Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Упаковочные материалы на основе полилактида и древесного наполнителя. Монография
.pdf
Министерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное государственное бюджетное
образовательное учреждение высшего образования
«Казанский национальный исследовательский
технологический университет»
Н. Р. Галяветдинов, Р. Р. Сафин
УПАКОВОЧНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
НА ОСНОВЕ ПОЛИЛАКТИДА
И ДРЕВЕСНОГО НАПОЛНИТЕЛЯ
Монография
Казань
Издательство КНИТУ
2017
УДК 621.798:678.046
Г17
Галяветдинов Н. Р.
Упако
л-
нителя
Минобрнауки
России
во КНИТУ,
2017.
ISBN
ББК 30.61:35.71
Г17
Печатается по решению редакционно-издательского совета
Казанского национального исследовательского технологического университета
Рецензенты:
зам. ген. директора ООО НПП «ТермоДревПром»,
канд. техн. наук Л. И. Аминов
зам. гл. редактора журнала «Деревообрабатывающая
промышленность» д-р техн. наук Е. Ю. Разумов
Представлена авторская технология получения биодеградируемых
композитов, использующихся в дальнейшем для производства упаковочных
материалов на основе биоразлагаемого полимера (полилактида) с добавлением в него древесного наполнителя. Проведены маркетинговое исследование
упаковочных материалов и обзор оборудования и технологий для их производства, представлено технико-экономическое обоснование получения биоразлагаемых композитов.
Предназначена для ИТР, магистров и бакалавров, обучающихся по
лесотехническим направлениям.
Подготовлена на кафедре «Архитектура и дизайн изделий из древесины».
ISBN 978-5-7882-2292-9 © Галяветдинов Н. Р., Сафин Р. Р., 2017
вочные материалы на основе полилактида и древесного напо
: монография / Н. Р. Галяветдинов, Р. Р. Сафин;
, Казан. нац. исслед. технол. ун-т. – Казань : Изд-
– 124 с.
978-5-7882-2292-9
УДК 621.798:678.046
ББК 30.61:35.71
© Казанский национальный исследователь
ский технологический универтет,2017
2
ВВЕДЕНИЕ
К биоразлагаемым упаковочным материалам в последние годы
проявляется повышенный интерес, что объясняется введением многими странами запрета на применение неразлагаемых полимерных материалов, скопление которых привело к ухудшению экологической обстановки по всему миру. Многие развитые страны (США, Япония, Китай, Великобритания, Бельгия, Голландия и др.) взяли устойчивый
курс на отказ от полиэтиленовой продукции в пользу товаров из биоразлагаемых полимеров.
По прогнозам European Bioplastics, к 2020 г. от 30 до 90 % мирового производства полимеров может быть замещено пластиками,
получаемыми из возобновляемого сырья. Сегодня в мире регулярно
появляются новые технологические разработки в данной сфере, которые незамедлительно получают производственную реализацию. Внедрение биопластиков, в том числе биоразлагаемых, может значительно
снизить нагрузку на окружающую среду и способствовать решению
экологических проблем, в связи с чем идея максимально широкого
использования данных материалов с каждым годом становится все
более популярной среди широкой общественности. В России биополимеры постепенно входят в жизнь населения в виде разлагаемой упаковки, «зеленых» пакетов и так далее. Но это только первые, несистемные шаги. Поэтому актуальной на сегодняшний день представляется разработка технологии получения биодеградируемых полимерных композитов, позволяющих снизить стоимость биологически разлагаемого полимера, а также получить композиционный материал,
отличающийся высоким качеством и расширенной сферой возможного применения за счет придания ей новых свойств.
Данная монография посвящена разработке технологии изготовления упаковки из биоразлагаемого полимера PLA с добавлением в
него древесного наполнителя. Авторами был проведен комплексный
анализ, позволяющий сделать оптимальный выбор количественного и
качественного состава для изготовления упаковки или важнейших
элементов упаковки.
Работа выполнялась при поддержке гранта Президента Российской Федерации для государственной поддержки молодых российских ученых – докторов наук (МД – 5596.2016.8).
3
Глава I
СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА ИСПОЛЬЗОВАНИЯ
БИОРАЗЛАГАЕМЫХ ПОЛИМЕРОВ
Упаковка стала неотъемлемой частью нашей жизни. Сейчас
трудно представить, что еще 15-20 лет назад в магазинах предлагали
купить товар без фирменной упаковки. В повседневной жизни мы не
задумываемся над тем, какие задачи выполняет упаковка. А между
тем она играет главную роль в связи между производителями продукции и потребителями.
