Polymères biodégradables : concept, propriétés, méthodes de préparation et exemples de réactions

2024 Auteur: Howard Calhoun | [email protected]. Dernière modifié: 2023-12-17 10:27

Vous remarquerez peut-être qu'au cours de la dernière décennie, les produits avec le préfixe "bio" ajouté au nom ont gagné en popularité. Il est destiné à informer que le produit est sans danger pour l'homme et la nature. Il est activement promu par les médias. C'est même devenu ridicule - lors du choix d'une boisson, ils considèrent que le biokéfir est le meilleur, et le biocarburant n'est plus une alternative au pétrole, mais un produit respectueux de l'environnement. Et n'oubliez pas les bio-extraits qui font des "miracles" les cosmétiques.

Informations générales

Maintenant, soyons sérieux. Souvent, en se déplaçant le long des routes, vous pouvez voir des décharges spontanées. De plus, il existe des décharges à part entière où les déchets humains sont stockés. Cela ne semble pas mauvais, mais il y a un inconvénient - un temps de décomposition trop long. Il existe un grand nombre de façons de résoudre ce problème - il s'agit du recyclage des ordures et de l'utilisation de matériaux moins nocifs qui détruisent rapidement les décomposeurs. Parlons du deuxième cas.

Il y a beaucoup de points ici. Emballages, pneumatiques, verre, dérivés de l'industrie chimique. Toutes nécessitentattention. Cependant, il n'y a pas de recette universelle spécifique. Par conséquent, il est nécessaire de savoir précisément quoi et comment assurer la prévention de la pollution de l'environnement.

Les polymères biodégradables ont été développés pour répondre au problème de l'élimination des déchets plastiques. Ce n'est un secret pour personne que leur volume augmente chaque année. Le mot biopolymères est également utilisé pour leur désignation abrégée. Quelle est leur particularité ? Ils peuvent se décomposer dans l'environnement en raison de l'action de facteurs physiques et de micro-organismes - champignons ou bactéries. Un polymère est considéré comme tel si toute sa masse est absorbée dans l'eau ou le sol dans les six mois. Cela résout en partie le problème des déchets. Dans le même temps, des produits de décomposition sont obtenus - eau et dioxyde de carbone. S'il y a quoi que ce soit d'autre, il faut alors enquêter sur la sécurité et la présence de substances toxiques. Ils peuvent également être recyclés par la plupart des technologies de fabrication de plastique standard telles que l'extrusion, le moulage par soufflage, le thermoformage et le moulage par injection.

Dans quels domaines travaillons-nous ?

Obtenir des polymères biodégradables est une tâche plutôt laborieuse. Le développement de technologies permettant d'obtenir des matériaux sûrs est activement mené aux États-Unis, sur le continent européen, au Japon, en Corée et en Chine. Malheureusement, il convient de noter qu'en Russie, les résultats ne sont pas satisfaisants. Créer une technologie pour la biodégradation des plastiques et leur production à partir de matières premières renouvelables est un plaisir coûteux. De plus, le pays dispose encore de suffisamment de pétrole pour la production de polymères. Mais toutmême, trois directions principales peuvent être distinguées:

1. Production de polyesters biodégradables à base d'acides hydroxycarboxyliques.
2. Créer des plastiques à base d'ingrédients naturels reproductibles.
3. Les polymères industriels deviennent biodégradables.

Mais qu'en est-il en pratique ? Examinons de plus près comment les polymères biodégradables sont fabriqués.

Polyhydroxyalcanoates bactériens

Les micro-organismes se développent souvent dans des environnements où les carbones nutritifs sont disponibles. Dans ce cas, il y a une carence en phosphore ou en azote. Dans de tels cas, les micro-organismes synthétisent et accumulent des polyhydroxyalcanoates. Ils servent de réserve de carbone (magasins alimentaires) et d'énergie. Si nécessaire, ils peuvent décomposer les polyhydroxyalcanoates. Cette propriété est utilisée pour la production industrielle des matériaux de ce groupe. Les plus importants pour nous sont le butyrate de polyhydroxy et le valérate de polyhydroxy. Ainsi, ces plastiques sont biodégradables. En même temps, ce sont des polyesters aliphatiques résistants aux rayons ultraviolets.

