Charakteristiky, typy, výroba a použití bioplastů



bioplastů jedná se o plastové polymerní materiály získané ze surovin biologického původu, tj. z obnovitelných přírodních zdrojů, jako je biomasa škrobu, celulózy, kyseliny mléčné, tuků, rostlinných a živočišných bílkovin..

Termín bioplast se používá k rozlišení těchto materiálů biologického původu, od petroplastik, které jsou syntetizovány z ropných derivátů..

Plasty jsou snadno tvarovatelné materiály, které se mohou deformovat, aniž by se dostaly do více či méně širokého rozsahu podmínek; z tohoto důvodu jsou materiály s velkou univerzálností.

Většina plastů se vyrábí ze surovin získaných z ropy. Tyto petroplastiky pocházejí z těžby a rafinace ropy, což je neobnovitelný, konečný a vyčerpatelný přírodní zdroj..

Petroplasty navíc nejsou biologicky rozložitelné a způsobují vážné environmentální problémy, jako jsou tzv. „Plastové ostrovy a polévky“ v oceánech. Ty způsobují masivní úmrtí ryb a mořských ptáků v důsledku znečištění moře a vzduchu plastovými mikročásticemi v suspenzi, a to z důvodu jejich fyzického rozkladu..

Kromě toho spalování petroplastů vytváří vysoce toxické emise.

Na rozdíl od petroplastik může být většina bioplastů zcela biologicky rozložitelná a neznečišťující. Mohou dokonce podpořit dynamiku ekosystémů.

Index

  • 1 Charakteristika bioplastů
    • 1.1 Ekonomický a environmentální význam bioplastů
    • 1.2 Biologická rozložitelnost
    • 1.3 Omezení bioplastů
    • 1.4 Zlepšení vlastností bioplastů
  • 2 typy (klasifikace)
    • 2.1 Klasifikace podle její přípravy
    • 2.2 Klasifikace podle surovin
  • 3 Průmyslová výroba bioplastů
  • 4 Použití bioplastů
    • 4.1 Výrobky na jedno použití
    • 4.2 Stavebnictví a inženýrské stavitelství
    • 4.3 Farmaceutické aplikace
    • 4.4 Lékařské aplikace
    • 4.5 Letecká, námořní a pozemní doprava a průmysl
    • 4.6 Zemědělství
  • 5 Odkazy

Charakteristika bioplastů

Ekonomický a environmentální význam bioplastů

V poslední době se objevil více vědecký a průmyslový zájem o výrobu plastů z obnovitelných surovin, které jsou biologicky rozložitelné.

Je to dáno tím, že se vyčerpávají světové zásoby ropy a že existuje větší povědomí o závažných ekologických škodách způsobených petroplastikou..

S rostoucí poptávkou po plastech na světovém trhu roste i poptávka po biodegradabilních plastech.

Biologická rozložitelnost

S odpadem biologicky rozložitelných bioplastů lze zacházet jako s organickým odpadem, s rychlou a neznečišťující degradací. Mohou být například použity jako úpravy půdy v kompostování, protože jsou přirozeně recyklovány biologickými procesy.

Omezení bioplastů

Výroba biodegradovatelných bioplastů čelí velkým výzvám, protože bioplasty mají horší vlastnosti než petroplastika a její aplikace, i když roste, je omezená.

Zlepšení vlastností bioplastů

Pro zlepšení vlastností bioplastů se vyvíjejí směsi biopolymerů s různými typy aditiv, jako jsou uhlíkové nanotrubice a přírodní vlákna modifikovaná chemickými procesy..

Obecně platí, že přísady aplikované na bioplasty zlepšují vlastnosti, jako jsou:

  • Tuhost a mechanická odolnost.
  • Bariérové ​​vlastnosti proti plynům a vodě.
  • Teplotní odolnost a termostabilita.

Tyto vlastnosti mohou být navrženy v bioplastech chemickými metodami přípravy a zpracování.

Typy (klasifikace)

Klasifikace podle Vaší přípravy

Bioplasty lze klasifikovat podle způsobu jejich přípravy:

  • Bioplasty, jejichž syntéza je vyrobena z polymerní suroviny získané přímo z biomasy.
  • Bioplasty získané syntézou biotechnologickými cestami (s použitím nativních nebo geneticky modifikovaných mikroorganismů).
  • Bioplasty získané klasickou chemickou syntézou, vycházející z biologických monomerů (které by byly cihly používané pro jejich konstrukci).

Klasifikace podle surovin

Také bioplasty lze klasifikovat podle původu jejich suroviny:

Bioplasty na bázi škrobu

Škrob je biopolymer schopný absorbovat vodu a pro tyto bioplasty jsou funkční, jsou přidány plastifikátory, které poskytují flexibilitu (např. Sorbitol nebo glycerin)..

