Polimer yang dapat terurai secara hayati: konsep, sifat, metode pembuatan, dan contoh reaksi

2024 Pengarang: Howard Calhoun | [email protected]. Terakhir diubah: 2023-12-17 10:31

Anda mungkin memperhatikan bahwa selama dekade terakhir, produk dengan awalan "bio" yang ditambahkan ke nama telah mendapatkan popularitas. Hal ini dimaksudkan untuk menginformasikan bahwa produk tersebut aman bagi manusia dan alam. Hal ini secara aktif dipromosikan oleh media. Bahkan menjadi konyol - ketika memilih minuman, mereka menganggap biokefir sebagai yang terbaik, dan biofuel bukan lagi alternatif minyak, tetapi produk ramah lingkungan. Dan jangan lupa tentang bio-ekstrak yang membuat kosmetik bekerja "keajaiban".

Informasi umum

Sekarang mari kita serius. Seringkali, bergerak di sepanjang jalan, Anda dapat melihat pembuangan spontan. Selain itu, ada tempat pembuangan sampah yang lengkap di mana kotoran manusia disimpan. Tampaknya tidak buruk, tetapi ada satu minus - waktu penguraian yang terlalu lama. Ada banyak cara untuk memperbaikinya - ini adalah daur ulang sampah, dan penggunaan bahan yang kurang berbahaya yang dengan cepat menghancurkan pengurai. Mari kita bicara tentang kasus kedua.

Ada banyak poin di sini. Pengemasan, ban, kaca, turunan dari industri kimia. Semuanya membutuhkanperhatian. Namun, tidak ada resep universal yang spesifik. Oleh karena itu, perlu diketahui secara spesifik apa dan bagaimana memastikan pencegahan pencemaran lingkungan.

Polimer biodegradable dikembangkan sebagai jawaban atas permasalahan pembuangan sampah plastik. Bukan rahasia lagi bahwa volume mereka tumbuh setiap tahun. Kata biopolimer juga digunakan untuk sebutan singkatnya. Apa kekhasan mereka? Mereka dapat terurai di lingkungan karena aksi faktor fisik dan mikroorganisme - jamur atau bakteri. Suatu polimer dianggap demikian jika seluruh massanya diserap dalam air atau tanah dalam waktu enam bulan. Ini sebagian memecahkan masalah sampah. Pada saat yang sama, produk dekomposisi diperoleh - air dan karbon dioksida. Jika ada hal lain, maka perlu diselidiki keamanannya dan adanya zat beracun. Mereka juga dapat didaur ulang oleh sebagian besar teknologi manufaktur plastik standar seperti ekstrusi, blow moulding, thermoforming, dan injection moulding.

Area apa yang sedang kami kerjakan?

Memperoleh polimer yang dapat terurai secara hayati adalah tugas yang cukup melelahkan. Pengembangan teknologi yang memungkinkan untuk memperoleh bahan yang aman secara aktif dilakukan di Amerika Serikat, di benua Eropa, di Jepang, Korea dan Cina. Sayangnya, perlu dicatat bahwa di Rusia hasilnya tidak memuaskan. Menciptakan teknologi untuk biodegradasi plastik dan produksinya dari bahan baku terbarukan adalah kesenangan yang mahal. Selain itu, negara ini masih memiliki cukup minyak untuk produksi polimer. Tapi semuanyasama, tiga arah utama dapat dibedakan:

1. Produksi poliester biodegradable berdasarkan asam hidroksikarboksilat.
2. Membuat plastik berdasarkan bahan alami yang dapat direproduksi.
3. Polimer industri menjadi biodegradable.

Tapi bagaimana dengan praktiknya? Mari kita lihat lebih dekat bagaimana polimer biodegradable dibuat.

Polihidroksialkanoat bakteri

Mikroorganisme sering tumbuh di lingkungan di mana karbon nutrisi tersedia. Dalam hal ini, ada kekurangan fosfor atau nitrogen. Dalam kasus seperti itu, mikroorganisme mensintesis dan mengakumulasi polihidroksialkanoat. Mereka berfungsi sebagai cadangan karbon (penyimpanan makanan) dan energi. Jika perlu, mereka dapat menguraikan polihidroksialkanoat. Properti ini digunakan untuk produksi industri bahan dari kelompok ini. Yang paling penting bagi kami adalah polihidroksi butirat dan polihidroksi valerat. Dengan demikian, plastik ini dapat terurai secara hayati. Pada saat yang sama, mereka adalah poliester alifatik yang tahan terhadap radiasi ultraviolet.

