Опыт работы компании «Симплекс» с добавкой для разложения полимеров d2w показывает, что этот новый продукт интересен для отечественных производителей упаковки. А, значит, есть надежда, что апокалипсическая картина мусорного «монблана» может и не стать реальной…  В данной статье подробнее остановимся на описании механизма разложения с помощью d2w изделий из полиолефинов…

Каждый день мы ходим в магазины, и все, что мы оттуда уносим, упаковано в пластик: пленку, пакет, мешок, коробку, бутылку, блистер и т.д. К этому надо прибавить полимерные отходы промышленности, сельского хозяйства, использованный одноразовый медицинский инвентарь. Все это выбрасывается, попадает в подавляющем большинстве на свалку и остается там навсегда нетленными монбланами, расползаясь вдаль и вширь, захватывая все новые и новые территории. Согласитесь, картина вполне апокалиптическая.

Как правило, львиная доля пластиков, использующихся для упаковки, приходится на полиэтилен (ПЭ) и полипропилен (ПП). Всего в мире ежегодно  производится 66 млн тонн ПЭ и 60 млн тонн ПП. Для упаковки используется 38% от этого количества.

Если учесть, что ежедневно добывается 87 млн баррелей нефти, а для производства полимерных материалов (ПМ) используется 50% нафты (побочного продукта экстракции сырой нефти), то можно себе представить, какое количество природных ресурсов планеты извлекается из ее недр, чтобы, в конечном итоге, осесть на ее поверхности «мертвым грузом».

В Великобритании подсчитали, что каждый из 60 млн ее граждан в год «производит»:

• - 0,5 тонны бытовых отходов;
• - 1,5 тонны промышленного мусора;
• - 2,0 тонны строительного мусора;
• - 3,1 тонны сельскохозяйственных отходов и отходов, образующихся в результате добычи ископаемых.

Итого – 430 млн тонн ежегодно. Такими темпами можно заполнить мусором знаменитый «Альберт Холл» менее чем за шесть часов. По России такой достоверной статистики нет, но вряд ли мы «мусорим» меньше, чем в других странах.

Сейчас в странах Запада на вопрос «Что такое мусор?» все чаще можно услышать: «Мусор – это ценные материалы в неправильном месте» или «Мусор – это сырье для будущих поколений».

А что можно сделать с пластиковым мусором? На этот вопрос существует 3 варианта ответа, каждый из которых имеет свои недостатки:

1. Использовать заново как вторичное сырье в тех же или менее требовательных применениях. Недостаток - большие энергозатраты.

2. Сжечь, извлечь энергию (пиролиз). Недостаток – ухудшение экологической обстановки: вредные выделения в атмосферу, выделение большого количества СО2

3. Оставить на свалке, закопать. Недостаток – постоянный рост биоинертной (неразлагающейся в природных условиях) массы.

В целом, вторичная переработка пластикового мусора – задача трудо- и энергозатратная. Экономическая эффективность ее находится под большим сомнением: мусор надо собрать, отсортировать, промыть и т. д. Кроме того, вторичный материал демонстрирует значительное ухудшение свойств по сравнению с первичным.

Как же быть?

В последнее время вроде бы найден ответ на этот животрепещущий вопрос – использовать биопластики, или биополимеры, т.е. полимеры, которым в процессе их изготовления придается способность в течение определенного периода (от нескольких недель до нескольких лет) разлагаться с образованием летучих и твердых продуктов, не наносящих ущерба окружающей среде, или вводить разлагающую полимер добавку в традиционные полиолефины.

О биополимерах их достоинствах и недостатках уже не единожды писали, в том числе много интересной информации по этой теме размещено на портале Newchemistry. Я же предлагаю остановиться на весьма эффективной и не так давно разработанной добавке для разложения полимеров d2w, которая обеспечивает разложение в течение 2 - 5 лет после заложенного срока службы.  Общая информация добавке d2w  уже публиковалась на www.newchemistry.ru. (Статья называется «Пластиковый мусор: добавка-разрушитель»). В данной статье я хочу подробнее остановиться на описание механизма разложения с ее помощью изделий из полиолефинов.