Kromě toho se mísí s biologicky odbouratelnými polyestery, kyselinou polymléčnou, polykaprolaktony, mimo jiné za účelem zlepšení jejich mechanických vlastností a odolnosti vůči degradaci vodou..

Bioplásticos zpracované ze škrobu, jako je ekonomická surovina, hojné a obnovitelné, nazývají "termoplast škrobu".

Jsou to deformovatelné materiály při pokojové teplotě, roztaví se při zahřátí a vytvrzují ve stavu sklovitý při chlazení. Mohou být znovu zahřívány a přestavěny, ale těmito postupy podléhají změnám fyzikálních a chemických vlastností.

Jsou nejpoužívanějším bioplastovým typem a představují 50% bioplastů na trhu.

Bioplasty na bázi celulózy

Celulóza je nejrozšířenější organickou sloučeninou v rámci pozemské biomasy, strukturální složkou stěn rostlinných buněk. Je nerozpustný ve vodě, ethanolu a etheru.

Bioplasty na bázi celulózy jsou obecně estery celulózy (acetát celulózy a nitrocelulóza) a jejich deriváty (celulózy). Chemickými modifikacemi celulózy se může stát termoplastem.

Celulóza, která je mnohem méně hydrofilní (podobná vodě) než škrob, produkuje bioplasty se zlepšenými vlastnostmi mechanické pevnosti, nižší propustností plynů a větší odolností vůči degradaci vodou..

Bioplasty na bázi bílkovin

Je možné vyrobit bioplasty za použití proteinů, jako je mléčný kasein, pšeničný lepek, sójový protein.

Bioplast ze sójového proteinu je velmi náchylný k degradaci vodou a jeho výroba je ekonomicky nákladná. Zpracování směsí, které jsou levnější a odolnější, představuje v současné době výzvu.

Bioplasty odvozené od lipidů

Bioplasty (polyurethany, polyestery a epoxidové pryskyřice) byly syntetizovány z rostlinných a živočišných tuků, s vlastnostmi podobnými vlastnostem petroplastů..

Výroba rostlinných olejů a nízkorozpočtových olejů z mikrorias může být velmi příznivým faktorem pro výrobu tohoto typu bioplastů..

Například bioplast polyamid 410 (PA 410) se vyrábí ze 70% oleje z plodů ricinového \ tRicinus comunis). Tento bioplast má vysokou teplotu tání (250 ° C)oC), nízká absorpce vody a odolnost vůči různým chemickým látkám.

Dalším příkladem je polyamid 11 (PA 11), který je vyroben z rostlinných olejů, ale není biologicky rozložitelný.

Polyhydroxyalkanoáty (PHA)

Rozsáhlá paleta bakteriálních druhů přeměňuje cukry a lipidy, produkující jako vedlejší produkty zvané sloučeniny polyhydroxyalkanoáty (PHA), které jsou zdrojem uhlíku a energie.

PHA jsou nerozpustné ve vodě, biologicky rozložitelné a netoxické.

Bioplasty typu PHA, vyrábějí velmi tuhá plastová vlákna, která jsou biologicky odbouratelná. Představují velmi slibnou alternativu, pokud jde o použití petropolymerů pro výrobu zdravotnických prostředků.

Kyselina polymléčná (PLA)

Polylaktická kyselina (PLA) je transparentní bioplast, který se vyrábí z kukuřice nebo dextrózy jako suroviny.

Pro jeho výrobu musí být škrob nejprve extrahován z kukuřice nebo jiného rostlinného zdroje; následně se díky působení mikroorganismů získá kyselina mléčná a nakonec se aplikuje chemický proces (polymerace kyseliny mléčné) za účelem získání bioplastu..

PLA bioplasty jsou transparentní, mají nízkou odolnost vůči nárazům, mají tepelnou odolnost a bariérové ​​vlastnosti, blokují vstup vzduchu. Kromě toho jsou biologicky rozložitelné.

Bioplasty na bázi poly-3-hydroxybutyrátu (PHB)

Poly-3-hydroxybutyrát (PHB) je chemická sloučenina polyesterového typu, produkovaná některými bakteriemi, které metabolizují glukózu a kukuřičný škrob..

PHB má vlastnosti podobné petroplastickému polypropylenu (komerčně široce používanému), ale jeho výrobní náklady jsou devětkrát vyšší, protože zahrnuje výrobu biomasy s drahými zdroji uhlíku.

Tento bioplast může produkovat transparentní fólie, má bod tání 130 ° CoC a je zcela biologicky rozložitelný.

Polyethylen odvozený od biomasy

Polyethylen má jako konstrukční jednotku monomer ethylenu; který může být získán chemickou syntézou vycházet z ethanolu jako surovina.

