Открытие реакции полимеризации этилена с образованием полиэтилена стало для человечества таким же эпохальным событием, как возникновение стеклоделия или начало эры нефтепереработки. Довольно быстро нашлось и практическое применение новым термопластам – из HDPE, LDPE, MDPE начали изготавливать пакеты типа майка, банан, петля. Удобная, безопасная и практичная упаковка так прижилась в производстве, торговле и в быту, что вскоре экологи забили тревогу – стали красочно рисовать апокалипсическую картину мусорной «джомолунгмы», в которую стала превращаться поверхность нашей планеты. Тогда химики взялись за работу и изобрели биоразлагаемые пакеты.
Казалось бы, с их появлением проблема была решена, ведь эко пакеты разлагаются за пару лет. Но споры вокруг этой темы не утихают. Чтобы расставить все точки над "i", в этой статье мы решили разобраться в вопросе детально и беспристрастно.
Человечество производит огромное количество мусора. По данным Госстатистики Украины, каждый житель нашей страны за год отправляет на свалку 271 кг отходов (немец – 626 кг, так что «мусорим» мы не больше европейских стран). Но вся западная Европа успешно перерабатывает свой мусор (а Швеция даже скупает у соседей – своего не хватает). А у нас на полигонах уже скопилось около 13 млрд. тонн отходов, что «в пересчете на Джомолунгму» превышает размер самой высокой горы мира (8,848 км). Если же пересчитать размер украинского «мусорного эвереста» в кубометрах и «сложить» из него гору с диаметром основания 20 км, то в высоту она достигнет 10 км.
1. Складировать на полигонах
Возникающие проблемы:
2. Сжигать
Возникающие проблемы:
3. Перерабатывать на вторсырье
Возникающие проблемы:
Поэтому нам нужно развивать производство эко пакетов. И такие технологии уже не просто существуют, но и активно используются. В частности, у нас можно прямо сегодня эко пакеты купить. Заинтересовались? Тогда давайте разберем их «по косточкам», чтобы понять, что представляют собой пакеты биоразлагаемые, какие у них есть преимущества и недостатки.
Биопакеты – быстро биодеградирующая в природе упаковка, в остальном имеющая такие же эксплуатационные свойства, как привычные нам «майки» и «бананы». Биодеградация представляет собой разложение сложных веществ на простые составляющие. Проще говоря, это распад продукта на мелкие частицы под действием влаги, атмосферного озона, ультрафиолета, температуры, микроорганизмов, грибов и др.
Процесс проходит в 3 этапа:
Обычный полиэтилен – редкий долгожитель. В естественных условиях он разлагается веками. Но уже есть технологии, которые значительно ускоряют процесс разложения упаковки.
На сегодняшний день в промышленных масштабах практически или теоретически можно производить:
1. Гидроразлагаемые пакеты из биопластиков: кукурузного и картофельного крахмала, целлюлозы, белков (соевых, казеина, глютена), касторового масла (PA 410), ГМ-кукурузы и др. Однако производство многих из них слишком дорого и энергозатратно, а разлагаются они только в специально созданных для компостирования условиях. Поэтому специалисты считают, что это не выход из положения.
«Выращивать огромные объемы сельскохозяйственных культур, чтобы превратить их в одноразовые предметы, – значит совершенно нерационально использовать ресурсы планеты», – говорит один из ведущих российских специалистов по экополитике А. Иванников.
2. Оксо-биоразлагаемые пакеты: изготавливаются из полиэтилена с добавками (модификаторами термопластов): D2W компании Symphony Environmental Technologies plc (Великобритания), ADDITECH ® ОХ (Аддитех) компании «Техноком» (Украина) и др. Биоразлагаемые полимеры разрушаются под воздействием внешней среды с образованием мельчайших частиц. Однако такая упаковка запрещена в Украине с 10.03.2022 года.
Производство синтетических биодеградирующих термопластов еще сравнительно недавно казалось фантастикой. Но благодаря появлению современных технологий задача стала вполне решаемой.
Ученые выяснили, что необходимо модифицировать полиэтилен таким образом, чтобы он подвергался деградации в 2 этапа:
Разрушение кристаллической макромолекулярной структуры под действием химических и физических факторов окружающей среды (тепло, свет, вода, озон, солнце, кислород).
Усвоение остатков биологическими микроорганизмами (грибами, бактериями, насекомыми) с последующей деградацией до углекислого газа, воды и других безопасных компонентов.
Обычные полимеры имеют большой размер молекул и прочные связи в кристаллической структуре. Чтобы ускорить процесс их разложения, нужно использовать для производства полиэтилена нестойкие композиционные полимеры с добавками, которые способствуют деградации термопласта.
