Загрязнение пластиком — серьезная экологическая проблема, в первую очередь из-за того, что продукты, особенно одноразовые предметы, такие как пакеты и бутылки, не поддаются биологическому разложению. Эти пластмассы сохраняются в окружающей среде, распадаясь на микро- и нанопластиковые частицы, создавая угрозу для экосистем и здоровья человека. Кроме того, некоторые пластмассы содержат токсичные вещества, такие как фталаты и бисфенол А, которые попадают в окружающую среду и ставят под угрозу экосистемы и благополучие человека.

Хотя загрязнение пластиком создает серьезные проблемы, полностью отказаться от использования пластика невозможно. Пластик является легким и прочным материалом, необходимым для таких отраслей, как упаковка пищевых продуктов и напитков, где он помогает снизить потребление энергии и выбросы углекислого газа во время транспортировки. Кроме того, пластмассы открывают огромные возможности, особенно в таких продвинутых типах, как композитные пластмассы, которые дают ценную информацию для проектирования легких аэрокосмических систем

Биопластики: новаторские экологические инновации в индустрии пластмасс

Пластмассовая промышленность предложила решения по борьбе с пластиковым загрязнением, например отказ от неперерабатываемого пластика в пользу перерабатываемого пластика для продвижения экономики замкнутого цикла. Это включает в себя акцент на переработку и изучение более эффективных методов переработки, чтобы гарантировать возможность многократного использования пластика на протяжении всего его жизненного цикла, что снижает потребность в новом сырье.

Кроме того, отрасль разрабатывает биопластики из возобновляемых ресурсов, таких как растительный крахмал и биоразлагаемые полимеры, которые обладают лучшей способностью к разложению и снижают воздействие на окружающую среду.

Продвижение биопластиков рассматривается как ключ к экологическому развитию пластмассовой промышленности. Отчеты показывают, что мощность производства биопластиков в 2023 году составляла около 2,18 миллиона тонн, а к 2028 году, по прогнозам, достигнет 7,43 миллиона тонн, что отражает оптимизм в отношении их будущего.

Биопластики — категория материалов, сырье для которых может быть полностью или частично заменено возобновляемой биомассой или обладает биоразлагаемыми свойствами. «Биологический» относится к материалам, полностью или частично полученным из возобновляемой биомассы, а «биоразлагаемый» означает, что материал может разлагаться микроорганизмами в почве или воде, в конечном итоге превращаясь в углекислый газ и воду.

В зависимости от того, являются ли биопластики биологическими или биоразлагаемыми, их можно разделить на три основные категории. В первую категорию входят биоразлагаемые биопластики, такие как биопластики на основе крахмала (TPS), полимолочная кислота (PLA) и полигидроксиалканоаты (PHA). Вторая категория — это биопластики, но не биоразлагаемые, такие как биополиэтилен (Bio-PE) и полиэтилентерефталат биологического происхождения (Bio-PET). Третья категория включает биоразлагаемые биопластики на основе ископаемого топлива, такие как поликапролактон (PCL), полибутиленсукцинат (PBS) и полибутиленадипат/терефталат (PBAT).

Коммерциализация биопластиков: PLA и TPS

Полимолочная кислота (PLA) и пластики на основе крахмала являются наиболее часто используемыми коммерческими биопластиками, поскольку они имеют биологическую основу и биоразлагаемы.

PLA — это алифатический полиэфир, полученный в результате конденсационной полимеризации молочной кислоты, в основном получаемый посредством бактериальной ферментации сахаров. Управление по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов США (FDA) классифицирует PLA как GRAS (общепризнанный безопасным). Биопластик PLA все чаще используется в таких продуктах, как одноразовые стаканчики для кофе, а компания Starbucks использует PLA для своих одноразовых стаканчиков.

PLA подлежит вторичной переработке и может заменить ПЭТ в упаковке безалкогольных напитков. Однако для биоразложения PLA требуется среда промышленного компостирования (выше 60°C), и он не подвергается биологическому разложению в морской среде. Это требует повышения осведомленности общественности о сортировке и государственного регулирования для строительства промышленных предприятий по компостированию для эффективного биоразложения и экологически чистой переработки PLA.

TPS — это биопластик на основе крахмала. Биопластики из чистого крахмала слишком хрупкие для экструзионной обработки, поэтому для образования термопластичного крахмала (TPS) добавляются пластификаторы, такие как глицерин, этиленгликоль и сорбит. TPS, являющийся товарной формой биопластиков на основе крахмала, составляет половину мирового рынка биопластиков. Nestlé Waters использует бутылки TPS для некоторых продуктов, чтобы уменьшить зависимость от традиционного ПЭТ-пластика.