Il convient de noter que bien qu'ils aient une stabilité suffisante dans le milieu aquatique, la mer, le sol, les milieux de compostage et de recyclage contribuent à leur dégradation biologique. Et ça se passe assez vite. Par exemple, si le compost a une humidité de 85 % et de 20 à 60 degrés Celsius, la décomposition en dioxyde de carbone et en eau prendra 7 à 10 semaines. Où sont utilisés les polyhydroxyalcanoates ?

Ilssont utilisés pour la fabrication d'emballages biodégradables et de matériaux non tissés, de lingettes jetables, de fibres et de films, de produits de soins personnels, de revêtements hydrofuges pour carton et papier. En règle générale, ils peuvent laisser passer l'oxygène, sont résistants aux produits chimiques agressifs, ont une stabilité thermique relative et ont une résistance comparable au polypropylène.

Parlant des inconvénients des polymères biodégradables, il convient de noter qu'ils sont très coûteux. Un exemple est Biopol. Il coûte 8 à 10 fois plus cher que le plastique traditionnel. Par conséquent, il n'est utilisé qu'en médecine, pour le conditionnement de certains parfums et produits de soins personnels. Le plus populaire parmi les polyhydroxyalcanoates est le mirel, obtenu à partir d'amidon de maïs saccharifié. Son avantage est son coût relativement faible. Mais, néanmoins, son prix est toujours le double de celui du polyéthylène basse densité traditionnel. Dans le même temps, les matières premières représentent 60% du coût. Et les principaux efforts visent à trouver ses homologues bon marché. Le prospect en question est l'amidon de céréales comme le blé, le seigle, l'orge.

Acide polylactique

La production de polymères biodégradables pour l'emballage est également réalisée à l'aide de polylactide. C'est aussi de l'acide polylactique. Que représente-t-il ? C'est un polyester aliphatique linéaire, un produit de condensation de l'acide lactique. C'est un monomère à partir duquel le polylactide est synthétisé artificiellement par des bactéries. Il convient de noter que sa production à l'aide de bactéries est plus facile que la méthode traditionnelle. Après tout, les polylactides sont créés par des bactéries à partir de sucres disponibles dans un processus technologiquement simple. Le polymère lui-même est un mélange de deux isomères optiques de même composition.

La substance résultante a une stabilité thermique assez élevée. Ainsi, la vitrification se produit à une température de 90 degrés Celsius, tandis que la fusion se produit à 210-220 Celsius. De plus, le polylactide est résistant aux UV, légèrement inflammable, et s'il brûle, alors avec une petite quantité de fumée. Il peut être traité par toutes les méthodes adaptées aux thermoplastiques. Les produits obtenus à partir de polylactide ont une rigidité, une brillance et une transparence élevées. Ils sont utilisés pour fabriquer des assiettes, des barquettes, des films, des fibres, des implants (c'est ainsi que les polymères biodégradables sont utilisés en médecine), des emballages pour les produits cosmétiques et alimentaires, des bouteilles d'eau, de jus, de lait (mais pas de boissons gazeuses, car la matière passe gaz carbonique). Ainsi que des tissus, des jouets, des étuis pour téléphones portables et des souris d'ordinateur. Comme vous pouvez le voir, l'utilisation de polymères biodégradables est très répandue. Et ce n'est que pour l'un de leurs groupes !

Production et biodégradation d'acide polylactique

Pour la première fois, un brevet pour sa production a été délivré en 1954. Mais la commercialisation de ce bioplastique n'a commencé qu'au début du 21ème siècle - en 2002. Malgré cela, il existe déjà un grand nombre d'entreprises qui se consacrent à sa fabrication - seulement en Europe, il y en a plus de 30. Un avantage importantl'acide polylactique est relativement peu coûteux - il est déjà en concurrence presque sur un pied d'égalité avec le polypropylène et le polyéthylène. On suppose que déjà en 2020, le polylactide pourra commencer à les pousser sur le marché mondial. Pour augmenter sa biodégradabilité, on y ajoute souvent de l'amidon. Cela a également un effet positif sur le prix du produit. Certes, les mélanges obtenus sont plutôt fragiles et des plastifiants, tels que le sorbitol ou la glycérine, doivent leur être ajoutés afin de rendre le produit final plus élastique. Une solution alternative au problème consiste à créer un alliage avec d'autres polyesters dégradables.

