Биополимеры

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«ВОРОНЕЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ПЕДАГОГИЧЕСКИЙ

УНИВЕРСИТЕТ»

 

КАФЕДРА ХИМИИ

 

 

КУРСОВАЯ РАБОТА

по органической химии

«Биополимеры»

по специальности 050101.65 «ХИМИЯ»

 

 

 

Выполнила студентка 2 курса

естественно-географического

факультета, отд. «Химия – экология»

Прокопенко Диана Владимировна

 

Научный руководитель:

кандидат химических наук,

доцент кафедры химии

Шамарина Юлия Юрьевна

 

 

 

 

ВОРОНЕЖ 2013

СОДЕРЖАНИЕ

Введение………………………………………………………………………………….3

1. Биополимеры………………………………………………………………………......5

1.1. Классификация  биополимеров…………………………………………………….8

1.2. Виды биополимеров………………………………………………………………..8

1.3. Упаковочные материалы из биоразрушающихся полимерных композиций……17

2. Производственные процессы………………………………………………………..23

3. Свойства биоразлагаемых полимеров………………………………………..........17

Заключение……………………………………………………………………………..26

Список использованной литературы

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ВВЕДЕНИЕ

 

Всего 3–5 лет тому назад обсуждение темы биоразлагаемых полимеров и производство биотоплива казалось совершенно иллюзорным. Произошедший резкий рост цен на углеводороды и нынешний неимоверный обвал привели к тому, что биологическое сырье для производства пластиков сегодня выглядит вполне конкурентоспособным (цены на сельскохозяйственное сырье и продукты его производства, не столь подвержены мировым колебаниям).

В настоящее время основным сырьем для производства большинства полимеров и пластмасс является сырая нефть, запасов которой при современном уровне ее потребления хватит до 2050 г. С тем, что запасы нефти на нашей планете рано или поздно иссякнут, согласны все, спор идёт лишь о том, как скоро это произойдёт. Поэтому скачки вверх и падение цены на нефть и газ – это объективная реальность. Именно эта реальность побудила инженеров и конструкторов всего мира всерьёз взяться за разработку таких технических решений, которые позволили бы, если и не совсем вытеснить ископаемые энергоносители, то, по крайней мере, сократить их потребление за счёт всё более широкого использования возобновляемых энергоресурсов. Нефть – это не только бензин, мазут и прочие виды топлива, это ещё и сырьё для химической индустрии, выпускающей поистине гигантский ассортимент продукции, в том числе и бытового назначения. На производство таких изделий, как пластиковая плёнка для теплиц или, скажем, пластмассовые бутылки и пакеты, расходуется изрядная доля невозобновляемых запасов нефти. Мало того, поскольку эти изделия практически не поддаются биологическому разложению, они требуют дорогой и сложной утилизации, в противном случае они попросту засорят окружающую среду на много столетий вперёд.

Поэтому исключительно актуальными представляются разработка и совершенствование технологий производства биополимеров. Тем более, что такое решение напрашивается само собой, ведь именно такие процессы и происходят в живой природе, образуемые растениями целлюлоза и крахмал с химической точки зрения являются полимерами. Сегодня в мире уже производятся биопластмассы, практически ни в чём не уступающие обычным. Однако широкого распространения они пока не получили.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ГЛАВА 1. БИОПОЛИМЕРЫ

 

Биополимеры (полное название – биоразлагаемые полимеры) отличаются от остальных пластиков возможностью разложения на микроорганизмы путем химического, физического или биологического воздействия. Именно это свойство новых материалов позволяет решать проблему отходов.

Тот факт, что первые разработанные биоразлагаемые полимеры не разлагались надлежащим образом, заставила Американское общество по испытанию материалов сформулировать само понятие «биоразлагаемость». Биоразлагаемость означает, что продукт «способен подвергаться разложению на углекислый газ, метан, воду, неорганические компаунды или биомассы, при котором преобладающим механизмом является энзимное действие микроорганизмов, которое можно измерить с помощью стандартизированных испытаний в течение определенного периода времени с отражением имеющихся условий утилизации». Многие так называемые биоразлагаемые полимеры являются на самом деле биоэродируемыми, гидробиоразлагаемыми или же фотобиоразлагаемыми.

