемые пластики в основном производятся из крахмала, полимолочной кислоты, полигидроксиалканоатов, целлюлозы и лигнина. При этом все компоненты материала являются биоразлагаемыми.

Также доступны так называемые биокомпозиты, представляющие собой смесь полимера с наполнителем, вводимым с целью снижения себестоимости материалов и/или для улучшения химико-механических свойств продукта.

Добавление к небиоразлагаемому пластику природных биоразлагаемых наполнителей (крахмала, древесной муки) не делает конечный товарный продукт биоразлагаемым. Для достижения максимальной биологической разлагаемости пластики должны компостироваться вместе с органическими отходами — аэробным или реже анаэробным способами компостирования.

Биоразлагаемые пакеты нельзя сдавать на вторичную переработку. Они испортят обычный пластик. Способы производства биоразлагаемых полимеров могут быть химическими или биологическими (под воздействием микроорганизмов или ферментов). Наиболее известные способы получения рассматриваемого материала:

Получение из природных полимеров путем их механической и химической обработки. Примеры: биоразлагаемый пластик из деструктурированного крахмала, из целлюлозы. Высокая стоимость. Страдает продуктовая безопасность: то, что является продуктом питания, мы используем для синтеза пластика, в то время как сотни миллионов людей в мире страдают от голода.

Химический синтез полимеров из мономеров, получаемых биопревращением возобновляемых источников сырья (в частности, использование молочной кислоты, получаемой при ферментизации сахаров, для выработки химическим способом полимолочной кислоты). Для биоразложения полимера на основе PLA необходимы определенные условия: температура и кислород. PLA получают из кукурузы, сахарного тростника, сахарной свеклы. Таким образом, в данном случае получения биоразлагаемого полимера также страдает продуктовая безопасность.

Получение биотехнологическим способом из возобновляемых сырьевых источников (применительно к ферментации сахаров, при которой микроорганизмы синтезируют термопластичные алифатические полиэфиры, в частности, полигидроксибутират, полигидроксиалканоаты (PHA), бактериальную целлюлозу). Способы получения биоразлагаемых полимеров с помощью синтеза бактериями являются дорогостоящими и нецелесообразными с точки зрения рентабельности к промышленному производству.

Химический синтез из продуктов переработки нефти и других невозобновляемых источников сырья. Традиционные синтетические пластики с введенными в них биоразрушающими добавками.

Наиболее распространенные добавки для биоразложения пластиков являются оксобиоразлагаемыми. Приставка «оксо-» означает, что для работы катализатора необходим кислород. На полигонах мусор закапывают, поэтому реакция может не пойти или материал успеет разложиться до мелких кусочков, которые сложно собрать. Кроме того, в подобные добавки добавляют никель, марганец, железо и кобальт. В конечном материале их содержание мало, однако при большом числе пакетов это значительные объемы, которые в конечном итоге окажут негативное влияние на почву, грунтовые воды.

1.2 Виды биополимеров

Биополимеры могут производиться по различным технологиям: как из сырья на основе животного или растительного материала (восстанавливаемые ресурсы), так и на основе нефтехимических продуктов. Некоторые биополимеры растительного происхождения уже появились на рынке. Примером перерабатываемого полимера могут служить полиэстеры – полимолочная кислота и полигидроксиалканы. Даже отходы пищевой промышленности могут найти свое применение в биоразлагаемой упаковке: например, очистки от картофеля стали основой биоупаковки марки Solanyl. Важно помнить, что биоразлагаемыми называются не те материалы, которые получены из натурального сырья, а те, которые имеют соответствующее химическое строение. Бензин, например, может быть основанием для полимерных изделий, которые подлежат биологическому разложению. Пластические массы на основе воспроизводимых природных компонентов – это пластмассы, в состав которых могут входить крахмал, целлюлоза, хитозан, протеин. Из композиций на их основе создают одноразовую посуду, пленки для упаковки и сельского хозяйства и т. д.

Впервые биоразлагаемый пластик появился 30 лет назад – в 1989 году в Италии. Сегодня все развитые страны ведут работы по разработке новых видов пластмасс с биологическими свойствами, включая крахмал в цепь полимера. Крахмал, как биоразлагаемый (биодеградируемый) компонент, хорошо разлагается широкой группой бактерий, что приводит к полному разрушению изделия. Среди самых известных биосинтетических полимеров можно выделить:

• Mater — композиция из полистирола с крахмалом, разлагаемая в компосте за 90 дней.

