Биоразлагаемые полимерные материалы и модифицирующие добавки: современное состояние. Часть 1

Г лобальной экологической проблемой современности является накопление отходов полимерных материалов, аккумулируемых в биосфере. Во всем мире ежегодно производится почти 380 миллионов тонн пластмассы [1]. Вторичной переработке подвергается около 9%, сжигается около 12% полимерных отходов [2–4]. Оставшиеся 79% оказываются на свалках, занимающих огромные

площади и выводящих из сельскохозяйственного оборота миллионы гектаров плодородной земли.

Проблема усугубляется еще и тем, что из-за неправильного захоронения почти 12 миллионов тонн пластмассы ежегодно выносится реками в моря и океаны [5]. В результате чего в Тихом океане образовалось Большое тихоокеанское мусорное пятно, площадь которого по оценкам специалистов составляет около 1,5 миллиона кв. км.

РАЗРАБОТКА НОВЫХ ПОЛИМЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ

Существуют два основных направления решения данной проблемы: утилизация отходов пластмасс и создание биоразлагаемых пластиков [6–8].

Основные способы сокращения объемов синтетических пластиковых отходов – это сжигание и переработка [9–11]. Однако сжигание кардинально не улучшает экологическую ситуацию. Более того, сжигание полимерных материалов – это дорогостоящий процесс, сопровождающийся выделением высокотоксичных загрязнений (диоксинов, фуранов и др.) [12–15]. Переработка полимерных отходов приводит к удорожанию материала, при этом качество полученного полимера снижается [13–18].

Разработка новых технологий, ориентированных на производство экологически чистых материалов и исключающих выбросы загрязняющих веществ, а также комплексная переработка отходов соответствуют концепции экологически безопасного устойчивого развития деятельности человека, принятой ООН на Конференции по окружающей среде и развитию еще в 1992 г. [19–20].

Придание традиционным полимерам способности к биодеградации под действием микроорганизмов и природно-климатических факторов позволит значительно сократить объемы полимерных отходов и, тем самым, улучшить экологическую обстановку.

Оптимальным решением является разработка са-моразрушающихся полимерных материалов, в особенности, для изделий с коротким жизненным циклом (упаковочные материалы, одноразовая посуда, авторучки, бритвы, транспортные паллеты), которые должны сохранять технологические характеристики при хранении и эксплуатации, после чего при дей-

2,500

На основе биосырья / небиоразлагаемые

Биоразлагаемые

Рис. 1. Производственные мощности биопластиков в 2018-2019 гг., тыс. тонн

Источник: Европейский институт биопластиков ствии определенных факторов (микроорганизмов, света, кислорода воздуха, воды) должны разлагаться за небольшой промежуток времени.

Существующие биоразлагаемые полимеры на биооснове дороже синтетических полимеров [21–22]. Поэтому биоразлагаемые полимерные материалы в основном получают смешением термопластичных синтетических полимеров и биоразлагаемых наполнителей природного происхождения.

В настоящее время производство и потребление биопластиков составляет только около 1% от общего количества ПМ [23]. По мере роста спроса и сфер применения, а также благодаря появлению новых более сложных биополимеров рынок биопластиков постоянно растет и диверсифицируется.

Согласно последним данным Европейского института биопластиков (European Bioplastics) и научно-исследовательского института nova-Institute (Хюрт, Германия) глобальные производственные мощности по производству биопластиков в 2019 году составили 2,114 миллиона тонн (рис. 1) [23].

Основные приложения на рынке потребления биопластиков постоянно изменяются. Однако упаковка остается крупнейшей областью применения биопластиков, на ее долю в 2019 году пришлось более 53% (1,14 миллиона тонн) всего рынка биопластиков [23]. Сегменты, такие как автомобилестроение/ транспорт и строительство, в 2019 году значительно увеличили свою долю (рис. 2).

В настоящее время неподдающиеся биологическому разложению пластмассы на биооснове составляют до 44,5% от общего количества выпускаемых биопластиков (рис. 3) [23].

