Упаковочные материалы. Саморазлогающаяся упаковка

Введение

Упаковочные материалы: стекло, жесть, картон, полиэтиленовая пленка; саморазлагающаяся упаковка – прекрасное решение проблем с утилизацией.

Любой товар, представленный на современном рынке, нуждается  в соответствующей упаковке. Задача упаковочных материалов состоит  не только в том, чтобы сохранить  товар и доставить его до потребителя  в удобной форме, но и в том, чтобы привлечь внимание покупателя, дать необходимую информацию.

Требования современности  к упаковке таковы, что все большее  значение имеет ее возможность как  можно дольше сохранять продукт  годным к употреблению. Большое значение при выборе упаковки для производителей имеет также ее пригодность к  термообработке и использованию на автоматических фасовочных линиях.

В настоящее время основными  видами упаковочных материалов являются стекло, жесть, картон, разного рода пластики и полиэтиленовая пленка. Вообще в последние годы роль полимеров  на рынке упаковки заметно возросла, стали широко применяться такие  виды пленки, как стрейч-пленка и  пленка термоусадосадочная.

Но в тоже время все  острее в мире встает и вопрос утилизации этого огромного количества пластиковой  упаковки. Ведь каждый день во всех странах  используется тысячи и тысячи полиэтиленовых пакетов, контейнеров и туб, коробок  и бутылок из пластика. Практически  вся эта упаковка одноразовая  и выбрасывается сразу же после  извлечения из нее купленного товара. Как утилизировать все это  количество разнообразного пластика?

Решить проблему утилизации пластиковых отходов специалисты  предлагают с помощью полимерных фото-, био- и водоразлагаемых упаковок. Все вместе они называются «саморазлагающимися». Вывезенные на свалки эти материалы  под воздействием различных факторов окружающей среды превращаются в  низкомолекулярные соединения, которые  не могут нанести вреда ни природе, ни здоровью человека.

Саморазлагающаяся упаковка

Все это происходит без  использования специального сложного и дорогого оборудования. Для запуска  процесса разложения достаточно лишь солнечного света, влаги, температуры, воздействия микроорганизмов почвы  на протяжении нескольких недель или  месяцев. Это стало возможным  благодаря тому, что полимеры, из которых производят такие упаковки, производят путем синтеза низкомолекулярных  соединений (мономеров). На свалках  такие упаковки под воздействием факторов окружающей среды: солнечного света, влаги, температуры, микроорганизмов  почвы - в течение нескольких недель или месяцев деструктируют до низкомолекулярных соединений, не наносящих  вреда ни природе, ни здоровью человека. В виде мелких фрагментов они могут  быть переработаны бактериями. . В фоторазлагаемых  полимерных упаковочных материалах это происходит за счет воздействия  солнечных лучей; в биоразлагаемых - ферментов, содержащихся в грибах и бактериях почвы; в водоразлагаемых - влаги.

Вообще, пластиковая упаковка – это результат разработок ученых-химиков. Полимеры, из которых производят пластиковые  упаковки, получают в результате синтеза  низкомолекулярных соединений (мономеров). В настоящее время разные виды упаковки производят из полиэтилена, полипропилена, поливинилхлорида, полистирола, поликарбоната  и их модификаций.

Разложение полимерных упаковок становится возможным в процессе распадения макромолекулярных цепей

Производство саморазлагающейся  упаковки в промышленных масштабах  сегодня ведется в нескольких европейских странах, США, Японии и  России.

Среди тароупаковочных полимерных материалов наиболее распространены полиолефины (ПО), к которым относятся полиэтилен высокого давления или низкой плотности (ПЭВД или ПЭНП), полиэтилен низкого  давления или высокой плотности (ПЭНД или ПЭВП), линейный полиэтилен низкой плотности (ЛПЭНП), полипропилен (ПП) и его различные модификации (биаксиально-ориентированная пленка БОПП и др.). Наряду с полиолефинами очень часто применяются полистирольные (ПС) и поливинилхлоридные (ПВХ) пластики. В последние десятилетия к этим традиционным полимерным упаковочным материалам прибавились другие, которые обладают более высокими физико-механическими, прочностными, барьерными свойствами, а также стойкостью к агрессивным средам и повышенной жиростойкостью, что очень важно при упаковке мясных и молочных продуктов. К таким материалам можно отнести, прежде всего, полиамиды алифатической и ароматической структуры (ПА), поликарбонат (ПК), полиэтилентерефталат (ПЭТФ или ПЭТ).