• Полилактид – биоразлагаемый термопластичный полиэфир, который является продуктом конденсации молочной кислоты и возобновляемого сырья биологического происхождения. На его основе выпускают различные виды упаковки и тары. Полилактид – это классический пример применения биоразлагаемых полимеров в медицине, поскольку из него производят хирургические рассасывающие нити.

• Полиоксиалканоаты (ПГА) – представляют собой сополимеры полигидроксибутирата и других веществ. Они наделены свойствами полиэтилена или полипропилена, но полностью разлагаются под воздействием водородных бактерий. Из данного материала делают широчайший ассортимент продукции, включая упаковки, косметические изделия, гели, лаки, наполнители и медицинский шовный материал.

• Эколин – материал на основе полипропилена и неорганических наполнителей (доломитов или известняков). Хорошо защищает продукты от внешних факторов и достаточно быстро (около 5 месяцев) разлагается под влиянием ветра и сильного излучения.

В число применений PHA входят биоразлагаемые упаковочные материалы и формованные товары, нетканые материалы, одноразовые салфетки и предметы личной гигиены, пленки и волокна, связывающие вещества и покрытия, связующие материалы для металлических и керамических порошков, водоотталкивающие покрытия для бумаги и картона.

Полимолочная (полиоксипропионовая) кислота (ПЛА), линейный алифатический полиэфир получается с помощью полимеризации молочной кислоты, которая изготавливается на основе ферментации сахаров, получаемых из кукурузы или иной биомассы. Разложение ПЛА осуществляется в два этапа. Сначала эфирные группы постепенно подвергают гидролизу водой для формирования молочной кислоты и прочих небольших молекул, затем их разлагают с помощью микробов в определенной среде. Контейнеры для фруктов являются одним из многих применений полимолочной кислоты. ПЛА часто смешивают с крахмалом для повышения способности к биологическому разложению и рентабельности производства. Тем не менее, эти смеси довольно непрочные, поэтому к ним часто добавляют такие пластификаторы, как глицерин или сорбит для придания эластичности. Вместо пластификаторов некоторые производители используют для смягчения ПЛА создание сплава с другими разлагаемыми полиэфирами. ПЛА обладает ярким блеском и прозрачностью, в некоторых случаях она может составить конкуренцию полистиролу и PET. ПЛА уже используется в материалах жесткой упаковки для фруктов и овощей, яиц, деликатесных продуктов и выпечки. Пленки, изготовленные из этого материала, используются для упаковывания сэндвичей, леденцов и цветов. К числу прочих видов применения относятся бутылки для воды, соков, молочных продуктов и съедобных масел, формованные с раздувом и вытяжкой. Некоторые производители автомобилей, главным образом компания Toyota в Японии, рассматривают возможности использования ПЛА и других биоразлагаемых пластмасс в своих будущих автомобилях.

ПЛА используют при изготовлении жесткой упаковки для фруктов и овощей, яиц, деликатесов и выпечки. В пленку из этого материала заворачивают сэндвичи, конфеты и цветы. Методом выдувного формования с растяжением изготавливают бутылки для воды, соков, молочных продуктов и пищевых масел.

Синтетические алифатические полиэфиры также поддаются биологическому разложению, как и полимеры, полученные из естественных источников, хотя их и производят из нефтепродуктов. Самым значительным представителем этого класса является полибутилен сукцинат (ПБС), полимер, обладающий свойствами, сходными со свойствами PET. Для того чтобы снизить стоимость ПБС, производители могут смешивать его с крахмалом или синтезировать сополимеры из материала, содержащего адипиатные группы (адипиновой кислоты). ПБС хорошо переносит традиционную обработку плавлением, и находит применение при изготовлении мульчирующих пленок, упаковочных пленок и мешков.

