Из каких полезных ископаемых делают пластмассу
Пластические массы (более распространенные названия пластмассы или пластики) – это синтетические материалы, получаемые в результате серии химических превращений (синтеза) полезных ископаемых, таких как нефть, газ или уголь.
Область знаний, изучающая и описывающая химические процессы получения пластических масс из углеводородов полезных ископаемых, называется нефтехимией. Суть нефтехимических процессов заключается в разделении углеводородного сырья на отдельные компоненты, которые, в свою очередь, являются исходным сырьем для получения пластмасс. Пластмассами называется широкий класс полимерных материалов, состоящий из длинных цепочек (макромолекул), которые, в свою очередь, состоят из множества повторяющих звеньев (мономеров). Благодаря подобному химическому строению пластмассы обладают комплексом уникальных свойств, выгодно отличающих их от традиционных материалов, таких как металл, стекло, древесина.
Термопласты и реактопласты. Отличия и свойства.
В зависимости от природы макромолекул различают два вида пластмасс: реактопласты и термопласты. Основой получения реактопластов являются натуральные или синтетические смолы. Характеризуются тем, что их макромолекулярные цепи соединены между собой частыми химическими связями, образовавшимися в результате отверждения.
Термопласты же состоят из длинных молекулярных цепей, которые соединяются между собой силами межмолекулярного взаимодействия.
Отличительной особенностью термопластов является их способность к многократному плавлению, что дает возможность их вторичной переработки. К термопластам относятся такие крупнотоннажные пластики как: полиэтилен, полипропилен, поливинилхлорид, полистирол, полиэтилентерефталат и ряд других.
Термопласты используются в качестве сырья для производства множества изделий в различных отраслях экономического хозяйства. Нам уже сложно представить себе современное здание без окон из ПВХ, садовые теплицы без листа из поликарбоната или полиэтиленовой пленки, автомобиль без деталей экстерьера и интерьера на основе полипропилена, продукты питания без упаковки из различных видов пластмасс, которые несем домой в полиэтиленовых пакетах. Однако далеко не все себе отчетливо представляют как получаются пластмассы, какие виды бывают, от чего зависят свойства того или иного пластика, какие изделия и с какими характеристиками можно получить. Об этом и многом другом Вы сможете узнать на страницах нашего проекта, а о том, какие этапы химических превращений проходят горючие ископаемые перед тем, как превратится в пластмассы, расскажем в данной статье.
Этапы получения пластмасс
Получение пластмасс – это сложный, многостадийный процесс, сопровождающийся химическими реакциями, который можно условно разделить на 3 основных этапа:
1. Фракционирование горючих ископаемых углеводородов на отдельные компоненты
2. Химическое превращение компонентов ископаемых УВ в мономеры
3. Химическое превращение мономеров в полимеры, которыми, в том числе, являются и пластмассы.
Основой сырьевой базой для получения пластиков являются ископаемые углеводороды (УВ), такие как нефть, попутный нефтяной газ (ПНГ), газовый конденсат и природный газ. Как уже упоминали, исходным сырьем для получения пластмасс являются отдельные компоненты природных ископаемых, для чего их подвергают сложным многоступенчатым процессам разделения и выделения ценных компонентов для нефтехимии. Схематично процесс выделения ценных сырьевых компонентов из горючих ископаемых можно изобразить следующим образом (рис. 1).
Рис.1 Разделение нефти и газа на компоненты
Углеводороды добываются из недр земли нефтяными и газодобывающими компаниями. Поскольку УВ являются смесью различных веществ, то УВ направляют на дальнейшее разделение на компоненты.
1. Так, ископаемые УВ направляют на нефте- и газоперерабатывающие заводы (НПЗ и ГПЗ) где происходит первичное разделение сырья на компоненты. Основная цель заключается в разделении (фракционировании) УВ на группы составляющих их компонентов.
2. В результате нефтепереработки самой ценной фракцией для дальнейшего получения пластмасс является нафта (второе название — прямогонный бензин). Это смесь жидких УВ с длинной углеводородной цепи от С5 до С10.