Напомню, что добавка d2w производится английской компанией Symphony (Великобритания) и применяется в производстве изделий из полиэтилена и полипропилена - основных материалов для изготовления упаковки. Она успешно используется в более чем 60 странах мира, среди которых Канада, Великобритания, США, Израиль, Франция, Греция, Италия, Бразилия, Индия и др.

Механизм разложения с помощью добавки d2w следующий: сначала происходит процесс окисления, вызванный воздействием света, тепла и механических нагрузок; затем – процесс биоразложения полимера микроорганизмами.

Рассмотрим механизм действия добавки d2w более подробно.

Полиолефины, которые подверглись окислительной деструкции, представляют собой молекулы с уменьшенной молекулярной массой и гидрофильными поверхностями. Уменьшение молекулярной массы полиолефина от 300 000 до 40 000 вместе с проникновением кислорода, который содержит функциональные группы (радикалы), ведет к биоразложению.

Присутствующие в добавке соли переходных металлов (кобальта, железа, марганца, меди, цинка, церия, никеля) создают свободные радикалы, которые, в свою очередь, ведут к появлению гидро- и пероксидов в форме альдегидов, кетонов, эфиров, спиртов и карбоновых кислот. Именно эти продукты затем и подвергаются биоразложению. Многочисленные бактериальные клетки и грибковые споры колонизируются на участках разлома и по всей толщине пленки.

Рис. 1.
На рисунке 1 показаны фрагменты пленки, в которой начат процесс разложения.

Эти фрагменты были погружены в воду и смешаны с компостом. Затем они были изучены с помощью растрового электронного микроскопа. На участках обширного распада появились колонии бактерий.

Управление скоростью разложения полиолефинов осуществляется с помощью антиоксидантов и прооксидантов. Антиоксиданты определяют индукционный период до распада макромолекул в процессе перокисления (induction period to peroxidation), прооксиданты определяют скорость биоразложения путем абиотического окисления. 

 
Рис. 2 Размножение бактерий на ПЭ пленке с добавкой после начала процесса окисления.

Скорость разложения аналогична скорости разложения лигниноцеллюлозных природных материалов, таких, как опилки или солома.

Прооксиданты являются катализаторами процесса окисления и био-разложения полимера. Типичными нетоксичными прооксидантами для полиолефинов являются ионы переходных металлов в небольшой концентрации. Они содержатся во многих природных субстанциях. Например, содержание переходных металлов в пище и воде, мг/кг:

Железо – в обилии в мясе, в большинстве овощей, воде;
Кобальт – в рыбе (0,01), орехах (0,09), зерновых (0,1);
Магний – в зеленых овощах (2,0), орехах (15), хлебе (8,0), других зерновых (6,8), чае (2,7), воде (до 0,01);
Никель – в овсе (0,18), орехах (1,8).

Полиолефины, подвергнутые окислению, перестают быть биоинертной массой, из гидрофобных они становятся гидрофильными (смачиваемыми водой) материалами, которые способствуют интенсивному биологическому росту. Тесты, проведенные  для подтверждения безопасности продуктов разложения для почвы, подтвердили: оксибиоразлагаемые полимеры в полной мере служат в качестве аэратора, удобрения для растений.

Таким образом, добавка d2w может успешно применяться в производстве изделий для сельского хозяйства и садоводства. Например, для производства защитных пленок (мульчирующих, укрывных), шпагата и нитей, сеток и т. д.

Рис. 3 Конец октября, месяц с момента укладки пленки  

Конец декабря, три месяца с момента укладки пленки

Кроме того, исследования показали, что почвы, на которых ежегодно «перегнивает» такая пленка, являются более плодородными, что увеличивает урожай в кг/м2 на 15—20 %, т. к. результатом работы микроорганизмов, кроме СО2 и воды, является образование гумуса.

