Характеристики, виды, производство и использование биопластиков



биопластика они представляют собой пластмассовые полимерные материалы, полученные из сырья биологического происхождения, то есть из возобновляемых природных ресурсов, таких как биомасса крахмала, целлюлозы, молочной кислоты, жиров, растительных и животных белков, среди других.

Термин «биопластик» используется для различения этих материалов биологического происхождения от нефтепродуктов, которые синтезируются из производных нефти..

Пластмассы являются легко формуемыми материалами, которые могут деформироваться, не нарушая более или менее широкий диапазон условий; именно по этой причине они являются материалами большой универсальности.

Большинство пластиков производятся из сырья, полученного из нефти. Эти нефтепродукты происходят от добычи и переработки нефти, которая является невозобновляемым, ограниченным и истощаемым природным ресурсом..

Кроме того, нефтепродукты не являются биоразлагаемыми и создают серьезные экологические проблемы, такие как так называемые «пластиковые острова и супы» в океанах. Это приводит к массовой гибели рыб и морских птиц из-за загрязнения моря и воздуха пластиковыми микрочастицами в суспензии в результате их физического разложения..

Кроме того, при сжигании нефтепродуктов образуются высокотоксичные выбросы..

В отличие от нефтепродуктов, большинство биопластов могут быть полностью биоразлагаемыми и не загрязнять окружающую среду. Они могут даже способствовать динамике экосистем.

индекс

  • 1 Характеристика биопластика
    • 1.1 Экономическая и экологическая значимость биопластика
    • 1.2 Биоразлагаемость
    • 1.3 Ограничения биопластика
    • 1.4 Улучшение свойств биопластика
  • 2 Типа (классификация)
    • 2.1 Классификация по составлению
    • 2.2 Классификация по сырью
  • 3 Промышленное производство биопластиков
  • 4 Использование биопластика
    • 4.1 Одноразовые изделия
    • 4.2 Строительство и гражданское строительство
    • 4.3 Фармацевтические применения
    • 4.4 Медицинские приложения
    • 4.5 Воздушный, морской и наземный транспорт и промышленность
    • 4.6 Сельское хозяйство
  • 5 ссылок

Характеристика биопластика

Экономическая и экологическая значимость биопластика

В последнее время возрос научный и промышленный интерес к производству пластмасс из возобновляемого сырья, которые являются биоразлагаемыми..

Это связано с тем, что мировые запасы нефти истощаются и что существует большая осведомленность о серьезном ущербе для окружающей среды, вызванном нефтепродуктами..

С ростом спроса на пластмассы на мировом рынке, спрос на биоразлагаемые пластмассы также увеличивается.

биоразлагаемость

Отходы биоразлагаемых биопластов можно рассматривать как органические отходы быстрого и экологически чистого разложения. Например, они могут быть использованы в качестве почвенных добавок при компостировании, так как они естественным образом перерабатываются биологическими процессами..

Ограничения биопластика

Производство биоразлагаемых биопластов сталкивается с серьезными проблемами, поскольку биопластики обладают худшими свойствами по сравнению с петропластиками, и его применение, хотя и растет, ограничено.

Улучшение свойств биопластика

Для улучшения свойств биопластов разрабатываются смеси биополимеров с различными типами добавок, такими как углеродные нанотрубки и натуральные волокна, модифицированные химическими процессами..

В целом, добавки, применяемые к биопластам, улучшают такие свойства, как:

  • Жесткость и механическая стойкость.
  • Барьерные свойства против газов и воды.
  • Термостойкость и термостабильность.

Эти свойства могут быть разработаны в биопластике с помощью химических методов подготовки и обработки.

Типы (классификация)

Классификация в соответствии с вашей подготовкой

Биопласты могут быть классифицированы в зависимости от способа их приготовления в:

  • Биопластики, синтез которых производится из полимерного сырья, извлеченного непосредственно из биомассы.
  • Биопласты, полученные путем синтеза биотехнологическими путями (с использованием нативных или генетически модифицированных микроорганизмов).
  • Биопласты, полученные классическим химическим синтезом, начиная с биологических мономеров (которые будут кирпичи, используемые для их строительства).

Классификация по сырью

Также биопластики можно классифицировать по происхождению их сырья:

Биопластики на основе крахмала

Крахмал является биополимером, способным поглощать воду, и для этих биопластов они функциональны, к ним добавляются пластификаторы, которые обеспечивают гибкость (например, сорбит или глицерин).

