Зарегистрированных посетителей: 10491

"Биополимеры: перспективы развития"

С полными текстами всех статей вы можете ознакомиться на страницах журнала
В. Н. Мымрин, к. т. н.

Одной из основных тем в отрасли в настоящее время стали биополимеры, обладающие многообещающим потенциалом для решения актуальных проблем охраны окружающей среды и ресурсосбережения. не остались в стороне от этой темы и организаторы международной специализированной выставке пластмасс и каучука «К-2013» (16–23 октября 2013 г., Дюссельдорф), запланировав ряд мероприятий с 17 по 19 октября под общим названием Bioplastics Business Breakfasts. В данном обзоре дана краткая характеристика состояния и перспектив развития мирового рынка биополимеров и приведены некоторые примеры их применения, представленные на выставке.

В последние годы в связи с ростом стоимости сырой нефти население планеты все более отчетливо осознает ограниченность ископаемых ресурсов и проявляет усиливающееся стремление к обеспечению защиты и стабильности климата на Земле.

При этом повышенный интерес начинают вызывать биополимеры, представляющие собой особый класс полимерных материалов. Они рассматриваются как дополнение и отчасти альтернатива традиционным полимерным материалам, как логичный и необходимый шаг для успешного развития современной и ориентированной на будущее индустрии пластмасс.

Эти материалы заняли достойное место на выставке «K-2013». Как утверждает профессор кафедры полимерных технологий (Institut fuer Kunststofftechnik, IKT) университета г. Штутгарта, д-р Кристиан Бонтен (Christian Bonten), обсуждение всех аспектов «за» и «против», будущей роли и перспектив развития рынка биополимеров не представляется возможным без предварительного четкого разъяснения сущности приставки «био», так как именно в ней заключается основной смысл, отличающий биополимеры от других полимерных материалов.

1. одна приставка, но два значения

Как известно, среди биополимеров различают полимеры, полученные на основе возобновляемого растительного сырья, и полимеры, способные к биоразложению.

Последние, получаемые, как правило, из нефтепроизводных, требуют введения в них специальных биоразлагающих полимер добавок.

1.1. Биоразлагающиеся полимерные материалы

Особые виды бактерий и их ферменты способны превращать биологически разлагающиеся полимерные материалы в биомассу, диоксид углерода или метан, воду и минералы после существенной фрагментации макромолекул в результате тех или иных механизмов деструкции. В Европе компостируемым может называться только тот полимерный материал, который не более чем за 12 недель по меньшей мере на 90 % разлагается на фрагменты длиной менее 2 мм. Только при этих условиях может быть обеспечена экономически эффективная и бесперебойная эксплуатация компостирующих установок. Для включения в перечень биоразлагающихся полимерных материалов концентрация тяжелых металлов в них не должна превышать определенного уровня.

Кроме того, они не должны оказывать негативного влияния на плодородие почвы. В Европе материалы, соответствующие требованиям норм DIN  EN  13432, после соответствующей сертификации могут быть отмечены знаком «Keimling» – европейским логотипом пригодности для компостирования. В США также существуют нормы для определения компостируемости, которые в основном ориентированы на европейские нормы.

Вопреки распространенному мнению, биоразлагающиеся полимерные материалы далеко не всегда изготавливаются из сырья растительного происхождения; они могут быть получены и из нефти. Таким образом, биоразлагаемость зависит не столько от исходного сырья, сколько от химического строения полимера. К биоразлагающимся полимерам относятся полилактиды (полимолочная кислота), полигидроксиалканоаты, производные целлюлозы, крахмал, а также получаемые на основе нефти полибутиленадипаттерефталат и gолибутиленсукцинат. Биологически не разлагающимися являются, в частности, полиэтилен, полипропилен, полиэтилентерефталат и полиамиды.

Под термином «биоразлагающийся» может скрываться различный смысл. В настоящее время существуют обычные полимерные материалы, содержащие в небольших количествах биоразлагающиеся или распадающиеся под воздействием каких-либо других условий вещества. При этих условиях они всего лишь распадаются на мелкие, с трудом различимые частицы. Полное преобразование материала при этом не может происходить, а образующиеся фрагменты с течением времени накапливаются в почве.