Сделать полимерный материал биологически разрушаемым можно путем введения в его состав наполнителя, который за счет заместителей в боковой группе ослабит кристаллическую структуру и ускорит воздействие химических, физических и биологических факторов, способствующих деградации.
Но при этом необходимо использовать такой наполнитель, который не изменит эксплуатационные свойства полиэтилена. То есть материал для производства эко-пакетов останется столь же прочным, безопасным, нетоксичным, не расползется на куски на складе или в руках у покупателя.
использование композита из смеси синтетических и натуральных полимеров (крахмала, хитина, хитозана);
синтез композиционного полимера с биоразлагаемыми компонентами, которые выступают в роли катализатора реакции разложения основного полимера;
введение в макроцепь молекул с функциональными группами, подверженными фотодеструкции (дитиокарбонатов, винилкетоновых мономеров, сополимеров этилена с оксидом углерода и др.).
Широкое распространение в мире получило использование биоразлагаемой добавки D2W (органического дитиокарбоната), которую производит компания Symphony Environmental Technologies plc (Великобритания).
Процесс производства биоразлагаемых пакетов аналогичен традиционной технологии. В экструдере изготавливается пластичная масса, из которой затем выдувается рукав. Далее полиэтилен можно ламинировать, наносить на него рисунок методом флексопечати, изготавливать из него эко-упаковку, а так же брендированные пакеты.
Процесс разрушения полиэтилена с добавкой D2W происходит за счет последовательного окисления и биоразложения.
Рисунок 1
Продеградант D2W разрушает углеродные связи и активирует распад длинных молекулярных цепочек полиэтилена. Во время абиотической фазы образуются молекулы с короткими цепочками и малой молекулярной массой. Полиэтилен теряет прочность, становится хрупким, распадается на клочки.
Рисунок 2
Образовавшиеся свободные радикалы под воздействием кислорода образуют гидропероксид, полиэтилен приобретает гидрофильность – впитывает воду и разбухает.
Рисунок 3
Образовавшиеся гидропероксиды начинают биоразлагаться естественным путем. Они становятся доступными для микроорганизмов, которые перерабатывают их с образованием воды, углерода и биомассы (кетонов, альдегидов, сложных эфиров и др.).
Шведский профессор Ignacy Jakubowicz, ведущий специалист научно-исследовательского института RISE, руководитель отдела исследований и разработок химии материалов и поверхностей, автор более 30 научных работ, описывает действие D2W следующим образом:
«Процесс оксобиоразложения полиэтилена представляет собой не только фрагментацию, но и полное изменение структуры термопласта из высокомолекулярного полимера к мономерным и олигомерным фрагментам и от углеводородных молекул к кислородсодержащим молекулам, которые подвержены биоассимиляции».
Безопасность и нетоксичность – биоразлагаемая майка столь же безвредна для здоровья людей, как и ее «вечные братья».
Неизменность физико-механических характеристик – эко пакеты по прочности, удобству, внешнему виду не отличаются от обычных.
Естественная биоразлагаемость – био пакетам не нужны какие-то особые условия, которые можно создать только на полигонах промышленного компостирования (как биополимерам с растительными добавками). Они будут разлагаться в реке, в земле, в лесу, на обычной свалке – везде, где есть солнечный свет, влага, микроорганизмы. И через 1-2 года полностью «растворятся в природе» с образованием воды, гумуса, углекислого газа.
Возможность вторичной переработки – их можно использовать для производства полиэтилена из вторсырья. Конечно, если еще не начался процесс биоразложения.
Низкая стоимость – незначительное изменение себестоимости продукта позволяет производителю предлагать клиентам биоразлагаемые кульки по весьма демократичной цене.
Универсальность – D2W можно использовать для производства «маек» и «бананов», упаковки для продуктов питания, медицинских бахил, одноразовых перчаток и др.
Технология производства биоразлагаемых пакетов мало чем отличается от изготовления обычной майки, петли и банана. Единственное существенное различие – это особый состав сырья, который позволяет полиэтилену за несколько лет деградировать до воды, диоксида углерода и небольшого количества компостируемого остатка, которому можно найти практическое применение.
В экструдерном цеху из гранул полимера изготавливают заготовку для производства будущих пакетов. Рукавную пленку делают рукавным методом. Для этого в бункер экструдера загружают все ингредиенты: гранулы полиэтилена, пигменты и оксо-биоразлагаемые добавки. Затем смесь нагревают до вязкотекучего состояния и пластифицируют.