Алифатические-ароматические сополиэфиры (aliphatic-aromatic copolyesters – AAC) сочетают способность поддаваться биологическому разложению, присущему алифатическим эфирам, с прочностью ароматических эфиров. Напоминая по своим свойствам полиэтилен низкой плотности (low density polyethylene – LDPE), AAC хорошо обрабатываются с помощью технологии получения пленки экструзией с раздувом. К числу типичных мономеров данного класса относятся: терефталевая кислота, адипиновая кислота и бутандиол. К числу применений AAC относятся: пленки для сельского хозяйства и садоводства, нанесение слоев для упаковки пищевых продуктов, столовые приборы, мешки для листвы и отходов садоводства.

Модифицированный крахмал представляет собой чистый натуральный биополимер, который содержится в корнях, семенах и стеблях таких растений, как кукуруза, пшеница и картофель. Он пригоден для химического преобразования в термопластический материал для различного применения. Крахмал способен подвергаться полному биологическому разложению и основывается на возобновляемых материалах. Таким образом, использование крахмала в составе товарных адгезивных компаундов и пластмассовых материалов позволит свести к минимуму ущерб, наносимый окружающей среде.

Крахмал разлагается за счет расщепления молекул, которое происходит из-за энзимного воздействия на глюкозидные связи между группами сахаров. Содержание крахмала в таких продуктах существенно различается. Для получения значительного расщепления материала необходимо, чтобы содержание крахмала превышало 60%. При этом у большинства биоразлагаемых полимеров на основе крахмала содержание крахмала составляет 10-90%. По мере того, как количество крахмала растет, полимер становится все более способным подвергаться биологическому разложению. При низком содержании крахмала частицы крахмала действуют как слабые связи в полимерной матрице, и обеспечивают площадки для биологической атаки.

Крахмал может быть исходным биоразлагаемым адгезивным веществом. Он играет существенную роль в промышленном производстве, особенно в упаковочной отрасли. Адгезивные вещества на основе крахмала в основном используются для производства скрепляющих бумажных продуктов и прочих пористых подложек. Большая часть гофрированного коробочного картона для изготовления коробок легко скрепляется с помощью адгезивных материалов на основе крахмала.

Крахмал, получаемый из естественных растительных источников, обычно используют в качестве наполнителя для биоразлагаемых полимеров. Но крахмал и сам может быть использован как биоразлагаемая пластмасса, если его надлежащим образом модифицировать с помощью химической обработки. Множество содержащихся в обычном крахмале гидроксильных групп притягивают воду, из-за этого происходит преждевременное разложение крахмала. Но если часть этих гид-роксильных групп заменить другими, такими, как эфирные или сложно-эфирные, то воде будет не так легко воздействовать на полимер. Дополнительная химическая обработка позволяет создать дополнительные связи между различными частями полимера крахмала для того, чтобы увеличить его теплостойкость, устойчивость к воздействию кислот и срезающему усилию. В результате такой обработки образуется модифицированный крахмал, который разлагается в окружающей среде, но обладает свойствами коммерчески полезного термопласта.

В обычных пишущих ручках все, кроме чернил, сейчас изготавливается из биоразлагаемого полимера - модифицированного крахмала.

Модифицированный крахмал можно производить на том же оборудовании, что и обыкновенную пластмассу, его можно окрашивать и на него можно наносить печать с использованием всех обычных технологий. Этот материал антистатичен по своей природе. Физические свойства модифицированного крахмала в целом уступают свойствам смол, полученным нефтехимическим путем, которым он составляет конкуренцию - полиэтилену низкого и высокого давления, и полипропилену. И все же модифицированный крахмал уже нашел применение на некоторых рынках: поддоны для пищевых продуктов, (которые производятся с помощью метода горячего формования), сельскохозяйственные пленки, пенопластовые упаковочные материалы, столовые приборы (изготовленные с помощью литьевого формования), сеточки для овощей и фруктов (изготовленные с помощью экструзии). Кроме того, может быть использован в качестве добавки для улучшения параметров качения автомобильных шин, вытесняя сажу и оксид кремния, которые обычно используются.

 

1.3 Упаковочные материалы из биоразлагаемых полимеров

Биоразлагаемые полимеры по структуре сходны с традиционными пластиковыми полимерами, а стандартные методы изготовления могут быть использованы для трансформации их в огромное количество разнообразной продукции. Процесс производства состоит из нескольких ступеней. Технология производства материалов из биополимеров аналогична способам переработки обычных полимеров. Здесь также применяются методы экструзии, инжектирования, ламинирования и т. д. Конечный продукт может быть снабжен печатью или этикеткой. Решающим фактором для выбора материалов и процессов остается то, что способность биополимеров к разложению должна быть сохранена.