В 2019 году инновационный полипропилен на биооснове вышел на рынок в коммерческих масштабах. ПГА (полигидроксиалканоаты, PHA) – это наиболее развивающийся класс полимеров, полностью полученный из биоматериала и биоразлагаемый, обладает широким спектром физических и механических свойств в зависимости от их химического состава. PEF* (полиэтиленфураноат) – новый полимер, выход которого на рынок ожидается в 2023 году [23].

Страны Азии лидируют в качестве крупного центра всей индустрии биопластиков. В 2019 году там было произведено 45% от общего количества биопластиков (рис. 4) [23].

Первоначально биоразлагаемые ПМ представляли собой смеси традиционных полимеров с крахмалом. Сейчас появился целый спектр новых биоразлагаемых пластиков, различающихся технологиями получения и составом (табл. 1).

Среди отечественных производителей биоразлагаемой полимерной продукции можно выделить следующие [24]:

РАЗРАБОТКА НОВЫХ ПОЛИМЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ

Рис. 2. Производственные мощности биопластиков по отраслям применения в 2019 г., тыс. тонн

Источник: Европейский институт биопластиков

• 1)    ООО «Компания ЕвроБалт», запустившая в 2008 году производство оксо-биоразлагаемой упаковки;

• 2)    ЗАО «ТИКО-Пластик», выпускающая биоразлагаемые пакеты с добавкой-катализатором;

• 3)    ПФ ДАР, прошедшая в октябре 2009 года сертификацию на производство пакетов с биодобавкой;

• 4)    ООО «Артпласт», приступившая в июне 2010 года к выпуску биоразлагаемой упаковки;

• 5)    ООО «Биаксплен», запустившая в 2008 году линию, способную производить биоразлагаемую

упаковку из биосырья (картофель, кукуруза и пр. – биоматериалы с высоким содержанием крахмала);

• 6)    ЗАО Национальная упаковочная компания «Пагода», имеющая в своем ассортименте биоразлагаемые пакеты;

• 7)    Компания РТ-Химкомпозит разработала производство биоразлагаемых пластиков на базе молочной кислоты. Суть этого процесса – синтезирование бактериями из доступных сахаров мономеров, период распада при компостировании от 20 до 90 дней.

  

  Рис. 3. Производственные мощности биопластиков по типам в 2019 г., тыс. тонн

  Источник: Европейский институт биопластиков

  
  

