Главная / Статьи-разработки-исследования / Добавки, способствующие биодеградации полимеров

Добавки, способствующие биодеградации полимеров

Черное пятно на карте – это огромный остров (Рис. 1), который образовался в Тихом океане вследствие жизнедеятельности нашей цивилизации.

Рис.1. Великий тихоокеанский мусорный остров.

«Мусорный Остров» быстро растет примерно с 1950-х годов за счет особенностей Северо-Тихоокеанской системы течений, центр которой, куда и попадает весь мусор, относительно стационарен. По оценкам ученых, в настоящее время масса мусорного острова составляет более трех с половиной миллионов тонн, а площадь – более миллиона квадратных километров. «Остров» имеет ряд неофициальных названий: «Великий тихоокеанский мусорный остров» (Great Pacific Garbage Patch), «Восточный мусорный остров» (Eastern Garbage Patch), «Тихоокеанский мусороворот» (Pacific Trash Vortex) и пр. По-русски его иногда называют также «мусорным айсбергом». В 2001 году масса пластика превышала массу зоопланктона в зоне острова в шесть раз. Сегодня Великий тихоокеанский мусорный участок на 90 процентов состоит из пластика, общая масса которого в шесть раз превышает массу естественного планктона. Сегодня площадь всех мусорных пятен превосходит даже территорию США! Каждые 10 лет площадь этой колоссальной свалки увеличивается на порядок.
Глядя на эту карту, вопрос о применении биоразлагающих добавок в полимерах отпадает сам собой.

Очевидно, что использование биоразлагающих добавок целесообразно в тех изделиях, которые часто и массово, используются и выбрасываются. Это пакеты, сельскохозяйственные и упаковочные пленки, одноразовая посуда, бутылки и т.п. Поэтому наиболее популярные полимеры для использования с добавками – это полиэтилен, полипропилен, ПЭТФ. Основными производителями таких добавок являются американские компании Willow Ridge Plastics, BioTec Environmental, ECM BioFilms. Но одним из лидеров и пионеров рынка является британская компания Symphony Еnvironmental. Как правило, добавки этих фирм работают с полиолефинами, однако, например, добавки серии EcoPure фирмы Bio-Tec Environmental можно использовать более чем с 15 полимерами. ECM BioFilms выпускает добавки для полистирола, полиуретанов и ПЭТФ. Срок деградации может варьироваться от 9 месяцев до 5 лет.

При разработке составов необходимо учитывать две проблемы. Во-первых, добавки должны допускать обработку полимера традиционными способами (литье, формование, выдув, экструзия), при этом полимеры не должны разлагаться, хотя подвергаются температурной обработке. Во- вторых, добавка должна ускорять разложение полимера на свету, но и допускать длительный период его использования тоже на свету. Иными словами, добавка должна «включать» разложение в определенный момент. Это существенная сложность.

OXO-biodegradable добавки – это класс добавок, с введением которых разложение материала проходит вначале стадию химического окисления, а затем включается биоразложение под действием тепла, света при механической переработке.

Рис. 2

Технология полностью разлагаемых пластиков основана на вводе в полимер продеграданта, который действует как катализатор и вызывает быстрое разрушение длинных молекулярных цепей. Этот продеградант представляет собой металлическую соль определенных ионов переходных металлов, которые на свету и/или тепле являются специальным катализатором начала фото и термической реакций деградации, которая вызывает разрушение углеродных соединений в молекулярных цепях, то есть вызывает разрыв цепи (активизирует расщепление). Пластмассовый продукт становится ломким и быстро распадется на крошечные хлопья. Поскольку цепи продолжают уменьшаться в размере, кислород получает возможность соединиться с углеродом и превратиться в CO2. Молекулярная масса полимера быстро снижается до 40,000 и на этом этапе материал становится гидрофильным (смачиваемым водой), вследствие чего микроорганизмы (бактерии и грибки) получают доступ к углероду и водороду. Углерод исчезает как CO2, а водород как H2O. Эта стадия и может быть названа «биологическим распадом». Никакие фрагменты петро-полимеров (ПЭ) не остаются в почве.

Рис.3. Схематично представлен процесс работы оксо-биодобавок на примере добавки d2w

Наличие добавки никак не меняет физические свойства базового полимера и, соответственно, готового изделия. В подавляющем большинстве случаев технологический процесс может проходить при тех же рабочих условиях, что и производство стандартного продукта, на том же оборудовании и с той же производительностью.

Малый процент добавки (обычно 1-8%) почти не сказывается на остальных технологических режимах обработки, единственное, что нужно – это очень равномерно распределять ее по объему полимера.
d2w™ – это специальная добавка, которая обеспечивает разложение стандартного полиэтилена, полипропилена, полистирола на безопасные компоненты через «запрограммированный» рецептурой добавки срок (от нескольких месяцев до нескольких лет). Период разложения определяется рецептурой добавки и зависит от требований к изделию. Такая добавка представляет собой мастербатч-гранулят на полимерной основе. Он добавляется в соотношении 1-3 процента по массе к 97-99 процентам основного материала. Разработчиком и производителем этой добавки является британская компания Symphony Environmental. 