Один лишь тот факт, что материал является биоразлагающимся, не может решить проблему загрязнения ландшафта, получившую название «Littering» (замусоривание). Даже биоразлагающимся материалам требуются недели для того, чтобы при определенных условиях воздействия микроорганизмов, температуры и влаги произошла их деструкция. При отсутствии необходимых условий эти материалы остаются достаточно устойчивыми, и процесс их биологического разложения может продолжаться несколько лет.

1.2. Полученные на биологической основе полимерные материалы

Для производства полимеров на биологической основе исполь- зуется получаемое из природных источников воспроизводимое растительное сырье. Тем не менее эти полимеры вовсе не обязательно являются биоразлагающимися.

Термин «полученные на биологической основе» говорит лишь о том, что входящие в молекулярные цепи атомы углерода имеют природное (точнее – биологическое) происхождение. Ископаемые углеводороды, получаемые из нефти, природного газа и угля, также в свое время были частью природы. Они образовались из растений (водорослей) примерно 500 млн лет тому назад.

В результате высыхания, воздействия определенных геологических условий и микробиологического разложения при сбалансированном доступе кислорода они некогда превратились в «текучие ископаемые», так называемые ископаемые углеводороды. Существовавшие в те времена бактерии отличались от тех, которые требуются для процесса ,биологического разложения (см. разд. 1.2).

При сжигании ископаемых (нефти, природного газа и угля) образуется диоксид углерода, который растения 500 млн лет назад потребляли из атмосферы и использовали для своего роста. Однако сегодня он уже создает сверх меры концентрированную атмосферу и связанные с этим известные проблемы. Таким образом, необходимо понимать разницу между «вредным вчерашним» и «полезным сегодняшним» диоксидом углерода. Исследователи и промышленность проявляют растущий интерес к использованию растительного сырья в целях уменьшения объемов потребления ископаемых углеводородов и сокращения объема выбрасываемого в окружающее пространство «вчерашнего» диоксида углерода.

В настоящее время полимеры на биологической основе получают из различных углеводов, таких как сахар, крахмал, протеины, целлюлоза, лигнин, биожиры или масла. К полимерам на биологической основе относятся среди прочего полилактид, полигидроксибутират, производные целлюлозы и крахмала, а также биополиэтилен. Последний материал, производимый главным образом из бразильского сахарного тростника, обладает свойствами, аналогичными обычному полиэтилену, но не является биологически разлагающимся. К материалам, получаемым частично на биологической основе, но не являющимся биоразлагающимися, относятся армированные нат уральными волокнами традиционные полимерные материалы, а также новые виды полиамидов и полиуретанов.

Полимеры, получаемые на биологической основе, могут внести достаточно ценный, хотя и относительно незначительный вклад в улучшение окружающей среды, так как для производства полимеров используется лишь несколько процентов от мирового объема ископаемого сырья. Более чем две трети его, как и прежде, применяется для получения энергии и в транспортных средствах. Кроме того, уже сейчас является очевидным, что получаемые на биологической основе полимеры не могут оказат существенного влияния на ситуацию с дефицитом продуктов питания, но об этом несколько позже.

2. мировое производство биополимеров

Потребность в полимерах постоянно растет. По данным ассоциации PlasticsEurope, мировой объем их в 2011 г. достиг отметки 80 млн т. Из них около 235 млн т было использовано для получения полимерных материалов, то есть материалов, в  которых полимер является основной, непрерывной фазой. Биополимеры, мощности по производству которых в  том же году составили всего лишь 1,161 млн т (рис. 1 и 2), в этом развитии пока еще играют второстепенную роль. Согласно прогнозам ассоциации European Bioplastics, составленным на основе высоких темпов развития рынка, мировые производственные мощности по выпуску биополимеров едва ли превысят к 2016 г. 5,8 млн т.

Более оптимистичными выглядят результаты исследования компании nova-Institute за март 2013  г., в соответствии с которыми производственные мощности по выпуску полимеров на биологической основе должны к 2016 г. превысить 8 млн т, а к 2020  г. – достичь отметки 12 млн т.