Кроме того, их смешивают с биоразлагаемыми сложными полиэфирами, полимолочной кислотой, поликапролактонами, среди прочего, для улучшения их механических свойств и устойчивости к разложению водой..

Биопластики, полученные из крахмала, как экономическое сырье, богатое и возобновляемое, называют «термопластом крахмала»..

Они являются деформируемыми материалами при комнатной температуре, плавятся при нагревании и затвердевают в состоянии стекловидный при охлаждении. Они могут быть подогреты и реконструированы, но они подвергаются изменениям в своих физических и химических свойствах с этими процедурами.

Они являются наиболее используемым типом биопластика и составляют 50% биопластика на рынке..

Биопластики на основе целлюлозы

Целлюлоза является наиболее распространенным органическим соединением в земной биомассе, структурной составляющей стенок растительных клеток. Нерастворим в воде, этаноле и эфире.

Биопласты на основе целлюлозы, как правило, представляют собой сложные эфиры целлюлозы (ацетат целлюлозы и нитроцеллюлоза) и их производные (целлулоиды). Благодаря химическим модификациям целлюлозы, она может стать термопластом.

Целлюлоза, будучи намного менее гидрофильной (сродни воде), чем крахмал, производит биопластики с улучшенными свойствами механической прочности, меньшей газопроницаемостью и большей устойчивостью к деградации воды..

Белковые биопластики

Можно сделать биопластик, используя белки, такие как казеин молока, пшеничный глютен, соевый белок и другие..

В частности, биопластик из соевого белка очень чувствителен к разложению водой и является экономически дорогим в производстве. Разработка смесей, которые являются более дешевыми и более стойкими, представляет собой проблему в настоящее время.

Биопласты, полученные из липидов

Биопласты (полиуретаны, полиэфиры и эпоксидные смолы) были синтезированы из растительных и животных жиров, свойства которых аналогичны свойствам нефтепродуктов.

Производство растительных масел и недорогих масел из микроводорослей может быть очень благоприятным фактором для производства этого типа биопластиков..

Например, биопластик полиамид 410 (PA 410), оно производится с 70% масла из плодов клещевины (Ricinus comunis). Этот биопласт имеет высокую температуру плавления (250илиВ), низкое водопоглощение и устойчивость к различным химическим веществам.

Другим примером является полиамид 11 (PA 11), который производится из растительных масел, но не является биоразлагаемым.

Полигидроксиалканоаты (ПГА)

Большое разнообразие видов бактерий сбраживает сахара и липиды, образуя в качестве побочных продуктов, называемых соединениями. полигидроксиалканоаты (PHAs), которые хранят в качестве источника углерода и энергии.

ПГА нерастворимы в воде, биоразлагаемы и нетоксичны.

Биопластики типа PHA дают достаточно жесткие пластмассовые волокна, которые поддаются биологическому разложению. Они представляют собой очень многообещающую альтернативу в отношении использования нефтеполимеров для производства медицинских изделий..

Полимолочная кислота (PLA)

Полимолочная кислота (PLA) представляет собой прозрачный биопластик, который производится из кукурузы или декстрозы в качестве сырья.

Для его производства крахмал должен сначала быть извлечен из кукурузы или другого овощного источника; впоследствии из-за действия микроорганизмов из этого получается молочная кислота, и, наконец, химический процесс (полимеризация молочной кислоты) применяется для получения биопластика..

Биопластики PLA прозрачны, обладают низкой устойчивостью к ударам, обладают термостойкостью и барьерными свойствами, блокируя попадание воздуха. Кроме того, они биоразлагаемы.

Биопластики на основе поли-3-гидроксибутирата (ПГБ)

Поли-3-гидроксибутират (ПГБ) представляет собой полиэфирное химическое соединение, производимое некоторыми бактериями, которые метаболизируют глюкозу и кукурузный крахмал..

ПГБ обладает свойствами, аналогичными петропластичному полипропилену (широко используемому в продаже), но его стоимость производства в девять раз выше, поскольку он включает производство биомассы с дорогими источниками углерода.

Этот биопластик может производить прозрачные пленки, имеет температуру плавления 130илиС и полностью биоразлагаемый.

Био-производный полиэтилен

Полиэтилен имеет этиленовый мономер в качестве структурной единицы; который может быть получен химическим синтезом, начиная с этанола в качестве сырья.

Этанол производится в процессе спиртового брожения микроорганизмами, которые метаболизируют сахарный тростник, кукурузу или другие.

