Polímeros biodegradables: concepto, propiedades, métodos de preparación y ejemplos de reacciones

2024 Autor: Howard Calhoun | [email protected]. Última modificación: 2023-12-17 10:24

Puede notar que durante la última década, los productos con el prefijo "bio" agregado al nombre han ganado popularidad. Su objetivo es informar que el producto es seguro para los humanos y la naturaleza. Es promovido activamente por los medios de comunicación. Incluso llegó al ridículo: al elegir una bebida, consideran que el biokéfir es el mejor, y el biocombustible ya no es una alternativa al petróleo, sino un producto ecológico. Y no se olvide de los bio-extractos que hacen que los cosméticos hagan "milagros".

Información general

Ahora seamos serios. A menudo, moviéndose por las carreteras, se pueden ver vertederos espontáneos. Además, existen vertederos completos donde se almacenan los desechos humanos. Parece que no está mal, pero hay un inconveniente: un tiempo de descomposición demasiado largo. Hay una gran cantidad de formas de solucionar esto: este es el reciclaje de basura y el uso de materiales menos dañinos que destruyen rápidamente los descomponedores. Hablemos del segundo caso.

Hay muchos puntos aquí. Envases, llantas, vidrios, derivados de la industria química. Todos ellos requierenatención. Sin embargo, no existe una receta universal específica. Por lo tanto, es necesario saber específicamente qué y cómo asegurar la prevención de la contaminación ambiental.

Los polímeros biodegradables se desarrollaron como respuesta al problema de la eliminación de desechos plásticos. No es ningún secreto que su volumen está creciendo cada año. La palabra biopolímeros también se utiliza para su designación abreviada. ¿Cuál es su peculiaridad? Pueden descomponerse en el medio ambiente debido a la acción de factores físicos y microorganismos - hongos o bacterias. Un polímero se considera como tal si toda su masa se absorbe en el agua o en el suelo en un plazo de seis meses. Esto resuelve parcialmente el problema de los residuos. Al mismo tiempo, se obtienen productos de descomposición: agua y dióxido de carbono. Si hay algo más, entonces debe investigarse la seguridad y la presencia de sustancias tóxicas. También se pueden reciclar mediante la mayoría de las tecnologías estándar de fabricación de plásticos, como extrusión, moldeo por soplado, termoformado y moldeo por inyección.

¿En qué áreas estamos trabajando?

Obtener polímeros biodegradables es una tarea bastante laboriosa. El desarrollo de tecnologías que permitan obtener materiales seguros se lleva a cabo activamente en los Estados Unidos, en el continente europeo, en Japón, Corea y China. Lamentablemente, cabe señalar que en Rusia los resultados no son satisfactorios. Crear una tecnología para la biodegradación de plásticos y su producción a partir de materias primas renovables es un placer caro. Además, el país todavía tiene suficiente petróleo para la producción de polímeros. Pero todomismo, se pueden distinguir tres direcciones principales:

1. Producción de poliésteres biodegradables a base de ácidos hidroxicarboxílicos.
2. Creación de plásticos basados en ingredientes naturales reproducibles.
3. Los polímeros industriales se vuelven biodegradables.

¿Pero qué pasa en la práctica? Echemos un vistazo más de cerca a cómo se fabrican los polímeros biodegradables.

Polyhidroxialcanoatos bacterianos

Los microorganismos a menudo crecen en ambientes donde los nutrientes carbonados están disponibles. En este caso, hay una deficiencia de fósforo o nitrógeno. En tales casos, los microorganismos sintetizan y acumulan polihidroxialcanoatos. Sirven como reserva de carbonos (almacenes de alimentos) y energía. Si es necesario, pueden descomponer los polihidroxialcanoatos. Esta propiedad se utiliza para la producción industrial de materiales de este grupo. Los más importantes para nosotros son el butirato de polihidroxi y el valerato de polihidroxi. Por lo tanto, estos plásticos son biodegradables. Al mismo tiempo, son poliésteres alifáticos resistentes a la radiación ultravioleta.

Cabe señalar que si bien tienen suficiente estabilidad en el medio acuático, los ambientes marino, suelo, compostaje y reciclaje contribuyen a su degradación biológica. Y sucede bastante rápido. Por ejemplo, si el compost tiene una humedad del 85 % y entre 20 y 60 grados centígrados, la descomposición en dióxido de carbono y agua tardará de 7 a 10 semanas. ¿Dónde se usan los polihidroxialcanoatos?

Ellosse utilizan para la fabricación de envases biodegradables y materiales no tejidos, toallitas desechables, fibras y películas, productos para el cuidado personal, revestimientos repelentes al agua para cartón y papel. Por regla general, pueden pasar oxígeno, son resistentes a productos químicos agresivos, tienen una estabilidad térmica relativa y tienen una resistencia comparable al polipropileno.