Perlu dicatat bahwa meskipun mereka memiliki stabilitas yang cukup di lingkungan perairan, laut, tanah, lingkungan pengomposan dan daur ulang berkontribusi terhadap degradasi biologis mereka. Dan itu terjadi cukup cepat. Misalnya, jika kompos memiliki kelembaban 85% dan 20-60 derajat Celcius, maka penguraian menjadi karbon dioksida dan air akan memakan waktu 7-10 minggu. Di mana polihidroksialkanoat digunakan?

Merekadigunakan untuk pembuatan kemasan biodegradable dan bahan bukan tenunan, tisu sekali pakai, serat dan film, produk perawatan pribadi, pelapis anti air untuk karton dan kertas. Sebagai aturan, mereka dapat melewatkan oksigen, tahan terhadap bahan kimia agresif, memiliki stabilitas termal relatif, dan memiliki kekuatan yang sebanding dengan polipropilen.

Berbicara tentang kelemahan polimer biodegradable, perlu dicatat bahwa harganya sangat mahal. Contohnya adalah Biopol. Harganya 8-10 kali lebih mahal dari plastik tradisional. Oleh karena itu, hanya digunakan dalam pengobatan, untuk kemasan beberapa parfum dan produk perawatan pribadi. Lebih populer di antara polihidroksialkanoat adalah mirel, diperoleh dari tepung jagung sakarifikasi. Keuntungannya adalah biaya yang relatif rendah. Namun, bagaimanapun, harganya masih dua kali lipat dari polietilen densitas rendah tradisional. Pada saat yang sama, bahan baku menyumbang 60% dari biaya. Dan upaya utama ditujukan untuk menemukan rekan-rekannya yang murah. Prospek yang dimaksud adalah pati dari sereal seperti gandum, gandum hitam, barley.

asam polilaktat

Produksi polimer biodegradable untuk pengemasan juga dilakukan dengan menggunakan polilaktida. Ini juga merupakan asam polilaktat. Apa yang dia wakili? Ini adalah poliester alifatik linier, produk kondensasi asam laktat. Ini adalah monomer dari mana polilaktida disintesis secara artifisial oleh bakteri. Perlu dicatat bahwa produksinya dengan bantuan bakteri lebih mudah daripada metode tradisional. Bagaimanapun, polilaktida dibuat oleh bakteri dari gula yang tersedia dalam proses yang sederhana secara teknologi. Polimer itu sendiri merupakan campuran dari dua isomer optik dengan komposisi yang sama.

Bahan yang dihasilkan memiliki stabilitas termal yang cukup tinggi. Jadi, vitrifikasi terjadi pada suhu 90 derajat Celcius, sedangkan pencairan terjadi pada 210-220 Celcius. Juga, polilaktida tahan UV, sedikit mudah terbakar, dan jika terbakar, maka dengan sedikit asap. Itu dapat diproses menggunakan semua metode yang cocok untuk termoplastik. Produk yang diperoleh dari polilaktida memiliki kekakuan tinggi, kilap, dan transparan. Mereka digunakan untuk membuat piring, nampan, film, serat, implan (ini adalah bagaimana polimer biodegradable digunakan dalam pengobatan), kemasan untuk kosmetik dan produk makanan, botol untuk air, jus, susu (tetapi bukan minuman berkarbonasi, karena bahannya lolos). karbon dioksida). Serta kain, mainan, kasus ponsel dan mouse komputer. Seperti yang Anda lihat, penggunaan polimer biodegradable sangat luas. Dan itu hanya untuk salah satu grup mereka!

