В настоящее время для нужд человека производится все больше и больше пластика, на разложение которого уходят десятки лет. Для решения этой проблемы ученые занялись разработкой биопластика и развитием методов его производства. Однако может ли обычный человек, не имеющий особых знаний в химии, произвести биопластик самостоятельно? Использовать его для своих нужд, внося свой вклад в защиту окружающей среды? Эти вопросы я задала себе пол года назад и теперь могу дать точный ответ — да. Но прежде чем идти дальше, надо разобраться, что вообще такое "биополимеры".
Биополимерами называют длинные молекулы, состоящие из одинаковых звеньев, которые встречаются в природе и входят в состав живых организмов, — белки, нуклеиновые кислоты, полисахариды и прочие. Однако в этой статье я буду говорить про другие полимеры, которые общим словом называют биопластиком.
Схема составления полимера
Большинство этих веществ сохраняют эксплуатационные характеристики только в течение периода потребления, а затем претерпевают физико-химические и биологические превращения под действием факторов окружающей среды (света, температуры, влаги, воды) и легко включаются в процессы метаболизма природных биосистем (бактерий, дрожжей, грибов, водорослей). При этом высокомолекулярные вещества разлагаются на низкомолекулярные (вода и углекислый газ), гуминовые вещества и биомассу. Таким образом совершается естественный круговорот веществ, способный поддерживать экологическое равновесие в природе.
В чем же состоит преимущество биопластика, над обычным пластиком, привычным всем нам?
Главным плюсом биоразлагаемой пластмассы является то, что она не токсична для окружающей среды и человека, что значительно упрощает утилизацию. Кроме этого, биополимеры синтезируются в относительно энергоэффективном процессе, требующем гораздо меньше энергии, чем производство пластиковых полимеров. Они помогают снизить нашу зависимость от нефти, так как классические полимеры имеют именно нефтехимическое происхождение. Наконец, биополимеры помогают сократить выбросы CO2, что способствует уменьшению изменения климата — одной из самых глобальных проблем всего человечества.
Свалки пластикового мусора
Несмотря на множество преимуществ, следует помнить, что биоразлагаемые полимерные материалы имеют также недостатки, которые лимитируют их широкое применение. Из-за этого они по-прежнему уступают во многих применениях своим не биоразлагаемым аналогам. Прежде всего, биоразлагаемые биопластмассы дороже доступных в настоящее время на рынке материалов, хотя стоит подчеркнуть, что их цена постоянно снижается. Многие из них уступают обычным пластмассам также с точки зрения механических свойств, т.е. они слишком хрупкие или жесткие, либо имеют слишком малую прочность на растяжение.
Бутылки из биопластика
Виды биоразлагаемых полимеров
Биопластмассы можно разделить на три группы в зависимости от источника происхождения и способности к биодеградации:
Тип 1: Компостируемые (биоосновные + биоразлагаемые)
Биопластик (bio-based plastic) производят из биомассы, то есть материалов растительного происхождения (крахмал, целлюлоза или лигнин). Со временем при определённых условиях они разлагаются на природные элементы: биомассу, воду, углекислый газ, метан. Такой пластик можно компостировать.
Наиболее распространенные типы пластиков и товары из них:
PLA = polylactic acid — полилактид. Самый распространённый и наиболее дешёвый в производстве полностью биоосновный пластик. Подходит для изготовления упаковки для продуктов, так как по потребительским свойствам похож на ПЭТ. Из него могут делать внутреннее покрытие одноразовых картонных стаканчиков и тарелок. Разлагается в условиях компостирования.
PHA = polyhyroxyalkanoate / полигидроксиалконаты
PHB = polyhydroxybutyrate / полигидроксибутират
Подвержены биоразложению в условиях компостирования и в естественной среде. Используются для тонких материалов — плёнок. Затраты на их производство в 5-10 раз выше, чем у обычных пластиков.
Bio-PBS(A) = Polybutylene Succinate (Adipate)
Используются для плёнок, одноразовых пакетов или упаковки для пищевых и косметических средств.
Крахмальные смеси (Starch blends)
Занимают второе место среди всех биопластиков по объёмам производства. Могут использоваться в смеси с другими биоосновными материалами.
Тип 2: Биоразлагаемые и оксоразлагаемые пластики на основе нефтепродуктов
Биоразлагаемый пластик (biodegradable plastic) производят на основе ископаемого топлива, он подвержен ускоренному разрушению в окружающей среде благодаря своей химической формуле.
Существуют также оксоразлагаемые пластики. Формально они не относятся к биоразлагаемым. Это привычные нам виды пластика, ускоренное разрушение которых достигается благодаря специальным добавкам, ускоряющим окисление. Самая популярная присадка — d2w (вы можете найти её упоминание прямо на упаковке). Такой пластик не разлагается, а разрушается на более мелкие частицы — микропластик.
