פולימרים מתכלים: מושג, מאפיינים, שיטות הכנה ודוגמאות לתגובות

2024 מְחַבֵּר: Howard Calhoun | [email protected]. שונה לאחרונה: 2023-12-17 10:27

ייתכן שתבחין שבמהלך העשור האחרון, מוצרים עם הקידומת "ביו" שנוספה לשם צברו פופולריות. הוא נועד ליידע כי המוצר בטוח לבני אדם ולטבע. זה מקודם באופן פעיל על ידי התקשורת. זה אפילו הגיע למגוחך - בבחירת משקה רואים ביוקפיר הכי טוב, וביו-דלק הוא כבר לא אלטרנטיבה לשמן, אלא מוצר ידידותי לסביבה. ואל תשכח על תמציות ביולוגיות שגורמות לקוסמטיקה לעשות "ניסים".

מידע כללי

עכשיו בואו נהיה רציניים. לעתים קרובות, נעים לאורך הכבישים, אתה יכול לראות מזבלות ספונטניות. בנוסף, ישנם מטמנות מלאות בהן מאוחסנת פסולת אנושית. נראה שזה לא רע, אבל יש מינוס אחד - זמן פירוק ארוך מדי. ישנן מספר רב של דרכים לתקן זאת - זהו מיחזור של אשפה, ושימוש בחומרים פחות מזיקים שהורסים במהירות מפרקים. בואו נדבר על המקרה השני.

יש כאן הרבה נקודות. אריזות, צמיגים, זכוכית, נגזרות של התעשייה הכימית. כולם דורשיםתשומת הלב. עם זאת, אין מתכון אוניברסלי ספציפי. לכן, יש צורך לדעת באופן ספציפי מה ואיך להבטיח מניעת זיהום סביבתי.

פולימרים מתכלים פותחו כמענה לבעיה של סילוק פסולת פלסטיק. זה לא סוד שהנפח שלהם גדל מדי שנה. המילה ביופולימרים משמשת גם לייעודם המקוצר. מה הייחודיות שלהם? הם יכולים להתפרק בסביבה עקב פעולתם של גורמים פיזיקליים ומיקרואורגניזמים - פטריות או חיידקים. פולימר נחשב לכזה אם כל המסה שלו נספגת במים או באדמה תוך שישה חודשים. זה פותר חלקית את בעיית הפסולת. במקביל מתקבלים תוצרי פירוק - מים ופחמן דו חמצני. אם יש משהו אחר, אז זה צריך להיחקר לבטיחות ולנוכחות של חומרים רעילים. ניתן גם למחזר אותם על ידי רוב טכנולוגיות ייצור הפלסטיק הסטנדרטיות כגון אקסטרוזיה, יציקה בנשיפה, תרמופורמינג ודפוס הזרקה.

על איזה אזורים אנחנו עובדים?

השגת פולימרים מתכלים היא משימה קשה למדי. פיתוח טכנולוגיות המאפשרות להשיג חומרים בטוחים מתבצע באופן פעיל בארצות הברית, ביבשת אירופה, ביפן, קוריאה וסין. למרבה הצער, יש לציין כי ברוסיה התוצאות אינן משביעות רצון. יצירת טכנולוגיה לפירוק ביולוגי של פלסטיק והפקתם מחומרי גלם מתחדשים היא תענוג יקר. בנוסף, עדיין יש במדינה מספיק נפט לייצור פולימרים. אבל הכלאותו דבר, ניתן להבחין בין שלושה כיוונים עיקריים:

1. ייצור פוליאסטרים מתכלים על בסיס חומצות הידרוקסי-קרבוקסיליות.
2. יצירת פלסטיק המבוסס על מרכיבים טבעיים שניתנים לשחזור.
3. פולימרים תעשייתיים הופכים מתכלים.

אבל מה עם בפועל? בואו נסתכל מקרוב על האופן שבו נוצרים פולימרים מתכלים.

פוליהידרוקסיאלקנואטים חיידקיים

מיקרואורגניזמים גדלים לעתים קרובות בסביבות שבהן פחמנים מזינים זמינים. במקרה זה, יש מחסור בזרחן או חנקן. במקרים כאלה, מיקרואורגניזמים מסנתזים וצוברים polyhydroxyalkanoates. הם משמשים מאגר של פחמנים (מאגרי מזון) ואנרגיה. במידת הצורך, הם יכולים לפרק polyhydroxyalkanoates. נכס זה משמש לייצור תעשייתי של חומרים מקבוצה זו. החשובים ביותר עבורנו הם polyhydroxy butyrate ו-polyhydroxy valerate. לפיכך, הפלסטיק הזה מתכלה. יחד עם זאת, הם פוליאסטרים אליפטיים עמידים לקרינה אולטרה סגולה.

