Simpozionul „Impactul Acquis-ului comunitar asupra echipamentelorşi tehnologiilor de mediu - ACQUISTEM“, ediţia a VIII-aPagina 1din 1128 - 29 iulie 2011, Sta ţia ICPE Agigea TEHNOLOGII DISPONIBILE PENTRU PROCESAREA POLIMERILOR BIODEGRADABILI Maria RÂPĂ, Elena GROSU, Andreiana SCHEAU, Cristian Florian STĂNESCU S.C. INCERPLAST S.A., Str. Ziduri Moşi, Nr. 23, Sector 2, Bucure şti e-mail: [email protected]Cuvinte cheie: polimeri, biodegradabilitate, poturi, bandăÎn ultimele decenii, polimerii sintetici sunt utilizaţi la scarămare în multe domenii de activitate. Aceste substanţe macromoleculare sunt, de obicei, de origine petrolier ăşi nu sunt biodegradabile. Oricum, resursele petroliere sunt limitate iar utilizarea polimerilor nebiodegradabili cauzeazăserioase probleme mediului înconjur ător. În plus, polimerii nebiodegradabili nu sunt adecvaţi pentru utilizarea temporar ă. Au fost propuse multe solu ţii pentru managementul deşeurilor provenite din materiale plastice, cum ar fi reciclarea, incinerarea şi degradarea materialelor. Prin reciclare nu se obţin produse de calitate datoritănaturii heterogene a materialelor plastice. Incinerarea materialelor plastice cu eliminarea gazelor toxice şi a vaporilor poate constitui un pericol pentru sănătate. Cea mai oportunăsoluţie o reprezintămaterialele plastice biodegradabile. În aceastălucrare se prezint ăaspectele generale legate de polimerii biodegradabili şi aplicaţiile compoundurilor polimerice pe bazăde acid polilactic cu fibre derivate de lemn în sectorul agricol (poturi, bandăpentru legarea tomatelor). Keywords: polymers, biodegradability, pots, yarn In recent decades, synthetic polymers are used in large scale in many industries. These macromolecular substances are usually petroleum origin and are not biodegradable. However, oil resources are limited and the use of non-biodegradable polymers causing serious environmental problems. In addition, non-biodegradable polymers are not suitable for temporary use. Many solutions have been proposed for the management of waste plastics, such as recycling, incineration and material degradation. By recycling high quality products is not achieved because of the heterogeneous nature of plastic. Incineration of plastics disposal of toxic gases and vapours may be dangerous to health. The most appropriate solution is the biodegradable plastics. This paper presents general aspects related to biodegradable polymers and applications of Poly(lactic acid) PLA and wood fiber in the agricultural field (pots, tomatoes yarns).
12
Embed
S1 6 Tehnologii Disponibile Pentru Procesarea Polimerilor Biodegradabili
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Transcript
7/23/2019 S1 6 Tehnologii Disponibile Pentru Procesarea Polimerilor Biodegradabili
Cuvinte cheie: polimeri, biodegradabilitate, poturi, band ă
În ultimele decenii, polimerii sintetici sunt utilizaţi la scară mare în multe domenii de activitate. Aceste
substanţe macromoleculare sunt, de obicei, de origine petrolieră şi nu sunt biodegradabile. Oricum,
resursele petroliere sunt limitate iar utilizarea polimerilor nebiodegradabili cauzează serioase probleme
mediului înconjurător. În plus, polimerii nebiodegradabili nu sunt adecvaţi pentru utilizarea temporară.
Au fost propuse multe soluţii pentru managementul deşeurilor provenite din materiale plastice, cum
ar fi reciclarea, incinerarea şi degradarea materialelor. Prin reciclare nu se obţin produse de calitate
datorită naturii heterogene a materialelor plastice. Incinerarea materialelor plastice cu eliminarea gazelor
toxice şi a vaporilor poate constitui un pericol pentru sănătate. Cea mai oportună soluţie o reprezintă
materialele plastice biodegradabile.
În această lucrare se prezintă aspectele generale legate de polimerii biodegradabili şi aplicaţiile
compoundurilor polimerice pe bază de acid polilactic cu fibre derivate de lemn în sectorul agricol (poturi,bandă pentru legarea tomatelor).
Keywords: polymers, biodegradability, pots, yarn
In recent decades, synthetic polymers are used in large scale in many industries. These
macromolecular substances are usually petroleum origin and are not biodegradable. However, oil
resources are limited and the use of non-biodegradable polymers causing serious environmental
problems. In addition, non-biodegradable polymers are not suitable for temporary use.Many solutions have been proposed for the management of waste plastics, such as recycling,
incineration and material degradation. By recycling high quality products is not achieved because of the
heterogeneous nature of plastic. Incineration of plastics disposal of toxic gases and vapours may be
dangerous to health. The most appropriate solution is the biodegradable plastics.