Наиболее распространенные типы пластиков и товары из них:
PBAT = Polybutylene adipate terephthalate
Лидер на рынке биоразлагаемых пластиковых материалов, очень прочный и гибкий. Он не растворяется в воде, поэтому им часто покрывают картон, например, одноразовые стаканчики. Также из него делают гибкие плёнки (включая пакеты для переноски и мульчу), а также включают в состав медицинской упаковки. Пригоден для компостирования.
PBS(A) = polybutylene succinate — полибутилсукцинат
Может быть изготовлен на 100% из нефтепродуктов или на 100% из биоматериала. Используется для изготовления плёнки, пакетов, упаковки для продуктов питания и косметики, для сельскохозяйственной плёнки (мульчи) и удобрений с отложенным сроком действия.
PCL = polycaprolactone — полиэтиленгликоль
Мало распространён на рынке, используется в медицине.
PVA = Polyvinyl Alcohol — поливиниловый спирт (ПВС)
Растворим в воде, поэтому его используют как оболочку таблеток для посудомоечной машины и оболочку для приманки при ловле. Он пропускает кислород, поэтому его часто используют в качестве подкладки в женских гигиенических средствах и подгузниках.
Тип 3: Небиоразлагаемые пластики на основе растительного сырья (нефть + растительное сырьё или только растительное сырьё)
Эти полимеры имеют структуру привычных пластиков. Могут производиться как из растительного сырья, так и из нефтепродуктов.
Например, ПЭТ (полиэтилентерефталат) и ПЭ (полиэтилен) можно делать как на основе нефти, так и на основе растительного сырья. При этом у них будет одна и та же химическая формула, а значит, и свойства. Некоторые полимеры могут состоять одновременно из двух типов сырья — ископаемого топлива и растительного сырья. Например, био-ПЭТ может максимум на 32 % состоять из биомассы.
Именно такой вид «биопластика» чаще всего встречается в России и составляет до 57% европейского рынка биополимеров. При этом он наименее экологичный. Такой материал нельзя компостировать, а для производства требуется как растительное, так и ископаемое сырьё. Но его можно сдать в переработку в России.
Наиболее распространенные типы пластиков и товары из них:
Био-ПЭТ, био-ПЭ, био-ПП
Из них производят гибкую упаковку, бутылки, пакеты.
Способы и принцип создания биополимеров
В своем исследовании я решила изучать свойства крахмалопластов-биоосновного пластика, состоящего из крахмальных смесей.
Для лучшего понимания сходств и отличий рецептур и для облегчения поиска правильных подходов к приготовлению биопластика на основе крахмала, важно понимать механику протекающих в процессе его получения реакций и их предназначения. Главным компонентом являетсяроо природный биополимер - крахмал.
Крахмал состоит в основном из двух видов полисахаридов: линейной амилозы и ветвистого амилопектина.
Для получения пластика намного лучше подходят линейные молекулы амилозы, именно поэтому в рецептах присутствуют кислоты и соли, ионы которых в растворе способствуют разрыву связей, соединяющих ветви амилопектина. Амилопектин рвется на множество более коротких цепочек амилозы. Эти молекулы перепутываются и образуют прочные связи.
Гидролиз крахмала:(C6H10O5)n + nH2Ot,H2SO4 →nC6H12O6 глюкоза
Гидролиз протекает ступенчато:
(C6H10O5)n →(C6H10O5)m → xC12H22O11 →nC6H12O6(Примечание, m<n) крахмал декстрины мальтоза глюкоза
Такие крепкие переплетения приводят к образованию достаточно твердого и жесткого пластика, что может стать причиной его хрупкости и ограниченности сфер применения. Для того, чтобы обеспечить некоторое скольжение между цепочками и сделать материал достаточно гибким, в рецептах присутствуют глицерин. Он играет роль смазки в структуре полученного пластика и делает его мягким и гибким, увеличивает гигроскопичность. Глицерин относится к группе стабилизаторов, обладающих свойствами сохранять и увеличивать степень вязкости и консистенции пищевых продуктов.
Для получения линейных структур крахмала я использовала ионы уксусную кислоту. Вода является одним из основных реактивов реакции гидролиза крахмала. От количества воды зависит и степень вязкости и, соответственно, толщина упаковки.
Методики получения
Для получения крахмалопластов я искала рецепты на различных сайтах в Интернете, а некоторые доделывала самостоятельно, опираясь на результаты проведенных опытов.
Основными компонентами стали картофельный и кукурузный крахмалы и ингредиенты, которые способствуют гидролизу крахмала. Для получения линейных структур крахмала я использовала уксусную кислоту и соду, а также глицерин для придания гибкости и мягкости биополимеру.
Опыт 1. Рецепт уксусный(70%) с кукурузным крахмалом:
Крахмал 10г (1ст.ложка)
Вода 60 мл (4ст.ложки)
Уксус 5 мл 70% раствора (1 ст.ложки)
Глицерин 10мл (1 ст.ложки)
Все ингредиенты смешиваются в кастрюле и варятся при постоянном помешивании до загустения около 5 мин. Затем смесь охлаждается и выкладывается в форму или на ровную поверхность. Я использовала пищевую пленку для запекания в духовой печи.