Проблема придания свойств биоразлагаемости хорошо освоенным многотоннажным промышленным полимерам (полиэтилен, полипропилен, поливинхлорид, полистирол, полиэтилентерефталат) занимает важное место в исследованиях. Активно разрабатываются три направления:

– введение в структуру биоразлагаемых молекул, содержащих в своем составе функциональные группы, способствующие фоторазложению полимера;

– получение композиций многотоннажных полимеров с биоразлагаемыми природными добавками, способными в определенный момент инициировать распад основного полимера;

– направленный синтез биодеградируемых пластических масс на основе промышленно освоенных синтетических продуктов.

Преимущества биоразлагаемых полимеров:

- возможность обработки, как и обычных полимеров, на стандартном оборудовании;

- низкий барьер пропускания кислорода, водяного пара (оптимально для использования в области пищевой упаковки);

- стойкость к разложению в обычных условиях;

- быстрая и полная разлагаемость при специально созданных условиях или естественных – отсутствие проблем с утилизацией отходов;

- независимость от нефтехимического сырья.

Недостатки биоразлагаемых полимеров:

- ограниченные возможности для крупнотоннажного производства;

- высокая стоимость (пока в среднем 2–5 евро за 1 кг).

Однако следует учесть, что экономическая стоимость помимо цены продукта содержит также и затраты по утилизации и использованию. В этом смысле биоразлагаемые полимеры предпочтительнее: возобновляемые ресурсы, необходимые для их производства, более выгодны. Важно также отметить, что высокая цена материала – явление временное, пока производство биополимеров не стало массовым и процесс их выпуска до конца не отлажен. Со временем стоимость биопластиков снизится, и они станут доступными для большинства предприятий.

С целью снижения себестоимости биоразлагаемых материалов для упаковки рекомендуется использовать неочищенный крахмал, смешанный с поливиниловым спиртом и тальком и другими добавками.

Переработку композиций, содержащих смесь высокоамилозного и обычного крахмала, пластифицированных глицерином, мочевиной и полиэтиленгликолем с молекулярной массой более 3000, осуществляют на двухшнековом экструдере. Из полученных гранул экструдируют пленку в виде рукава со степенью раздува 3,0, усадкой 14% и прочностью 10 МПа. Получаемые компостируемые, биоразлагаемые пленки используются для упаковки.

Вспененные листы, разовую посуду получают из композиции, содержащей гранулированный крахмал и водный раствор поливинилового спирта. Лучшие показатели: прочность, гибкость и водостойкость получены на композициях, содержащих 10–30% поливинилового спирта. Респирометрическое изучение поведения композиции в почве показало, что смесь разлагается за одну неделю.

Вспененные изделия для упаковки предлагается также получать на основе двух биоразлагаемых компонентов: крахмала и полиэфира гидроксикарбоновых кислот.

Следовательно, несмотря на то, что сам крахмал биоразлагаем, для ускорения процесса и получения изделий с заданными свойствами в композицию наряду с крахмалом вводят и полимеры на основе полиэфира. Пленка, полученная из смеси крахмала и полилактида, разлагается в компосте при 40°С в течение 7 суток. Водостойкие композиции без ухудшения биоразлагаемости получают из смеси эфиров крахмала и полиоксиалкиленгликоля, в которой часть полиэтиленгликоля заменяют полиоксибутиратом с молекулярной массой 1000–10000 ед. Пленка на основе такого материала обладает высокой прочностью, сохраняет свойства при выдержке при температуре 50°С в течение 3 месяцев. Такая пленка используется при упаковке пищевых продуктов.

Материалы, получаемые из смеси растительных и натуральных продуктов, где основным компонентом является целлюлоза или ее производные, применяются в качестве исходного сырья для изготовления одноразовых изделий для упаковки и предметов первой необходимости. Однако для создания биоразлагаемых пластиков используют не только целлюлозу, но и другие продукты растительного мира, в частности лигнин и лигниносодержащие вещества в сочетании с протеином и другими добавками.