יש לציין שלמרות שיש להם יציבות מספקת בסביבה המימית, סביבות הים, הקרקע, הקומפוסטציה והמחזור תורמים לפירוק הביולוגי שלהם. וזה קורה די מהר. לדוגמה, אם לקומפוסט יש לחות של 85% ו-20-60 מעלות צלזיוס, הרי שהפירוק לפחמן דו חמצני ומים ייקח 7-10 שבועות. היכן משתמשים בפוליהידרוקסיאלקנואטים?

הםמשמשים לייצור אריזות מתכלות וחומרים לא ארוגים, מגבונים חד פעמיים, סיבים וסרטים, מוצרי טיפוח אישי, ציפויים דוחי מים לקרטון ולנייר. ככלל, הם יכולים להעביר חמצן, עמידים בפני כימיקלים אגרסיביים, בעלי יציבות תרמית יחסית, ובעלי חוזק דומה לפוליפרופילן.

אם מדברים על החסרונות של פולימרים מתכלים, יש לציין שהם מאוד יקרים. דוגמה לכך היא ביופול. זה עולה פי 8-10 יותר מפלסטיק מסורתי. לכן, הוא משמש רק ברפואה, לאריזה של כמה בשמים ומוצרי טיפוח אישי. פופולרי יותר בקרב פוליהידרוקסיאלקנואטים הוא מירל, המתקבל מעמילן תירס מוסוכר. היתרון שלו הוא עלות נמוכה יחסית. אבל, בכל זאת, המחיר שלו עדיין פי שניים מזה של פוליאתילן מסורתי בצפיפות נמוכה. במקביל, חומרי הגלם מהווים 60% מהעלות. והמאמצים העיקריים מכוונים למצוא את עמיתיו הזולים. המוצר המדובר הוא עמילן של דגנים כמו חיטה, שיפון, שעורה.

חומצה פוליאקטית

ייצור פולימרים מתכלים לאריזה מתבצע גם באמצעות פולילקטיד. זוהי גם חומצה פולילקטית. מה הוא מייצג? זהו פוליאסטר אליפטי ליניארי, תוצר עיבוי של חומצת חלב. זהו מונומר שממנו פולילקטיד מסונתז באופן מלאכותי על ידי חיידקים.יש לציין שייצורו בעזרת חיידקים קל יותר מהשיטה המסורתית. הרי פולילקטידים נוצרים על ידי חיידקים מסוכרים זמינים בתהליך פשוט מבחינה טכנולוגית. הפולימר עצמו הוא תערובת של שני איזומרים אופטיים בעלי אותו הרכב.

לחומר המתקבל יש יציבות תרמית גבוהה למדי. אז, זיגוג מתרחש בטמפרטורה של 90 מעלות צלזיוס, בעוד שההתכה מתרחשת בטמפרטורה של 210-220 צלזיוס. כמו כן, polylactide הוא עמיד UV, מעט דליק, ואם הוא שורף, אז עם כמות קטנה של עשן. ניתן לעבד אותו בכל השיטות המתאימות לתרמופלסטיים. מוצרים המתקבלים מפולילקטיד הם בעלי קשיחות גבוהה, מבריק ושקופים. הם משמשים לייצור צלחות, מגשים, סרט, סיבים, שתלים (כך משתמשים בפולימרים מתכלים ברפואה), אריזות לקוסמטיקה ומוצרי מזון, בקבוקים למים, מיץ, חלב (אך לא משקאות מוגזים, כי החומר עובר פחמן דו חמצני). כמו גם בדים, צעצועים, נרתיקים לפלאפון ועכברי מחשב. כפי שניתן לראות, השימוש בפולימרים מתכלים הוא נרחב מאוד. וזה רק עבור אחת הקבוצות שלהם!

ייצור ופירוק ביולוגי של חומצה פולילקטית

לראשונה, פטנט על ייצורו הונפק עוד ב-1954. אבל המסחור של הביופלסטיק הזה החל רק בתחילת המאה ה-21 - ב-2002. למרות זאת, יש כבר מספר רב של חברות העוסקות בייצור שלה - רק באירופה יש יותר מ-30 מהן. יתרון חשובחומצה פולילקטית היא בעלות נמוכה יחסית - היא כבר מתחרה כמעט בשווה עם פוליפרופילן ופוליאתילן. ההנחה היא שכבר בשנת 2020, פולילקטיד יוכל להתחיל לדחוף אותם לשוק העולמי. כדי להגביר את הפירוק הביולוגי שלו, לעתים קרובות מוסיפים לו עמילן. יש לכך גם השפעה חיובית על מחיר המוצר. נכון, התערובות המתקבלות שבריריות למדי, ויש להוסיף להן חומרים פלסטיים, כמו סורביטול או גליצרין, כדי להפוך את המוצר הסופי לגמיש יותר. פתרון חלופי לבעיה הוא יצירת סגסוגת עם פוליאסטרים מתכלים אחרים.