This paper presents general aspects related to biodegradable polymers and applications of
Poly(lactic acid) PLA and wood fiber in the agricultural field (pots, tomatoes yarns).
7/23/2019 S1 6 Tehnologii Disponibile Pentru Procesarea Polimerilor Biodegradabili
Simpozionul „Impactul Acquis-ului comunitar asupra echipamentelor şi tehnologiilor de mediu - ACQUISTEM“ , ediţia a VIII-a
Pagina 2 din 11
28 - 29 iulie 2011, Staţia ICPE Agigea
1. INTRODUCERE
Tehnologiile de obţinere a unor noi materiale polimerice sunt foarte promiţătoare din punctul de
vedere al aplicaţiilor: agricultură (folii, produse cu acţiune ierbicidă şi aplicare preemergentă) [1]; bunuri de
larg consum (ambalaje) cu durată determinată de viaţă; produse pe bază de matrici polimerice cueliberare controlată de substanţă activă (medicamente); în industrie pentru produse electrotehnice
(izolaţii) [2]; recuperarea şi reciclarea deşeurilor polimerice; medicină, la obţinerea de dispozitive
medicale, implanturi [3-4].
Tendinţele actuale în ştiinţa procesării polimerilor sunt orientate către:
crearea de noi tipuri de materiale cu proprietăţi de biodegradabilitate, biocompatibilitate, rezistenţă la
coroziune, flexibilitate, proprietăţi optice, electrice, care să înlocuiască materialele folosite tradiţional în
agricultură, electronică, industrie, medicină;
posibilitatea de recuperare şi reciclare a acestor materiale pentru protejarea ecosistemului.
În contextul preocupărilor legate de prezervarea mediului înconjurător, recuperarea şi reciclareadeşeurilor din materiale plastice, înlocuirea polimerilor sintetici tradiţionali cu polimeri obţinuţi din resurse
regenerabile, ecologice, realizarea de amestecuri polimerice biodegradabile, cu aplicaţii în agricultură,
medicină etc. este de strictă actualitate.
Deşeurile de materialele plastice sunt rezistente la atacul microbian şi astfel se acumulează
cantităţi mari în sol. Aceste deşeuri nu ajută la fertilizarea solului. Cea mai bună alternativă pentru
deşeurile de materiale plastice este sintetizarea materialelor plastice degradabile.
Polimerii naturali cum ar fi amidonul, făina de lemn sunt biodegradabili, în timp ce majoritatea
polimerilor sintetici nu sunt biodegradabili. Aditivii materialelor plastice, cu masă moleculară mică, cum ar
fi plastifianţii şi agenţii de armare sunt susceptibili la atacul microbian. Aceştia conduc la rigidizarea
polimerului. Microbii, în schimb, eliberează enzime oxidative nespecifice care atacă polimerul sintetic. De
asemenea, degradarea graduală a polimerului natural conduce la creşterea suprafeţei prin eroziune.
Acest fenomen va accelera degradarea polimerului sintetic prin difuzia O2, a umezelii şi a enzimelor în
matricea polimerică poroasă.
Acest articol reprezintă o sinteză a consideraţiilor generale despre biodegradabilitatea polimerilor,
obţinerea unor polimeri biodegradabili, proprietăţile şi aplicaţiile acestora.
2. ASPECTE GENERALE PRIVIND BIODEGRADABILITATEA POLIMERILOR
Pe plan mondial este acceptată ideea că utilizarea prelungită a polimerilor pentru aplicaţii care
necesită o durată de viaţă scurtă (ambalaje, industria alimentară, chirurgie, igienă) nu este în totalitate
adecvată. Aceasta nu este recomandată atunci când există preocupări în legătură cu prezervarea
sistemelor ecologice. Majoritatea polimerilor sintetici sunt obţinuţi din resurse petroliere şi nu sunt
biodegradabili. Aceşti polimeri reprezintă o sursă semnificativă de poluare a mediului înconjurător atunci
când sunt dispersaţi aleator în natură.