Норвежская компания “NOR-X Industry” производит оксо-биоразлагаемую добавки для полиолефинов под торговой маркой ReverteTM и RENATURA. Существует несколько видов этих добавок, одни из которых специально предназначены для полиэтиленов, другие – для полипропилена. Выпускаются в виде обычных гранул с размером 2,0-3,0 мм. Их следует вводить на стадии подачи основного материала в переработку, в количестве – 1–2 % по весу. Они не требуют никакой перестройки и изменения технологического процесса при производстве. Не меняет свойств конечного продукта. Термостойкость добавок порядка 300 ОС.
TDPA добавки производятся канадской компанией  EPI Environmental Technologies Inc. (EPI Group) и применяются в производстве изделий из полиэтилена и полипропилена, основных материалов для изготовления упаковки.

Эта компания недавно разработала новую оксо-биоразлагающую добавку для полиэтилена TD-1® с добавкой DCP-128, которая может использоваться при производстве биоразлагаемой упаковки из ПЭВД, ЛПЭВД, ПЭНД. На опытах показано, что данная добавка имеет ряд преимуществ перед аналогичными добавками, производимыми конкурентами
PDQ-H, PDQ-M - добавки, не основанные на крахмале. Данные суперконцентраты способствуют снижению до определенного уровня молекулярного веса пластика под воздействием ультрафиолетового излучения и окисления, после чего начинается процесс его биологического разложения. Добавки показали хорошие результаты при испытаниях, смоделированных для всей территории Российской Федерации, так и для прилегающих стран СНГ.

UV degradable - добавка, не основанная на крахмале. Применяется в случаях, когда процесс разложения должен проходить под значительным воздействием УФ-излучения. Наиболее подходит для использования в южных регионах России и стран СНГ, где наблюдается до 280 солнечных дней в году. 
Эти добавки выпускает Российская компания “БиоЭкоТехнология”.

Компания “OMYA” - Швейцария выпускает биодобавки под торговой маркой ADD-X BIOTECH, в частности, марка Add flex HE01010 FF. При вводе 1,5 % добавки уже через 140 часов наблюдается самопроизвольное разложение пленки ПВД, нагретой до 60 ОС. При вводе 3 % - эффект тот же. При вводе 6 % через 100 часов и при температуре 60 ОС самопроизвольное разложение составляет 50 %.

Британская компания “CPI Card Group” разработала и выпускает серию биоразлагающих добавок для ПВХ. Период разложения составляет от шести месяцев до пяти лет. Данный продукт имеет те же рабочие характеристики, что и жесткий ПВХ и может использоваться в производстве ПВХ-продукции.
Кроме приведенных типов биодобавок есть еще и гидро-биоразлагаемые добавки. Так японскими учеными получены составы, при добавлении которых полимеры растворяются в морской воде.
Израильская компания “TOSAF” выпускает оксо-биодобавку под маркой ОХ5854. По данным ИК-спектроскопии основой для ее производства выбраны полисахариды.

Были проведены исследования влияния добавки (2% и 8%) на деструкцию пакета из ПНД после облучения (УФ) в камере со 100% влажностью и при температуре 90 ОС в течение месяца.
Ниже на рис.4 приводятся графики изменения относительного удлинения для трех образцов с содержанием 2% и 8% добавки и без нее.

Рис. 4. Влияние биодобавки на прочность пленки из ПНД. Образец № 1 – без добавки, № 3 – 2 % добавки и № 5 – 8 % добавки.

Видно, что простой ПНД хорошо тянется без приложения особых усилий. При вводе биодобавки материал растягивается хуже почти в два раза. Относительное удлинение его составляет порядка 45 – 50 %. Такие показатели хорошо определяют оптимальный процент ввода добавки.
Затем эти образцы были помещены в камеру, где влажность составляла 100 % , а температура достигала 90 ОС.
Полученные результаты испытаний приведены на рисунках 5 – 7.

Рис. № 5. Изменения относительного удлинения образов пленки без биодобавки и необлученного (образец № 1) и облученного УФ излучением (образец № 2)

Рис. № 6. Изменения относительного удлинения образцов пленки с вводом 2 % биодобавки. Необлученный образец № 3 и облученный образец № 4

Рис. № 7. Изменения относительного удлинения образов пленки с вводом 8 % биодобавки и необлученного (образец № 5). Образец № 6 – с 8 % добавки и облученный – разрушился в камере.

На фотографии, приведенной ниже, видно, как рассыпался образец (8 % добавки) после облучения в атмосфере высокой влажности и температуры.

В заключение хочется отобразить преимущества использования биодобавок в полимерах:
- уменьшение выбросов СО2,
- культивирование восстанавливаемых ресурсов,
- новые возможности по переработке пластиков, улучшение экологической обстановки.

Вернуться

Рекомендуем ознакомится: добавки для полимеров, краситель для тротуарной плитки, меловая добавка, пигменты для бетона купить, пигменты для тротуарной плитки, краситель для бетона, суперконцентраты красителей, красители для полимеров, железоокисные пигменты, диоксид титана Минск.