Введение низкомолекулярных пластификаторов позволяет добиться необходимых свойств: повысить эластичность и пластичность, снизить температуру плавления и др.
Затем подготовленная смесь продавливается через формующую головку и принимает форму тонкостенной трубы. Далее внутрь трубчатой заготовки подают через наконечник дорна сжатый воздух для растяжения рукава. Следующий этап – преобразование с помощью складывающих щек цилиндрического рукава в плоское двойное полотно.
Раздуваемый рукав приниматься по схеме:Далее в экструдерном цеху нейтрализуют статический заряд на рукаве и подвергают заготовку коронной обработке. Коронный разряд улучшает адгезию и увеличивает смачиваемость – на микроуровне формируется поверхностная сетчатая структура, в которую потом проникает краска.
Схема экструдера:
Оборудование цеха флексопечати – это флексографические печатные машины, с помощью которых на заготовку наносят изображение. Это ротационные печатные машины с валами и красочными резервуарами. Для краски каждого цвета – свой печатный узел.
По конструкции станки бывают трех типов:
Ярусная 4-х цветная флексографическая машина
Схема печатной машины:
Краска наносится на запечатываемую поверхность с флексоформы. Флексоформа – это клише из тонкой фотополимерной пленки, на котором есть пробельные и выпуклые участки.
Клише может храниться у производителя пакетов до 5-ти лет и использоваться многократно. Заказчику его не отдают, так как светочувствительный полимер требует особых условий хранения (температурного, влажностного, санитарно-гигиенического режима). Малейший дефект клише приведет к тому, что в брак уйдет вся партия пакетов. Поэтому за флексоформами очень тщательно следят, хранят их в стерильных условиях.
Преимущества флексопечати:
Печать на пакетах – эффективный маркетинговый инструмент, который позволяет превратить обычную майку, петлю или банан в рекламный носитель. Причем эффективность такой рекламы выше, чем у бигбордов, плакатов, и крышных конструкций.
Пакетоделательные машины из рукава с рисунком изготавливает майку, банан или петлю.
2-х рядная пакетоделательная машина для производства пакетов типа майка
Производственный цикл состоит из нескольких этапов:
Автоматическая машина работает без вмешательства оператора. Он только контролирует процесс и при необходимости пополняет запасы заготовок или забирает готовую продукцию, штабелированную и готовую к упаковке для дальнейшей отправки заказчику.
Одно из самых интересных ноу-хау – съедобные пакеты. Их прародителями смело можно назвать самую разную упаковку из съедобных материалов: японскую одноразовую посуду из прессованной рисовой муки, знакомые всем нам с детства вафельные стаканчики. А не так давно в Германии начали производить баночки и коробочки из желатина, крахмала, природной целлюлозы, в которых продают десерты, овощные и мясные блюда, супы, лапшу, сухие завтраки и др.
Не отстают и другие страны. Например, в Бразилии можно купить пиццу в упаковке из…томатного пюре. Ее можно смело отправлять в микроволновку и съедать вместе с любимой «Маргаритой» или «Пепперони».
Бразильская сеть ресторанов Бобс (Bob’s) предлагает клиентам съесть гамбургер вместе с бумагой.
Компания Lavazza предлагает для своих клиентов съедобную чашку для кофе. Её внешний слой изготовлен из итальянского печенья Amarettini по специальному рецепту, а внутренний слой состоит из сахарной глазури, которая неспеша подслащивает эспрессо и предотвращает впитывание напитка.
Вообще-то съедобной пленкой уже никого не удивишь – она производится в мире более полувека. Но в этой интересной теме существует такой огромный потенциал, что над ней просто-таки кипит работа.
Пару лет назад группа студентов и преподавателей одного из вузов Украины создали съедобные кульки из расплавленного полисахарида, на вкус напоминающие обычную лапшу. Креативные изобретатели со своим стартапом приняли участие в конкурсе University Startup World Cup и победили в номинации Sustainability awards.
Они представили довольно прочные кульки (выдерживают до 4-х кг), которые можно поместить в микроволновку, отправить в морозилку, съесть самостоятельно или предложить кому-то из своих хвостатых или рогатых домашних питомцев.
Так что не стоит удивляться, если за границей вам в кафе предложат съесть свою… упаковку от гамбургера или тарелку от пиццы. Наряду с биоразлагаемыми пакетами, этот альтернативный метод решения мусорного вопроса пользуется все большей популярностью.
Проблему мусорного апокалипсиса может решить слоган в защиту природы: «Купи био пакет – спаси планету». И мы уверены, что в ближайшем будущем он обязательно станет девизом нового мирового эко-флешмоба.