Объемы производства полимеров на основе растительного сырья растут очень быстро, несмотря на то что и остаются на значительно более низком уровне по сравнению с полимерами, получаемыми из нефти. По данным объединения производителей European Bioplastics, на биоразлагающиеся полимеры в 2009  г. приходилась львиная доля мировых производственных мощностей по изготовлению биополимеров (см. рис. 1).

Однако начиная с 2010  г. темпы роста объемов производства биоразлагающихся полимеров существенно ниже по сравнению с полимерами на биологической основе. Согласно прогнозам объединения, несмотря на постоянный рост объемы производства биоразлагающихся полимеров к 2016 г. составят всего лишь около 13 % от общего объема выпуска биополимеров.

Таким образом, биополимеры, хотя и будут производиться на биологической основе, но в своем преобладающем большинстве не будут являться биоразлагающимися. Очередным примером, подтверждающим этот тезис, служит первое, запущенное недавно компаниями LANXESS и Genomatica крупномасштабное производство полибутилентерефталата (ПБТ) с использованием 1,4-бутандиола (БДО), произведенного из возобновляемого сырья (сахара) по запатентованной Genomatica технологии «прямого» брожения (фото 1). Испытания показали, что по своим свойствам и качеству получаемый ПБТ ничем не отличает от традиционного ПБТ на нефтяной основе.

Различные регионы мира резко отличаются друг от друга по объемам производства биополимеров. Если в 2012 г. на долю Европы приходилось около 17 % всех производственных мощностей, то к 2016  г. это число согласно результатам исследования, проведенного институтом биопластиков и композиционных биоматериалов IfBB (Institut fuer Biokunststoffe und Bioverbundwerkstoffe,) снизится примерно до 5 %.

Согласно прогнозам IfBB, в лидеры выйдут Азия и Южная Америка, причем в последнем регионе доля мировых производственных мощностей должна увеличиться примерно с 30 % в 2012 г. до более чем 45 % в 2016 г.

3. Требования к биополимерам и возможности их практического применения

Для увеличения объемов использования в техническом секторе полимерные материалы должны отвечать все более высоким требованиям, в частности в отношении воспроизводимости их состава, технологических и  эксплуатационных свойств. Это относится и к биополимерам.

В области барьерных свойств, долговечности, а также совместимости с другими биополимерами и добавками существуют широкие потенциальные возможности для дальнейшего совершенствования.

В настоящее время уже далеко отошли от зачастую мало убедительных чистых биополимеров «первого часа». Далеко не последнюю роль среди факторов, определяющих долгосрочный успех биополимеров, играют их стоимость, надежность и конкурентоспособность производственных мощностей.

Биоразлагающиеся полимеры применяются, как правило, в тех случаях, когда именно их биоразлагаемость является наиболее востребованным свойством (фото 2). В качестве примеров можно назвать производство мульчирующей пленки или горшков для растений в сельскохозяйственном секторе (см.   таблицу).

Эти изделия после их использования не должны подвергаться сбору и транспортировке, они должны непосредственно на местах их использования образовывать в почве биомассу. В частном хозяйстве рынок завоевали разлагающиеся пакеты для кухонных отходов, которые могут подвергаться компостированию вместе с биологическими отходами.

Полимеры на биологической основе нашли свое применение также в производстве потребительской электроники (фото 3) и в автомобильной промышленности. В  последние десятилетия доля изготавливаемых из полимерных материалов деталей в автомобилях непрерывно увеличивалась. Одновременно растет и доля используемых в этом секторе биополимеров.

В частности, компания Toyota при изготовлении внутренней отделки для своего продаваемого только в Японии гибридного легкового автомобиля Sai начиная с моделей 2011  г. использует до 80  % материалов, получаемых на основе растительного сырья. Это стало возможным благодаря использованию биополиэтилентерефталата (био-ПЭТ), производимого на основе сахарного тростника. Он обладает вполне приемлемой для внутреннего пространства автомобиля теплостойкостью, низкой склонностью к усадке и хорошими механическими свойствами.