Основным ценным сырьем для нефтехимии после разделения попутного нефтяного газа и природного газа на компоненты являются широкая фракция углеводородов (ШФЛУ) и этан. Поскольку ШФЛУ продолжает оставаться смесью различных газов ее подвергают дальнейшему разделению. Так получаются СУГ, которые представляют собой чистые газы или технические смеси такие как пропан-пропиленовая фракция (ППФ), бутан-бутиленовая фракция (ББФ) или смесь пропан-бутан технический (СПБТ).
Таким образом, после разделения УВ сырья на отдельные, ценные для дальнейшей переработки, компоненты нафта, ШФЛУ, СУГ и этан направляются в качестве исходного сырья в следующий передел – пиролиз.
3. Пиролиз – это важнейший процесс нефтехимии, в ходе которого получаются диеновые УВ (вещества с двойными связями в основной цепи), такие как этилен или пропилен (они же низшие алкены или олефины), крайне редко встречающиеся в свободном виде в недрах земли. Процесс проходит при высоких температурах (до 1200 ˚С) в специальных печах пиролиза. Ценным, эти вещества делают двойные связи, которые придают высокую реакционоспособность соединениям.
4. Следующим этапом процесса получения пластмасс является полимеризация. Химизм процесса заключается в формировании длинных молекулярных цепочек из повторяющихся элементарных звеньев олефинов. Как раз наличие двойных связей в низших олефинах дает возможность образования длинных макромолекулярных цепей полимера. В процессе полимеризации происходит разрыв одной двойной связи мономера, которая моментально реагирует с рядом находящимся подобным мономером, в свою очередь, который взаимодействует со следующим звеном и так далее. Подобные реакции носят название цепных реакций, в ходе которых первоначальная активная частица запускает рост и развитие всей полимерной цепочки. Физически процесс протекает в реакторе при определенной температуре, давлении и наличию каталитической системы, которая является инициатором процесса полимеризации.
5. Для большинства пластмасс заключительным этапом является гранулирование порошка, образовавшегося в ходе полимеризации, после которого гранулы пластика фасуются в мешки и/или биг-беги и складируются в ожидании отгрузки в адрес будущего покупателя.
Более подробно о каждом этапе получения пластмасс расскажем в следующих статьях, в которых будут детально описаны основы процессов получения важнейших веществ как сырья для производства пластических масс.
Designed by Freepik
Сложность статьи
НАИБОЛЕЕ ВАЖНЫЕ ПЛАСТМАССЫ
Определение
Пластмассами (пластические массы или пластики) называют материалы, изготовляемые на основе полимеров, способные приобретать при нагревании заданную форму и сохранять ее после охлаждения.
Как правило, пластмасса — это смесь нескольких веществ, полимер является составляющей частью пластмасс. Именно он связывает все компоненты пластмассы в единое, более или менее однородное целое. Поэтому полимер называют связующим. Кроме связующего полимера в пластмассы добавляют присадки разного назначения: наполнители, красители, вещества, улучшающие механические свойства, термостойкость и устойчивость к старению.Первые пластмассы получали на основе природных полимеров — производных целлюлозы, каучука и т. д. Потом в качестве связующих стали применять и синтетические полимеры — фенолформальдегидные смолы, полиэфиры и т. д.
Полиэтилен $(-CH_2-CH_2-)_n$ – продукт полимеризации бесцветного газа – этилена. Полиэтилен – один из самых легких материалов – имеет высокую эластичность, отличные электроизоляционные свойства, химически стоек, водонепроницаем, морозостоек до –$70^circ C$, пластичен, недорог, технологичен. Недостатки – склонность к старению и невысокая теплостойкость (до +$70^circ C$). Для защиты от старения в полиэтилен вводятся стабилизаторы (2-3% сажи). Используется для изготовления пленки, изоляции проводов, изготовления коррозионно-стойких труб, уплотнительных деталей. Применяется для покрытия металлов с целью защиты их от коррозии. Занимает первое место в общем объеме мирового производства пластмасс.