7/23/2019 S1 6 Tehnologii Disponibile Pentru Procesarea Polimerilor Biodegradabili
Simpozionul „Impactul Acquis-ului comunitar asupra echipamentelor şi tehnologiilor de mediu - ACQUISTEM“ , ediţia a VIII-a
Pagina 3 din 11
28 - 29 iulie 2011, Staţia ICPE Agigea
Au fost propuse multe soluţii pentru managementul deşeurilor provenite din materiale plastice, cum ar
fi reciclarea, incinerarea şi degradarea materialelor. Prin reciclare nu se obţin produse de calitate datorită
naturii heterogene a materialelor plastice. Incinerarea materialelor plastice cu eliminarea gazelor toxice şi
a vaporilor poate constitui un pericol pentru sănătate. Cea mai oportună soluţie o reprezintă materialele
plastice degradabile. Datorită preocupărilor privind protecţia mediului înconjurător şi nevoilor pentru
dezvoltarea durabilă din ultimii ani s-au efectuat cercetări relevante pentru producerea de sisteme
polimerice biodegradabile.
Polimerii biodegradabili sunt studiaţi şi utilizaţi într-un număr foarte mare de aplicaţii, cum ar fi:
ambalaje, filme, fibre, straturi protectoare pentru hârtie şi textile, aplicaţii medicale pentru suturi
chirurgicale, implanturi, matrici pentru sisteme cu eliberare controlată a unor medicamente sau principii
active utilizate în domeniul agriculturii. Nu este neglijată nici introducerea lor în fabricarea de repere cu
scop industrial.
Obţinerea de amestecuri polimerice biodegradabile constituie o direcţie de cercetare prioritară şi
multidisciplinară, aflată în strânsă conexiune cu cercetări fundamentale în domeniul termodinamicii şicompatibilizării polimerilor, a ingineriei mediului, a biotehnologiilor.
3.1 BIOCHIMIA PROCESELOR DE DEGRADARE
Biodegradabilitatea reprezintă proprietatea unui material (inclusiv cel polimeric) de a-şi modifica
structura sa chimico-morfologică sub acţiunea diverselor specii de microorganisme [5].
Fig. 1. Modalităţi de desfăşurare a procesului de biodegradare
Conţinutul total de carbon (C) din polimer apare sub forma a trei produse finale (figura 1):
CO2 este produsul de respiraţie al microorganismelor;
7/23/2019 S1 6 Tehnologii Disponibile Pentru Procesarea Polimerilor Biodegradabili
Simpozionul „Impactul Acquis-ului comunitar asupra echipamentelor şi tehnologiilor de mediu - ACQUISTEM“ , ediţia a VIII-a
Pagina 6 din 11
28 - 29 iulie 2011, Staţia ICPE Agigea
acidului lactic prin evaporarea apei rezultate în timpul procesului de formare a oligomerilor. L-acidul lactic,
D-acidul lactic sau amestecul lor pot fi polimerizaţi la oligomerul corespunzătorde masă moleculară mică,
care apoi este depolimerizat catalitic printr-un proces de transesterificare internă în lactide. În timpul
polimerizării sunt posibile formarea a trei stereoizomeri: L-lactida, D-lactida şi mezo-lactida. În faza a
doua, L-lactida, D-lactida, D, L-lactida (50:50 amestec L şi D) sau mezo-lactida după purificare sunt
transformate prin polimerizare catalitică cu deschidere de ciclu în poliesteri corespunzători de masă
moleculară ridicată. Polimerizarea cu deschidere de ciclu poate fi realizată în topitură, masă, soluţie sau
emulsie având un catalizator care este întotdeauna necesar pentru a iniţia reacţia. Funcţie de sistemul
iniţiator/coiniţiator, polimerizarea cu deschidere de ciclu poate fi realizată prin mecanism anionic, cationic,
zwiterionic, H-activ sau radicali liberi.
O metodă de realizare a poliesterilor de masă moleculară mare este folosirea extenderilor de lanţ
[15-16]. De obicei, extenderii de lanţ sunt compuşi bifuncţionali de masă moleculară mică cu care creşte
masa polimerilor printr-o reacţie rapidă şi nu dau produse secundare care să contamineze polimerulrezultat. Drept extenderi de lanţ pentru poliesteri se folosesc: diizocianaţi, bisepoxizi, dianhidride, bis(2-
oxazoline), bis(5,6-dihidro-4H-oxazine) [17-20].
Polilactida
Polilactida este un polimer termoplastic biodegradabil obţinut din acid lactic. Polilactida este rezistentă
la apă, dar nu poate rezista la temperaturi mari (> 55 0C). Deşi este insolubilă în apă, microorganismele
din mediul marin pot să o descompună în CO2 şi apă. Acest polimer se aseamănă cu polistirenul, prezintă
aspect lucios, dar este dur şi casant şi necesită modificare pentru cele mai multe aplicaţii practice
(prezenţa plastifianţilor conduce la creşterea flexibilităţii). Polilactida poate fi procesată ca şi cele maimulte materiale termoplastice în fibre, filme, formare prin termoformare sau injecţie.