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/см3. Из тройной композиции «хитозан – микроцеллюлозное волокно – желатин» получают пленки с повышенной прочностью, способные разлагаться микроорганизмами при захоронении в землю. Они применяются для упаковки, изготовления формованием подносов, пленок для мульчирования. Полупрозрачная пленка имеет прочность в сухом состоянии 133 Н/мм2, а в мокром – 21 Н/мм2.

Фирма Research Development (Япония) освоила новую технологию получения биоразлагаемой пленки на основе макромолекулы хитозана, выделяемого из панцирей крабов, креветок, моллюсков, а также целлюлоза и крахмал. Все три компонента смешивают с уксусной кислотой при нагревании и получают раствор, из которого поливом получают пленку, которая разлагается в почве или морской воде за несколько месяцев.

В зависимости от методов обработки хитозана способность пленки к биоразложению значительно изменяются. Так, пленка на основе ацилированного хитозана по NH2-группам разлагается в среде аэробного городского компоста намного быстрее, чем целлофановые или полигидроксибутиратвалериатные пленки. Способность модифицированного хитозана ускорять разложение была использована при получении пленки на основе полиэтилена с 10% хитозана, что, по свидетельству исследователей, приводит к полному разложению композиции за 28 дней.

Природные белки или протеины также привлекают разработчиков биоразлагаемых пластмасс. Для завертывания влажной пищи и изготовления коробок для пищевых продуктов создана пленка на основе цеина – гидрофобного протеина.

Отверждением высушенных желатиновых пленок в атмосфере паров формальдегида получены полимерные пленки, дополнительно пластифицированные глицерином. В зависимости от количества последнего возрастают эластичность и гибкость, удлинение пленки и абсор-бируемость водяного пара. Сделан вывод, что биоразлагаемость пленки зависит как от содержания глицерина, так и от степени сшивки.

Метакрилированный желатин также используется для получения биоразлагаемого материала для упаковки пищевых продуктов, парфюмерии и лекарственных препаратов. Термопластичные биоразлагаемые композиции предложено получать и с другими видами белка: казеина, производных серина, кератиносодержащих натуральных продуктов.

Направление по использованию природных полимеров - полисахаридов, белков для изготовления биоразлагаемых пластиков интересно прежде всего тем, что ресурсы исходного сырья постоянно возобновляемы и, можно сказать, не ограничены. Основная задача исследователей – разработка композиционных биодеградируемых материалов, обеспечивающих необходимые свойства, приближающиеся к синтетическим многотоннажным полимерам.

Особенно активно ведутся работы по получению биоразлагаемых материалов для упаковки, пленок, волокон, изделий для садов и огородов, состоящих из базового биополимера и синтетических полиэфиров на основе промышленных дикарбоновых кислот и гликолей.

Создание композиций, содержащих, кроме высокомолекулярной основы, органические наполнители (крахмал, целлюлозу, амилозу, амилопектин, декстрин и др.), являющиеся питательной средой для микроорганизмов. Наиболее дешевым методом получения композиций «полимер – наполнитель» является прямое смешивание компонентов. В этом случае наполнитель присутствует в пластике в виде конгломератов размером 10–100 мкм. Величина частиц определяется энергией межфазного взаимодействия и сдвиговым напряжением в процессе экструзии. Полученный из такой смеси материал является частично биоразлагаемым, так как матрица синтетического полимера в лучшем случае распадается на кусочки. При смешивании наполнителя с синтетическим полимером на микроуровне (размер частиц менее 10 мкм) компоненты смеси образуют взаимопроникающую сетчатую структуру, которая обеспечивает наполненному полимеру эффект дополнительной деструкции. Как известно, наполнитель может скапливаться в менее упорядоченных областях полимера. Кроме того, плотность упаковки макромолекул в граничных слоях системы «полимер – наполнитель» приблизительно вдвое меньше, чем в остальном объеме неупорядоченной фазы полимера. Поэтому при уничтожении наполнителя бактериями облегчается доступ микроорганизмов к менее стойкой по отношению к биодеструкции части полимера.