Основная доля всех упаковочных материалов или их компонентов производится или получается из основных невозобновляемых
источников сырья, включая природный газ, сырую нефть, уголь, которые используются в производстве пластиков и в качестве исходных
материалов, и как источник энергии. В какой-то период сельскохозяйственные материалы считались альтернативным исходным сырьем для
производства пластмасс, но уже более десяти лет они не оправдывают
ожиданий разработчиков. Основным препятствием для использования
пластиков, изготовленных на основе сельскохозяйственного сырья,
стала их себестоимость и ограниченные функциональные возможности (чувствительность продуктов из крахмала к влаге, ломкость полиоксибутирата и т.д.), а также недостаточная гибкость при производстве специализированных пластиковых материалов.
В настоящее время в мире особо остро стоит вопрос об
уменьшении потребления нефтяных ресурсов. Совокупность различных факторов, рост цен на нефть, повышение интереса во всем мире к
возобновляемым ресурсам, нарастание обеспокоенности в связи с выбросами парниковых газов, особое внимание к утилизации отходов
возродили заинтересованность в биополимерах и эффективных способах их производства.
1.1. Развитие производства биоразлагаемых полимеров
В начале 1970-х годов интенсивно начали развиваться работы
по созданию био-, фото- и водоразрушаемых полимеров. Получение
разлагаемых полимеров вызвало настоящую сенсацию, и этот способ
уничтожения вышедших из строя пластмассовых изделий рассматривался как идеальный. Однако последующие работы в этом направлении показали, что трудно сочетать в изделиях высокие физико-
4
механические характеристики, красивый внешний вид, способность к
быстрому разрушению и низкую стоимость. Создание фото- и биоразрушаемых пластмасс основано на введении в цепь полимера фото- и
био- активирующих добавок, которые должны содержать функциональные группы, способные разлагаться под действием ультрафиолетовых лучей или анаэробных бактерий. Трудность заключается в том,
что добавки вводят в полимер на стадии синтеза или переработки, а
разрушение его должно протекать после использования, но не во время переработки. Поэтому проблема заключается в создании активаторов разрушения, обеспечивающих определенный срок службы пластмассовых изделий без ухудшения их качества. Активаторы должны
быть также нетоксичными и не повышать стоимость материала.
Существует три основных направления развития работ по
освоению биодеградируемых пластмасс:
• полиэфиры гидроксикарбоновых кислот;
• пластические массы на основе воспроизводимыхприрод-
ных полимеров;
• придание биоразлагаемости промышленным высокомо-
лекулярным синтетическим материалам.
Отчет правительства штата Калифорния (США), опубликованный в 2008 г., с научной обоснованностью указывает на опасную проблему ядовитых газов и испарений, источаемых свалками, которые
приводят к росту заболеваний у живущих рядом людей. Кроме того,
недавно в посуде, упаковочных материалах, детских игрушках и других изделиях, получаемых из синтетических полимерных материалов,
обнаружены высокотоксичные соединения – бисфенолА, вызывающий рак груди (данные, полученные в США и Великобритании),
2-ЕНА и эфиры фталиевой кислоты (Германия, Канада), наносящие
вред развитию новорожденных детей и поражающие головной мозг.
Поэтому правительства высокоразвитых стран первыми оценили эту
медленно надвигающуюся угрозу. Так, еще в далеком в 1985 г. Европейским союзом (ЕС) была принята директива № 85339/EWG, касающаяся емкостей для пищевых жидкостей и накладывающая на государства содружества обязательства по разработке программ, направленных на уменьшение количества упаковочных отходов. Предусматривалась пропаганда многократного использования упаковки, внедрение ее целевого сбора, а также обеспечение полной утилизации упаковочных отходов. Будучи первым в данном вопросе, этот документ
имел ряд недостатков, включая узкие рамки применения, отрыв от
5
рыночных реалий и отсутствие стимулов, которые побуждали бы к
развитию технологий по переработке отходов. Уже в 1994 г. вышла
новая директива ЕС № 9462/WE (приложение 1) об упаковке и отходах, где перед государствами ЕС ставилась задача уменьшить количество коммунальных отходов, попадающих на сборочные пункты, до
300 кг в год на человека.