Hablando de las desventajas de los polímeros biodegradables, cabe señalar que son muy caros. Un ejemplo es Biopol. Cuesta 8-10 veces más que el plástico tradicional. Por lo tanto, se usa solo en medicina, para envasar algunos perfumes y productos de cuidado personal. Más popular entre los polihidroxialcanoatos es el mirel, obtenido a partir de almidón de maíz sacarificado. Su ventaja es un costo relativamente bajo. Pero, sin embargo, su precio sigue siendo el doble que el del polietileno de baja densidad tradicional. Al mismo tiempo, las materias primas representan el 60% del costo. Y los principales esfuerzos están dirigidos a encontrar sus contrapartes baratas. El prospecto en cuestión es el almidón de cereales como el trigo, el centeno, la cebada.

Ácido poliláctico

La producción de polímeros biodegradables para envases también se realiza utilizando polilactida. También es ácido poliláctico. ¿Qué representa? Es un poliéster alifático lineal, producto de condensación del ácido láctico. Es un monómero a partir del cual las bacterias sintetizan artificialmente la polilactida. Cabe señalar que su producción con la ayuda de bacterias es más fácil que el método tradicional. Después de todo, las polilactidas son creadas por bacterias a partir de azúcares disponibles en un proceso tecnológicamente simple. El polímero en sí es una mezcla de dos isómeros ópticos con la misma composición.

La sustancia resultante tiene una estabilidad térmica bastante alta. Entonces, la vitrificación ocurre a una temperatura de 90 grados centígrados, mientras que la fusión ocurre entre 210 y 220 grados centígrados. Además, la polilactida es resistente a los rayos UV, ligeramente inflamable y, si se quema, entonces con una pequeña cantidad de humo. Se puede procesar usando todos los métodos que son adecuados para termoplásticos. Los productos obtenidos a partir de polilactida tienen alta rigidez, brillo y son transparentes. Se utilizan para fabricar placas, bandejas, film, fibra, implantes (así se utilizan los polímeros biodegradables en medicina), envases para cosméticos y productos alimenticios, botellas para agua, jugo, leche (pero no bebidas carbonatadas, porque el material pasa dióxido de carbono). Así como telas, juguetes, fundas para celular y mouse para computadora. Como puedes ver, el uso de polímeros biodegradables es muy extenso. ¡Y eso es solo para uno de sus grupos!

Producción y biodegradación de ácido poliláctico

Por primera vez, se emitió una patente para su producción en 1954. Pero la comercialización de este bioplástico comenzó recién a principios del siglo XXI, en 2002. A pesar de esto, ya hay una gran cantidad de empresas que se dedican a su fabricación, solo en Europa hay más de 30 de ellas. Una ventaja importanteEl ácido poliláctico tiene un costo relativamente bajo: ya compite casi en igualdad de condiciones con el polipropileno y el polietileno. Se supone que ya en 2020, las polilactidas podrán empezar a impulsarlas en el mercado mundial. Para aumentar su biodegradabilidad, a menudo se le agrega almidón. Esto también tiene un efecto positivo en el precio del producto. Es cierto que las mezclas resultantes son bastante frágiles y se les deben agregar plastificantes, como sorbitol o glicerina, para que el producto final sea más elástico. Una solución alternativa al problema es crear una aleación con otros poliésteres degradables.

El ácido poliláctico se descompone en dos pasos. Primero, los grupos éster se hidrolizan con agua, lo que resulta en la formación de ácido láctico y algunas otras moléculas. Luego se descomponen en un ambiente determinado con la ayuda de microbios. Las polilactidas se someten a este proceso en 20 a 90 días, después de lo cual solo quedan dióxido de carbono y agua.

Modificación de almidón

Cuando se utilizan materias primas naturales, es bueno, porque los recursos para ello se renuevan constantemente, por lo que son prácticamente ilimitados. El almidón ha ganado la mayor popularidad en este sentido. Pero tiene un inconveniente: tiene una mayor capacidad para absorber la humedad. Pero esto se puede evitar si observa parte de los grupos hidroxilo en el éster.

El tratamiento químico le permite crear enlaces adicionales entre las partes del polímero, lo que ayuda a aumentar la resistencia al calor, la estabilidada los ácidos y al esfuerzo cortante. El resultado, almidón modificado, se utiliza como plástico biodegradable. Se descompone a 30 grados en compost en dos meses, por lo que es muy respetuoso con el medio ambiente.

Para reducir el costo del material, se utiliza almidón crudo, que se mezcla con talco y alcohol polivinílico. Se puede producir utilizando el mismo equipo que para el plástico ordinario. El almidón modificado también se puede teñir y estampar mediante técnicas convencionales.

Tenga en cuenta que este material es antiestático por naturaleza. La desventaja del almidón es que sus propiedades físicas son generalmente inferiores a las resinas producidas petroquímicamente. Es decir, polipropileno, así como polietileno de alta y baja presión. Y, sin embargo, se aplica y se vende en el mercado. Por lo tanto, se utiliza para fabricar paletas para productos alimenticios, películas agrícolas, materiales de embalaje, cubiertos, así como redes para frutas y verduras.