Биоразлагаемые материалы с активным растительным наполнителем впервые появились в 70–80-е гг. XX века на рынке упаковки в США, Италии, Германии. Это были композиции крахмала с различными синтетическими полимерами. По сравнению с термопластами на основе пластифицированного крахмала они удачно сочетали технологичность и высокие эксплуатационные характеристики, присущие синтетическому компоненту, со способностью к биодеструкции, обусловленной наличием в их составе природного полимера (крахмала).

Чаще всего крахмалом модифицировали полиэтилен, пластик, наиболее востребованный не только в индустрии упаковки, но имеющий широкий диапазон использования в пищевой и легкой промышленности, медицине и других отраслях. Для получения термопластичных смесей «полимер - крахмал» полисахарид обычно пластифицировали глицерином и водой. Смешение компонентов осуществлялось в экструдере при температуре 150°С.

Полярный крахмал плохо совместим с неполярным полиэтиленом, поэтому современные исследования по улучшению сродства природного и синтетического полимеров проводятся в двух направлениях:

- получение смесей крахмала с сополимерами этилена или другими, более полярными полимерами;

- модифицирование крахмалов с целью повышения их совместимости с полиэтиленом.

Наиболее часто в смесях с крахмалом используют сополимеры этилена с винилацетатом или продукты омыления ацетатных групп в этих сополимерах. Изучены также композиции крахмала с сополимером этилена и пропилена, полистиролом. Экструзией получены смеси крахмалов восковой или нативной кукурузы, а также высоко амилозного крахмала марки Hylon с сополимером этилена и винилового спирта (ЭВС, 56% звеньев СН2СН(ОН)). Хорошо формуются композиции крахмала с сополимером этилена, пропилена и малеинового ангидрида, а также с сополимером полистирола и малеинового ангидрида. Они обладают удовлетворительными механическими характеристиками и способны к биоразложению под действием спор грибков Penicillium funiculogum.

В отношении улучшения соединений с неполярными полимерами типа полиэтилена и полипропилена перспективными являются эфиры крахмала и высших жирных кислот. Причем эфирные группы с длинными алкильными радикалами не только увеличивают совместимость крахмала с неполярным синтетическим компонентом, но и действуют как внутренние пластификаторы. Однако скорость биодеградации таких композитов по сравнению со смесями «полиэтилен – немодифици-рованный крахмал» меньше. Из смеси полиэтилена высокого давления и крахмала, модифицированного введением в его молекулы холестериновых остатков, получены рукавные пленки. По сравнению с материалами из нативного крахмала пленки более однородны и характеризуются большей прочностью. Их биодеградация в компосте проходит быстрее, очевидно, за счет разрыхления структуры крахмала крупными холестериновыми фрагментами.

Однако наиболее удачным сочетанием ценных эксплуатационных характеристик (термопластичность, способность образовывать смеси с многотоннажными полимерами, такими, как полиэтилен, полипропилен) вместе с экологической безвредностью (в том числе и биосовместимостью), а также биодеградабельностью обладает новый класс полимеров – полиоксиалканоатов. Наиболее важным и перспективным представителем этого класса полимеров является полигидроксибутират (ПГБ), исследование физико-химических свойств которого началось в последние годы.

Направление биоразрушающихся пластиков на основе природных ингредиентов интересно, прежде всего, полной воспроизводимостью и неограниченностью сырья. Основной задачей исследователей биополимерных материалов является обеспечение необходимого уровня технологических и эксплуатационных свойств, соответствующих традиционным синтетическим полимерам. В настоящее время потребность в разлагаемых материалах достаточно велика. В экономически развитых странах, например, большая часть одноразовой упаковки производится из биоразрушающихся пластмасс.

ГЛАВА 2. ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

2.1 Изготовление биопластика в домашних условиях.

Практической частью моего проекта стало изготовление биопластика в домашних условиях. Для получения биопластика на основе крахмала я нашла рецепты на различных сайтах в Интернете.

Что нужно для опыта? Ингредиенты для органического пластика:

• 1 столовая ложка кукурузного или картофельного крахмала,

• 1 столовая ложка уксуса,

• 1 столовая ложка глицерина

• 4 столовых ложки воды.

