Vlastnosti, typy, výroba a použitie bioplastov



bioplasty sú to plastové polymérne materiály získané zo surovín biologického pôvodu, to znamená z obnoviteľných prírodných zdrojov, ako je napríklad biomasa škrobu, celulóza, kyselina mliečna, tuky, rastlinné a živočíšne bielkoviny, okrem iného.

Termín bioplast sa používa na rozlíšenie týchto materiálov biologického pôvodu, od petroplastov, ktoré sú syntetizované z ropných derivátov..

Plasty sú ľahko tvarovateľné materiály, ktoré sa môžu deformovať bez rozbitia na viac alebo menej širokú škálu podmienok; Z tohto dôvodu sú to materiály s veľkou univerzálnosťou.

Väčšina plastov sa vyrába zo surovín pochádzajúcich z ropy. Tieto petroplasty pochádzajú z ťažby a rafinácie ropy, ktorá je neobnoviteľným, konečným a vyčerpateľným prírodným zdrojom..

Okrem toho, petroplasty nie sú biologicky odbúrateľné a spôsobujú vážne environmentálne problémy, ako sú tzv. „Plastové ostrovy a polievky“ v oceánoch. Spôsobujú masívne uhynutie rýb a morských vtákov v dôsledku znečistenia mora a vzduchu plastovými mikročasticami v suspenzii, a to z dôvodu ich fyzickej degradácie..

Okrem toho spaľovanie petroplastov vytvára vysoko toxické emisie.

Na rozdiel od petroplastík môže byť väčšina bioplastov úplne biologicky odbúrateľná a neznečisťujúca. Môžu dokonca podporiť dynamiku ekosystémov.

index

  • 1 Charakteristika bioplastov
    • 1.1 Ekonomický a environmentálny význam bioplastov
    • 1.2 Biologická odbúrateľnosť
    • 1.3 Obmedzenia bioplastov
    • 1.4 Zlepšenie vlastností bioplastov
  • 2 typy (klasifikácia)
    • 2.1 Klasifikácia podľa jej prípravy
    • 2.2 Klasifikácia podľa surovín
  • 3 Priemyselná výroba bioplastov
  • 4 Použitie bioplastov
    • 4.1 Výrobky na jedno použitie
    • 4.2 Stavebníctvo a inžinierske stavby
    • 4.3 Farmaceutické aplikácie
    • 4.4 Lekárske aplikácie
    • 4.5 Letecká, námorná a pozemná doprava a priemysel
    • 4.6 Poľnohospodárstvo
  • 5 Referencie

Charakteristika bioplastov

Ekonomický a environmentálny význam bioplastov

V poslednom čase sa objavil väčší vedecký a priemyselný záujem o výrobu plastov z obnoviteľných surovín, ktoré sú biologicky odbúrateľné.

Je to spôsobené skutočnosťou, že svetové zásoby ropy sa vyčerpávajú a že existuje väčšia informovanosť o vážnych environmentálnych škodách spôsobených petroplastmi..

S rastúcim dopytom po plastoch na svetovom trhu narastá aj dopyt po biodegradovateľných plastoch.

biologická rozložiteľnosť

S odpadom z biologicky odbúrateľných bioplastov možno zaobchádzať ako s organickým odpadom, s rýchlym a neznečisťujúcim rozkladom. Môžu byť napríklad použité ako dodatky do pôdy v kompostovaní, pretože sú prirodzene recyklované biologickými procesmi.

Obmedzenia bioplastov

Výroba biologicky odbúrateľných bioplastov čelí veľkým výzvam, pretože bioplasty majú horšie vlastnosti ako petroplasty a jej použitie, hoci rastie, je obmedzené.

Zlepšenie vlastností bioplastov

Na zlepšenie vlastností bioplastov sa vyvíjajú zmesi biopolymérov s rôznymi typmi prísad, ako sú uhlíkové nanorúrky a prírodné vlákna modifikované chemickými procesmi..

Vo všeobecnosti prísady aplikované na bioplasty zlepšujú vlastnosti, ako sú:

  • Pevnosť a mechanická odolnosť.
  • Bariérové ​​vlastnosti proti plynom a vode.
  • Tepelná odolnosť a termostabilita.

Tieto vlastnosti môžu byť navrhnuté v bioplastoch prostredníctvom chemických metód prípravy a spracovania.

Typy (klasifikácia)

Klasifikácia podľa vašej prípravy

Bioplasty možno klasifikovať podľa spôsobu ich prípravy v:

  • Bioplasty, ktorých syntéza je vyrobená z polymérnej suroviny získanej priamo z biomasy.
  • Bioplasty získané syntézou biotechnologickými cestami (s použitím prírodných alebo geneticky modifikovaných mikroorganizmov) \ t.
  • Bioplasty získané klasickou chemickou syntézou, vychádzajúc z biologických monomérov (ktoré by boli tehly používané na ich výstavbu).

Klasifikácia podľa surovín

Bioplasty možno klasifikovať podľa pôvodu ich surovín:

Bioplasty na báze škrobu

Škrob je biopolymér schopný absorbovať vodu a pre tieto bioplasty sú funkčné, pridávajú sa plastifikátory, ktoré poskytujú flexibilitu (napríklad sorbitol alebo glycerín)..