РАЗРАБОТКА НОВЫХ ПОЛИМЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ

Таблица 1

Основные производители биоразлагаемых ПМ

№	Производитель	Название продукции и применение
1	Archer Daniel Mildland Со. (США)	Полилактиды, полигидроксибутираты
2	BASF AG (Германия)	Полиэфиры бутан-1,4-диола, терефталевой и адипиновой кислот Ecoflex, Eastar Bio, добавки для производства биоразлагаемых пластиков
3	BAYER AG (Германия)	Полиэфирамиды ВАК – термопластичный полимер, как обычные термопласты для литья под давлением, экструзией, получения волокон
4	Biotec Gmb H. (Германия)	Крахмалонаполненные пластики «Биопласт» для мешков под компост, посуду, вилки, ложки, чашки
5	Cargill Inc. (США)	Полилактиды Eco-PLA для литья под давлением, термоформования, получения нетканого полотна
6	Chronopol (США)	Синтез полимолочной кислоты
7	CSM N.V. / Cargill Inc. (Голландия)	Полилактиды
8	DAICEL Chem. Ind. Ltd (Япония)	Композиты на основе полилактида, ацетата целлюлозы
9	Du Pont Co. (США)	Полилактиды из молока, сыра и кукурузы ECO Chem., сополимер с полиэфиром – Biomax
10	Ecolean (Швеция)	Упаковка и оборудование для розлива жидких пищевых продуктов в фирменные «кувшинчики»
13	EPI Environmental Technologies Inc.	Сырье для производства оксо-биоразлагаемой упаковки
14	GREENSAN LIMITED Srls (Италия)	Компостируемая упаковка для пищевых и промышленных продуктов
15	Hoechst Trespaphan (Германия)	Поли-α-гидроксипропионаты Biophan для пленочных материалов
16	Kanebo (Япония)	Поли-α-гидроксипропионаты Bellfree, Lacton для гранул, нитей, пленочных материалов
17	Mitsubishi Plastics (Япония)	Поли-α-гидроксипропионаты Ecoloju для пленочных материалов
18	Mitsui Chemicals (Япония)	Поли-α-гидроксипропионаты Lacea для гранул, пленочных материалов
19	Mitsui Toatsu Chem. Ltd (Япония)	Продукция на основе крахмала и полилактида
20	Monsanto Co. (Италия) / ICI. Zeneto Ltd (Англия)	Сополимер полигидроксибутиратвалерат для производства бутылок, зубных щеток
21	Nature Works (США)	Полимеры Ingeo™ для продукции от кофейных капсул и электроники до подгузников и салфеток. Лактиды Vercet™ для продуктов линии CASE (покрытия, клеи, герметики и эластомеры), тонеры и поверхностно-активные вещества
22	NESTLE OY Chem. / Primalco (Финляндия)	Полилактиды и крахмалосодержащие пластики
23	Novamont (Италия)	Выпускает «Mater Bi» для литья под давлением, получения пленок из крахмала
24	Planet Polymer / Nippon Mitsubishi (Япония)	20 типов Enviro Plastics водорастворимых, компостируемых, фоторазлагаемых полимеров для литья под давлением, Aquarbo – поливиниловый спирт для пленок с раздувом для медицины, сосудов для отбросов
25	Procter & Gamble (Франция)	Полигидроксиалканоаты Nodax для нетканых, пленочных и волокнистых материалов
26	Roquette (Франция)	Более 650 побочных продуктов из крахмала кукурузы, пшеницы, картофеля и гороха
	Shell Chem. Co. (Great Britain)	Several biodegradable polyesters
27	Rohm and Haas Co. (США)	Полиаспартаты, водорастворимые диспергаторы, биоразлагаемые диспергаторы для стиральных порошков
28	Shell Chem. Co. (Великобритания)	Несколько биоразлагаемых полиэфиров
29	Shimodzu Co. (Япония)	Прозрачные, бесцветные улучшенные полилактиды Lacty для литья под давлением
30	Silbo (Польша)	Упаковка с применением целлюлозы, новые биокомпостируемые стандарты производства упаковки
31	Showa Denko (Япония)	Специальные алифатические полиэфиры Bionolle, сополимеры полибутилен/сукцинат и полибутилен/сукцинат/аддипинат
32	Solvay S. А. (Бельгия)	Полилактиды для самого различного применения
33	Sukano (Швейцария)	Суперконцентраты добавок и красителей для биоразлагаемых полимеров PLA и PBS
34	Sunkyong Ltd. (Корея)	Алифатические полиэфиры Sky Green
35	Total Corbion PLA (Нидерланды)	Полимолочная кислота (PLA) и лактидные мономеры Luminy® PLA высокотемпературные и стандартные марки для широкого диапазона от упаковки до потребительских товаров, волокон и автомобилей
36	Union Carbide Corp.(CШA)	Крупный поставщик полилактидов с высокой молекулярной массой для получения пленок и мешков под пищевые отходы, также высокомолекулярный, водорастворимый и биоразлагаемый полиэфир Polyox

РАЗРАБОТКА НОВЫХ ПОЛИМЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ

Рис. 4. Производственные мощности биопластиков по регионам в 2019 г., %

Источник: Европейский институт биопластиков

Таким образом, растет потребность в компостируемых биопластиках, что подтверждается увеличением количества производителей подобных материалов и продукции на их основе. Природные полимеры обладают высокой биоразлагаемостью, биосовместимостью и безопасностью. С другой стороны, использование синтетических материалов обусловлено тем, что они могут быть адаптированы для получения необходимых характеристик путем применения различных технологий производства для воспроизведения молекулярной структуры и из-

менения механических свойств в зависимости от потребностей.

Задачей новейших разработок в области создания компостируемых биопластиков является установление общих закономерностей в подборе компонентов и технологических параметров для производства материалов, сочетающих высокий уровень эксплуатационных характеристик со способностью к биоразложению, и основных правил регулирования скорости их безопасной деградации по окончании срока службы.