• Полезные приспособления: небольшая кастрюля, противень, алюминиевая фольга, плита

Приготовление биополимера: Смешать все ингредиенты в кастрюле (порядок смешивания неважен), затем включить плиту на медленный\средний нагрев. Нагреть смесь. После включения плиты, постоянно помешивать смесь, иначе она начнёт слипаться. Сначала она будет молочного цвета, а затем загустеет и станет полупрозрачной. Очень важно нагревать смесь медленно, чтобы тепло распределялось равномерно. Этот процесс проходит достаточно быстро. Как только смесь можно будет легко собирать ложкой, выключить нагрев. Помешать еще несколько раз, а затем слить или собрать смесь при помощи ложки в противень, проложенный алюминиевой фольгой. Фольга — необязательный компонент, но с ней будет легче снимать пластик после того, как он высохнет. Формуем пластик. Как только мы выложим смесь на противень, она будет похожа по консистенции на гель для волос, и ей нужно будет остыть перед тем, как можно будет придать ей форму.

Дать ей полежать около минуты, затем распределить по фольге. Следующие 15 минут пластик будет затвердевать, и не будет прилипать к пальцам при прикосновении, но при этом будет всё еще будет мягким. Для полного затвердевания пластику нужно дать постоять в течение нескольких часов. После формовки, положить его обратно на фольгу и дать постоять несколько часов или оставить на ночь. Не трогать изделие до полного высыхания, так как оно будет мягким.

У этого опыта есть ряд замечательных особенностей. Во-первых, этот пластик растворяется в воде. Во-вторых, он не вредит окружающей среде. Если маленький ребёнок или домашнее животное проглотят изделия из биопластика, то им не будет нанесено никакого вреда (за исключением возможности подавиться), и всё это потому, что все ингредиенты полностью безопасны для потребления. Этапы изготовления биополимера из крахмала (см. Приложение №1)

2.2 Анкетирование

Для того чтобы выяснить знания учащихся о биополимерах и полимерах, я провела анкетирование среди учащихся 9-10 классов

В ходе анкетирования я задала несколько вопросов:

1.Волнует ли вас проблема пластикового мусора?

• Да, волнует

• Нет

• Не задумывался

2.Как вы думаете полимеры и биополимеру это:

• Одно и тоже вещество

• Это разные вещества

• Не знаю, что это такое

3. Какое из этих веществ безвредно для окружающей среды?

• Полимеры

• Биополимеры

• Все вещества вредны

• Все вещества безопасны

4.Сколько лет потребуется для разложения для пластмассовой бутылки?

• 5-10 лет

• 100-500 лет

• 1000 лет

5.Используете ли вы раздельный способ сбора мусора?

• Да

• Нет

• В первый раз об этом слышу

6. Возможна ли, современная жизнь без пластика?

• Нет, не возможна

• Возможна

• Можно сократить количество производства пластика

На вопрос 1 из 100% (54 чел.) ответили да, волнует – 29,6% (16чел.); нет – 9,3% (5 чел.); не задумывался – 61,1% (33 чел.).

На вопрос 2 из 100% (54 чел.) ответили одно и тоже – 1,9% (1 чел.); это разные вещества – 72,2% (39 чел.); не знаю, что это такое – 25,9% (14 чел.).

На вопрос 3 из 100% (54 чел.) ответили полимеры – 11,1% (6 чел.); биополимеры – 59,3% (32 чел.); все вещества вредны – 11,1% (5 чел.); все вещества безопасны – 18,5% (10 чел.).

На вопрос 4 из 100% (54 чел.) ответили 5-9 лет – 11,1% (6 чел.); 100-500 лет – 64,8% (35 чел.); 1000 лет – 24,1% (13 чел.).

На вопрос 5 из 100% (54 чел.) ответили да – 31,5% (17 чел.); нет – 63% (34 чел.); в первый раз об этом слышу – 5,5% (3 чел.).

На вопрос 6 из 100% (54 чел.) ответили нет, не возможна – 44,4%(24чел.); возможна – 9,3% (5 чел.); можно сократить количество производства пластика – 46,3% (25чел.) (См. Приложение №2).

