Существенные достижение были достигнуты за последние 20 лет в области разработки биоразлагаемых полимеров. Эти материалы разрабатывались в самых различных видах, и, в этой связи, могут потенциально применяться в целом ряде отраслей. Многие из этих полимеров подходят для адгезивных применений, таких как не наносящая ущерба окружающей среде упаковка, утилизируемые адгезивные оболочки, а также биомедицинские устройства.

Биоразлагаемые полимеры на основе возобновляемых ресурсов также рассматриваются в качестве низкозатратной альтернативы сырьевым материалам на нефтехимической основе. В отраслях, в которых будут разрабатываться эти материалы, будет продолжаться рост, по мере того, как цены на сырую нефть будет продолжать расти, и ископаемое топливо будет становиться все менее доступным. Для таких материалов на биологической основе имеется целый ряд применений в области производства смол, покрытий и адгезивных материалов.

Соевые адгезивы можно использовать для изготовления полувлагостойкой фанеры и для нанесения покрытия на некоторые виды бумаги.

Разработка биоразлагаемых адгезивных материалов осуществляется одновременно с разработкой разлагаемых пластмассовых продуктов. Для того чтобы готовый продукт был полностью биологически разлагаемым, все его компоненты должны быть способны подвергаться биологическому разложению. Существует целый ряд потенциально биоразлагаемых продуктов, включая следующие:

• Упаковочные материалы (мешки для мусора, амортизационные сыпучие пенопласты, контейнеры для пищевых продуктов);

• Потребительские товары (картонки для яиц, ручки бритв, игрушки, соломинки, хозяйственные принадлежности);

• Промышленные продукты (банки высевающего аппарата, мешки для компостирования, рыболовные сети и пленка для мульчирования);

• Медицинские применения (системы доставки лекарственных препаратов, шовный материал, повязки, ортопедические имплантаты);

• Покрытия (барьерные покрытия для бумаги и пластмассовой пленки с низкой проницаемостью водяных паров);

• Гигиенические продукты (смываемые санитарные продукты, подложки для подгузников).

Многие полимеры, разработанные специально для этих продуктов, могут также стать основными полимерами, которые можно использовать для создания биоразлагаемых адгезивных систем.

В настоящей статье мы определяем следующие основные вопросы для характеристики биоразлагаемых адгезивных материалов:

• Потенциал рынка и возможности роста для биоразлагаемых полимеров;

• Различные типы и состав биоразлагаемых полимеров, которые могут быть подходящими для адгезивных рецептур;

• Последние тенденции рыночной активности в этой области.

Определение "Биоразлагаемого материала"

Таблица 1. Примеры биоразлагаемых полимеров.

Тот факт, что первые разработанные биоразлагаемые полимеры не разлагались надлежащим образом, заставил ASTM создать определение того, что составляет само понятие “биоразлагаемости”. 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”.1 Многие так называемые биоразлагаемые полимеры являются, на самом деле, биоэродируемыми, гидробиоразлагаемыми или же фото - биоразлагаемыми.

Гидробиоразлагаемые или же фото-биоразлагаемые продукты разлагаются или же расщепляются в ходе реализации двухэтапной технологии: 1.) Гидролиз или фотодеградация; и 2.) Дальнейшее биоразложение, как указано в определении ASTM, приведенном выше. 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.

Все эти полимеры включены в более широкую категорию “экологически разлагаемых” полимеров. Для целей данной статьи, термин “биоразлагаемый” будет также означать и “экологически разлагаемый”.

Большинство синтетических полимеров не является биоразлагаемыми. Такие полимеры, как полиэтилен и полипропилен, могут существовать в окружающей среде после своего поступления на свалку на протяжении многих 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. Примеры биоразлагаемых полимеров приведены в таблице 1.

Рыночный потенциал биоразлагаемых полимеров

Глобальный рынок биоразлагаемых полимеров в настоящее время оценивается в 114 миллионов фунтов.2 Темпы среднегодового прироста здесь намного превышают ВВП, и прогнозы для этого рынка до конца десятилетия намного превышают 200 миллионов фунтов (см. Таблицу 2).

Таблица 2. Глобальный рынок биоразлагаемых полимеров по применениям до конца 2010 г.

А – включая амортизационную насыпную упаковку, на долю которой приходится примерно две трети рынка

Б – включая медицинские и гигиенические продукты, сельскохозяйственные продукты, покрытия для бумаги и т. д.

На долю упаковки, которая включает и амортизационную насыпную упаковку, приходилось в 2005 г. почти 47% от общего объема рынка биоразлагаемых полимеров. Тем не менее, на долю компостируемой упаковки будет к 2010 г. приходиться почти 50%. На долю прочих существенных продуктов, таких как медицинские и гигиенические продукты, сельскохозяйственные  продукты и покрытия для бумаги, приходилось в 2005 г. 11% от всех применений.

Североамериканский рынок биоразлагаемых полимеров не так быстро развивался, как это происходило в Европе и Японии. Основными стимулами для рынка США будет оставаться ужесточение законодательства и продолжающееся повышение затрат на захоронение. Для получения существенного роста в Северной Америке потребуется, в первую очередь, создание систем и инфраструктуры для сбора и обработки биоразлагаемых полимеров; необходимо также, чтобы потребители были готовы принять все неудобства и дополнительные затраты, а также чтобы биоразлагаемые продукты начали рассматриваться всеми сторонами процесса как реалистическая и доступная альтернатива захоронению отходов.