Продукты могут также расщепляться в ходе реализации одноэтапной технологии (растворимые в воде или способные подвергаться фотодеградации), после которой остаток уже более не разлагается микроорганизмами. Биоэродируемые полимеры способны подвергаться разложению без всякого воздействия микроорганизмов, по крайней мере, на начальной стадии. В процесс их разложения могут входить: растворение в воде, окислительное охрупчивание или же ультрафиолетовое охрупчивание.

Большинство синтетических полимеров не являются биоразлагаемыми. Такие полимеры, как полиэтилен и полипропилен, могут существовать в окружающей среде после своего поступления на свалку на протяжении нескольких десятков лет.

Биоразлагаемые полимеры обычно получают с помощью полимеризации сырьевых материалов на биологической основе. Такие сырьевые материалы либо выделяют из растений и животных, либо синтезируются с использованием современных промышленных технологий.

Многие полимеры в окружающей среде разлагаются в течение достаточно длительного времени, поэтому создание биодеградируемых материалов – такая же важная задача, как и их стабилизация.

Применяемые в быту полимеры, пластмассы и пленочные материалы после их использования должны достаточно быстро деградировать под воздействием факторов окружающей среды:

- химических (кислород, воздух, вода);

- физических (солнечный свет, тепло);

- биологических (бактерии, грибы, дрожжи, насекомые) факторов.

Эти факторы действуют синергически и в конечном итоге приводят к фрагментации полимера за счет деструкции макромолекул и превращения их в низкомолекулярные соединения, способные участвовать в естественном круговороте веществ в природе. Природные полимеры (целлюлоза, крахмал, хитин, полипептиды и др.) под влиянием различных микроорганизмов или продуцируемых ими ферментов разлагаются на низкомолекулярные вещества, участвующие в метаболизме простейших форм жизни.

Ферменты играют роль катализаторов, облегчающих распад главной цепи полимера. В ходе эволюции возникли специфические ферменты, избирательно разрушающие природные высокомолекулярные соединения, действующие, например, на целлюлозу, белки и другие природные полимеры. Так, амилаза вызывает распад молекулы крахмала. Ферменты, способные вызывать деструкцию синтетических полимеров, таких, как полиолефины или поливиниловые полимеры, в природе отсутствуют. Однако полимеры именно этих классов наиболее широко применяются при создании различных упаковочных материалов и изделий для кратковременного применения. Эти отходы составляют большую часть бытового мусора во всех промышленно развитых странах.

Биополимеры – это полимеры микробного происхождения, в частности на основе оксипроизводных жирных кислот, так называемые полиоксиалканоаты (ПОА). Физико-химические свойства ПОА, например термопластичность, такие же, как у полипропилена и полиэтилена, они обладают антиоксидантными и оптическими свойствами и пьезоэлектрическим эффектом. Основными достоинствами биополимеров являются биосовместимость (неотторжение организмом изделий из биополимеров при использовании в медицине) и экологичность (быстрое и нетоксичное разложение изделий из биополимеров в окружающей среде). Поэтому они перспективны для использования в медицине (хирургические и одноразовые материалы), фармакологии (пролонгация действия лекарственных веществ), пищевой промышленности (упаковочный и антиоксидантный материал), сельском хозяйстве (обволакиватели семян, разрушаемые пленки). В настоящее время получают 3 вида биополимеров: полиоксибутират и его сополимеры с оксибутиратом и оксивалератом.

Способность полимерных материалов разлагаться под действием бактерий и грибов зависит от химических и физических свойств. Для всякого вида полимеров биологическое разложение протекает в два этапа:

1) под действием химических, биохимических и иных агентов происходит разрушение кристаллической макромолекулярной структуры, которое в некоторых случаях происходит вплоть до образования мономеров;

2) происходит усвоение остатков макромолекул биологическими организмами (бактерии, грибы и т. д.), которые разрушают вещество до воды, углекислого газа, метана (при анаэробном брожении).

Способность к биологическому разложению, прежде всего, обусловлена размером макромолекул: полимеры с большой молекулярной массой устойчивы к воздействию организмов. Чтобы ускорить разложение такого материала, необходимо добиваться снижения массы и размеров молекул с помощью термического и фотоокисления, механической деградации и т. д. Молекулы с низким молекулярным весом усваиваются легче. Также более быстрому биологическому разложению подвергаются полимеры, содержащие заместители, связи, легко поддающиеся гидролизу. Скорость разложения зависит и от кристаллической структуры полимера. Устойчивость традиционных полимеров биологическому разложению связана именно с прочностью кристаллической структуры и большими размерами макромолекул. Аморфные материалы более доступны для проникновения ферментов и воды, которая вызывает набухание. В наибольшей мере разложению подвержены полимеры, полученные из натурального сырья. При разложении смешанных материалов разложение начинается с натурального компонента, который разлагается полностью и тем самым разрушает всю структуру. Однако при этом неизбежно встает вопрос о синтетическом остатке.