 Замечательные свойства  высокомолекулярных соединений  объясняются тем, что молекула  полимера состоит из низкомолекулярных  фрагментов-мономеров, соединенных  химическими связями. Число мономерных  звеньев в полимере, называемое  степенью полимеризации, может  принимать очень большие значения - десятки и сотни тысяч, даже  до миллиона. Такая молекула полимера, называемая макромолекулой, характеризуется  цепным строением, высокой молекулярной  массой и гибкостью макромолекулярной  цепи. Это и определяет уникальность  свойств полимерных упаковочных  материалов. Однако со временем  в полимерной таре и упаковке  при эксплуатации и хранении  под воздействием тепла, солнечного  света, различных излучений, кислорода,  озона, механических воздействий  может происходить разрушение  макромолекул с разрывом молекулярных  цепей. Такой процесс, называемый  деструкцией (распадом) полимера, приводит  к образованию продуктов со  значительно пониженной молекулярной  массой или к образованию низкомолекулярных  веществ. В результате полимер  стареет, меняются его структура  и свойства, что выражается в  сокращении срока службы изделий.  С таким явлением борются, добавляя  ингибиторы старения в процессах  синтеза и переработки полимеров. 

 С другой стороны,  именно способность макромолекул  подвергаться деструкции под  воздействием различных факторов  и послужила научной основой  для создания саморазлагающихся  упаковок.

Оказалось, что прочные  ковалентные связи полимерной макромолекулы  можно разрушить воздействием энергии, превышающей величину энергии этих связей. Например, с помощью солнечного света. Молекула, поглотившая квант  света, становится энергетически "возбужденной". Если энергия возбуждения превышает  величину энергии, необходимой для  разрыва ковалентной связи, молекула распадается. В результате множества  таких "энергетических атак" образуются низкомолекулярные фрагменты, которые  в конце концов превращаются в  вещества, легко "поедаемые" микроорганизмами почвы.

Однако следует отметить, что при кажущейся простоте этот способ уничтожения использован  ной упаковки является дорогостоящим  и трудоемким. Дело в том, что большинство  полимеров содержат в своей структуре  прочные ковалентные связи С-С, С-Н, С-О, С-N, С-Сl, не поглощающие света  с длиной волны более 190 нм. А ультрафиолетовые лучи, достигающие поверхности Земли, имеют длину волны от 280 до 400 нм. Способность промышленных полимерных материалов поглощать световые волны  с длиной волны более 290 нм объясняется  наличием в них примесей либо специально вводимых хромофорных групп, например карбонильных.

Как правило, добавки для  получения фоторазлагаемых полимерных материалов синтезировать очень  сложно, дорого, и процесс этот весьма трудоемок для промышленного  производства. Вот почему работы, проводимые в этом направлении во всем мире еще с 70-х годов прошлого века, получили свое промышленное завершение сравнительно недавно. В настоящее  время ряд зарубежных фирм (американских, японских и европейских) выпускают  такие упаковки в промышленном масштабе.

 Одним из первых  природных полимеров, на основе  и с участием которого стали  производить биоразлагаемые упаковочные  материалы, был крахмал. Благодаря  своей полисахаридной природе  он легко подвергается биоразложению,  к тому же недорог. 

Первые пластики с использованием крахмала (в пределах 10-40%), а также  веществ, повышающих адгезию между  полимером и крахмалом, получены в Англии еще в 1970-е годы. Выпускаемая из биодеструктируемого ПЭВД пленка под названием Bioplastic широко использовалась в производстве пакетов для упаковки бакалейно-гастрономической продукции. Такая пленка, в отличие от обычного ПЭВД, менее прозрачна из-за наполнения крахмалом. Материал сохраняет свои свойства под воздействием прямых солнечных лучей, воды, но достаточно быстро разрушается под воздействием почвенных бактерий. Скорость разрушения зависит от количества и типа крахмала, его предварительной обработки, наличия других добавок. Использование крахмала снижает стоимость упаковки и отвечает требованиям экологии: качество почвы после разложения такой пленки только улучшается.

 В 1990-х годах биоразлагаемые  пластики, состоящие уже на 40-70% из  крахмала, стали выпускать во  всем мире (более 20 000 т в год  в США, 5000 т в год в Японии), в том числе и в виде вспененных  материалов. Наиболее известные  упаковочные полимерные материалы  на основе ПЭВД и различных  крахмалов - полимерные пленки  под торговыми наименованиями Polyclean, Ecostar и Ampacet (производства США и  Канады). В них кроме крахмала  вводят антиоксиданты для торможения  процесса биоразложения при изготовлении  упаковки и в течение времени  ее эксплуатации.

В России на основе крахмала в конце прошлого века был создан полимерный упаковочный материал Биодем. Он предназначен для пищевой продукции  с небольшим сроком хранения, а  также для одноразовой посуды. Перерабатывается традиционными для  пластмасс методами: литьем под давлением, экструзией, термоформованием. По механическим характеристикам близок к ПЭВД, а  по химической стойкости даже превосходит  его. Изделия из этого материала  хорошо впитывают воду ..  и за полгода разлагаются на 40%, а полное разложение на углекислый газ и воду происходит примерно через 18 месяцев.