Produksi dan biodegradasi asam polilaktat

Untuk pertama kalinya, paten untuk produksinya dikeluarkan pada tahun 1954. Tetapi komersialisasi bioplastik ini baru dimulai pada awal abad ke-21 - pada tahun 2002. Meskipun demikian, sudah ada banyak perusahaan yang terlibat dalam pembuatannya - hanya di Eropa ada lebih dari 30 di antaranya. Keuntungan pentingasam polilaktat berbiaya relatif rendah - sudah bersaing hampir setara dengan polipropilen dan polietilen. Diasumsikan bahwa sudah pada tahun 2020, polilaktida akan dapat mulai mendorongnya di pasar dunia. Untuk meningkatkan biodegradabilitas, pati sering ditambahkan ke dalamnya. Ini juga memiliki efek positif pada harga produk. Benar, campuran yang dihasilkan agak rapuh, dan pemlastis, seperti sorbitol atau gliserin, harus ditambahkan ke dalamnya untuk membuat produk akhir lebih elastis. Solusi alternatif untuk masalah ini adalah membuat paduan dengan poliester lain yang dapat terdegradasi.

Asam polilaktat terurai dalam dua langkah. Pertama, gugus ester dihidrolisis dengan air, menghasilkan pembentukan asam laktat dan beberapa molekul lainnya. Kemudian mereka terurai di lingkungan tertentu dengan bantuan mikroba. Polilaktida menjalani proses ini dalam 20-90 hari, setelah itu hanya karbon dioksida dan air yang tersisa.

Modifikasi pati

Bila bahan baku alami digunakan, itu bagus, karena sumber daya untuk itu terus diperbarui, sehingga praktis tidak terbatas. Pati telah mendapatkan popularitas terluas dalam hal ini. Tetapi memiliki kelemahan - ia memiliki peningkatan kemampuan untuk menyerap kelembaban. Tapi ini bisa dihindari jika Anda melihat bagian dari gugus hidroksil pada ester.

Perlakuan kimia memungkinkan Anda membuat ikatan tambahan di antara bagian-bagian polimer, yang membantu meningkatkan ketahanan panas, stabilitasterhadap asam dan gaya geser. Hasilnya, pati termodifikasi, digunakan sebagai plastik biodegradable. Ini terurai pada 30 derajat dalam kompos dalam dua bulan, sehingga sangat ramah lingkungan.

Untuk mengurangi biaya bahan, digunakan pati mentah, yang dicampur dengan bedak dan polivinil alkohol. Itu dapat diproduksi menggunakan peralatan yang sama seperti untuk plastik biasa. Pati yang dimodifikasi juga dapat diwarnai dan dicetak menggunakan teknik konvensional.

Harap diperhatikan bahwa bahan ini bersifat antistatis. Kerugian dari pati adalah bahwa sifat fisiknya umumnya lebih rendah daripada resin yang diproduksi secara petrokimia. Yaitu, polipropilen, serta polietilen bertekanan tinggi dan rendah. Namun, itu diterapkan dan dijual di pasar. Jadi, digunakan untuk membuat palet untuk produk makanan, film pertanian, bahan kemasan, peralatan makan, serta jaring untuk buah dan sayuran.

Menggunakan polimer alam lainnya

Ini adalah topik yang relatif baru - polimer biodegradable. Pengelolaan alam yang rasional berkontribusi pada penemuan-penemuan baru di bidang ini. Begitu banyak polisakarida alami lainnya yang digunakan dalam produksi plastik biodegradable: kitin, kitosan, selulosa. Dan tidak hanya secara terpisah, tetapi juga dalam kombinasi. Misalnya, film dengan kekuatan yang meningkat diperoleh dari kitosan, serat mikroselulosa dan gelatin. Dan jika Anda menguburnya di tanah, maka itu akan cepatdiuraikan oleh mikroorganisme. Dapat digunakan untuk kemasan, nampan dan barang sejenis.

Selain itu, kombinasi selulosa dengan anhidrida dikarboksilat dan senyawa epoksi cukup umum. Kekuatan mereka adalah mereka terurai dalam empat minggu. Botol, film untuk mulsa, peralatan makan sekali pakai dibuat dari bahan yang dihasilkan. Kreasi dan produksi mereka tumbuh secara aktif setiap tahun.

Biodegradabilitas polimer industri

Masalah ini cukup relevan. Polimer biodegradable, contoh yang telah disebutkan di atas untuk reaksi dengan lingkungan, tidak akan bertahan bahkan setahun di lingkungan. Padahal bahan-bahan industri dapat mencemarinya selama puluhan tahun bahkan berabad-abad. Semua ini berlaku untuk polietilen, polipropilen, polivinil klorida, polistirena, polietilen tereftalat. Oleh karena itu, mengurangi waktu degradasi mereka adalah tugas penting.