Uso de otros polímeros naturales

Este es un tema relativamente nuevo: polímeros biodegradables. La gestión racional de la naturaleza contribuye a nuevos descubrimientos en esta área. Muchos otros polisacáridos naturales se utilizan en la producción de plásticos biodegradables: quitina, quitosano, celulosa. Y no solo por separado, sino también en combinación. Por ejemplo, se obtiene una película con mayor resistencia a partir de quitosano, fibra de microcelulosa y gelatina. Y si lo entierras en el suelo, pronto lo hará.descompuesto por microorganismos. Se puede utilizar para embalajes, bandejas y artículos similares.

Además, las combinaciones de celulosa con anhídridos dicarboxílicos y compuestos epoxi son bastante comunes. Su fuerza es que se descomponen en cuatro semanas. Del material resultante se fabrican botellas, películas para mantillo, vajillas desechables. Su creación y producción crece activamente cada año.

Biodegradabilidad de polímeros industriales

Este problema es bastante relevante. Los polímeros biodegradables, cuyos ejemplos se han citado anteriormente para las reacciones con el medio ambiente, no durarán ni un año en el medio ambiente. Mientras que los materiales industriales pueden contaminarlo durante décadas e incluso siglos. Todo esto se aplica al polietileno, polipropileno, cloruro de polivinilo, poliestireno, tereftalato de polietileno. Por lo tanto, reducir el tiempo de su degradación es una tarea importante.

Para lograr este resultado, hay varias soluciones posibles. Uno de los métodos más comunes es la introducción de aditivos especiales en la molécula del polímero. Y en calor o en la luz, se acelera el proceso de su descomposición. Esto es adecuado para vajilla desechable, botellas, envases y películas agrícolas, bolsas. Pero, por desgracia, también hay problemas.

La primera es que los aditivos deben usarse de manera tradicional: moldeado, fundición, extrusión. En este caso, los polímeros no deberían descomponerse, aunque estén sujetos a temperaturaProcesando. Además, los aditivos no deben acelerar la descomposición de los polímeros a la luz y también permitir la posibilidad de un uso a largo plazo debajo de ella. Es decir, es necesario asegurarse de que el proceso de degradación comience en un momento determinado. Es muy difícil. El proceso tecnológico implica la adición de 1-8% de aditivos (por ejemplo, se introduce el almidón discutido anteriormente) como parte de un pequeño método de procesamiento típico, cuando el calentamiento de la materia prima no supera los 12 minutos. Pero al mismo tiempo, es necesario asegurarse de que se distribuyan uniformemente en toda la masa de polímero. Todo esto permite mantener el período de degradación en el rango de nueve meses a cinco años.

Perspectivas de desarrollo

Aunque el uso de polímeros biodegradables está cobrando impulso, ahora representan un mísero porcentaje del mercado total. Pero, sin embargo, todavía encontraron una aplicación bastante amplia y se están volviendo cada vez más populares. Ya están bastante bien arraigados en el nicho de los envases de alimentos. Además, los polímeros biodegradables se utilizan ampliamente para botellas, vasos, platos, tazones y bandejas desechables. También se han consolidado en el mercado en forma de bolsas para la recogida y posterior compostaje de residuos alimentarios, bolsas para supermercados, films agrícolas y cosmética. En este caso, se pueden utilizar equipos estándar para la producción de polímeros biodegradables. Por sus ventajas (resistencia a la degradación en condiciones normales, baja barrera al vapor de agua y al oxígeno, ausencia de problemas de eliminación de residuos, independencia de las materias primas petroquímicas), siguen ganandomercado.

De las principales desventajas, se deben recordar las dificultades de la producción a gran escala y el costo relativamente alto. Este problema, en cierta medida, puede resolverse mediante sistemas de producción a gran escala. Mejorar la tecnología también permite obtener materiales más duraderos y resistentes al desgaste. Además, cabe señalar que existe una fuerte tendencia a centrarse en productos con el prefijo "eco". Esto es facilitado tanto por los medios de comunicación como por los programas gubernamentales y de apoyo internacional.

Las medidas de conservación se están endureciendo gradualmente, lo que ha resultado en la prohibición de algunos productos plásticos tradicionales en algunos países. Por ejemplo, paquetes. Están prohibidos en Bangladesh (después de que se descubrió que obstruían los sistemas de drenaje y causaban grandes inundaciones dos veces) e Italia. Gradualmente llega la comprensión del precio real que hay que pagar por las decisiones equivocadas. Y entender que es necesario garantizar la seguridad del medio ambiente llevará a que se restrinjan cada vez más los plásticos tradicionales. Afortunadamente, existe una demanda de transición a materiales aún más caros, pero respetuosos con el medio ambiente. Además, los centros de investigación de muchos países y las grandes empresas privadas están buscando tecnologías nuevas y más baratas, lo cual es una buena noticia.

Conclusión

Así que hemos considerado qué son los polímeros biodegradables, los métodos de producción y el alcance de estos materiales. hay una constanteperfeccionamiento y perfeccionamiento de las tecnologías. Así que esperemos que en los próximos años, el costo de los polímeros biodegradables realmente alcance el nivel de los materiales obtenidos por métodos tradicionales. Después de eso, la transición a desarrollos más seguros y amigables con el medio ambiente será solo cuestión de tiempo.