Опыт 2. Рецепт уксусный(70%) с картофельным крахмалом:
Крахмал 10г (1 ст.ложка)
Вода 120 мл (8 ст.ложек)
Уксус 5 мл 70% раствора (1 ч.ложки)
Глицерин 10 мл (1 ст.ложка)
Все ингредиенты смешиваются в кастрюле и варятся при постоянном помешивании до загустения около 5 мин. Затем смесь охлаждается и выкладывается в форму или на ровную поверхность. Я использовала фольгу, однако впоследствии пластик склеился с фольгой и разъединить на составляющие было сложно, поэтому фольгу не рекомендую.
Опыт 3. Рецепт уксусный(9%) с картофельным крахмалом:
Крахмал 10г (1ст.ложка)
Вода 60 мл (4ст.ложки)
Уксус 5 мл 9% раствора (1 ст.ложки)
Глицерин5мл (1 ч.ложки)
Все ингредиенты смешиваются в кастрюле и варятся при постоянном помешивании до загустения около 5 мин. Затем смесь охлаждается и выкладывается в форму или на ровную поверхность. Я использовала пищевую пленку для запекания в духовой печи. Сворачивается смесь медленнее, чем с 70% уксусом, возможно из-за процентного содержания.
Опыт 4. Рецепт уксусный(9%) с кукурузным крахмалом:
Крахмал 10г (1ст.ложка)
Вода 60 мл (4ст.ложки)
Уксус 5 мл 9% раствора (1 ст.ложки)
Глицерин5мл (1 ч.ложки)
Все ингредиенты смешиваются в кастрюле и варятся при постоянном помешивании до загустения около 5 мин. Затем смесь охлаждается и выкладывается в форму или на ровную поверхность. Я использовала пищевую пленку для запекания в духовой печи.
Опыт 5. Рецепт содовый
Крахмал 10 г (1ст.ложка)
Сода 20 г (2 ст.ложки)
Глицерин 60 мл 1% раствора (4ст.ложки)
Вода 10мл
Все ингредиенты, смешивают и нагревают до закипания 3-4 мин. Необходимо постоянно помешивать, чтобы смесь становилась гуще равномерно. Полученный продукт похож на тесто для лепки, после высыхания, через 1,5 дня, масса затвердевает.
Как проверить свойства полученных веществ?
Для проверки свойств я провела 2 эксперимента:
Эксперимент №1. Выяснение срока разложения пластика под действием воды.
В ходе данной работы использовались 6 образцов биопластика, которые погрузили в тару с водой. По мере высыхания я доливала воду до необходимого уровня, вела дневник и записывала все свои наблюдения, касаемые внешнего вида, консистенции, свойств.
Полученные результаты:
*Номера образцов соответствуют номерам рецептов.
Образец 1: Становится склизкий, появляются серые пятна, в дальнейшем темнеют и чернеют (потрогав, ощущается слизь). В конечном итоге растворяется в воде.
Образец 2: Становится мягче, появляются желтые продавливаемые пятна, легче разламывается.
Образец 3: Становится мягче, легче разламывается, появляются желтые мягкие пятна, немного шершавый. После того, как потрогаешь, на руках остаются частички пластика, напоминающие песок.
Образец 4: Становится мягче, теряет желтое окрашивание(выцветает), очень легко ломается, склизкий.
Образец 5: Набухает, становится мягче, рассыпается, в конечном итоге выпадает белый осадок, растворяется в воде.
Образец 6: Изменения не наблюдались.
Эксперимент №2. Выявление токсичных свойств, отслеживание временного промежутка необходимого для разложения.
Были взяты все 6 образцов биопластика, срок эксперимента составил 3 месяца. Эти образцы я поместила в торфяные горшочки, в которые затем посадила семена листьев салата. В данном эксперименте отслеживалась способность биопластика разлагаться, а также влияние этого пластика на растение. Срок 3 месяца был взят на основании данных из интернета (в среднем биопластик разлагается за 180 дней).
Результаты:
Образец 1: Разложился.
Образец 2: Образец стал очень хрупким, изменился цвет, уменьшился в размерах.
Образец 3: Разложился.
Образец 4: Уменьшился в размерах, стал хрупким, практически разложился.
Образец 5: Разложился.
Образец 6: Изменения не наблюдались.
Все образцы оказались нетоксичными. никакого вреда растениям в процессе роста не нанесли.
Чего я жду от этой статьи?
Надеюсь, некоторые из вас решат попробовать произвести пластик самостоятельно, не выходя из уютного теплого дома, и будут использовать его в своих нуждах. Это поможет не только окружающей среде, но и вашей творческой стороне: из этого пластика можно сделать буквально все, даже украшения, фигурки и необходимые бытовые вещи.
Удачи в новых свершениях. Пух!