Untuk mencapai hasil ini, ada beberapa kemungkinan solusi. Salah satu metode yang paling umum adalah pengenalan aditif khusus ke dalam molekul polimer. Dan dalam panas atau dalam cahaya, proses penguraiannya dipercepat. Ini cocok untuk peralatan makan sekali pakai, botol, kemasan dan film pertanian, tas. Tapi, sayangnya, ada juga masalah.

Yang pertama adalah aditif harus digunakan dengan cara tradisional - pencetakan, pengecoran, ekstrusi. Dalam hal ini, polimer tidak boleh terurai, meskipun mengalami suhupengolahan. Selain itu, aditif tidak boleh mempercepat dekomposisi polimer dalam cahaya, dan juga memungkinkan penggunaan jangka panjang di bawahnya. Artinya, perlu dipastikan bahwa proses degradasi dimulai pada momen tertentu. Ini sangat sulit. Proses teknologi melibatkan penambahan aditif 1-8% (misalnya, pati yang dibahas sebelumnya diperkenalkan) sebagai bagian dari metode pemrosesan tipikal kecil, ketika pemanasan bahan baku tidak melebihi 12 menit. Tetapi pada saat yang sama, perlu untuk memastikan bahwa mereka didistribusikan secara merata ke seluruh massa polimer. Semua ini memungkinkan untuk menjaga periode degradasi dalam kisaran dari sembilan bulan hingga lima tahun.

Prospek pengembangan

Meskipun penggunaan polimer biodegradable mendapatkan momentum, mereka sekarang membuat persentase yang sangat kecil dari total pasar. Namun, bagaimanapun, mereka masih menemukan aplikasi yang cukup luas dan menjadi semakin populer. Sudah sekarang mereka cukup bercokol di ceruk kemasan makanan. Selain itu, polimer biodegradable banyak digunakan untuk botol, gelas, piring, mangkuk, dan nampan sekali pakai. Mereka juga telah memantapkan diri di pasar dalam bentuk tas untuk pengumpulan dan pengomposan selanjutnya dari sisa makanan, tas untuk supermarket, film pertanian dan kosmetik. Dalam hal ini, peralatan standar untuk produksi polimer biodegradable dapat digunakan. Karena keunggulannya (ketahanan terhadap degradasi dalam kondisi normal, penghalang rendah terhadap uap air dan oksigen, tidak ada masalah dengan pembuangan limbah, kemandirian dari bahan baku petrokimia), mereka terus menangpasar.

Dari kelemahan utama, kita harus mengingat kesulitan produksi skala besar dan biaya yang relatif tinggi. Masalah ini, sampai batas tertentu, dapat diselesaikan dengan sistem produksi skala besar. Peningkatan teknologi juga memungkinkan untuk memperoleh bahan yang lebih tahan lama dan tahan aus. Selain itu, perlu dicatat bahwa ada kecenderungan kuat untuk fokus pada produk dengan awalan "eco". Ini difasilitasi oleh media dan pemerintah serta program dukungan internasional.

Langkah konservasi secara bertahap diperketat, mengakibatkan beberapa produk plastik tradisional dilarang di beberapa negara. Misalnya, paket. Mereka dilarang di Bangladesh (setelah ditemukan menyumbat sistem drainase dan menyebabkan banjir besar dua kali) dan Italia. Perlahan-lahan muncul realisasi harga sebenarnya yang harus dibayar untuk keputusan yang salah. Dan pemahaman bahwa perlunya memastikan keamanan lingkungan akan menyebabkan semakin banyak pembatasan pada plastik tradisional. Untungnya, ada permintaan untuk transisi ke bahan yang lebih mahal tetapi ramah lingkungan. Selain itu, pusat penelitian di banyak negara dan perusahaan swasta besar sedang mencari teknologi baru dan lebih murah, yang merupakan kabar baik.

Kesimpulan

Jadi kami telah mempertimbangkan apa itu polimer yang dapat terurai secara hayati, metode produksi, dan ruang lingkup bahan-bahan ini. Ada konstantaperbaikan dan penyempurnaan teknologi. Jadi mari kita berharap bahwa di tahun-tahun mendatang, biaya polimer biodegradable memang akan mengejar bahan yang diperoleh dengan metode tradisional. Setelah itu, transisi ke pembangunan yang lebih aman dan ramah lingkungan hanya tinggal menunggu waktu saja.