Биоразлагаемые полимеры на основе крахмала

Крахмал представляет собой чистый натуральный биополимер, который содержится в корнях, семенах и стеблях таких растений, как кукуруза, пшеница и картофель. Он пригоден для химического преобразования в термопластический материал для различных применений. Крахмал способен подвергаться полному биологическому разложению и основывается на возобновляемых материалах. Таким образом, использование крахмала в составе товарных адгезивных компаундов и пластмассовых материалов позволит свести к минимуму ущерб, наносимый окружающей среде.

Крахмал разлагается за счет расщепления молекул, которое происходит из-за энзимного воздействия на глюкозидные связи между группами сахаров. Содержание крахмала в таких продуктах существенно различается. Для того чтобы получать существенное расщепление материала, необходимо, чтобы содержание крахмала превышало 60%, при этом у большинства биоразлагаемых полимеров на основе крахмала содержание крахмала составляет 10-90+%. По мере того, как содержание крахмала растет, полимер становится все более способным подвергаться биологическому разложению. При низком содержании крахмала частицы крахмала действуют как слабые связи в полимерной матрице, и обеспечивают площадки для биологической атаки.

Крахмал может быть исходным биоразлагаемым адгезивным веществом. Он играет существенную роль в промышленном производстве, особенно, в упаковочной отрасли. Адгезивные вещества на основе крахмала, в основном, используются для производства скрепляющих бумажных продуктов и прочих пористых подложек. Большая часть гофрированного коробочного картона для изготовления коробок легко скрепляется с помощью адгезивных материалов на основе крахмала.

Таблица 3. Параметры биоразлагаемых полимеров на основе крахмала.

Адгезивные вещества на основе крахмала, изготовленные из картофельного и прочих видов крахмала, как правило, используют для скрепления бумажных продуктов и прочих пористых подложек.

У адгезивных материалов на основе крахмала имеется множество преимуществ. Они очень доступны, недороги и легко наносятся с помощью водной дисперсии. Считается, что это самый дешевый класс адгезивных веществ для бумажной упаковки. Рецептуры адгезивов на крахмальной основе можно наносить в горячем и в холодном виде. Адгезивные материалы, как правило, поставляются конечному потребителю в виде порошка и смешиваются с водой перед употреблением для формирования относительно густой пасты. Крахмал и декстрин отверждаются с помощью утраты влаги; поскольку эти адгезивные вещества отверждаются для создания термоотверждающейся структуры, у них прекрасная теплостояйкость. Еще одним преимуществом является их очень низкая скорость отверждения, что оставляет достаточно времени для сборки. К числу недостатков относятся плохая влагостойкость и  образование плесени.

Хотя адгезивные вещества на основе крахмала уже используются на протяжении нескольких десятилетий, существует несколько важных причин, по которым эти природные адгезивы не будут полностью заменены синтетическими продуктами. Следующие преимущества продолжают обеспечивать им возможность использования в определенных нишах рынка.3

• Высокая доступность и относительно низкие затраты;
• Стабильное качество;
• Хорошая адгезия к целлюлозе и многим пористым подложкам;
• Нерастворимость в маслах и жирах;
• Отсутствие токсичности и способность поддаваться биологическому разложению;
• Теплостойкость.

Для того чтобы добиться соответствия требованиям различных современных применений, полимеры на основе крахмала можно смешивать с биоразлагаемыми полимерами с более высокими эксплуатационными характеристиками, такими как алифатические полиэфиры и поливиниловые спирты. Добавление крахмала к полимеру уменьшает объем необходимого синтетического материала, снижая, тем самым, общие затраты на материал. В число различных биоразлагаемых полимеров на основе крахмала входят термопластический крахмал, смеси крахмала с синтетическими алифатическими полимерами, смеси крахмала-полибутилен сукцината (PBS)/полибутилен сукцинат адипата полиэфира (PBSA), а также смеси крахмала-этилен винилового спирта (EVOH) или поливинилового спирта (PVOH). Параметры этих материалов в общем виде даны в Таблице 3.

Поливиниловый спирт (PVOH) смешивается с крахмалом для получения легко биоразлагаемых полимеров. PVOH хорошо растворяется в воде, и, в этой связи, смеси крахмала и PVOH разлагаются с помощью гидролиза и биологического разложения молекул сахара. В Таблице 4 указаны некоторые смеси крахмала и PVOH, которые реализуются на рынке.

Поскольку крахмал способен полностью подвергаться биологическому разложению и легко возобновляется, он будет продолжать и далее оставаться важным фактором в отрасли по производству биополимеров.

Таблица 4. Параметры биологически разлагаемых полимеров на основе крахмала.

Продолжение статьи на портале www.polymery.ru  в статье БИОРАЗЛАГАЕМЫЕ ПОЛИМЕРЫ В АДГЕЗИВНЫХ СИСТЕМАХ (ЧАСТЬ II)

www.polymery.ru