Полипропилен (-$CH_2-CH(СН_3)-)_n$ производится из пропилена. По свойствам аналогичен полиэтилену, но более теплостоек (до +$150^circ C$), имеет более высокую прочность, меньше склонен к старению. Применяется для изготовления деталей в автомобилестроении, химическом машиностроении, пленки, волокон, труб для горячей воды, электроизоляционных деталей
Полистирол (-$CH_2-CH(C_6H_5)-)_n$ – продукт полимеризации стирола, твердый, жесткий, прозрачный полимер. Имеет очень хорошие электроизоляционные свойства. Химически стоек, водостоек, хорошо обрабатывается механически, более стоек к воздействию радиации по сравнению с другими термопластами. Его недостатки – низкая теплостойкость (до +$65^circ C$), склонность к старению и растрескиванию. Используется в электротехнической, радиотехнической и химической промышленности. Разновидностью полистирола является пенополистирол (вспененный полистирол или пенопласт), который используется для производства теплоизоляционных и звукоизолирующих строительных материалов, одноразовой посуды, обеспечивающей теплоизоляцию.
Фторопласты – производные этилена, в которых все атомы водорода заменены атомами атомами фтора, имеют наибольшую термическую и химическую стойкость из всех термопластичных полимеров. Фторопласт-4 $(-CF_2-CF_2-)_n$, называемый также тетрафторэтилен или тефлон, имеет высокую плотность (2,2 $textrm{г/см$^3$}$), водостоек, не горит, не растворяется в обычных растворителях, обладает электроизоляционными и антифрикционными свойствами (имеют низкий коэффициент трения). По химической стойкости превосходит все известные материалы. Выдерживает температуру от −269 до +$260^circ C$. Существенным недостатком является трудность переработки в изделия и опасность выделения высокотоксичных веществ при термической утилизации. Применяется для изготовления изделий, работающих в агрессивных средах, при высокой температуре, для антифрикционных покрытий на металлах, прокладок, электроизоляции, а также посуды с антипригарным покрытием.
Полиуретаны — высокомолекулярные соединения, содержащие уретановую группу -$NH-COO$-. По свойствам они близки к полиамидам, но обладают более высокой стойкостью к действию воды и окислителей, а также превосходят их по диэлектрическим свойствам. Они характеризуются эластичностью, морозостойкостью до –$70^circ C$, применяются для изготовления пленок, волокон, изоляции, полиуретановых каучуков, элементов декора, матрасов, обуви и т.д. Полиуретановая пена широко используется для теплоизоляции зданий.
МЕТОДЫ ПОЛУЧЕНИЯ ПЛАСТМАСС
Основные способы получения пластмасс – реакции полимеризации и поликонденсации (Смотри “Высокомолекулярные соединения”).
Реакции полимеризации:
Реакция полимеризации — это химический процесс соединения (сшивание) множества исходных молекул низкомолекулярного вещества (мономера) в крупные молекулы (макромолекулы ) полимера.
полистирол
Определение
Полистирол — продукт полимеризации стирола (винилбензола) относится к классу термопластов, отвечает химической формуле: $[-CH_2-CH(C_6H_5)-]_n-$.
Фенильные группы препятствуют упорядоченному расположению макромолекул и формированию кристаллических образований. Это жёсткий, хрупкий, аморфный полимер с высокой степенью оптического светопропускания, невысокой механической прочностью, выпускается в виде прозрачных гранул цилиндрической формы. Полистирол имеет низкую плотность (1060 кг/м3) и термическую стойкость (до $105^0C$). Полистирол обладает отличными диэлектрическими свойствами и неплохой морозостойкостью (до -40°C). Имеет невысокую химическую стойкость (кроме разбавленных кислот, спиртов и щелочей). Для улучшения свойств полистирола его модифицируют путём смешивания с другими различными полимерами – подвергают сшиванию, таким образом получая сополимеры стирола. Наиболее широкое применение (более 60% производства полистирольных пластиков) получили ударопрочные полистиролы, представляющие собой сополимеры стирола с бутадиеновым и бутадиен-стирольным каучуком.