חומצה פולילקטית מתפרקת בשני שלבים. ראשית, קבוצות האסטר עוברות הידרוליזה במים, וכתוצאה מכך נוצרת חומצה לקטית ועוד כמה מולקולות. ואז הם מתפרקים בסביבה מסוימת בעזרת חיידקים. פולילקטידים עוברים תהליך זה תוך 20-90 יום, ולאחר מכן נותרו רק פחמן דו חמצני ומים.

שינוי עמילן

כשמשתמשים בחומרי גלם טבעיים, זה טוב, כי המשאבים לכך מתחדשים כל הזמן, כך שהם כמעט בלתי מוגבלים. עמילן זכה לפופולריות הרחבה ביותר בהקשר זה. אבל יש לו חיסרון - יש לו יכולת מוגברת לספוג לחות. אבל ניתן להימנע מכך אם אתה מבחין בחלק מקבוצות ההידרוקסיל על האסטר.

טיפול כימי מאפשר ליצור קשרים נוספים בין חלקי הפולימר, מה שעוזר להגברת עמידות בחום, יציבותלחומצות ולכוח גזירה. התוצאה, עמילן שונה, משמשת כפלסטיק מתכלה. הוא מתפרק ב-30 מעלות בקומפוסט תוך חודשיים, מה שהופך אותו לידידותי מאוד לסביבה.

כדי להוזיל את עלות החומר, נעשה שימוש בעמילן גולמי, המעורבב עם טלק ואלכוהול פוליוויניל. ניתן לייצר אותו באמצעות אותו ציוד כמו לפלסטיק רגיל. ניתן גם לצבוע ולהדפיס את העמילן שעבר שינוי בטכניקות קונבנציונליות.

אנא שים לב שחומר זה הוא אנטי-סטטי באופיו. החיסרון של עמילן הוא שהתכונות הפיזיקליות שלו בדרך כלל נחותות משרף המיוצר פטרוכימית. כלומר, פוליפרופילן, כמו גם פוליאתילן בלחץ גבוה ונמוך. ועדיין, הוא מיושם ונמכר בשוק. אז, הוא משמש לייצור משטחים למוצרי מזון, סרטים חקלאיים, חומרי אריזה, סכו ם, כמו גם רשתות לפירות וירקות.

שימוש בפולימרים טבעיים אחרים

זהו נושא חדש יחסית - פולימרים מתכלים. ניהול טבע רציונלי תורם לתגליות חדשות בתחום זה. כל כך הרבה פוליסכרידים טבעיים אחרים משמשים בייצור של פלסטיק מתכלה: כיטין, כיטוזן, תאית. ולא רק בנפרד, אלא גם בשילוב. לדוגמה, סרט בעל חוזק מוגבר מתקבל מצ'יטוסן, סיבי מיקרוצלולוזה וג'לטין. ואם תקבור אותו באדמה, אז זה יעשה את זה מהרמפורקים על ידי מיקרואורגניזמים. זה יכול לשמש לאריזה, מגשים ופריטים דומים.

בנוסף, שילובים של תאית עם אנהידרידים דיקרבוקסיליים ותרכובות אפוקסי שכיחים למדי. הכוח שלהם הוא שהם מתפרקים תוך ארבעה שבועות. בקבוקים, סרטים לחיפוי, כלי אוכל חד פעמיים עשויים מהחומר המתקבל. היצירה והייצור שלהם גדלים באופן פעיל מדי שנה.

התכלות ביולוגית של פולימרים תעשייתיים

בעיה זו די רלוונטית. פולימרים מתכלים, שדוגמאות שלהם הובאו לעיל לתגובות עם הסביבה, לא יחזיקו מעמד אפילו שנה בסביבה. ואילו חומרים תעשייתיים יכולים לזהם אותו במשך עשרות ואף מאות שנים. כל זה חל על פוליאתילן, פוליפרופילן, פוליוויניל כלוריד, פוליסטירן, פוליאתילן טרפתלט. לכן, צמצום זמן ההשפלה שלהם היא משימה חשובה.