Okrem toho sa zmiešajú s biodegradovateľnými polyestermi, kyselinou polymliečnou, polykaprolaktónmi, okrem iného na zlepšenie ich mechanických vlastností a ich odolnosti voči degradácii vodou..

Bioplástiky spracované zo škrobu ako ekonomická surovina, bohatá a obnoviteľná, nazývajú "termoplast škrobu".

Sú to deformovateľné materiály pri izbovej teplote, tavia sa pri zahrievaní a vytvrdzovaní v stave sklený pri chladení. Môžu sa znovu ohriať a prestavať, ale pri týchto postupoch prechádzajú zmenami fyzikálnych a chemických vlastností.

Sú najpoužívanejším typom bioplastov a predstavujú 50% bioplastov na trhu.

Bioplasty na báze celulózy

Celulóza je najhojnejšou organickou zlúčeninou v rámci suchozemskej biomasy, štruktúrnej zložky stien rastlinných buniek. Je nerozpustný vo vode, etanole a éteri.

Bioplasty na báze celulózy sú všeobecne estery celulózy (acetát celulózy a nitrocelulóza) a ich deriváty (celulózy). Chemickými modifikáciami celulózy sa môže stať termoplastom.

Celulóza, ktorá je oveľa menej hydrofilná (podobná vode) ako škrob, produkuje bioplasty so zlepšenými vlastnosťami mechanickej pevnosti, nižšou priepustnosťou plynu a väčšou odolnosťou voči degradácii vodou..

Bioplasty na báze bielkovín

Je možné vyrobiť bioplasty použitím proteínov, ako je napríklad mliečny kazeín, pšeničný lepok, sójový proteín, medzi inými.

Najmä bioplasty zo sójového proteínu sú veľmi náchylné na degradáciu vodou a ich výroba je ekonomicky nákladná. Vypracovanie zmesí, ktoré sú lacnejšie a odolnejšie, v súčasnosti predstavuje výzvu.

Bioplasty odvodené z lipidov

Bioplasty (polyuretány, polyestery a epoxidové živice) boli syntetizované z rastlinných a živočíšnych tukov s vlastnosťami podobnými vlastnostiam petroplastov..

Výroba rastlinných olejov a lacných olejov z mikrorias by mohla byť veľmi priaznivým faktorom pre výrobu tohto typu bioplastov..

Napríklad bioplast polyamid 410 (PA 410), vyrába sa zo 70% oleja z plodov ricínového \ tRicinus comunis). Tento bioplast má vysokú teplotu topenia (250 ° C)aleboC), nízka absorpcia vody a odolnosť voči rôznym chemickým činidlám.

Ďalším príkladom je polyamid 11 (PA 11), ktorý je vyrobený z rastlinných olejov, ale nie je biologicky odbúrateľný.

Polyhydroxyalkanoáty (PHA)

Rozsiahla paleta bakteriálnych druhov prenáša cukry a lipidy, produkujúce ako vedľajšie produkty nazývané zlúčeniny polyhydroxyalakanoáty (PHA), ktoré sa skladujú ako zdroj uhlíka a energie.

PHA sú nerozpustné vo vode, biologicky odbúrateľné a netoxické.

Bioplasty typu PHA, vyrábajú celkom tuhé plastové vlákna, ktoré sú biologicky odbúrateľné. Predstavujú veľmi sľubnú alternatívu, pokiaľ ide o používanie petropolymérov na výrobu zdravotníckych pomôcok.

Kyselina polymliečna (PLA)

Kyselina polymliečna (PLA) je transparentný bioplast, ktorý sa vyrába z kukurice alebo dextrózy ako suroviny.

Na jeho výrobu sa musí škrob najprv extrahovať z kukurice alebo iného rastlinného zdroja; následne sa vďaka pôsobeniu mikroorganizmov získa kyselina mliečna a nakoniec sa na získanie bioplastu použije chemický proces (polymerizácia kyseliny mliečnej)..

PLA bioplasty sú transparentné, majú nízku odolnosť voči nárazom, majú tepelnú odolnosť a bariérové ​​vlastnosti, blokujú vstup vzduchu. Okrem toho sú biologicky odbúrateľné.

Bioplasty na báze poly-3-hydroxybutyrátu (PHB)

Poly-3-hydroxybutyrát (PHB) je chemická zlúčenina polyesterového typu, produkovaná niektorými baktériami, ktoré metabolizujú glukózu a kukuričný škrob..

PHB má vlastnosti podobné petroplastickému polypropylénu (komerčne široko používaný), ale jeho výrobné náklady sú deväťkrát vyššie, pretože zahŕňa výrobu biomasy s drahými zdrojmi uhlíka.

Tento bioplast môže produkovať transparentné fólie s teplotou topenia 130 ° CaleboC a je úplne biologicky odbúrateľný.

Polyetylén získaný z biomasy

Polyetylén má ako konštrukčnú jednotku monomér etylénu; ktorý sa môže získať chemickou syntézou vychádzajúcou z etanolu ako suroviny.

