Получение и физико-химические свойства биодеградируемых полимеров

 

 

 

 

 

 

 

Реферат

На тему: «Получение и физико-химические свойства биодеградируемых полимеров»

 

 

 

 

 

        Выполнил

       Группы:

       Проверил:

 

 

 

 

 

Тверь 2012

 

Содержание

с.

Введение…………………………………………………………………………...3

1 Характеристика биодеградируемых полимеров………………………………5

2 Свойства биодеградируемых полимеров……………………………………...7

3 Получение синтетических биодеградируемых полимеров…………………..8

4 Деградация и биодеградация полимеров…………………………………….16

Использование биодеградируемых полимеров………………………………..19

Заключение……………………………………………………………………….21

Список использованных источников…………………………………………...23

 

 

Введение

 

Биодеградируемыми полимерами называются полимерные материалы, разрушающиеся  в результате естественных природных (микробиологических и биохимических) процессов. Полимер, как правило, считается биоразлагаемым, если вся его масса разлагается в почве или воде за период в шесть месяцев. Во многих случаях продуктами распада являются углекислый газ и вода. Любые другие продукты разложения или остатки должны исследоваться на наличие токсичных веществ и безопасность. [1]

Они могут производиться  из возобновляемых источников, или  же их можно получать из нефтехимических  сырьевых материалов. Они могут использоваться сами по себе или же в сочетании  с другими пластмассовыми смолами и добавками.

Биоразлагаемые полимеры можно перерабатывать с помощью  большинства стандартных технологий производства пластмасс, включая горячее  формование, экструзию, литьевое и выдувное формование. [2]

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]

 

 

1 Характеристика биодеградируемых  полимеров

 

Способность полимеров разлагаться  и усваиваться микроорганизмами зависит от ряда их структурных характеристик. Наиболее важными являются химическая природа полимера, молекулярная масса, разветвленность макроцепи (наличие и природа боковых групп), надмолекулярная структура.

Синтетические полимеры, содержащие связи, которые легко подвергаются гидролизу, обладают высокой способностью к биодеструкции. Присутствие заместителей в полимерной цепи часто способствует повышению биодеструкции. Последняя зависит также от степени замещения цепи и длины ее участков между функциональными группами, гибкости макромолекул.

Важным фактором, который  определяет стойкость полимера к  биоразложению, является величина его  молекул. В то время как мономеры или олигомеры могут быть поражены микроорганизмами и служат для них  источником углерода, полимеры с большой молекулярной массой устойчивы к действию микроорганизмов. Биодеструкцию большинства технических полимеров, как правило, инициируют процессами небиологического характера (термическое и фотоокисление, термолиз, механическая деградация и т. п.).

Упомянутые деградационные процессы приводят к снижению молекулярной массы полимера. При этом возникают низкомолекулярные биоассимилируемые фрагменты, имеющие на концах цепи гидроксильные, карбонильные или карбоксильные группы.

Не менее значимым фактором, оказывающим влияние на биодеградацию, является надмолекулярная структура синтетических полимеров. Компактное расположение структурных фрагментов полукристаллических и кристаллических полимеров ограничивает их набухание в воде и препятствует проникновению ферментов в полимерную матрицу. Это затрудняет воздействие ферментов не только на главную углеродную цепь полимера, но и на биоразрушаемые части цепи. Аморфная часть полимера всегда менее устойчива к биодеструкции, чем кристаллическая. [3]

Считается, что полимерные материалы на основе растительного сырья - зерновых, древесины, крахмала, полисахаров - разлагается на полностью безопасные компоненты: воду, диоксид углерода, биомассу, и другие естественные природные соединения, то есть обеспечивают абсолютную экологичность процессов утилизации. К тому же запасы растительного сырья могут возобновляться вечно. Однако, это слишком упрощенный взгляд на проблему, и все не так просто, как кажется на первый взгляд.

Биоразлагаемые полимерные материалы по способу их изготовления можно разделить на несколько основных групп:

- полимеры на основе  природных полимеров (натуральный  каучук, белки, полисахариды, хитин,  эпоксидированные масла, полимеры  из ненасыщенных растительных  масел, лигнин, поллулан и т.д.);

- химически синтезированные полимеры;

- микробиологические  синтезированные полимеры и их  смеси;

- композиционные материалы.

Специалисты пока не пришли к единому мнению относительно классификации  биоразлагаемых полимеров. Например, имеются  классификации, основанные на технологических подходах к решению проблемы биоразложения полимеров. Выделяются следующие направления:

- селекция специальных  штаммов микроорганизмов, способных  осуществлять деструкцию полимеров;

-    синтез биоразлагаемых полимеров методами биотехнологии;

- синтез биоразлагаемых полимерных материалов, имеющих химическую структуру, сходную со структурой природных полимеров;

- разработка материалов, производимых с использованием  возобновляющихся биологических  ресурсов.

Основной перспективный  и многообещающий пластик для пищевой промышленности - полилактид, водостойкий, биоразлагемый гидролизом до углекислого газа, воды и метана, полимер, хорошо компостируемый. Спектр его использования в пищевой промышленности обширен: ламинирование бумаги для упаковки, посуда для микроволновых печей, мешки для отходов, одноразовая посуда, упаковка для пищевых продуктов. На основе полилактидов получают сополимеры с гликолидами, капролактоном, пластифицируют собственным мономером и олигомером.

