Биопла́стик — пластмассовый материал, который производится из возобновляемых источников биомассы, таких как: растительные жиры и масла, крахмал, солома, щепа, опилки, переработанные пищевые отходы и т. д. Биопластик может быть изготовлен из сельскохозяйственных побочных продуктов, а также из использованных пластиковых бутылок и других контейнеров с использованием микроорганизмов. Обычные пластики (также называемые полимерами), такие как, например, полиэтилен, производят чаще всего из нефти или природного газа. Биопластики необязательно являются биоразлагаемыми и могут разлагаться не быстрее, чем пластмассы, полученные из ископаемого сырья. Биопластик обычно получают из крахмала, целлюлозы и молочной кислоты. По состоянию на 2014 год биопластики составляли примерно 0,2 % мирового рынка полимеров (300 млн т).
Определение Международного союза теоретической и прикладной химии:
Биобазированный полимер — полученный из биомассы или выделенный из мономеров, полученных из биомассы, который на каком-то этапе переработки в готовый продукт может быть сформирован прессом.
Биопласт обычно используется как противоположность полимеру, полученному из ископаемых ресурсов. Биопласт вводит в заблуждение, поскольку предполагает, что любой полимер, полученный из биомассы, является «экологически чистым». полимер, подобный полимеру на нефтяной основе, не подразумевает никакого превосходства по отношению к окружающей среде, если только сравнение соответствующих оценок жизненного цикла не является благоприятным.
Биопластик используются для одноразовых предметов: упаковка, посуда, столовые приборы, кастрюли, миски и солонки. Существует несколько коммерческих приложений для биопластиков. В принципе, они могут заменить многие приложения для пластмасс, полученных из нефти, однако их производство остаётся нерентабельным. На самом деле, их использование является финансово выгодным, только если поддерживается специальными правилами, ограничивающими использование обычных пластиков полученных из нефтепродуктов. Типичным примером является Италия, где биоразлагаемые пластиковые пакеты и шопперы являются обязательными с 2011 года с введением специального закона. Помимо конструкционных материалов, разрабатываются электроактивные биопластики, которые будут использовать для переноса электрического тока.
Биополимеры доступны в качестве покрытий для бумаги, а не для более распространенных нефтехимических покрытий.
Типы
Пластмассы на основе крахмала
Термопластичный крахмал в настоящее время представляет собой наиболее широко используемый биопластик, составляя около 50 % рынка биопластиков. Простой крахмальный биопластик можно сделать в домашних условиях Чистый крахмал способен впитывать влагу и, таким образом, является подходящим материалом для производства капсул с лекарственными препаратами в фармацевтическом секторе. Можно также добавить гибкие усилители и пластификаторы, такие как сорбит и глицерин, чтобы крахмал также можно было обрабатывать термопластически. Характеристики получающегося в результате биопластика (также называемого «термопластичным крахмалом») могут быть адаптированы к конкретным потребностям путем корректировки количества этих добавок.
Биопластики на основе крахмала часто смешивают с биоразлагаемыми полиэфирами для получения крахмала / полимолочной кислоты, крахмала / поликапролактона или крахмала / Ecoflex (полибутиленадипат-терефталат, производимый BASF смеси). Эти смеси используются для промышленного применения и также являются компостируемыми. Другие производители, такие как Roquette, разработали другие смеси крахмал / полиолефин. Эти смеси не являются биоразлагаемыми, но оставляют меньший углеродный след, чем пластмассы на нефтяной основе, используемые для тех же целей.
Пластмассы на основе крахмала представляют собой сложные смеси крахмала с компостируемыми пластиками, такими как полимолочная кислота, терефталат полибутиленадипата, сукцинат полибутилена, поликапролактон и полигидроксиалканоаты. Эти сложные смеси улучшают водостойкость, а также технологические и механические свойства.
Пленки на основе крахмала (в основном используются для упаковочных целей) изготавливаются в основном из крахмала, смешанного с термопластичными полиэфирами для образования биоразлагаемых и компостируемых продуктов. Эти пленки используются специально для упаковки потребительских товаров в журнальных упаковках и пузырьковых пленках. В пищевой упаковке эти пленки рассматриваются как пекарные или фруктовые и овощные пакеты. Компостирование мешков с этими пленками используется при селективном сборе органических отходов.
Кроме того, ученые, работающие в Службе сельскохозяйственных исследований, разработали новую плёнку на основе крахмала, которую можно использовать в качестве бумаги, так как крахмал дешев, обилен и возобновляем.Make Potato Plastic! . Instructables.com (2007-07-26).
Пластмассы на основе целлюлозы
Биопластиками целлюлозы являются главным образом сложные эфиры целлюлозы (включая ацетат целлюлозы и нитроцеллюлозу) и их производные, например, целлулоид.
Целлюлоза может стать термопластичной при значительной модификации. Примером этого является ацетат целлюлозы, который дорог и поэтому редко используется для упаковки. Однако целлюлозные волокна, добавленные в крахмалы, могут улучшить механические свойства, газопроницаемость и водостойкость, поскольку они менее гидрофильны, чем крахмал.
Группа из Шанхайского университета смогла создать новый зеленый пластик на основе целлюлозы с помощью метода, называемого горячим прессованием.
Белковые пластики Биопластики могут быть сделаны из белков из разных источников. Например, пшеничный глютен и казеин проявляют многообещающие свойства в качестве сырья для различных биоразлагаемых полимеров.
Кроме того, соевый белок рассматривается как еще один источник биопластика. Такие материалы используются в производстве пластмасс уже более ста лет. Например, панели кузова оригинального автомобиля Ford Model T были сделаны из пластика на основе сои.