Полистирол получают разными методами: эмульсионным, суспензионным и некоторыми другими. Эмульсионный метод в настоящее время не применяется в производстве. Поэтому рассмотрим подробнее суспензионный метод получения полистирола.
Суспензионный метод полимеризации производится в реакторах с мешалкой и теплоотводящей рубашкой. На первой стадии из стирола и воды готовят суспензию с добавлением стабилизаторов (поливинилового спирта, полиметакрилата натрия, гидроокиси магния) и инициаторов полимеризации (пероксид водорода или персульфат калия), для получения сополимеров добавляют реагенты-мономеры: акрилонитрил, метилметакрилат, бутадиен и др.
1 — аппарат для приготовления мономерной фазы; 2 — реактор; 3 — аппарат для приготовления водной фазы; 4 — сито; 5 — промежуточный сборник; 6 — центрифуга; 7 — сушилка
Процесс полимеризации проводится при постепенном повышении температуры (до $130^0C$) под давлением. Результатом является – получение суспензии из которой полистирол выделяют путём центрифугирования, затем его промывают и сушат. Данный метод получения полистирола также является устаревшим и наиболее пригоден для получения сополимеров стирола. Данный метод в основном применяется в производстве пенополистирола.
ПОЛУЧЕНИЕ ПОЛИВИНИЛХЛОРИДА (ПОЛИХЛОРВИНИЛА)
Определение
Поливинилхлорид (ПВХ) $[—(CH_2—CHCl—)]_n$ — аморфный полимер линейного строения, в исходном состоянии является жестким материалом.
Это бесцветная, прозрачная термопластичная пластмасса. Отличается химической стойкостью к щелочам, минеральным маслам, многим кислотам и растворителям. Не горит на воздухе и обладает малой морозостойкостью (−$15^0C$C).
При добавке к нему пластификатора можно получить очень пластичный материал — пластикат. Из жесткого ПВХ — винипласта — изготавливают листы, трубы, прутки, а из пластиката — пленку, шланги и другие изделия. Из ПВХ изготавливаются также вспененные материалы (пенопласты).
Поливинилхлорид получают из хлорэтилена (винилхлорида) реакцией полимеризации:
Реакция протекает по механизму свободнорадикального присоединения. Степень полимеризация и степень кристаллизации в значительной мере зависят от температуры процесса.
Одним из способов промышленного получения поливинилхлорида является суспензионный метод.
Винилхлорид, содержащий инициаторы процесса (например, ацилпероксиды, диазосоединения), интенсивно перемешивают в водной среде с добавлением защитного коллоида (например, поливинилового спирта). Смесь нагревают до $45-65^0C$ (в зависимости от требуемой молекулярной массы поливинилхлорида). Поливинилхлорид образуется в виде капель, которые застывают при охлаждении. После падения давления в реакторе удаляют непрореагировавший мономер, поливинилхлорид отфильтровывают, сушат в токе горячего воздуха, просеивают через сита и расфасовывают. Полимеризацию проводят в реакторах большого объема (до 200 куб м). Современные производства полностью автоматизированы.
РЕАКЦИИ ПОЛИКОНДЕНСАЦИИ:
Определение
Поликонденсация – синтез полимеров, протекающий за счет взаимодействия би- или полифункциональных мономеров и(или) олигомеров, и сопровождающийся выделением низкомолекулярного продукта (воды, спирта, аммиака, галогеноводорода и др.
ПОЛУЧЕНИЕ ФЕНОЛФОРМАЛЬДЕГИДНЫХ СМОЛ
Определение
Фенолформальдегидные смолы $[-C_6H_3(OH)-CH_2-]_n$ – являются продуктами поликонденсации фенола $C_6H_5OH$ и формальдегида $CH_2O$.