Тем не менее, TPS чувствителен к влаге и имеет плохие механические и термические свойства. Высокие затраты и ограниченная доступность ресурсов биомассы, а также сложность синтеза сельскохозяйственной биомассы создают серьезные проблемы для крупномасштабного использования TPS в упаковке пищевых продуктов.

Развитие био-ПЭТ: проблемы и потенциал

Био-ПЭТ относится к категории биопластиков, изготовленных из возобновляемых ресурсов, но не биоразлагаемых.

ПЭТ (полиэтилентерефталат), термопластичный полиэфир, пригодный для вторичной переработки, находит широкое применение в упаковочной промышленности. На долю ПЭТ-бутылок приходится 42% сектора упаковки бутилированной воды и 29% сектора упаковки напитков. Хотя ПЭТ можно перерабатывать, продвижение отрасли к зеленому циклу было бы возможно, если бы его сырье могло происходить из биоресурсов или обладать способностью к биоразложению.

В настоящее время разработка био-ПЭТ стала центральной темой в индустрии пластмасс. Мономеры для ПЭТ на биологической основе могут быть получены из источников биомассы, но ПЭТ на биологической основе не обладает способностью к биоразложению; он унаследовал возможность вторичной переработки ПЭТ.

В производстве ПЭТ используются два мономера: терефталевая кислота (ПТА) и моноэтиленгликоль (МЭГ). Обычно производство ПЭТ состоит из 70% ПТА и 30% МЭГ. Для достижения 100% био-ПЭТ оба мономера должны происходить из возобновляемых ресурсов. Однако в настоящее время только часть МЭГ (30% от общего содержания биомассы) можно получить из биомассы, а остальные 70% по-прежнему поступают из ископаемых ресурсов.

Хотя получение PTA из биомассы представляет собой проблему, извлечение жесткого мономера двухосновной кислоты FDCA из сельскохозяйственной биомассы демонстрирует значительные перспективы в качестве жизнеспособной альтернативы терефталевой кислоте, полученной из нефти (TPA или PTA). Это достижение открывает путь к разработке 100% биополимера, известного как полиэтиленфураноат (ПЭФ), который является многообещающим возобновляемым заменителем ПЭТ.

Продвижение PEF: изучение потенциала и применения альтернатив био-ПЭТ

ПЭТ состоит из терефталевой кислоты (ПТА) в качестве мономера, тогда как в ПЭФ в качестве мономера используется 2,5-фурандикарбоновая кислота (FDCA). FDCA, мономер биологического происхождения, может быть получен из источников биомассы, таких как кукуруза, непродовольственные культуры, солома и древесная щепа. Структурное сходство между FDCA и PTA делает PEF жизнеспособной заменой ПЭТ.

Приготовление и применение PEF на биологической основе становятся важными областями исследований. Этот материал потенциально может снизить потребление энергии и выбросы парниковых газов. ПЭФ имеет более высокий модуль упругости, чем ПЭТ, что позволяет производить контейнеры с эквивалентной механической прочностью с использованием меньшего количества материала. По сравнению с бутылками из ПЭТ емкостью 250 мл, бутылки из ПЭФ могут значительно сократить выбросы парниковых газов в течение жизненного цикла на 50–74%. Кроме того, ПЭФ демонстрирует превосходные барьерные свойства: барьер для кислорода и углекислого газа в несколько раз выше, чем у ПЭТ. Кроме того, PEF обладает превосходной механической прочностью и термическими характеристиками, что делает его пригодным для различных применений, таких как высокобарьерные упаковочные материалы, высокоэффективные волокна и конструкционные пластмассы.

Хотя PEF считается небиоразлагаемым, его возобновляемый характер, возможность вторичной переработки и потенциал декарбонизации делают его вкладом в развитие новой пластиковой экономики.

Китайская академия наук в сотрудничестве с Wankai New Materials Co., Ltd., успешно завершила первое в мире крупнотоннажное производство полиэстера PEF, что ознаменовало успешную индустриализацию полимерных материалов PEF.

Заключение

Растущая угроза пластикового загрязнения подчеркивает острую необходимость смены парадигмы в сторону экологически чистых решений в индустрии пластмасс. Биопластики, примером которых является био-ПЭТ и появляющаяся альтернатива PEF, находятся в авангарде этого перехода, предлагая многообещающие и устойчивые пути борьбы с этой насущной экологической проблемой. Используя эти инновационные материалы, мы можем создать более устойчивое и экологически сознательное будущее для будущих поколений.