Ethanol se vyrábí při alkoholové fermentaci mikroorganismy, které metabolizují cukr třtiny, kukuřice nebo jiné.

Tímto způsobem lze získat kombinaci alkoholové fermentace a chemické syntézy ethylenu a polyethylenu, bioplastů zvaných bio-odvozený polyethylen..

Tento bioplastický polyethylen je chemicky a fyzikálně identický s petroplastem. Není biologicky odbouratelný, ale může být recyklován.

Polyhydroxy urethany

V poslední době je velký zájem o výrobu bioplastických polyurethanů, které neobsahují vysoce toxickou sloučeninu izokyanát.

Izokyanát je široce používán v průmyslových výrobních procesech syntetických polymerů (polyuretany aplikované na houby z plastických hmot, tuhé pěny, laky, insekticidy, lepidla, výbušniny, mimo jiné), a to jak v zemědělství, tak v lékařství.

Je nazývána chemická metoda Křížová polymerace polyhydroxyurethanů, který vyrábí zcela recyklovatelné a volné bioplasty izokyanát.

Průmyslová výroba bioplastů

Průmyslová výroba bioplastů zahrnuje 4 základní kroky:

  1. Získání surovin (biomasa).
  2. Syntéza polymerů.
  3. Modifikace polymeru ve funkci mít požadované vlastnosti podle konečného produktu, který má být zpracován.
  4. Vyrobeno z bioplastů vysokotlakými nebo nízkotlakými metodami, za účelem získání požadované konečné formy.

Využití bioplastů

V současné době existuje jen málo komerčních aplikací bioplastů, protože ekonomické náklady na jejich výrobu a zlepšení jejich vlastností stále představují problémy při řešení.

Jednorázové předměty

Bioplasty se však již používají při výrobě mnoha jednorázových předmětů, jako jsou plastové sáčky, obalové nádoby a obaly na potraviny, příbory, sklenice a jedlé plastové nádobí..

Stavební a inženýrské stavby

Jako stavební materiály a bioplasty vyztužené nanovlákny v elektroinstalacích se používají škrobové bioplasty.

Kromě toho byly použity při přípravě bioplastové dřevo pro nábytek, který není napaden xylofágním hmyzem a nehnije vlhkostí.

Farmaceutické aplikace

Byly vyrobeny s tobolkami z bioplastů obsahujícími léky a léčiva, která se uvolňují pomalu. Biologická dostupnost léčiv je v průběhu času regulována (dávka přijatá pacientem v určitém čase)..

Lékařské aplikace

Celulózové bioplasty použitelné v implantátech, tkáňovém inženýrství, bioplastech chitinu a chitosanu byly vyrobeny pro ochranu ran, inženýrství kostní tkáně a regeneraci lidské kůže..

Celulózové bioplasty byly také vyráběny pro biosenzory, směsi s hydroxyapatitem pro výrobu dentálních implantátů, mimo jiné bioplastová vlákna v katétrech..

Letecká, námořní a pozemní doprava a průmysl

Používají se tuhé pěny na bázi rostlinných olejů (bioplastů), a to jak v průmyslových, tak v dopravních zařízeních; autodíly a letadlové části.

Elektronické komponenty mobilních telefonů, počítačů, audio a video zařízení byly také vyrobeny z bioplastů.

Zemědělství

Bioplastové hydrogely, které absorbují a zadržují vodu a mohou ji pomalu uvolňovat, jsou užitečné jako ochranné povlaky pěstované půdy, udržují vlhkost a napomáhají růstu zemědělských plantáží v suchých oblastech a v vzácných deštivých obdobích..

Odkazy

  1. Chen, G. a Patel, M. (2012). Plasty odvozené z biologických zdrojů: současnost a budoucnost. Technické a environmentální přezkoumání. Chemické recenze. 112 (4): 2082-2099. doi: 10,1021 / cr.20162d
  2. Příručka bioplastů a biokompozit. (2011). Srikanth Pilla Editor. Salem, USA: Scrivener Publishing LLC. Publikoval John Wiley a synové.
  3. Lampinen, J. (2010). Trendy v bioplastech a biokompozitách. Poznámky k výzkumu VTT. Technické výzkumné středisko ve Finsku. 2558: 12-20.
  4. Shogren, R. L., Fanta, G. a Doane, W. (1993). Vývoj plastů na bázi škrobu: Reexaminace vybraných polymerních systémů v historické perspektivě. Škrob 45 (8): 276-280. doi: 10.1002 / star.19930450806
  5. Vert, M. (2012). Terminologie pro biorelated polymery a aplikace (IUPAC doporučení). Čistá a aplikovaná chemie. 84 (2): 377-410. doi: 10.1351 / PAC-REC-10-12-04