Сегодня крахмал вытесняют  другие биоразлагаемые добавки. В США  на основе поликапролактона с добавлением  необходимого катализатора биодеструкции  выпускают биодеструктируемый полимерный упаковочный материал TONE. Он быстро разлагается на открытом воздухе  под действием биологических  факторов, хорошо совмещается с такими распространенными полимерами, как полиэтилен различного давления, ЛПЭНП, ПП, ПС, ПВХ, ПЭТ, ПК и др. Пленка TONE, производимая из смеси ЛПЭНП и поликапролактона, используется в производстве мешков для сбора городского мусора. Такие мешки разрушаются сразу же после выбрасывания их на свалку благодаря быстрому воздействию микроорганизмов на молекулы капролактона.

Последнее достижение в области  биоразлагаемых полимеров - термопласт Biopol на основе сополимера полигидро-ксибутирата (ПГБ) и полигидроксивалерата (ПГВ), получаемого путем ферментации  сахарозы. Он хорошо перерабатывается экструзией с раздувом в пленку и  бутылочную тару. Саморазлагается достаточно быстро (от 6 до 36 недель) как в аэробных, так и в анаэробных условиях.

Полимерные материалы  из природного сырья можно повторно перерабатывать в другие изделия  бытового и промышленного назначения, а также сжигать с получением тепла и электроэнергии.

Водоразлагаемые упаковки делают из водорастворимых полимеров на основе поливинилового спирта (ПВС), а  также сополимеров на основе ПВС  и винилацетата (Vinex). Большой популярностью  в Европе пользуются полимеры под  названием Бланозе. В их основе высокоочищенная  натриевая карбоксиметилцеллюлоза (КМЦ). Пленки Бланозе применяют в  косметической промышленности, для  упаковки лекарств, хлебобулочных изделий, напитков, соусов, замороженных молочных продуктов и других.

На основе полиамидных  соединений выпускают материалы Novon. Из Novon 2020 получают вспененный амортизирующий материал в виде частиц размером 3-10 мм для хрупких изделий. После  вскрытия такую упаковку можно выбросить  в воду или канализацию, где она  быстро растворится и исчезнет. Этот материал можно также использовать для изготовления одноразовой посуды, коробок для яиц, оберточных пленок для одежды и текстильных изделий, детских подгузников, гигиенических  тампонов и косметических принадлежностей.

Упаковка, созданная на основе метилцеллюлозы и белковых комплексов не загрязняют окружающую среду и  разлагаются в почве под действием  микроорганизмов в течение 14 дней. Разработчики подсчитали, что на организацию производства биоразлагаемой пленки потребуется порядка 4-5 миллионов рублей.

Впервые в истории молочной промышленности на прилавках магазинов  появятся йогурты в стаканчиках  из биополимеров на основе полимолочной кислоты. Об окончании подготовительных работ по запуску инновационной  упаковки в производство официально рассказала американская компания Stonyfield Farm. Крупнейший мировой производитель  натуральных йогуртов Stonyfield Farm выбрал биопластики для использования  при производстве всех видов своих  контейнеров «мультипак» - формованных, герметичных и пломбированных. Новая  упаковка – стаканчики для йогуртов - будет изготовлена из полимолочной кислоты на основе смолы марки Ingeo (NatureWorks LLC) взамен предыдущей тары, которая  производилась из полистирола высокой  прочности. С точки зрения технологии эта замена должна привести к сокращению выбросов вредных газов в атмосферу  и снижению парникового эффекта  на 48%.

Хотя количество и ассортимент  саморазлагающихся упаковок год  от года увеличиваются, тем не менее  их процент в упаковочных материалах, поступающих на российские свалки и  мусороперерабатывающие заводы, пока не такой большой. А без увеличения выпуска именно таких упаковочных  материалов рассчитывать на лучшее не приходится.

Биоразлагаемые полимеры

На сегодняшний день существует порядка ста видов саморазлагающихся  полимеров и все они требуют  специальных условий для утилизации. В странах Западной Европы и Северной Америки, где рынок сертифицированной  саморазлагаемой упаковки насчитывает  многолетнюю историю, споры об ее «экологичности» по сравнению с  обычным пластиком продолжаются до сих пор. Так называемые биоразлагаемые полимеры делятся на две группы: первая (к ней относится и разработка ставропольских ученых) производится из натурального сырья, вторая – из тех же, что и привычный пластик, продуктов нефтехимии, с добавлением присадок, позволяющих ему разлагаться при наличии кислорода и солнечного светы в сотни и тысячи раз быстрее, чем это делает обычный пластик.