Взаимодействие фенола с формальдегидом протекает по следующей схеме:
Роль реакционноспособных функциональных групп в этих соединениях играют:
в феноле – бензольное кольцо с локализацией отрицательного зарядов в орто- и пара-положениях (легче идет замещение в двух орто-положениях);
в формальдегиде – карбонильная группа С=О, способная к реакции присоединению.
Это определяет возможность образования цепных макромолекул. Реакция проводится в присутствии кислых (соляная, серная, щавелевая и другие кислоты) или щелочных катализаторов (аммиак, гидроксид натрия, гидроксид бария).
Фенолоформальдегидные полимеры применяются в виде прессовочных композиций с различными наполнителями, а также в производстве лаков и клея.
ПОЛУЧЕНИЕ ЭПОКСИДНЫХ ПОЛИМЕРОВ
Определение
Эпоксидные полимеры – это простые полиэфиры. Рассмотрим пример получения эпоксидного полимера (или эпоксидной смолы) из этилхлоргидрина и бисфенола А.
Реакцию поликонденсации проводят с избытком эпихлоргидрина (хлорметилоксирана):
Вместо бисфенола могут использоваться гликоли, глицерин, резорцин и их производные.
Полученные эпоксидные смолы представляют собой высоковязкие жидкости или твердые тела с высокими температурами плавления. Эпоксидные смолы могут далее отверждаться добавками аминов, полисульфидов, полиамидов.
Эпоксидные смолы находят весьма широкое и разнообразное применение благодаря своей химической устойчивости и хорошей адгезии. Эпоксидные смолы являются конструкционными клеями. После полного отверждения эпоксидные смолы – это прочные материалы, что позволяет их использовать для покрытия полов в промышленных зданиях, в качестве герметизирующих композиций и застывающих клеев.
А. Лешина
«Химия и жизнь» №9, 2012
Больше 99% всех полимеров и пластмасс делают из нефти, газа или угля. А значит, всё, что окружает нас, — упаковка, стройматериалы, детали автомобилей, ткани, электронные устройства — сделаны из невозобновляемых ресурсов. Впрочем, полимерные материалы еще в 60-е годы ХХ века научились получать из кукурузы, картофельного крахмала, пшеницы, сахарного тростника и т. п., но по технологическим свойствам они уступали полимерам из углеводородов, да и стоили дорого. Однако в последние годы производство полимеров из растений резко выросло, и тому есть несколько причин. Про цены на нефть и про то, что ее запасы истощаются, всем давно понятно. Но кроме этого, промышленники и общественность стали подсчитывать выброс СО2 при любом производстве, пластики из растений сравнялись по свойствам с синтетическими, а во всём мире стало модно «зеленеть». Многие эксперты считают, что биопластики переживают бум.
Для начала определимся с терминами. Биополимерами называют длинные молекулы, состоящие из одинаковых звеньев, которые встречаются в природе и входят в состав живых организмов, — белки, нуклеиновые кислоты, полисахариды и прочие. Но сейчас речь пойдет не о них, а о полимерах, сделанных из растительного сырья, — именно их называют биопластиками. При этом их «природное» происхождение и название с приставкой «био» не означает, что все они биоразлагаемы и безопасны для окружающей среды.
Это важный момент. Например, из углеводородного сырья научились получать и прочные полимеры, которые не разлагаются в почве больше 200 лет, и биоразлагаемые — они содержат специальные добавки, благодаря которым соответственно ГОСТу распадаются за 180 дней на компоненты, нетоксичные для растений (поэтому их часто также называют биопластиками). А из растений можно получить и стандартные блоки, из которых делают обычные полимеры (этилен, амид и другие), а можно и биоразлагаемые пластики. Скажем, полиэтилен, используемый для упаковки, получают гидролизом и последующей ферментацией сахара из сахарного тростника; полиамид, из которого делают ткани, выделяют из касторового масла, а его получают из растения клещевины. И оба эти полимера ничем не отличаются от своих собратьев, сделанных из нефти. Разница только в том, что сырье на следующий год вновь вырастет на поле. Или в море — ведь сырье может иметь и животное происхождение, к примеру, хитозан (его добавляют в некоторые пластики) получают из хитина панциря ракообразных.