כדי להשיג תוצאה זו, ישנם מספר פתרונות אפשריים. אחת השיטות הנפוצות ביותר היא הכנסת תוספים מיוחדים למולקולת הפולימר. ובחום או באור, תהליך הפירוק שלהם מואץ. זה מתאים לכלי שולחן חד פעמיים, בקבוקים, אריזות וסרטים חקלאיים, שקיות. אבל, אבוי, יש גם בעיות.

הראשון הוא שיש להשתמש בתוספים בדרכים מסורתיות - יציקה, יציקה, שחול. במקרה זה, פולימרים לא צריכים להתפרק, למרות שהם נתונים לטמפרטורהמעבד. בנוסף, תוספים לא צריכים להאיץ את פירוק הפולימרים באור, וגם לאפשר אפשרות של שימוש ארוך טווח מתחתיו. כלומר, יש צורך לוודא שתהליך השפלה מתחיל ברגע מסוים. זה מאוד קשה. התהליך הטכנולוגי כולל תוספת של 1-8% תוספים (לדוגמה, העמילן שנדון בעבר מוכנס) כחלק משיטת עיבוד טיפוסית קטנה, כאשר חימום חומר הגלם אינו עולה על 12 דקות. אבל באותו זמן, יש צורך להבטיח כי הם מפוזרים באופן שווה בכל מסת הפולימר. כל זה מאפשר לשמור על תקופת השפלה בטווח שבין תשעה חודשים לחמש שנים.

סיכויים לפיתוח

למרות שהשימוש בפולימרים מתכלים צובר תאוצה, הם מהווים כעת אחוז עלוב מכלל השוק. אבל, עם זאת, הם עדיין מצאו יישום די רחב והם הופכים פופולריים יותר ויותר. כבר עכשיו הם מושרשים היטב בנישת אריזות המזון. בנוסף, פולימרים מתכלים נמצאים בשימוש נרחב עבור בקבוקים חד פעמיים, כוסות, צלחות, קערות ומגשים. הם התבססו בשוק גם בצורת שקיות לאיסוף ובהמשך לקומפוסטציה של פסולת מזון, שקיות לסופרמרקטים, סרטים חקלאיים ומוצרי קוסמטיקה. במקרה זה, ניתן להשתמש בציוד סטנדרטי לייצור פולימרים מתכלים. בשל יתרונותיהם (עמידות להתפרקות בתנאים רגילים, מחסום נמוך לאדי מים וחמצן, ללא בעיות בפינוי פסולת, עצמאות מחומרי גלם פטרוכימיים), הם ממשיכים לנצחשוק.

מבין החסרונות העיקריים, צריך לזכור את הקשיים של ייצור בקנה מידה גדול ואת העלות הגבוהה יחסית. בעיה זו, במידה מסוימת, יכולה להיפתר על ידי מערכות ייצור בקנה מידה גדול. שיפור הטכנולוגיה מאפשר גם להשיג חומרים עמידים ועמידים יותר בפני שחיקה. בנוסף, יש לציין כי קיימת נטייה חזקה להתמקד במוצרים בעלי הקידומת "אקו". זה מתבצע הן על ידי התקשורת והן על ידי תוכניות תמיכה ממשלתיות ובינלאומיות.

אמצעי השימור מתהדקים בהדרגה, וכתוצאה מכך חל איסור על כמה מוצרי פלסטיק מסורתיים במדינות מסוימות. למשל, חבילות. הם אסורים בבנגלדש (לאחר שנמצאו סותמים מערכות ניקוז וגורמים להצפות גדולות פעמיים) ובאיטליה. בהדרגה מגיעה ההבנה של המחיר האמיתי שיש לשלם עבור החלטות שגויות. והבנה כי יש צורך להבטיח את בטיחות הסביבה תוביל ליותר ויותר הגבלות על פלסטיק מסורתי. למרבה המזל, יש ביקוש למעבר לחומרים יקרים אף יותר, אך ידידותיים לסביבה. בנוסף, מרכזי מחקר במדינות רבות וחברות פרטיות גדולות מחפשים טכנולוגיות חדשות וזולות יותר, ואלה חדשות טובות.

מסקנה

לכן שקלנו מהם פולימרים מתכלים, שיטות ייצור והיקף החומרים הללו. יש קבועשיפור ושיפור הטכנולוגיות. אז בואו נקווה שבשנים הקרובות עלות הפולימרים המתכלים אכן תדביק את החומרים המתקבלים בשיטות מסורתיות. לאחר מכן, המעבר לפיתוחים בטוחים וידידותיים יותר לסביבה יהיה רק עניין של זמן.