Результаты исследований обучающихся в проекте Полимеры и сополимеры

Авторы и участники проекта

Дмитрий Лудин

Участники группы "Волокна"

Тема исследования группы

"Старение" синтетических (со)полимеров и современные альтернативы

Проблемный вопрос (вопрос для исследования)

Почему синтетические (со)полимеры - это бомба замедленного действия и что с этим делать?

Гипотеза исследования

Мы считаем, что наращивание объёмов производства синтетических (со)полимеров приведет к повышению экологического риска за счет медленного протекания процессов термоокислительной и фото-деструкции.

Цели исследования

1) Анализ научной литературы по тематике исследования

2) Изучение направлений замещения синтетических полимеров

3) Рассмотреть альтернативы современным пластикам

4) Выявить процессы, приводящие к отравлению окружающей среды в результате деструкции (со)полимеров

Результаты проведённого исследования

Пластик широко распространен в современном обществе и стал необходимостью практически во всех сферах жизни, от инфраструктуры до потребительских товаров и медицинских услуг. Из более чем 300 миллионов тонн пластмасс, производимых ежегодно, 90% приходится на невозобновляемое нефтяное сырье. Кроме того, половина всех пластиков предназначена для одноразового применения. Несмотря на то, что они удобны для повседневного использования, окончание срока службы этих пластиков вызывает беспокойство: только 14% пластмасс собираются для вторичной переработки, а 72% попадают в окружающую среду или на свалки. Традиционные пластмассы нефтяного происхождения могут иметь срок службы более 1000 лет, но также могут разлагаться в ультрафиолетовом свете с образованием микро-и нанопластиков, которые могут быть вредны для окружающей среды.

Основными направлениями "позеленения" технологий в России являются: развитие биотехнологических процессов синтеза полимерных материалов; разработка эффективного энергетического оборудования, ядерной энергетики; развитие технологий использования энергии солнца. Химия полимерных материалов не является каким-то обособленным разделом химии – для нее характерны те же принципы, что и для классической химии. Различия обычно проявляются в скоростях протекания реакций, связанных с уменьшением подвижности функциональных групп, а также с воздействием заместителей в структуре макромолекул. Зачастую мера «зелености» полимеров связана с особенностями их получения, переработки, условий эксплуатации, а также зависит от дальнейшей судьбы полимерного материала после завершения эксплуатации изделия. С точки зрения оценки "зелености", различают "зеленую" химию на основе углеводородного сырья и "белую" химию – на основе растительного сырья. С учетом сказанного, далее будут рассмотрены принципы синтеза полимеров на основе растительного сырья, а также химия и технология растительных полимеров целлюлозы, крахмала, хитина, хитозана. Эффекты "зеленых" технологий проявляются в следующих сферах – загрязнения (вод, воздуха, земель и др.), производство энергии из возобновляемых источников, смягчение последствий изменения климата, повышение эффективности использования топлива, замена углеводородного топлива на возобновляемые источники энергии: солнечной, энергии топливных элементов. водородной энергетики. Решение экологических проблем возможно по трем направлениям:

1) синтез полиэфиров на основе гидроксикарбоновых кислот – полиалканоатов;

2) изготовление пластмасс из природного сырья (целлюлозы, крахмала, хитина, хитозана, лигнина);

3) введение в промышленные полимерные материалы добавок, придающих способность разлагаться под воздействием внешних факторов: ультрафиолетовое облучение, влага и микроорганизмы.

Биоразлагаемые пластики предлагают пути для расщепления пластмасс на безобидные соединения, что уменьшает массовое накопление пластиковых отходов. Полилактид (PLA) - это возобновляемый и биоразлагаемый полимер, который может быть использован в качестве прочного пластика с высокими модулями упругости. Однако его использование во многих традиционных приложениях ограничено из-за присущей ему хрупкости. Хотя PLA изначально жесткий при обработке, он подвергается физическому старению и становится хрупким в течение 24-48 ч.

Термоокислительной деструкцией называют разрушение макромолекул при одновременном воздействии тепла и кислорода. В результате термоокислительной деструкции ухудшаются механические, диэлектрические и другие свойства полимерных материалов. Материал становится хрупким, может поменять цвет. Окисление протекает в процессе переработки, хотя концентрация кислорода при этом невелика, а также при эксплуатации изделий из (со)полимеров. В присутствии кислорода температура начала реакции деструкции значительно снижается, а ее скорость возрастает. Полимер является сложной системой, в которой протекает множество конкурирующих радикально-цепных реакций; для решения задач стабилизации необходимо знать механизм и кинетику этих реакций. Окисление полимеров в твердой фазе, как и жидкофазное окисление углеводородов, протекает по механизму цепной автоинициированной реакции. В результате скорость присоединения кислорода и окисления полимера резко возрастает; это явление называется автокатализом. Кинетические кривые поглощения кислорода полимерами имеют S-образную форму, характерную для всех автокаталитических (самоускоряющихся) процессов. Процесс окисления полимеров включает следующие стадии:

1) инициирование кинетических цепей;

2) продолжение кинетической цепи;

3) разветвление кинетической цепи;

4) обрыв кинетической цепи.

Вывод

После изучения предоставленных и найденных нами материалов по теме мы пришли к следующему выводу: в целях снижения экологического риска от использования классических (со)полимеров из нефтяного сырья необходимо вовлекать биоразлагаемые и биосовместимые (со)полимеры, такие как полилактид, крахмал, хитозан, целлюлоза и др.

Полезные ресурсы

Physical Aging of Polylactide-Based Graft Block Polymers

Biodegradable polymers: a cure for the planet, but a long way to go

Другие документы

Учебный проект Полимеры и сополимеры