Polímeros biodegradáveis: conceito, propriedades, métodos de preparação e exemplos de reações

2024 Autor: Howard Calhoun | [email protected]. Última modificação: 2023-12-17 10:38

Você pode notar que, na última década, os produtos com o prefixo "bio" adicionado ao nome ganharam popularidade. Destina-se a informar que o produto é seguro para os seres humanos e para a natureza. É ativamente promovido pela mídia. Chegou até ao ridículo - ao escolher uma bebida, eles consideram o biokefir o melhor, e o biocombustível não é mais uma alternativa ao petróleo, mas um produto ecologicamente correto. E não se esqueça dos bio-extratos que fazem os cosméticos funcionarem "milagres".

Informações gerais

Agora vamos falar sério. Muitas vezes, movendo-se pelas estradas, você pode ver lixões espontâneos. Além disso, existem aterros sanitários completos onde os dejetos humanos são armazenados. Parece não ser ruim, mas há um menos - tempo de decomposição muito longo. Há um grande número de maneiras de consertar isso - esta é a reciclagem de lixo e o uso de materiais menos nocivos que destroem rapidamente os decompositores. Vamos falar sobre o segundo caso.

Há muitos pontos aqui. Embalagens, pneus, vidros, derivados da indústria química. Todos eles exigematenção. No entanto, não existe uma receita universal específica. Portanto, é necessário saber especificamente o que e como garantir a prevenção da poluição ambiental.

Os polímeros biodegradáveis foram desenvolvidos como uma resposta ao problema do descarte de resíduos plásticos. Não é nenhum segredo que seu volume está crescendo a cada ano. A palavra biopolímeros também é usada para sua designação abreviada. Qual é a peculiaridade deles? Eles podem se decompor no ambiente devido à ação de fatores físicos e microorganismos - fungos ou bactérias. Um polímero é considerado tal se toda a sua massa for absorvida na água ou no solo dentro de seis meses. Isso resolve parcialmente o problema dos resíduos. Ao mesmo tempo, são obtidos produtos de decomposição - água e dióxido de carbono. Se houver mais alguma coisa, é necessário investigar a segurança e a presença de substâncias tóxicas. Eles também podem ser reciclados pela maioria das tecnologias de fabricação de plásticos padrão, como extrusão, moldagem por sopro, termoformagem e moldagem por injeção.

Em que áreas estamos trabalhando?

A obtenção de polímeros biodegradáveis é uma tarefa bastante trabalhosa. O desenvolvimento de tecnologias que permitem obter materiais seguros é realizado ativamente nos Estados Unidos, no continente europeu, no Japão, na Coréia e na China. Infelizmente, deve-se notar que na Rússia os resultados são insatisfatórios. Criar uma tecnologia para a biodegradação de plásticos e sua produção a partir de matérias-primas renováveis é um prazer caro. Além disso, o país ainda tem petróleo suficiente para a produção de polímeros. Mas tudomesmo, três direções principais podem ser distinguidas:

1. Produção de poliésteres biodegradáveis à base de ácidos hidroxicarboxílicos.
2. Criação de plásticos com base em ingredientes naturais reproduzíveis.
3. Os polímeros industriais tornam-se biodegradáveis.

Mas e na prática? Vamos dar uma olhada em como os polímeros biodegradáveis são feitos.

Polihidroxialcanoatos bacterianos

Os microrganismos geralmente crescem em ambientes onde os carbonos nutrientes estão disponíveis. Neste caso, há uma deficiência de fósforo ou nitrogênio. Nesses casos, os microrganismos sintetizam e acumulam polihidroxialcanoatos. Eles servem como reserva de carbonos (lojas de alimentos) e energia. Se necessário, eles podem decompor polihidroxialcanoatos. Esta propriedade é utilizada para a produção industrial de materiais deste grupo. Os mais importantes para nós são o polihidroxibutirato e o polihidroxivalerato. Assim, esses plásticos são biodegradáveis. Ao mesmo tempo, são poliésteres alifáticos resistentes à radiação ultravioleta.

Deve-se notar que, embora tenham estabilidade suficiente no meio aquático, o mar, o solo, os ambientes de compostagem e reciclagem contribuem para a sua degradação biológica. E isso acontece bem rápido. Por exemplo, se o composto tiver uma umidade de 85% e 20-60 graus Celsius, a decomposição em dióxido de carbono e água levará de 7 a 10 semanas. Onde os polihidroxialcanoatos são usados?

Elessão utilizados para a fabricação de embalagens biodegradáveis e materiais não tecidos, lenços descartáveis, fibras e filmes, produtos de higiene pessoal, revestimentos hidrófugos para papelão e papel. Via de regra, eles podem passar oxigênio, são resistentes a produtos químicos agressivos, têm relativa estabilidade térmica e têm resistência comparável ao polipropileno.