В категорию «биоразлагаемые» пластмассы объединяется большой класс материалов, которые могут производиться исключительно из растительного сырья, но также включать и традиционно используемые в промышленности полимерные материалы. Таким образом, способность к биоразложению и натуральное происхождение сырья – не одно и то же. Так, из углеводородного сырья также могут производиться биоразлагаемые материалы.

1. 1. Классификация биополимеров

Традиционно доступными являются более 30 различных биополимеров, которые находят широкое применение не только на рынке упаковки, но и в таких направлениях, как текстиль, сельское хозяйство, медицина, строительство и отделка. Пленки (около 50%), пенки (около 20%), волокна и прочее (около 20%) представляют собой переработанные биополимеры. Если толчком к разработке биотоплива послужило желание, прежде всего, европейских стран быть независимыми от запасов нефти и ее поставщиков, то основной причиной создания биополимеров стала проблема утилизации пластиковых отходов, объемы которых растут с каждым годом. В настоящее время разработка биополимеров ведется по трем основным направлениям:

1) производство биоразлагаемых полиэфиров на основе гидроксикарбиновых кислот;

2) придание биоразлагаемости промышленным полимерам;

3) производство пластических масс на основе воспроизводимых природных компонентов.

1. 2. Виды биополимеров

Биополимеры могут производиться по различным технологиям: как из сырья на основе животного или растительного материала (восстанавливаемые ресурсы), так и на основе нефтехимических продуктов. Некоторые биополимеры растительного происхождения уже появились на рынке. Примером перерабатываемого полимера могут служить полиэстеры – полимолочная кислота и полигидроксиалканы. Даже отходы пищевой промышленности могут найти свое применение в биоразлагаемой упаковке: например, очистки от картофеля стали основой биоупаковки марки Solanyl. Важно помнить, что биоразлагаемыми называются не те материалы, которые получены из натурального сырья, а те, которые имеют соответствующее химическое строение. Бензин, например, может быть основанием для полимерных изделий, которые подлежат биологическому разложению.

Пластические массы на основе воспроизводимых природных компонентов – это пластмассы, в состав которых могут входить крахмал, целлюлоза, хитозан, протеин. Из композиций на их основе создают одноразовую посуду, пленки для упаковки и сельского хозяйства и т. д.

Основное внимание исследователей сосредоточено сегодня, прежде всего, на трёх группах веществ. Это материалы на базе крахмала, картофельного или кукурузного, как правило, подвергнутого ферментативной обработке. Нередко полученные таким способом материалы используются в смеси с представителями второй группы веществ – полиэфирами. Причём полиэфиры могут производиться как из нефти, так и из растительного сырья. Типичный пример – полимолочная кислота. Третья группа – это материалы на основе целлюлозы, добываемой из древесины. Итак, некоторые из поддающихся биологическому разложению полимеров всё же производятся из нефти. Однако в экологическом отношении они явно уступают пластмассам на базе растительного сырья и не только потому, что расходуют невозобновляемые ресурсы, но и с точки зрения эмиссии парниковых газов. В процессе утилизации отслуживших своё изделий из полимеров в атмосферу, так или иначе выбрасывается углекислый газ, но в случае растительного сырья речь идет о разложении на воду, углекислый газ и т. д.

Наряду с полимерами, полученными на основе индивидуальных гидроксикарбоновых кислот либо их сополимеров, обладающих гарантированной биоразлагаемостью, ведутся активные работы по использованию полигидроксиалканоатов в сочетании с различными синтетическими продуктами. В качестве добавок используют и природные полимеры, которые позволяют придать изделию свойства биодеградации, понизить его стоимость и обеспечить высокие физико-механические свойства К ним добавляются биоразлагаемые полимеры в различном количестве. После приготовления смесевых композиций они проходят испытания. Исследуются эксплутационные свойства и способность к биодеструкции.