Как сделать из кукурузы пластиковую бутылку для молока? Выращивают специальные сорта (в основном на биомассу идут кукуруза, пшеница, картофель, сахарный тростник и свекла), потом собирают урожай, извлекают из биомассы крахмал (полисахариды) или сахар. Если это масличные культуры (клещевина, соя, рапс), то выделяют триглицериды — сложные эфиры глицерина. Затем начинаются очистка и переработка, включающие не только химические стадии, но и биотехнологические — с участием ферментов и микроорганизмов. Каждому конечному продукту соответствует своя технологическая цепочка. Конечный продукт — или мономер для дальнейшей полимеризации (это может быть обычный этилен, амид, эфир, молочная кислота), или чистая природная биомолекула, пригодная для дальнейшей модификации (например, крахмал).
Если на конечной стадии получился обычный полиэтилен (или что-то подобное), то его легко смешать с полиэтиленом, полученным из нефти. Это часто и делают крупные компании, вводя для такого пластика специальную маркировку или название (Polyethylene Green и т. п.). Когда вы видите на бутылке эмблему биопластиков, это, скорее всего, означает, что часть мономера в составе полимера, из которого она сделана, получена из биомассы. Например, в 2009 году компания «Кока-кола» выпустила «растительную бутылку», но в ней пока только 30% полимера получено из биомассы, а у «Вольвика» (производитель питьевой воды) — только 20%. В свете последних модных веяний это можно оценить как хороший рекламный ход.
Из чего бы ни были сделаны традиционные полимеры, проблема утилизации остается. Согласно современным тенденциям, полиамид, полученный из касторового масла, или полиэтилен и полиэтилентерефталат из биомассы надлежит собирать и отправлять на переработку, точно так же, как и их нефтяные аналоги. Если переработка и повторное использование невозможны, тогда их сжигают.
Некоторые компании идут другим путем, смешивая традиционные полимеры с природными молекулами. Например, компания Roquette модифицировала крахмал из пшеницы, пришив к нему гидрофобные группы, и стала добавлять его к полиэтилену или полипропилену. Получается композитный материал, из которого делают упаковку для косметики, стаканчики для йогуртов и даже панели автомобиля.
Просто воспроизводить уже известные мономеры не так интересно, тем более что из нефти или газа они всё равно пока дешевле. Интересно создавать что-то новое и не наносящее вред окружающей среде. Поэтому огромное число исследователей ставят на биоразлагаемые пластики, полученные из растительного сырья, — собственно, они составляют 80% всего рынка биопластиков. Название «биоразлагаемые» говорит само за себя — как уже упоминалось, за шесть месяцев почвенные микроорганизмы переработают их до воды, диоксида углерода или метана с остатком максимум 10%, который также можно использовать в компосте. Таких биоразлагаемых биопластиков на рынке довольно много, причем спектр их технологических свойств уже почти перекрыл традиционные полимеры. Условно их можно разделить на следующие большие группы: полилактиды (ПЛА), то есть полимеры на основе молочной кислоты, образующейся после молочнокислого брожения сахаристых веществ; полигидроксиалконоаты (ПГА) — продукты переработки растительного сахара микроорганизмами; и материалы на основе крахмала. Существуют также материалы, сделанные на основе лигнина, целлюлозы, поливинилового спирта, капролактона и других.
Крахмал — пожалуй, самое распространенное сырье для биоразлагаемых материалов, с ним работают более 30% специализированных предприятий. Конечно, сам он довольно хрупкий, но если в него добавить растительные пластификаторы (глицерин, сорбитол), волокна льна, конопли или полимер молочной кислоты, полученный из кукурузы или свеклы, то это увеличит механическую прочность и пластичность. Модификация гидрофильных ОН-групп сделает его устойчивым к влаге. Таким образом, крахмал используют не только в качестве наполнителя, но и модифицируют его, после чего получается полимер, который разлагается в окружающей среде, но при этом обладает свойствами коммерчески полезного продукта.