 

 

2 Свойства биодеградируемых полимеров

 

1) Крахмал содержит гидроксильные группы, которые притягивают воду, из-за этого происходит преждевременное разложение полимера. Но если часть этих гидроксильных групп заменить другими, такими как эфирные или сложноэфирные, 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. 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 свойством смол, полученных нефтехимическим путем, которым он составляет конкуренцию – полиэтилену низкого и высокого давления, и полипропилену. Разлагается при 30^оС в течении двух месяцев.

2) Целлюлоза обладает высокой механической прочностью, не растворяется в воде и органических растворителях, не плавится. Под воздействием кислот хорошо гидролизуется.

3)  Полимолочная (полиоксипропионовая) кислота (polylactic acid – PLA) - линейный алифатический полиэфир, получается с помощью полимеризации молочной кислоты, которая изготавливается на основе ферментации сахаров, получаемых из кукурузы или иной биомассы. Разложение PLA 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. Полимолочная кислота способна полностью разлагаться в течение 45 дней при условии создания соответствующей структуры компостирования.

PLA обладает  ярким блеском и прозрачностью,  при некоторых применениях она  может составить конкуренцию  полистиролу и PET. PLA 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 применений относятся бутылки для воды, соков, молочных продуктов и съедобных масел, формованные с раздувом и вытяжкой

4)  Поликапролактон относится к классу синтетических алифатических полиэфиров. Обладает высокой механической прочностью и хорошими барьерными свойствами по отношению к воде и жирам. Низкая температура плавления (50^оС). Процесс биоразложения происходит в течение 60 дней при контакте с бактериями и грибками.

 

 

 

 

3 Получение синтетических биодеградируемых полимеров

 

В настоящее время  в мире основные работы ведутся по созданию новых полимеров (в основном полиэфиров и материалов на основе сырья биогенного происхождения). Направление по приданию биодеградируемых свойств крупнотоннажным промышленным полимерам путем введения в них различных добавок является актуальным и перспективным.

Создание материалов из биодеградируемых полимеров необходимо, прежде всего, для решения глобальной экологической проблемы утилизации отходов, в частности переработки  пластика, который является основным упаковочным материалом.

Интенсивно ведутся работы по созданию и исследованию биоразлагаемых (непосредственно под воздействием микроорганизмов или подвергающихся быстрой эрозии под воздействием окружающей среды, с последующей деградацией микроорганизмами) полимеров. В развитых странах большая часть одноразового упаковочного материала уже производится из биоразлагаемых материалов. Перспективно использование нанокомпозитов на основе биодеградируемых полимеров и наноглин, которые обладают лучшими механическими и термическими свойствами, а также быстрее разлагаются за счет уменьшения степени кристалличности полимера. В процессе биодеградации макромолекулы сначала распадаются на небольшие участки (олигомеры), которые затем перерабатываются бактериями. Во многих случаях продуктами распада является углекислый газ и вода.

В настоящее время  производится множество биоразлагаемых материалов: на основе сополимеров  полигидроксибутирата и полигидроксивалерата, гидроксикарбоновой кислоты и ее лактида, ацетата целлюлозы с различными добавками и пластификаторами, полиамида-6 с добавками природного происхождения и синтетических биоразлагаемых олигомеров. В США широко распространены биоразлагаемые на открытом воздухе упаковки TONE на основе капролактама. [1]

Известны различные  технологические подходы к созданию биоразлагаемых полимеров. Среди них  следует выделить следующие направления:

1) селекция специальных штаммов  микроорганизмов, способных осуществлять  деструкцию полимеров. Данное направление увенчалось успехом только в отношении поливинилового спирта. Японские ученые выделили из почвы бактерии Pseudomonas SP, которые вырабатывают фермент, расщепляющий поливиниловый спирт. После разложения макроцепи ее фрагменты полностью усваиваются бактериями. Бактерии Pseudomonas добавляют к активному илу на водоочистных сооружениях для более полной очистки сточных вод от этого полимера;

2) синтез биоразлагаемых  полимеров методами биотехнологии.

Получен микробный полиоксибутират, который по своим пластическим свойствам близок к классическим полимерам – полиэтилену и полипропилену. Полиоксибутират и изделия из него легко поддаются разложению под действием микроорганизмов, а также ферментов плазмы животных тканей. Этот полимер применяют не только в качестве упаковочного материала, отходы которого разрушаются естественной почвенной микрофлорой до мономеров, но и используют в хирургии и фармакологии. Английская фирма ICI создала новые полимерные материалы, получаемые с помощью бактерий на натуральных субстратах: сахаре, этаноле, смеси газов (СО₂ и Н₂). Синтезируемый бактериями полимер – поли-3-гидроксибутират – относится к термопластам и по своим физическим свойствам аналогичен полипропилену. Однако он не устойчив к действию растворителей и имеет низкую теплостойкость. В поли-3-гидроксибутират вводят другой продукт бактериального синтеза –поли-3-гидроксивалериановую кислоту и получают полимерную композицию BiopolTM, которая полностью разрушается микроорганизмами в течение нескольких недель;

3) синтез биоразлагаемых полимерных  материалов, имеющих химическую  структуру, сходную со структурой  природных полимеров.

Примером такого синтеза  является поддающийся биодеструкции  сложный полиэфир алифатического ряда, имеющий химическую структуру, аналогичную структуре полиоксиацетобутирата целлюлозы. Синтетически получены полимеры: аналог лигнина (мето-ксиоксистирол); биодеструктируемый полиамид; разрушающийся микроорганизмами сложный полиэфир, в состав которого входят молочная и фенилмолочная кислоты.