În procesul de fabricare a polilactidei, cerealele sunt măcinate pentru extragerea amidonului.
Amidonul este apoi procesat pentru producerea dextrozei nerafinate care, prin fermentare, conduce la
acid lactic. Acidul lactic rezultat este condensat pentru producerea lactidei, un dimer ciclic intermediar
care este utilizat ca monomer pentru obţinerea biopolimerului. Lactida este purificată prin distilare în
vacuum. Apoi se supune procesului de fierbere fără solvent pentru deschiderea structurii inelului pentru
polimerizare, astfel se obţine poli(lactida) (figura 4).
7/23/2019 S1 6 Tehnologii Disponibile Pentru Procesarea Polimerilor Biodegradabili
Simpozionul „Impactul Acquis-ului comunitar asupra echipamentelor şi tehnologiilor de mediu - ACQUISTEM“ , ediţia a VIII-a
Pagina 7 din 11
28 - 29 iulie 2011, Staţia ICPE Agigea
Fig. 4. Obţinerea polilactidei
3.3.2 Propriet ăţ i
Acidul polilactic posedă multe propriet
ăţi echivalente materialelor plastice derivate din
hidrocarburi, fapt ce îl face adecvat pentru o serie de aplicaţii. Acidul polilactic este un polimer
termoplastic şi se foloseşte în sectorul ambalajelor, întrucât are temperatura tranziţiei sticloase de aprox.
60 0C superioară temperaturii de folosinţă a produselor. Are rezistenţă la solvenţi şi arome utilizate în
domeniul alimentar şi este o barieră bună pentru vapori şi gaze permanente [21].
Recentele avantaje oferite de obţinerea unui polimer cu masă moleculară înaltă permite folosirea
acestuia pentru obţinerea de fibre, filme, neţesute, articole formate prin injecţie şi termoformare [22].
Polimerii sintetizaţi îmbină proprietatea de biodegradabilitate a acidului polilactic cu cele de
stabilitate termică şi rezistenţă mecanică specifice poliuretanilor şi poliamidelor. Supuşi proceselor de
biodegradare în sol prin compostare şi în teste de creştere a plantelor s-a observat că polimerii suntcomplet biodegradabili şi nu prezintă efecte ecocitotoxice.
Proprietăţile materialelor plastice pe bază de acid polilactic şi amidon comparativ cu materialele
plastice convenţionale sunt prezentate în tabelul 1.
Degradarea PLA are loc prin hidroliza grupelor ester care este un proces eterogen şi decurge cu
viteză mai mare în partea centrală a probei decât la suprafaţă. Această viteză depinde puternic de
structura morfologică, dimensiunea implantului biodegradabil, precum şi de condiţiile de reacţie. Hidroliza
este catalizată de către grupele carboxil şi viteza de hidroliză creşte exponenţial în timp. Prezenţa
monomerului rezidual, a oligomerilor şi compuşilor cu greutate moleculară scăzută accelerează puternic
viteza de degradare, întrucât prezenţa lor are tendinţa de a creşte flexibilitatea lanţului şi hidrofiliapolimerului şi furnizează grupe carboxilice pentru reacţia autocatalitică [23-24].
7/23/2019 S1 6 Tehnologii Disponibile Pentru Procesarea Polimerilor Biodegradabili
[11] D.R. Witzke, R. Narayan, J.J. Kolstad, Macromolecules 30, p. 7075, 1997.
[12] H.R. Kricheldorf, I. Kreiser-Saunders, C. Boettcher, Polymers 36, p. 1253, 1995.
[13] H.R. Kricheldorf, I. Kreiser-Saunders, A.Stricker, Macromolecules 33, p. 702, 2000.[14] Carothers W., Dorough G., Van Natta F., J. Am. Chem. Soc. 54, p. 761, 1932.
[15] Pat. US5470944, 1995.
[16] Pat. EP0020944, 1983.
[17] P. Bonsignore, US5470944, 1995.
[18] H. Inata, S. Matsumura, J. Appl. Polym. Sci. 30, p. 3325, 1985.
[19] K. Hiltunen, Acta Polytech. Scând. Che. Technol. Ser. 254, p. 1, 1997.
7/23/2019 S1 6 Tehnologii Disponibile Pentru Procesarea Polimerilor Biodegradabili