А безопасны ли продукты оксибиоразложения полимера для почвы?

Ответ может быть только положительным. Ведь перекисное окисление под действием света и тепла ведет к уменьшению длины полимерных цепочек и образованию усваиваемых биологическими организмами продуктов окисления.

Материалы с добавкой успешно прошли испытание на соответствие ASTM 6954 - Инструкции по экспозиции и тестированию пластиков, разрушающихся в окружающей среде комбинацией окисления и биоразложения (Standard Guide for Exposing and Testing Plastics that Degrade in the Environment by a Combination of Oxidation and Biodegradation).

Испытания проводятся по методу ускоренного старения в течение 150 - 200 часов при воздействии высокой влажности, температуры воздуха около 30С и УФ-излучения. Увеличение скорости разложения обусловлено воздействием концентрированного источника УФ-излучения. Источником УФ-излучения является либо естественное солнечное освещение, либо применение ртутной лампы, обеспечивающей эффект «двух солнц». 

 
Рис. 4 Такие испытания проводятся, в частности, на установке, называемой Bandol wheel (Колесо Бандол), которая позволяет создавать различные комбинации воздействия разрушающих факторов, имитирующих влияние всевозможных погодных условий.

После испытаний производится определение уровня разложения с помощью ряда показателей:

• изменение механических свойств – удлинение при разрыве;
• определение числового показателя окиси углерода методом инфракрасной спектроскопии с Фурье-преобразованием (появившиеся в результате окисления полимера карбонильные соединения - органические кислоты, кетоны, альдегиды и т. д. отслеживаются с помощью ИК-спектрометра; степень разложения определяется с помощью Фурье-преобразований);
• изменения в вязкости – определение ПТР;

Результаты проведенных лабораторией Королевского химического общества (Великобритания) сравнительных испытаний образцов полиолефинов с добавкой d2w и без нее приведены на рис. 2

IPa,b – индукционный период, в течение которого не происходит изменения механических или химических свойств образца
Eb – удлинение при разрыве
* - разрушение (охрупчивание) 

Вторичная переработка для полимеров с добавками – не является проблемой: при вторичной переработке не меняется ни ПТР, ни показатель относительного удлинения при разрыве. Единственно только, в процессе вторичной переработки вследствие действия высоких температур растрачиваются как катализаторы, так и стабилизаторы разложения, отчего добавка прекращает свое действие.

В статье «Пластиковый мусор: добавка – разрушитель» уже упоминалось, что у полимеров с добавкой d2w имеется Сертификат лаборатории Rapra на допуск к контакту с пищевыми продуктами.
 

Таким образом, суммируем явные преимущества оксибиоразлагаемых полимерных материалов

Экологические преимущества:

• Минимальные потребление энергии и выброс СО2 при производстве.
• Минимальное загрязнение воды и воздуха при разрушении.
• Минимальное использование земли.
• Одним из конечных продуктов разложения является углекислый газ в отличие от биополимеров на растительной основе, которые выделяют метан.  Метан в 21 раз превосходит углекислый газ по своему влиянию на «парниковый» эффект.

Преимуществами полиолефинов с добавкой в процессе изготовления, переработки и использования упаковочных материалов являются:

• Возможность использования добавки с многотоннажными полимерами
• Материал сертифицирован на контакт с любыми пищевыми продуктами и идеально подходит даже для замороженных продуктов.
• Материал можно как компостировать, так и вторично перерабатывать в изделия.
Опыт работы компании «Симплекс» с добавкой d2w показывает, что этот новый продукт интересен для отечественных производителей упаковки. А, значит, есть надежда, что нарисованная в начале статьи апокалипсическая картина мусорного «монблана» может и не стать реальной.

www.simplexnn.ru