О важности сортировки отходов из биоупаковки и из обычных
полимерных материалов и о возможности их компостирования пишут
многие специалисты. Надо отметить, что значимость создания системы компостов для биоразлагаемых материалов нельзя переоценить.
Когда биоупаковки не подвергаются компостированию, а собираются
и захороняются как обычный мусор или вместе с ним, то их экологичность сводится на нет. Если будут действовать специальные программы по сбору биоразлагаемых упаковок, их раздельному складированию и приготовлению компостных ям, то экономическая ценность
нового вида упаковки станет очевидной. Изданные ЕС директивы как
раз запрещают совместное захоронение различных видов отходов,
предполагая их раздельное захоронение. Для биоразлагаемых упаковок выделяются специальные площадки для компостирования.
Если страны ЕС и США пока не полностью решили проблему
разделения отходов, утилизации и компостирования, то Россия еще
даже не подошла к начальной стадии решения проблемы массового
строительства современных полигонов вокруг городов. По данным
промышленного холдинга «Безопасные технологии» (СанктПетербург), в России ежегодно образуется более 50 млн. т твердых
коммунальных отходов, большая часть которых подлежит захоронению на полигонах (свалках). На сегодняшний день такой способ обращения с отходами является наименее затратным, но и наиболее
опасным для окружающей среды. Последнее обстоятельство тем более
важно, что подавляющее число полигонов по сути является свалками,
так как не отвечает законодательно закрепленным требованиям и
нормам по строительству, эксплуатации и рекультивации полигонов.
Все это наносит существенный урон природе, здоровью людей и экономике государства в целом. Решением указанных проблем должен
стать комплексный подход к сфере обращения с отходами. Согласно
сообщению Департамента природопользования и охраны окружающей среды, ежегодно в Москве выбрасываются более 360 тыс. т непереработанного мусора, что стало огромной экологической проблемой.
6
Большинство специалистов высказывают справедливое мнение, что одна биоразлагаемая упаковка не решит проблему экологической безопасности в целом. Необходимо усовершенствовать законодательную базу, которая экономически стимулировала бы производителей полимерных материалов и изделий изготавливать их из биоразлагаемого сырья. Следует иметь в виду, что даже если в России будет
налажено массовое производство биополимеров, получаемых из биосырья, будет очень сложно решить экологическую проблему мусорных захоронений, так как на данный момент практически не решен
вопрос строительства современных полигонов для мусорных захоронений, отвечающих международным нормам с использованием бентонитовых (глиняных) матов, геомембран из ПЭ, дренажных материалов
и т.д. Необходимо также обеспечить отделение полимерных отходов
из общей массы бытового мусора и их дальнейшую переработку, создать инфраструктуру промышленного компостирования, использовать как альтернативный источник энергии.
Таким образом, предлагается сократить объем потребления
полимерной упаковки за счет применения упаковки многоразового
использования, принимаются и другие законодательные меры с целью
уменьшения объема отходов полимерных материалов на душу населения. Отдельные компании, например, сети «кофейных» компаний
Starbucks, планируют переходить на использование многоразовой или
подлежащей вторичной переработке посуды. Аналитики предсказывают рост объемов производства и потребления бумажной упаковки, в
том числе многократного использования, но и эта тенденция требует
всестороннего анализа, так как может привести к массовой вырубке
лесов, для восстановления которых потребуются десятки лет. В ряде
стран принимаются жесткие законодательные меры с целью резкого
сокращения использования полимерных пакетов из ПЭ (Великобритания, Франция, Ирландия, Израиль, Япония, Китай, страны ЮгоВосточной Азии и др.).
Проводимые ранее исследования были направлены в основном
на создание полимерных материалов, устойчивых к воздействию факторов окружающей среды. В настоящее же время возник новый подход к разработке полимерных материалов, основанный на сохранении
их эксплуатационных характеристик только в течение периода их использования. Несмотря на все трудности, которые испытывают ученые России, это направление полимерного материаловедения находится в области их научных интересов, о чем говорят публикации последних лет.
7
Главным направлением в решении экологической проблемы
свалок является развитие производства полимерных материалов с
ускоренным их разложением в природных условиях. В настоящее
время наметились 4 основных пути решения данной проблемы:
1) совершенствование различных методов утилизации мусора
(начиная от простых свалок и заканчивая производством биополимеров из отходов);
2) разработка и организация массового производства полно-
стью биоразлагаемых полимерных материалов из растительного сырья
(крахмала кукурузы и других растений) и нефтепродуктов;
3) модификация серийных крупнотоннажных полимеров (ПЭ,
ПП, ПЭТ, ПС и др.) с помощью специальных добавок, которые позволяют создать оксибиоразлагаемые полимерные материалы, разлагающиеся в различных природных условиях в десятки раз быстрее по
сравнению с естественным старением традиционных полимерных материалов;
4) селекция специальных штаммов микроорганизмов, способ-
ных осуществлять деструкцию полимерных материалов.