Изделия из модифицированного крахмала производят на том же оборудовании, что и обыкновенную пластмассу, его можно красить. Правда, его технологические свойства пока уступают полиэтилену и полипропилену, которые он мог бы заменить. И все-таки из крахмала уже делают поддоны для пищевых продуктов, сельскохозяйственные пленки, упаковочные материалы, столовые приборы, сеточки для хранения овощей и фруктов и многое другое.
Полилактиды, или полимеры молочной кислоты (ПЛА), которые получают после ферментации сахаров кукурузы или другой биомассы, также используют довольно широко. Из 80 организаций, производящих в различных странах биоразлагаемые пластики или их смеси, полимеры на основе ПЛА делают около 20% компаний. На самом деле ПЛА часто смешивают с крахмалом для лучшего биологического разложения и рентабельности производства. Полилактиды — яркие и прозрачные, поэтому они могут составить конкуренцию полистиролу и полиэтилентерефталату. Из них производят изделия с коротким сроком службы: упаковки для фруктов и овощей, яиц, деликатесных продуктов и выпечки, а также хирургические нити, используют их как средство доставки лекарств. В полилактидные пленки упаковывают сандвичи, леденцы и цветы. Существуют ПЛА-бутылки для воды, соков, молочных продуктов.
Еще одна группа, полигидрокси-алканоаты (ПГА) — третьи по значимости биоразлагаемые полимеры (в промышленном масштабе ПГА производят около 8% компаний). Самые значительные представители этого семейства, полигидроксибутират (ПГБ) и полигидроксивалерат (ПГВ), также получают из сахаров. Из них делают упаковочные и нетканые материалы, одноразовые салфетки и предметы личной гигиены, пленки и волокна, связывающие вещества и покрытия, водоотталкивающие покрытия для бумаги и картона.
В общем и целом на упаковку идет примерно 60% биопластиков, причем не только биоразлагаемых. Эти полимеры также используют при производстве одноразовой посуды, в сельском хозяйстве (защитные пленки), электронике (разъемы, оболочка компьютеров, зарядные устройства, мобильные телефоны, клавиатуры). Появляются всё новые приложения.
Разлагаемые биопластики широко применяют и в медицине. Полимеры, сделанные из биомолекул, лучше совместимы с человеческими тканями и рассасываются легче, чем «традиционные» пластики. Например, немецкие хирурги испытали хирургические винты из полилактидов. Они рассасываются через два года, и больных не надо оперировать повторно, как это сейчас происходит с металлическими штифтами. В США исследуют медицинские импланты из смесей биоразлагаемых полимеров, например для восстановления коленного хряща. А японцы недавно выпустили на рынок почти прозрачную клеящуюся пленку толщиной в десятки нанометров. Она сделана из хитозана и предназначена для быстрого заживления внутренних ран. Теоретически она могла бы заменить медицинские нити или скобы.
Одно из преимуществ биопластиков, которое подчеркивают все их производители, — они существенно уменьшают выбросы диоксида углерода в окружающую среду. Это зависит именно от сырья, ведь биомасса растет благодаря тому, что поглощает из атмосферы диоксид углерода. И даже если неразлагаемые пластики, сделанные из растений, сожгут в конце цикла, в атмосферу попадет лишь тот углекислый газ, что они поглотили при жизни. По приблизительным подсчетам, только пластики на основе крахмала могут сэкономить от 0,8 до 3,2 т CO2 на тонну продукции по сравнению с полиэтиленом, полученным из органического топлива. При производстве ПЛА в атмосферу выбрасывается вполовину меньше углекислого газа, чем при производстве полимеров на основе нефти. В любой статье о биопластиках подобные цифры подчеркивают с особым оптимизмом.
