6.12. Биологически разлагаемые пластики на основе природных полимеров.

Одна из основных проблем использования полимеров состоит в их медленной деструкции как отходов в окружающей среде. Способность полимерных материалов к биологической деструкции обусловлена главным образом их химическим составом, структурой и свойствами макромолекул.

Экологи всего мира выступают за замену сырьевой базы полимерных материалов с продуктов переработки нефти и газа на натуральные, в частности, растительные компоненты. Пластиковая упаковка из "растительного" сырья (зерновых, древесины, растительных трав) разлагается полностью на безопасные составляющие: воду, биомассу, диоксид углерода и другие естественные природные соединения. Абсолютная экологичность — вот что отличает биологически разлагаемую упаковку от изделий из синтетических полимеров. Человечеству нужны удобрения, а не свалки.

Ещё в начале 30-х годов двадцатого века промышленник Генри Форд финансировал исследования по возможности использования пластиков на основе соевых культур для комплектующих автомобилей. В довоенный период индустрия пластмасс использовала в качестве сырья преимущественно природные ингредиенты — натуральный каучук и нитроцеллюлозу. Пластики на основе нефтепродуктов, поливинилхлорид и полиэтилен, начали широко применяться лишь во время Второй Мировой войны из-за резкой нехватки резины и металла.

Биологически разлагаемые полимеры с активным растительным наполнителем впервые появились в 70 – 80-е годы ХХ века на рынке упаковки промышленно развитых стран и представляли собой композиции крахмала с различными синтетическими полимерами. Крахмал — полисахарид, накапливаемый в процессе жизнедеятельности растений в их клубнях, семенах, стеблях и листьях. Основными источниками для его промышленного производства являются картофель, пшеница, кукуруза, рис. Биосинтетические полимеры удачно сочетали технологичность и высокие эксплуатационные характеристики, присущие синтетическому компоненту, со способностью биологических составляющих разлагаться в природных условиях.

Чаще всего крахмалом модифицировали полиэтилен – пластик, наиболее востребованный в индустрии упаковки, в пищевой и легкой промышленности, а также применяемый в медицине и других отраслях. Для получения термопластичных смесей «полимер – крахмал» полисахарид обычно пластифицируют глицерином и водой. Биологическое разложение композиционного полимера, полученного по такой технологии, начинается с поверхности пленки, обогащенной крахмалом. Для интенсификации биологической деструкции в состав композиций вводят фотосенсибилизаторы или самоокисляющиеся добавки, вызывающие деструкцию полимерной цепи.

На основе композиций полиэтилен – крахмал изготовлен концентрат РоlусleanTM (фирма «Archer Daniels Midland», США) для производства биологически разлагаемых пленок. В состав полимера входит крахмал (40 масс. %), и окисляющая добавка, действующая как катализатор деструкции крахмала на свету и в темноте. Концентрат EcostarplusTM (фирма «St. Sawrence Starch», США), содержит самоокислитель и фотодеградант (органометаллические соли), который синергически взаимодействует с биоразрушающим компонентом — крахмалом. Материал используется как добавка при изготовлении мешков под компост.

Кроме крахмала используют такие органические наполнители как, целлюлозу, амилозу, амилопектин, декстрин, являющиеся питательной средой для микроорганизмов. Синтезирован полиуретан, содержащий низкомолекулярную целлюлозу или амилозу. Методами привитой сополимеризации изготовлены сополимеры полиуретана с крахмалом и целлюлозой, осуществлен синтез сополимера, состоящего из полиэтилакрилата и желатина.

Биологические наполнители подбирают так, чтобы их введение не снижало высокий уровень эксплуатационных характеристик полимеров: прочность, низкую газопроницаемость, экологическую безопасность, хорошую формуемость. Одновременно биологическое разложение наполнителей позволяет деструктировать изделия из пластиков.

Появился специальный термин «biodegradable polymer», который стал неотъемлемой частью «зеленого словаря». Разработка биоразлагающихся полимеров проводится в нескольких направлениях.

Создаются полимерные материалы, имеющие 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 (метоксиоксистирол); биодеструктируемый полиамид; разрушающийся микроорганизмами сложный полиэфир, в состав которого входят молочная и фенилмолочная кислоты.

Разрабатываются полимеры, производимые с использованием возобновляющихся биологических ресурсов. В связи с тем, что традиционные источники сырья для синтеза полимеров нефть и газ ограничены, данное направление, по оценкам специалистов, является наиболее перспективным и экономически выгодным. Производство подобных материалов уменьшит «парниковый эффект», так как выращиваемое исходное растительное сырье поглощает углекислый газ.

Проводится синтез биоразлагаемых полимеров методами биотехнологии. Таким образом, 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.

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