Существуют трудности с использованием пластиков на основе соевого белка из-за их чувствительности к воде и относительно высокой стоимости. Следовательно, получение смесей соевого белка с некоторыми уже имеющимися биоразлагаемыми полиэфирами улучшает чувствительность к воде и стоимость.
Некоторые алифатические полиэфиры Алифатические био~d сложных полиэфиры, в основном, Полиоксиалканоаты (ПГ), такой как поли-3-гидроксибутират (ПГБ), полигидроксивалерат (П) и полигидроксигексаноаты (ФНО).
Полимолочная кислота (PLA)
Полимолочная кислота (PLA) представляет собой прозрачный пластик, полученный из кукурузы или декстрозы. Внешне он похож на обычные массовые пластики на основе нефтехимии, такие как полистирол. У этого есть явное преимущество разложения до нетоксичных продуктов. Однако он демонстрирует низкую ударную вязкость, термическую прочность и барьерные свойства (блокируя воздушный транспорт через мембрану). Смеси PLA и PLA обычно выпускаются в форме гранулятов с различными свойствами и используются в промышленности по переработке пластмасс для производства пленок, волокон, пластиковых контейнеров, чашек и бутылок. PLA также является наиболее распространенным типом пластиковой нити, используемой для моделирования наплавки в домашних условиях.
Поли-3-гидроксибутират Биополимер поли-3-гидроксибутират (ПГБ) представляет собой полиэфир, вырабатываемый некоторыми бактериями, перерабатывающими глюкозу, кукурузный крахмал или сточные воды. Его характеристики аналогичны характеристикам нефтеперерабатывающего полипропилена. Производство ПГБ увеличивается. Например, южноамериканская сахарная промышленность решила расширить производство ПГБ в промышленных масштабах. ПГБ отличается прежде всего своими физическими характеристиками. Он может быть переработан в прозрачную пленку с температурой плавления выше 130 градусов по Цельсию и является биоразлагаемым без остатка.
Полиоксиалканоаты Полигидроксиалканоаты — это линейные сложные полиэфиры, получаемые в природе путем бактериальной ферментации сахара или липидов. Они производятся бактериями для хранения углерода и энергии. В промышленном производстве полиэфир извлекается и очищается от бактерий путем оптимизации условий ферментации сахара. Более 150 различных мономеров могут быть объединены в этом семействе, чтобы получить материалы с совершенно разными свойствами. PHA является более пластичным и менее эластичным, чем другие пластмассы, а также биоразлагаемым. Эти пластмассы широко используются в медицинской промышленности.
Полиамид 11 PA 11 представляет собой биополимер, полученный из натурального масла. Это также известно под торговой маркой Rilsan B, коммерциализированной Arkema. PA 11 относится к семейству технических полимеров и не является биоразлагаемым. Его свойства аналогичны свойствам PA 12, хотя выбросы парниковых газов и потребление невозобновляемых ресурсов снижаются в процессе его производства. Его термическое сопротивление также выше, чем у PA 12. Он используется в высокопроизводительных применениях, таких как автомобильные топливопроводы, пневматические трубки пневматического тормоза, защитные оболочки электрического кабеля, гибкие нефтяные и газовые трубы, шланги с управляемой жидкостью, спортивная обувь, компоненты электронных устройств и катетеры.
Аналогичным пластиком является полиамид 410 (PA 410), полученный на 70 % из касторового масла под торговым названием EcoPaXX, коммерциализированный DSM. PA 410 представляет собой высокоэффективный полиамид, который сочетает в себе преимущества высокой температуры плавления (около 250 °C), низкое влагопоглощение и отличная стойкость к различным химическим веществам.
Био-производный полиэтилен Основным строительным блоком (мономером) полиэтилена является этилен. Этилен химически похож на этанол и может быть получен из этанола, который может быть получен путем ферментации сельскохозяйственного сырья, такого как сахарный тростник или кукуруза. Биологически полученный полиэтилен химически и физически идентичен традиционному полиэтилену — он не разлагается, но может быть переработан. Бразильская химическая группа Braskem утверждает, что с помощью ее метода производства полиэтилена из сахарного тростника этанол улавливает (удаляет из окружающей среды) 2,15 тонны на тонну произведенного зеленого полиэтилена.
Генетически модифицированное сырье ГМ- кукуруза часто используется в качестве сырья, поэтому существуют пластики и на её основе.
В технологиях производства биопластиков используется модель «фабрика растений», в которой для оптимизации эффективности используются генетически модифицированные сельскохозяйственные культуры или генетически модифицированные бактерии.
Полигидроксиуретаны В последнее время большое внимание уделяется производству полиуретанов, не содержащих изоцианатов, на основе биологических оснований. В одном таком примере используется спонтанная реакция между полиаминами и циклическими карбонатами с образованием полигидроксуретанов. В отличие от традиционных сшитых полиуретанов, сшитые полигидроксиуретаны, как было показано, способны рециркулировать и перерабатываться посредством динамических реакций транскарбамоилирования.
Липидные полимеры Ряд биопластических классов был синтезирован из растительных и животных жиров и масел. Полиуретаны, сложные полиэфиры, эпоксидные смолы и ряд других типов полимеров были разработаны с сопоставимыми свойствами с материалами на основе сырой нефти. Недавняя разработка метатезиса олефинов открыла широкое разнообразие сырья для экономичной конверсии в биомономеры и полимеры. С ростом производства традиционных растительных масел, а также дешевых масел, полученных из микроводорослей, существует огромный потенциал для роста в этой области.
Воздействие на окружающую среду