БиоПЭТ характеризуется лучшими показателями баланса диоксида углерода по сравнению с традиционными полимерами, получаемыми на основе нефти. Наряду с этим в производстве самых различных деталей для автомобилей в настоящее время широкое применение находят полилактид и пенополиуретан, получаемые на основе сои.

Едва ли найдется хотя бы одна автомобилестроительная компания, которая полностью отказывается от применения биополимеров или не планирует расширения использования этих материалов в своих транспортных средствах.

4. Предмет дискуссии: насколько хорошими являются биополимеры в действительности?

Давая в общем и целом позитивную оценку биополимерам, зачастую забывают о том, что при их производстве также используется получаемая из природных полезных ископаемых энергия. При этом не важно, о какой стадии процесса идет речь – о высевании растительного сырья, сборе урожая, транспортировке, ферментации и т. д.

Это означает, что во всех случаях необходимо рассматривать полный жизненный цикл продукции, так как только таким образом можно составить обоснованные с научной точки зрения и пригодные для сравнения экологические балансы, а затем сделать такие же обоснованные выводы о преимуществах и недостатках различных видов продукции.

Вопрос о том, можно ли использовать сельскохозяйственные площади для целей, выходящих за рамки производства продуктов питания, является одним из наиболее горячо обсуждаемых. При этом также необходимо применять дифференцированный подход.

Кристиан Бонтен считает опасения безосновательными, так как дефицит продуктов питания мог бы возникнуть лишь в результа- те использования углеводов для производс тва биополимеров.
«При обсуждении этого вопроса смешивают тот факт, что мировая потребность в энергии не должна покрываться за счет использования растительных источников углерода, со значительно более низкой потребностью в углеводах для производства полимеров», – отмечает г-н Бонтен.

Согласно данным объединения производителей European Bioplastics, в 2011  г. для обеспечения общего мирового потребления биополимеров в странах Евросоюза были использованы всего лишь 0,05 % пригодных для сельскохозяйственного применения площадей.

Кроме того, следует учитывать, что уже сейчас для производства биополимеров частично используются отходы из сектора сельского хозяйства. Для того чтобы исключить возникновение конкурентной ситуации в средне- и долгосрочной перспективе, это сырьевое направление необходимо развивать.

Аналогичного мнения придерживается и Кристи-Барбара Ланге (Kristy-Barbara Lange), руководитель сектора коммуникаций компании European Plastics, которая в своем интервью представителям компании Messe Duesseldorf в мае 2012 г. сообщила: «В области производства биоматериалов ведутся интенсивные исследования и разработки, причем в качестве потенциальных источников исходных ресурсов для этой цели может быть использовано сырье второго поколения – такое как солома зерновых культур, кукурузные стебли и другие содержащие целлюлозу материалы».

Далее г-жа Ланге отметила, что как только удастся добиться решения этого вопроса поток ферментируемых сахаров, получаемых на основе непродовольственных культурных растений, можно будет использовать для получения энергии, химических веществ и полимеров. Тем самым будут разрешены потенциально возможные конфликты, касающиеся использования земель сельскохозяйственного назначения для производства продуктов питания и получения сырья.

В заключение остается только констатировать, что развитие производства как получаемых на биологической основе, так и биоразлагающихся полимеров уже невозможно остановить. Уже сейчас биополимеры во многих областях представляют собой серьезную альтернативу традиционным полимерным материалам, и мнение о том, что они не являются конкурентоспособными, не продержится в течение длительного времени. Однако панацеей от всех экологических проблем они конечно же, не станут. Представление о биополимерах как о 100%-ном ресурсо сберегающем средстве также является пока еще преждевременным. Однако они открывают новые пути в постнефтяную эру.

Подготовил к. т. н. В. Н. Мымрин
с использованием пресс материалов выставочной компании Messe Duesseldor

Bioplastics: Development Prospects
As a complement and in some areas as an
alternative to conventional plastics, bioplastic appear to be a logical and necessary step for a
modern and forward-looking plastics industry. And they will also of course have their place a
K 2013 in Duesseldorf from 16 to 23 October. The status and prospects of development of the
biopolymers world market are discussed and some examples of their application presented a
an exhibition are given.