Falando sobre as desvantagens dos polímeros biodegradáveis, deve-se notar que eles são muito caros. Um exemplo é a Biopol. Custa 8-10 vezes mais do que o plástico tradicional. Por isso, é usado apenas na medicina, para embalar alguns perfumes e produtos de higiene pessoal. Mais popular entre os polihidroxialcanoatos é o mirel, obtido a partir do amido de milho sacarificado. Sua vantagem é o custo relativamente baixo. Mas, mesmo assim, seu preço ainda é o dobro do tradicional polietileno de baixa densidade. Ao mesmo tempo, as matérias-primas representam 60% do custo. E os principais esforços visam encontrar suas contrapartes baratas. A perspectiva em questão é o amido de cereais como trigo, centeio, cevada.

Ácido polilático

A produção de polímeros biodegradáveis para embalagens também é feita com polilactídeo. Também é ácido polilático. O que ele representa? É um poliéster alifático linear, um produto de condensação do ácido lático. É um monômero a partir do qual o polilactídeo é sintetizado artificialmente por bactérias. Deve-se notar que sua produção com a ajuda de bactérias é mais fácil do que o método tradicional. Afinal, os polilactídeos são criados por bactérias a partir de açúcares disponíveis em um processo tecnologicamente simples. O próprio polímero é uma mistura de dois isômeros ópticos com a mesma composição.

A substância resultante tem uma estabilidade térmica bastante alta. Assim, a vitrificação ocorre a uma temperatura de 90 graus Celsius, enquanto a fusão ocorre a 210-220 Celsius. Além disso, o polilactídeo é resistente aos raios UV, levemente inflamável e, se queimar, com uma pequena quantidade de fumaça. Pode ser processado usando todos os métodos adequados para termoplásticos. Os produtos obtidos a partir de polilactídeos possuem alta rigidez, brilho e são transparentes. Eles são usados para fazer pratos, bandejas, filme, fibra, implantes (é assim que os polímeros biodegradáveis são usados na medicina), embalagens para cosméticos e produtos alimentícios, garrafas para água, suco, leite (mas não refrigerantes, porque o material passa dióxido de carbono). Além de tecidos, brinquedos, capinhas de celular e mouses de computador. Como você pode ver, o uso de polímeros biodegradáveis é muito extenso. E isso é apenas para um de seus grupos!

Produção e biodegradação do ácido polilático

Pela primeira vez, uma patente para sua produção foi emitida em 1954. Mas a comercialização desse bioplástico começou apenas no início do século 21 – em 2002. Apesar disso, já existe um grande número de empresas envolvidas em sua fabricação - apenas na Europa existem mais de 30 delas. Uma vantagem importanteo ácido polilático é de custo relativamente baixo - já concorre quase em pé de igualdade com o polipropileno e o polietileno. Supõe-se que já em 2020, a polilactida poderá começar a empurrá-los no mercado mundial. Para aumentar sua biodegradabilidade, o amido é frequentemente adicionado a ele. Isso também tem um efeito positivo sobre o preço do produto. É verdade que as misturas resultantes são bastante frágeis, e plastificantes, como sorbitol ou glicerina, devem ser adicionados a elas para tornar o produto final mais elástico. Uma solução alternativa para o problema é criar uma liga com outros poliésteres degradáveis.

O ácido polilático se decompõe em duas etapas. Primeiro, os grupos éster são hidrolisados com água, resultando na formação de ácido lático e algumas outras moléculas. Então eles se decompõem em um determinado ambiente com a ajuda de micróbios. Os polilactídeos passam por esse processo em 20-90 dias, após o que resta apenas dióxido de carbono e água.

Modificação de amido

Quando são utilizadas matérias-primas naturais, é bom, pois os recursos para isso são constantemente renovados, então são praticamente ilimitados. O amido ganhou a maior popularidade a esse respeito. Mas tem uma desvantagem - tem uma maior capacidade de absorver a umidade. Mas isso pode ser evitado se você notar parte dos grupos hidroxila no éster.

O tratamento químico permite criar ligações adicionais entre as partes do polímero, o que ajuda a aumentar a resistência ao calor, a estabilidadea ácidos e força de cisalhamento. O resultado, o amido modificado, é utilizado como plástico biodegradável. Ele se decompõe a 30 graus em composto em dois meses, tornando-o altamente ecológico.

Para reduzir o custo do material, utiliza-se amido bruto, que é misturado com talco e álcool polivinílico. Pode ser produzido usando o mesmo equipamento que o plástico comum. O amido modificado também pode ser tingido e impresso usando técnicas convencionais.

Observe que este material é antiestático por natureza. A desvantagem do amido é que suas propriedades físicas são geralmente inferiores às resinas produzidas petroquimicamente. Ou seja, polipropileno, bem como polietileno de alta e baixa pressão. E, no entanto, é aplicado e vendido no mercado. Assim, é usado para fazer paletes para produtos alimentícios, filmes agrícolas, materiais de embalagem, talheres, além de redes para frutas e legumes.