Etanol sa vyrába pri alkoholovej fermentácii mikroorganizmami, ktoré metabolizujú cukrovú trstinu, kukuricu alebo iné.

Takto je možné získať kombináciu alkoholovej fermentácie a chemickej syntézy etylénu a polyetylénu, bioplastov nazývaných polyetylén z bio-derivátov..

Tento bioplastický polyetylén je chemicky a fyzikálne identický s petroplastom. Nie je biologicky odbúrateľný, ale môže byť recyklovaný.

Polyhydroxy uretány

V poslednej dobe je veľký záujem o výrobu bioplastických polyuretánov bez vysoko toxických zlúčenín nazývaných izokyanát.

Izokyanát je široko používaný v priemyselných výrobných procesoch syntetických polymérov (polyuretány aplikované na hubovité plasty, tuhé peny, laky, insekticídy, lepidlá, výbušniny, okrem iného), a to tak v poľnohospodárstve, ako aj v medicíne..

Nazýva sa chemická metóda Krížová polymerizácia polyhydroxyuretánov, ktoré produkujú úplne recyklovateľné a voľné bioplasty izokyanát.

Priemyselná výroba bioplastov

Priemyselná výroba bioplastov zahŕňa 4 základné kroky:

  1. Získanie suroviny (biomasa).
  2. Syntéza polyméru.
  3. Modifikácia polyméru vo funkcii mať požadované vlastnosti podľa finálneho produktu, ktorý má byť spracovaný.
  4. Vyrobené z bioplastov vysokotlakovými alebo nízkotlakovými metódami, aby sa získala konečná požadovaná forma.

Použitie bioplastov

V súčasnosti existuje len málo komerčných aplikácií bioplastov, pretože ekonomické náklady na ich výrobu a zlepšenie ich vlastností stále predstavujú problémy pri riešení problémov..

Jednorazové položky

Bioplasty sa však už používajú pri výrobe mnohých jednorazových predmetov, ako sú plastové vrecia, obalové nádoby a obaly na potraviny, príbory, poháre a jedlé plastové riady.

Výstavba a inžinierske stavby

Škrobové bioplasty sa používajú ako stavebné materiály a bioplasty vystužené nanovláknami v elektrických inštaláciách.

Okrem toho sa používajú pri príprave bioplastové lesy na nábytok, ktorý nie je napadnutý xylofágnym hmyzom a nehnije vlhkosťou.

Farmaceutické aplikácie

Boli vyrobené s tobolkami z bioplastov, ktoré obsahujú lieky a nosiče liečiv, ktoré sa pomaly uvoľňujú. Biologická dostupnosť liekov je teda časom regulovaná (dávka prijatá pacientom v určitom čase)..

Lekárske aplikácie

Celulózová bioplasty použiteľné v implantátoch, tkanivovom inžinierstve, chitínových bioplastoch a chitosane boli vyrobené na ochranu rán, inžinierstva kostného tkaniva a regeneráciu ľudskej kože..

Celulózové bioplasty boli tiež vyrobené pre biosenzory, zmesi s hydroxyapatitom na výrobu dentálnych implantátov, okrem iného bioplastové vlákna v katétroch..

Letecká, námorná a pozemná doprava a priemysel

Použili sa tuhé peny na báze rastlinných olejov (bioplastov), ​​a to ako v priemyselných, tak aj v dopravných prostriedkoch; autodielov a leteckých častí.

Elektronické komponenty mobilných telefónov, počítačov, audio a video zariadení boli vyrobené aj z bioplastov.

poľnohospodárstva

Bioplastické hydrogély, ktoré absorbujú a zadržiavajú vodu a môžu ju pomaly uvoľňovať, sú užitočné ako ochranné povlaky obrábanej pôdy, udržiavajúc jej vlhkosť a podporujú rast poľnohospodárskych plantáží v suchých oblastiach av zriedkavých daždivých obdobiach.

referencie

  1. Chen, G. a Patel, M. (2012). Plasty pochádzajúce z biologických zdrojov: súčasnosť a budúcnosť. Technické a environmentálne preskúmanie. Chemické recenzie. 112 (4): 2082-2099. doi: 10,1021 / cr.20162d
  2. Príručka bioplastov a biokompozitov. (2011). Srikanth Pilla Editor. Salem, USA: Scrivener Publishing LLC. Publikované John Wiley a synovia.
  3. Lampinen, J. (2010). Trendy v bioplastoch a biokompozíciách. Výskumné poznámky VTT. Technické výskumné centrum Fínska. 2558: 12-20.
  4. Shogren, R. L., Fanta, G. a Doane, W. (1993). Vývoj plastov na báze škrobu: Reexaminácia vybraných polymérnych systémov z historického hľadiska. Škrob. 45 (8): 276-280. doi: 10.1002 / star.19930450806
  5. Vert, M. (2012). Terminológia pre biorelated polyméry a aplikácie (odporúčania IUPAC). Čistá a aplikovaná chémia. 84 (2): 377-410. doi: 10.1351 / PAC-REC-10-12-04