Безусловно, возобновляемое сырье уменьшает зависимость от полезных ископаемых, и это замечательно. Однако не составит ли выращиваемая биомасса конкуренцию продовольственным сельскохозяйственным культурам? Похоже, это теоретические опасения. Сегодня биомасса, которая идет на производство биотоплива и химических продуктов, — это не более 5% от всей биомассы, используемой человеком. Распределение выглядит примерно так: 62% биомассы — это сельскохозяйственные культуры (продукты питания), 33% — лес для обогрева, строительства, мебели и бумаги, и только оставшиеся 5% идут на текстиль, химию. Вряд ли это соотношение сильно изменится в последнее время даже при активном росте производства биопластиков. По большому счету речь о конкуренции не идет. Тем более что сейчас многие производители стремятся изготовлять биопластики из отходов сельхозпроизводства и целлюлозы, оставшейся от обработки древесины.
Технология получения полимеров из растений появилась несколько десятилетий назад, но их производство долго оставалось в зачаточном состоянии по понятным причинам. Как отмечают многие специалисты, в последние годы наблюдается явное оживление этой отрасли. В 2010 году было произведено 724 тысячи тонн биопластиков (включая биоразлагаемые пластики из углеводородного сырья), что составляет примерно 0,2% мирового рынка производства пластмасс (250 миллионов тонн в год). Сейчас этот сектор растет довольно быстро по сравнению с тем, что было раньше. Причины, как уже говорилось, не только в повышении цен на нефть и исчерпании природных ресурсов, но и в прогрессе технологий и появлении новых материалов. Кроме того, очевидно желание промышленников «озеленить» свой имидж.
Биопластики на основе полилактидов, крахмала и целлюлозы
Инициаторы массового использования биопластиков — это почти всегда крупные производители продуктов питания или косметики. Вот несколько заметных проектов последних лет: французский Danone со стаканчиком для йогурта «Активия» из ПЛА (марка Ingeo от NatureWorks), компания Coca-Cola с бутылками из растительного аналога полиэтилентерефлата (ПЭТ) собственного производства, компания PepsiCo, также выпускающая растительный ПЭТ для своих бутылок. В бутылки из ПЛА марки Ingeo от NatureWorks заливают минеральную воду Biota и расфасовывают детские йогурты Stonyfield Farm. Большая компания RPC выпустила пробную серию косметической упаковки из ПГА.
Конечно, коммерческими гигантами движет не только забота о планете и желание вызвать позитивное к себе отношение у сознательных потребителей. Активно участвуя в сокращении выбросов СО2, они также снижают себе ставку налогов. Кстати, несовершенство биоупаковки они всё-таки учитывают: газированные напитки разливают в растительный, но не биоразлагаемый материал, а йогурты в стаканчиках из ПЛА должны храниться в холодильнике.
Хоть эксперты и считают, что производство биопластиков к 2020 году будет составлять 3,5–5 миллионов тонн, или примерно 2% (по некоторым оценкам, 5%) от общего производства пластиков, говорить о массовом выпуске пока не приходится. Правда, есть и оптимистичные подсчеты, согласно которым к 2020 году пятая часть мирового рынка пластмасс будет занята биопластиками (примерно 30 миллионов тонн).
Проблема, как всегда, в деньгах — сегодня биопластики стоят в 2–7 раз дороже, чем их аналоги, полученные из углеводородного сырья. Однако не стоит забывать о том, что еще пять лет назад они были в 35–100 раз дороже. Практически все группы полимеров, которые сегодня делают из нефти, уже имеют аналоги, произведенные из биоресурсов, и их можно было бы по крайней мере частично заменить во всех применениях. Но пока биопластики так дороги, их массовый выпуск нереален. Многие эксперты полагают, что как только большое количество заводов начнет выпускать биопластики, цена упадет, и тогда-то они составят реальную конкуренцию полимерам из нефти. Поскольку свойства материалов улучшаются, а объемы производства растут, то перспективы, очевидно, есть. Но сегодня конкурентоспособны в мас