Источник: журнал "Полимерные материалы" 2013/11




Журнал

В следующем номере

    Тема номера: ПЕРЕДОВЫЕ ПОЛИМЕРНЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ТЕХНОЛОГИИ
  • Fakuma-2017: новые шаги на пути повышения экономичности, точности и производительности литья под давлением
  • Fakuma-2017: «умные» решения для гибко автоматизированного производства
  • Fakuma-2017: возможности соинжекционного литья
  • Fakuma-2017: «умные» технологии литья под давлением
  • Читать полностью

Популярные запросы

Термопластичный эластомер
Полиамид
Суперконцентраты для полимеров
Пластифицированный пвх
Литье алюминия под давлением
ПЭТ листы
Гранулятор пластмасс
Производство плёнки
Технология производства полимеров
Полиэтилена высокого давления

Контакты

Адрес редакции:
105066, Москва, Токмаков пер., д. 16, стр. 2

Редакция:
+7 (499) 267-40-10
E-mail: victor-gonchar@mail.ru

Отдел подписки:
Прямая линия: 8 (800) 200-11-12
бесплатный звонок из любого региона России
E-mail: podpiska@vedomost.ru

Отдел рекламы:
Прямая линия:
+7 (499) 267-40-10, +7 (499) 267-40-15
E-mail: reklama@vedomost.ru

Вопросы работы портала:
E-mail: support@polymerbranch.com

Рейтинг@Mail.ru
Rambler's Top100
Логин или E-mail
Пароль (Забыли пароль?)
Запомнить
Если Вы ещё не зарегистрированы в системе, Вам необходимо зарегистрироваться
Введите E-mail:
Настоящим, в соответствии с Федеральным законом № 152-ФЗ «О персональных данных» от 27.07.2006 года, Вы подтверждаете свое согласие на обработку компанией ООО «Концепция связи XXI век» персональных данных: сбор, систематизацию, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), использование, передачу в целях продвижения товаров, работ, услуг на рынке путем осуществления прямых контактов с помощью средств связи, продажи продуктов и услуг на Ваше имя, блокирование, обезличивание, уничтожение.

Компания ООО «Концепция связи XXI век» гарантирует конфиденциальность получаемой информации. Обработка персональных данных осуществляется в целях эффективного исполнения заказов, договоров и иных обязательств, принятых компанией в качестве обязательных к исполнению.

В случае необходимости предоставления Ваших персональных данных правообладателю, дистрибьютору или реселлеру программного обеспечения в целях регистрации программного обеспечения на Ваше имя, Вы даёте согласие на передачу своих персональных данных.

Компания ООО «Концепция связи XXI век» гарантирует, что правообладатель, дистрибьютор или реселлер программного обеспечения осуществляет защиту персональных данных на условиях, аналогичных изложенным в Политике конфиденциальности персональных данных.

Настоящее согласие распространяется на следующие персональные данные: фамилия, имя и отчество, место работы, должность, адрес электронной почты, почтовый адрес доставки заказов, контактный телефон, платёжные реквизиты. Срок действия согласия является неограниченным. Вы можете в любой момент отозвать настоящее согласие, направив письменное уведомление на адрес: podpiska@vedomost.ru с пометкой «Отзыв согласия на обработку персональных данных».

Обращаем Ваше внимание, что отзыв согласия на обработку персональных данных влечёт за собой удаление Вашей учётной записи с соответствующего Интернет-сайта и/или уничтожение записей, содержащих Ваши персональные данные, в системах обработки персональных данных компании ООО «Концепция связи XXI век», что может сделать невозможным для Вас пользование ее интернет-сервисами.

Давая согласие на обработку персональных данных, Вы гарантируете, что представленная Вами информация является полной, точной и достоверной, а также что при представлении информации не нарушаются действующее законодательство Российской Федерации, законные права и интересы третьих лиц. Вы подтверждаете, что вся предоставленная информация заполнена Вами в отношении себя лично.

Настоящее согласие действует в течение всего периода хранения персональных данных, если иное не предусмотрено законодательством Российской Федерации.

Принимаю условия соглашения
Wed, 22 Nov 2017 10:21:51