Какое из этих направлений является наиболее перспективным,
предсказать сейчас сложно. Однако постоянный творческий труд исследователей, всесторонняя опытная проверка промежуточных результатов и время укажут более точный путь уменьшения отрицательного воздействия полимерного мусора на окружающую среду.
«Нефтяной» вопрос заставляет искать способы получения полимеров из возобновляемого растительного сырья и фактически возвращаться к началу прошлого века, когда индустрия пластмасс зарождалась с использования в качестве сырья природных материалов нитроцеллюлозы и натурального каучука. Полимеры на основе нефтепродуктов (ПЭ и ПВХ) начали широко применяться лишь во время
второй мировой войны из-за резкой нехватки металла и резины. Не
производство товаров бытового назначения или потребности упаковочного сектора первоначально стимулировали « пластмассовую» отрасль, а заказы со стороны оборонной отрасли и стремительное развитие средств связи, транспорта и других ключевых отраслей привели к
созданию мощной отечественной индустрии пластмасс.
В России ученые и инженеры разных специальностей успешно
решают проблемы разработки биоразлагаемых полимеров для медицинских целей. Внедрение этих материалов производится по разным
направлениям:
8
• в клеточной и тканевой биоинженерии;
Сырье
Биоразлагаемые полимеры
Белки
Кератин, фиброин, коллаген, эластин
Грибы
Пуллуан,эльсинан
Полисахариды (получаемые
Алифатические полиэфиры (природного
Полисахариды (получаемые
Хитин, хитозан
Возобновляемое, раститель-
Крахмал, целлюлоза, агар, пектин
Невозобновляемое, нефтехи-
Полиуретаны, ароматические полиэфиры
Смешанное
Полиэфиры
• в качестве матриксов для систем контролируемой доставки
лекарственных средств в организм человека;
• в сердечно-сосудистой и челюстно-лицевой хирургии, орто-
педии и пр.
1.2. Классификация и категории биоразлагаемых
полимерных материалов
С целью создания широкого спектра биоразлагаемых полимерных материалов за рубежом происходит объединение усилий в
таких организациях, как Международная ассоциация биоразлагаемых
полимеров (IBAW) и Институт оксибиоразлагаемых пластмасс (OPI).
Растет число фирм, производящих биоразлагаемые полимерные материалы и оксибиоразлагающие добавки для обычных полимерных материалов. Разрабатываются десятки международных стандартов на испытания биоразлагаемых полимерных материалов
(ASTM, DIN, ISO, JIS.). Ниже приведена классификация наиболее популярных биоразлагаемых полимеров (табл. 1). Выделяют также две
большие группы биополимеров – оксобиоразлагаемые и гидробиоразлагаемые.
Таблица 1. Классификация биоразлагаемых полимеров
с помощью бактерий)
из представителей животного
мира)
ного происхождения
мического происхождения
происхождения: PHA, PHB, PHH, PHV,
сополиэфиры; синтетические: PLA)
9
• Гидроразлагаемые биополимеры – это полимеры, получен-
ные на основе растительного сырья, а также на основе указанной выше молочной кислоты. К этой группе можно отнести и синтетические
пластики (полиэтилен, полипропилен) которые содержат специальные
добавки (например, крахмал) и трансформируются в разлагаемые продукты реакцией гидролиза без доступа кислорода. Особенностью таких пластиков является то, что в процессе их разложения выделяется
газ метан.
• Оксоразлагаемые полимеры – полимеры, в состав которых
входят добавки, способствующие разложению материала при участии
воздуха.
Процесс разложения биополимеров в зависимости от их вида
представлен на рис. 1.
Рис. 1. Процесс разложения биополимеров в зависимости от их вида
Большинство биоразлагаемых пластиков относятся к классу
полиэфиров, хотя некоторые из них изготавливаются из других материалов, например, из модифицированного крахмала. Ароматические
полиэфиры, например, ПЭТ, обладают хорошими механическими характеристиками, но при этом устойчивы к микробам. С другой сторо-
10
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]