L'acide polylactique se décompose en deux étapes. Tout d'abord, les groupes ester sont hydrolysés avec de l'eau, ce qui entraîne la formation d'acide lactique et de quelques autres molécules. Ensuite, ils se décomposent dans un certain environnement à l'aide de microbes. Les polylactides subissent ce processus en 20 à 90 jours, après quoi il ne reste que du dioxyde de carbone et de l'eau.

Modification de l'amidon

Lorsque des matières premières naturelles sont utilisées, c'est bien, car les ressources pour cela sont constamment renouvelées, elles sont donc pratiquement illimitées. L'amidon a acquis la plus grande popularité à cet égard. Mais il a un inconvénient - il a une capacité accrue à absorber l'humidité. Mais cela peut être évité si vous remarquez une partie des groupes hydroxyle sur l'ester.

Le traitement chimique vous permet de créer des liaisons supplémentaires entre les parties du polymère, ce qui contribue à augmenter la résistance à la chaleur, la stabilitéaux acides et à la force de cisaillement. Le résultat, l'amidon modifié, est utilisé comme plastique biodégradable. Il se décompose à 30 degrés dans le compost en deux mois, ce qui le rend très respectueux de l'environnement.

Pour réduire le coût du matériau, on utilise de l'amidon brut, qui est mélangé avec du talc et de l'alcool polyvinylique. Il peut être produit en utilisant le même équipement que pour le plastique ordinaire. L'amidon modifié peut également être teint et imprimé à l'aide de techniques conventionnelles.

Veuillez noter que ce matériau est de nature antistatique. L'inconvénient de l'amidon est que ses propriétés physiques sont généralement inférieures aux résines produites par voie pétrochimique. C'est-à-dire le polypropylène, ainsi que le polyéthylène haute et basse pression. Et pourtant, il est appliqué et vendu sur le marché. Ainsi, il est utilisé pour fabriquer des palettes pour les produits alimentaires, des films agricoles, des matériaux d'emballage, des couverts, ainsi que des filets pour les fruits et légumes.

Utilisation d'autres polymères naturels

Il s'agit d'un sujet relativement nouveau: les polymères biodégradables. La gestion rationnelle de la nature contribue à de nouvelles découvertes dans ce domaine. Tant d'autres polysaccharides naturels sont utilisés dans la production de plastiques biodégradables: chitine, chitosane, cellulose. Et pas seulement séparément, mais aussi en combinaison. Par exemple, un film à résistance accrue est obtenu à partir de chitosane, de fibre de microcellulose et de gélatine. Et si vous l'enterrez dans le sol, il sera rapidementdécomposé par les micro-organismes. Il peut être utilisé pour les emballages, plateaux et articles similaires.

De plus, les combinaisons de cellulose avec des anhydrides dicarboxyliques et des composés époxy sont assez courantes. Leur force est qu'ils se décomposent en quatre semaines. Des bouteilles, des films pour le paillage, de la vaisselle jetable sont fabriqués à partir du matériau résultant. Leur création et leur production se développent activement chaque année.

Biodégradabilité des polymères industriels

Ce problème est tout à fait pertinent. Les polymères biodégradables, dont des exemples ont été cités ci-dessus pour des réactions avec l'environnement, ne dureront même pas un an dans l'environnement. Alors que les matériaux industriels peuvent le polluer pendant des décennies voire des siècles. Tout cela s'applique au polyéthylène, polypropylène, polychlorure de vinyle, polystyrène, polyéthylène téréphtalate. Par conséquent, réduire le temps de leur dégradation est une tâche importante.