Вывод: по итогам анкетирования выяснилось, что большинство учащихся нашей школы не задумываются о проблемах пластикового мусора, не осведомлены сколько лет потребуется для разложения для пластмассовых предметов. Большая часть опрошенных не используют раздельный способ сбора мусора. При этом способны отличить полимеры от биополимеров, какие из этих веществ наносят вред природе и необходимость сокращения количества производства пластика. Анкетирование заставило задуматься учащихся нашей школы о проблеме пластикового мусора и его влияние на окружающую среду.

2.3 Рекомендации по использованию полимеров

В помощь по использованию полимеров в повседневной жизни, составила рекомендации:

Памятка по использованию полимеров

1.Принеся продукты из магазина, незамедлительно переложить в стеклянную, металлическую или керамическую посуду.

2.Пользоваться пластиковой посудой только для холодной пищи и воды.

3.Отказываться от пластиковой посуды в пользу деревянной, стеклянной, фарфоровой, металлической.

4.Горячие напитки лучше всего пить из полипропиленовых стаканчиков.

5.Вместо тефлоновой сковороды или кастрюли выбираем из нержавеющей стали или чугуна, эмалированную посуду.

6.Убедитесь, что в составе покрытия и одежды нет тефлона, который во время носки начнёт выделяться.

7.Внимательно следите за маркировкой пластмассовой продукции, особенно когда покупаете детские игрушки.

8.Избегайте нагрева продуктов питания в пластиковых контейнерах, хранения жирных продуктов в пластиковых контейнерах или пищевой пленке (рис. 3).

Рисунок 3 Брошюра по использованию полимеров

Заключение

К биополимерам относятся многочисленные природные соединения: белки, нуклеиновые кислоты, целлюлоза, крахмал, каучук и другие органические вещества. Большое число полимеров получают синтетическим путем на основе простейших соединений элементов природного происхождения путем реакций полимеризации, поликонденсации, и химических превращений.

Как показал опыт изготовления биополимера из крахмала, этот пластик не вредит окружающей среде, растворяется в воде, все ингредиенты полностью безопасны для потребления. Но при этом это способ изготовления пластика из биополимера энергозатратный, не выгоден экономически, так как на него необходимо большое количество ресурсов.

По итогам анкетирования выяснилось, что большинство учащихся нашей школы не задумываются о проблемах пластикового мусора, не осведомлены сколько лет потребуется для разложения для пластмассовых предметов. Большая часть опрошенных не используют раздельный способ сбора мусора. При этом способны отличить полимеры от биополимеров, какие из этих веществ наносят вред природе и необходимость сокращения количества производства пластика. Анкетирование заставило задуматься учащихся нашей школы о проблеме пластикового мусора и его влияние на окружающую среду.

Использование биополимеров достаточно популярно сегодня, хотя, к сожалению, не так, как обычных полимерных соединений.

Область использования биополимеров еще до конца не изучена, поэтому о том, что завтра придумают изобретатели, можно только догадываться. Потенциал у биополимеров огромен и не за горами тот день, когда технологические возможности человечества спасут его самого от экологической катастрофы.  

Список использованной литературы

1. О. И. Богданова, Н. Г. Седуш, … «Полилактид – биоразлагаемый, биосовместимый полимер на основе растительного сырья». (Журнал «Экология и промышленность России», май 2010.)

2. Добротин Д.Ю. Настоящая химия для мальчиков и девочек. - Издательство: Интеллект-Центр. -2010.

3. Леенсон И.А. Удивительная химия. – Издательство: Энас. – 2009.

4. Аксенова А.А. Энциклопедия для детей. Том 17. Химия. – Издательство: Аванта+. – 2007.

5. Савина Л.А. Я познаю мир. Химия. – Издательство: ООО "Издательство АСТ". – 2007.

6. В. А. Фомин, С. П. Синеокий, … «Разработка технологического процесса получения биоразлагаемых полимеров на основе молочной кислоты». (Журнал «Экология и промышленность России», май 2010.)

7. С. И. Шкуренко, Е. В. Монахова, … «Биоразлагаемые полимеры на основе полимолочной кислоты». (Журнал «Экология и промышленность России», май 2010.)

8. https://cknow.ru/knowbase/843-38-biologicheski-vazhnye-veschestva-zhiry-belki-uglevody-monosaharidy-disaharidy-polisaharidy.html

Приложение №1

Этапы изготовления биополимера из крахмала

Приложение №2