Таким образом, комбинируя алкогольную ферментацию и химический синтез этилена и полиэтилена, можно получить биопластик, называемый полиэтиленом биологического происхождения..

Этот биопластичный полиэтилен химически и физически идентичен петропласту. Это не биоразлагаемый, но может быть переработан.

Полигидроксиуретаны

В последнее время наблюдается большой интерес к производству биопластичных полиуретанов, свободных от высокотоксичного соединения, называемого изоцианат.

Изоцианат широко используется в промышленных процессах производства синтетических полимеров (полиуретаны, применяемые для губчатых пластиков, жестких пен, лаков, инсектицидов, клеев, взрывчатых веществ и др.) Как в сельском хозяйстве, так и в медицине..

Есть химический метод, называемый Перекрестная полимеризация полигидроксиуретанов, которая производит полностью перерабатываемые и бесплатные биопластики изоцианат.

Промышленное производство биопластиков

Промышленное производство биопластиков включает 4 основных этапа:

  1. Получение сырья (биомассы).
  2. Синтез полимеров.
  3. Модификация полимера в зависимости от желаемых свойств в зависимости от конечного продукта, который будет разработан..
  4. Литье из биопластика методами высокого или низкого давления для получения окончательной формы.

Использование биопластика

В настоящее время существует мало коммерческих применений биопластов, поскольку экономические затраты на их производство и улучшение их свойств по-прежнему представляют собой проблемы, требующие решения..

Одноразовые предметы

Тем не менее, биопластики уже используются для производства многих одноразовых предметов, таких как пластиковые пакеты, упаковочные контейнеры и обертки для пищевых продуктов, столовые приборы, стаканы и пищевая пластиковая посуда..

Строительство и гражданское строительство

Крахмальные биопластики использовались в качестве строительных материалов и биопластов, армированных нановолокнами, в электроустановках..

Кроме того, они были использованы при приготовлении биопластичные леса для мебели, на которую не нападают ксилофаговые насекомые и которая не гниет от влаги.

Фармацевтические применения

Они были сделаны с капсулами из биопластика, содержащими наркотики и лекарственные средства, которые высвобождаются медленно. Таким образом, биодоступность препаратов регулируется во времени (доза, полученная пациентом за определенное время).

Медицинские приложения

Биопластики целлюлозы, используемые в имплантатах, тканевой инженерии, хитиновых биопластиках и хитозане, были изготовлены для защиты ран, инженерии костной ткани и регенерации кожи человека..

Целлюлозные биопластики были также изготовлены для биосенсоров, смесей с гидроксиапатитом для изготовления зубных имплантатов, биопластичных волокон в катетерах и других..

Воздушный, морской и наземный транспорт и промышленность

Жесткие пенопласты на основе растительных масел (биопластик) используются как в промышленных, так и в транспортных устройствах; автозапчасти и аэрокосмические запчасти.

Электронные компоненты сотовых телефонов, компьютеров, аудио и видео устройств также были изготовлены из биопластика..

сельское хозяйство

Биопластичные гидрогели, которые поглощают и удерживают воду и могут медленно ее высвобождать, полезны в качестве защитных покрытий культурной почвы, поддерживая ее влажность и способствуя росту сельскохозяйственных насаждений в засушливых регионах и в редкие дождливые сезоны..

ссылки

  1. Чен Г. и Патель М. (2012). Пластмассы, полученные из биологических ресурсов: настоящее и будущее. Технический и экологический обзор. Химические обзоры. 112 (4): 2082-2099. doi: 10.1021 / cr.20162d
  2. Справочник по биопластику и биокомпозитам. (2011). Срикант Пилла Редактор. Салем, США: Scrivener Publishing LLC. Опубликовано Джоном Вили и сыновьями.
  3. Лампинен, J. (2010). Тенденции в биопластике и биокомпозитах. VTT Research Notes. Центр технических исследований Финляндии. 2558: 12-20.
  4. Shogren, R.L., Fanta, G. and Doane, W. (1993). Разработка пластмасс на основе крахмала. Пересмотр выбранных полимерных систем в исторической перспективе. Крахмал. 45 (8): 276-280. doi: 10.1002 / star.19930450806
  5. Верт, М. (2012). Терминология для биорелированных полимеров и их применения (рекомендации IUPAC). Чистая и прикладная химия. 84 (2): 377-410. doi: 10.1351 / PAC-REC-10-12-04