Pour arriver à ce résultat, plusieurs solutions sont possibles. L'une des méthodes les plus courantes consiste à introduire des additifs spéciaux dans la molécule de polymère. Et à la chaleur ou à la lumière, le processus de leur décomposition est accéléré. Cela convient à la vaisselle jetable, aux bouteilles, aux emballages et aux films agricoles, aux sacs. Mais, hélas, il y a aussi des problèmes.

La première est que les additifs doivent être utilisés de manière traditionnelle - moulage, coulée, extrusion. Dans ce cas, les polymères ne doivent pas se décomposer, bien qu'ils soient soumis à la températureEn traitement. De plus, les additifs ne doivent pas accélérer la décomposition des polymères à la lumière et permettre également la possibilité d'une utilisation à long terme sous celle-ci. Autrement dit, il est nécessaire de s'assurer que le processus de dégradation commence à un certain moment. C'est très difficile. Le processus technologique implique l'ajout de 1 à 8% d'additifs (par exemple, l'amidon discuté précédemment est introduit) dans le cadre d'une petite méthode de traitement typique, lorsque le chauffage de la matière première ne dépasse pas 12 minutes. Mais en même temps, il est nécessaire de s'assurer qu'ils sont uniformément répartis dans la masse de polymère. Tout cela permet de maintenir la période de dégradation dans une fourchette de neuf mois à cinq ans.

Perspectives de développement

Bien que l'utilisation de polymères biodégradables gagne du terrain, ils représentent désormais un maigre pourcentage du marché total. Mais, néanmoins, ils ont encore trouvé une application assez large et deviennent de plus en plus populaires. Ils sont déjà bien ancrés dans le créneau des emballages alimentaires. De plus, les polymères biodégradables sont largement utilisés pour les bouteilles, gobelets, assiettes, bols et plateaux jetables. Ils se sont également imposés sur le marché sous la forme de sacs pour la collecte et le compostage ultérieur des déchets alimentaires, de sacs pour les supermarchés, de films agricoles et de cosmétiques. Dans ce cas, un équipement standard pour la production de polymères biodégradables peut être utilisé. De par leurs avantages (résistance à la dégradation dans des conditions normales, faible barrière à la vapeur d'eau et à l'oxygène, pas de problèmes d'élimination des déchets, indépendance vis-à-vis des matières premières pétrochimiques), ils continuent de gagnermarché.

Parmi les principaux inconvénients, il convient de rappeler les difficultés de production à grande échelle et le coût relativement élevé. Ce problème, dans une certaine mesure, peut être résolu par des systèmes de production à grande échelle. L'amélioration de la technologie permet également d'obtenir des matériaux plus durables et résistants à l'usure. De plus, il faut noter qu'il y a une forte tendance à privilégier les produits avec le préfixe "eco". Ceci est facilité à la fois par les médias et les programmes de soutien gouvernementaux et internationaux.

Les mesures de conservation sont progressivement renforcées, entraînant l'interdiction de certains produits en plastique traditionnels dans certains pays. Par exemple, les colis. Ils sont interdits au Bangladesh (après avoir découvert qu'ils obstruaient les systèmes de drainage et causaient deux fois des inondations majeures) et en Italie. Progressivement vient la prise de conscience du prix réel qui doit être payé pour les mauvaises décisions. Et comprendre qu'il est nécessaire d'assurer la sécurité de l'environnement conduira à de plus en plus de restrictions sur le plastique traditionnel. Heureusement, il existe une demande pour la transition vers des matériaux encore plus chers, mais respectueux de l'environnement. De plus, les centres de recherche de nombreux pays et les grandes entreprises privées recherchent de nouvelles technologies moins chères, ce qui est une bonne nouvelle.

Conclusion

Nous avons donc examiné ce que sont les polymères biodégradables, les méthodes de production et la portée de ces matériaux. Il y a une constantel'amélioration et l'amélioration des technologies. Espérons donc que dans les années à venir, le coût des polymères biodégradables rattrapera effectivement celui des matériaux obtenus par les méthodes traditionnelles. Après cela, la transition vers des développements plus sûrs et plus respectueux de l'environnement ne sera qu'une question de temps.