Usando outros polímeros naturais

Este é um tópico relativamente novo - polímeros biodegradáveis. A gestão racional da natureza contribui para novas descobertas nesta área. Tantos outros polissacarídeos naturais são usados na produção de plásticos biodegradáveis: quitina, quitosana, celulose. E não apenas separadamente, mas também em combinação. Por exemplo, um filme com maior resistência é obtido a partir de quitosana, fibra de microcelulose e gelatina. E se você enterrá-lo no chão, ele irá rapidamentedecomposto por microorganismos. Pode ser usado para embalagens, bandejas e similares.

Além disso, as combinações de celulose com anidridos dicarboxílicos e compostos epóxi são bastante comuns. Sua força é que eles se decompõem em quatro semanas. Garrafas, filmes para cobertura morta, utensílios de mesa descartáveis são feitos do material resultante. Sua criação e produção está crescendo ativamente a cada ano.

Biodegradabilidade de polímeros industriais

Este problema é bastante relevante. Polímeros biodegradáveis, exemplos dos quais foram citados acima para reações com o meio ambiente, não duram nem um ano no meio ambiente. Considerando que materiais industriais podem poluir por décadas e até séculos. Tudo isso se aplica ao polietileno, polipropileno, cloreto de polivinila, poliestireno, tereftalato de polietileno. Portanto, reduzir o tempo de sua degradação é uma tarefa importante.

Para alcançar este resultado, existem várias soluções possíveis. Um dos métodos mais comuns é a introdução de aditivos especiais na molécula do polímero. E no calor ou na luz, o processo de sua decomposição é acelerado. Isto é adequado para utensílios de mesa descartáveis, garrafas, embalagens e filmes agrícolas, sacos. Mas, infelizmente, também há problemas.

A primeira é que os aditivos devem ser usados nas formas tradicionais - moldagem, fundição, extrusão. Nesse caso, os polímeros não devem se decompor, embora sejam submetidos à temperaturaem processamento. Além disso, os aditivos não devem acelerar a decomposição de polímeros à luz e também permitir a possibilidade de uso a longo prazo sob ela. Ou seja, é preciso garantir que o processo de degradação se inicie em determinado momento. É muito difícil. O processo tecnológico envolve a adição de 1-8% de aditivos (por exemplo, o amido discutido anteriormente é introduzido) como parte de um pequeno método de processamento típico, quando o aquecimento da matéria-prima não excede 12 minutos. Mas, ao mesmo tempo, é necessário garantir que eles sejam distribuídos uniformemente por toda a massa de polímero. Tudo isso permite manter o período de degradação na faixa de nove meses a cinco anos.

Perspectivas de desenvolvimento

Embora o uso de polímeros biodegradáveis esteja ganhando força, eles agora representam uma ínfima porcentagem do mercado total. Mas, no entanto, eles ainda encontraram uma aplicação bastante ampla e estão se tornando cada vez mais populares. Já agora eles estão bem entrincheirados no nicho de embalagens de alimentos. Além disso, os polímeros biodegradáveis são amplamente utilizados para garrafas, copos, pratos, tigelas e bandejas descartáveis. Também se firmaram no mercado na forma de sacolas para coleta e posterior compostagem de restos de alimentos, sacolas para supermercados, filmes agrícolas e cosméticos. Nesse caso, podem ser utilizados equipamentos padrão para a produção de polímeros biodegradáveis. Devido às suas vantagens (resistência à degradação em condições normais, baixa barreira ao vapor de água e ao oxigénio, sem problemas de eliminação de resíduos, independência de matérias-primas petroquímicas), continuam a ganharmercado.

Entre as principais desvantagens, deve-se lembrar as dificuldades da produção em larga escala e o custo relativamente alto. Este problema, até certo ponto, pode ser resolvido por sistemas de produção em larga escala. O aprimoramento da tecnologia também possibilita a obtenção de materiais mais duráveis e resistentes ao desgaste. Além disso, deve-se notar que há uma forte tendência de foco em produtos com o prefixo “eco”. Isso é facilitado pela mídia e pelos programas de apoio governamental e internacional.

As medidas de conservação estão sendo gradualmente reforçadas, resultando na proibição de alguns produtos plásticos tradicionais em alguns países. Por exemplo, pacotes. Eles são proibidos em Bangladesh (depois que foram encontrados entupindo os sistemas de drenagem e causando grandes inundações duas vezes) e na Itália. Gradualmente vem a percepção do preço real que deve ser pago por decisões erradas. E entender que é necessário garantir a segurança do meio ambiente levará a cada vez mais restrições ao plástico tradicional. Felizmente, há uma demanda pela transição para materiais ainda mais caros, mas ecologicamente corretos. Além disso, centros de pesquisa em muitos países e grandes empresas privadas buscam tecnologias novas e mais baratas, o que é uma boa notícia.

Conclusão

Então consideramos o que são polímeros biodegradáveis, métodos de produção e escopo desses materiais. Existe uma constanteaperfeiçoamento e aperfeiçoamento de tecnologias. Portanto, esperemos que nos próximos anos o custo dos polímeros biodegradáveis realmente alcance os materiais obtidos por métodos tradicionais. Depois disso, a transição para empreendimentos mais seguros e ecologicamente corretos será apenas uma questão de tempo.