В мире производят около 180 млн. т пластмасс в год, и со временем все они переходят в отходы. Поэтому с точки зрения защиты окружающей среды больше внимания уделяется изучению процессов, происходящих при биоразложении, и созданию биоразлагаемых изделий для различных областей использования.
     В литературе встречаются такие понятия, как "биоразложение" и "биораспад". В общем, это взаимозаменяемые термины, но все - таки согласно литературе под "биоразложеним" - понимают сумму микробных процессов, в результате которых происходит минерализация органических элементов, "биораспадом" - предполагают потерю физических свойств (появляется ломкость, хрупкость), появление дезинтеграции полимерных пленок и т.д.
     Биоразлагаемые полимерные материалы можно разделить на три группы, граница между которыми довольно условная:
- пластики на основе природных биополимеров;
- химически и микробиологически синтезированные полимеры;
- композиционные материалы.
     Как уже отмечалось раннее, в предыдущей статье, отсутствуют критерии оценки биоразлагаемости и компостируемости.
     Компостирование - саморазогреваемый, аэробный процесс биоразложения органических отходов с растительными сухими добавками. При оптимальных условиях: температуре, влажности и рН компостирование заканчивается за 3 месяца; при нормальных условиях - в течение 1…2 лет до гумуса для удобрения почв. Процесс компостирования - в основном окислительный процесс. Он может протекать в кучах или котлах высотой от 94 до 157 см при определенной влажности.
     Биоразложение смесей зависит от размера кристаллитов, наличия аморфной части, физического состояния поверхности, совмещения фаз, видов микроорганизмов биоразлагаемой среды и определяется, в основном, тремя параметрами: поглощением кислорода, изменением оптической плотности, потерей веса испытуемого продукта и изменением веса образующейся биомассы. Лучше всего, если в процессе биоразложения протекают одновременно гидролитическое и энзимное разложение.
     И пока ведутся дебаты о применимости тех или иных методов стандартизации для биоразложения и компостирования, во всем мире ссылаются на требования, предъявляемые DIN 54900, и которые состоят из:
- DIN 54900-1, позволяет определить наличие вредных (органических и неорганических) продуктов, не разлагаемых в компосте;
- DIN 54900-2, позволяет определить полное биоразложение каждого компонента в лабораторных условиях;
- DIN 54900-3, позволяет провести испытания на биоразлагаемость на пилотной установке.
     Утилизируемые материалы должны также отвечать требованиям:
- PALGZ - 251 - позволяет, определить токсичные вещества в использованной упаковке, способные мигрировать в компост;
- OECD - определяет требования по "совместимости" утилизируемых материалов с растительностью.
     Одним из возможных направлений получения биологически разрушаемых материалов является создание композиционных материалов. Сочетание синтетического полимера с природным может придавать материалу новый набор свойств. Первая категория таких материалов представляет собой наполненные системы, в которых крахмал (самый распространенный и наиболее изученный материал) используется в качестве функционального наполнителя в его натуральном виде. При этом зерна крахмала за счет сил адгезии заключаются в матрицу синтетического полимера. Известны низко- и высоконаполненные крахмальные композиции. Наиболее важным качеством этих композиций является их способность к деструкции под действием природных факторов окружающей среды: света, тепла, микроорганизмов.
     Другая категория материалов основана на деструкции крахмальных зёрен, которая происходит при термомеханической дезинтеграции макроскопических крахмальных зёрен при добавлении пластификатора. Более значимую область применения имеет термопластический крахмал, который при взаимодействии с синтетическим полимером играет роль сополимера. Кроме того, возможно создание армированного полимерного материала, где в качестве арматуры может быть использовано натуральное волокно (лён).
     Наиболее часто используется первая категория материалов, в которых крахмал выступает в роли активного наполнителя.
     В последнее десятилетие появилось значительное количество патентов и научных публикаций, содержащих информацию об использовании крахмалов в качестве наполнителей для придания полимерным композициям биологической разрушаемости.
     Фирмой "Archer Dniels Midland", США, разработан концентрат марки Poly Clean на основе полиэтилена для получения биоразлагаемых пленок. Концентрат содержит 40 % крахмала и окисляющую добавку, количество крахмала в конечном продукте равно 5…6 %.
     В Италии фирма Novamont выпускает биоразлагаемый материал, в состав которого входит полиамид, смешанный с окисляющимися гидрофильными соединениями, имеющими низкую молекулярную массу. Под действием микроорганизмов окружающей среды материал распадается на мономеры, и полное разрушение происходит в течение нескольких месяцев. Материал легко перерабатывается на оборудовании и применяется для изготовления одноразовой посуды, медицинских изделий, хирургического инструмента.
     Фирма Tubize Plastics (Франция) выпустила два материала:
     - Biopac, который изготавливается из веществ растительного происхождения, в основе которых ацетаты целлюлозы с пластификаторами-добавками, ускоряющими разложение. Разложение на 50 % происходит в течение 6…12 месяцев. Материал используется для упаковки бытовых отходов;
     - Biocell 163 на основе ацетата целлюлозы. После погружения в воду материал начинает впитывать воду и через 6 месяцев 40 % материала разлагается, превращаясь в углекислый газ и воду. Полное разрушение происходит за 18 месяцев.
     Серийный выпуск саморазлагающихся полимерных пленок осуществляется фирмами США, Канады под торговыми марками Polyclean, Ecostar, Ampact. Основой для этих пленок является полиэтилен низкой плотности.
     Однако в ряде случаев в качестве полимерной основы использованы синтетические полимеры (за исключением ацетатов целлюлозы), в основном полиолефины. К тому же, большая часть разработанных к настоящему моменту полимеров с регулируемым сроком службы, кроме безвредных, содержит в своем составе специальные добавки, обеспечивающие фотодеструкцию. Хотя последние, как правило, токсичны и способны загрязнять окружающую среду, как при переработке материала, так и при его эксплуатации и утилизации.
     Указанных недостатков лишены биологически разрушаемые термопластичные композиции на основе крахмала, где в качестве полимерного связующего используются пластифицированные эфиры целлюлозы или продукт самоконденсации капролактама, адипиновой кислоты и гексаметилендиамина, так как все используемые в композиции компоненты биологически инертны.
     Такие композиции пригодны для изготовления товаров народного потребления (разовые и многоразовые емкости, различные кормушки для животных, мешки, короба, ящики и пр.), которые по истечении срока эксплуатации достаточно легко утилизируются.
     В США запатентована биоразлагаемая полимерная композиция, состоящая из крахмала (до 70 %), полигидроксиэфира, поликапролактона. Причем используются различные виды крахмала: кукурузный, картофельный, рисовый, а также их смеси. Из такой композиции изготавливают горшки для рассады, футляры для бритв, коробки.
     В Германии фирмой Apack разработана биоразлагаемая композиция, состоящая из крахмала, целлюлозного волокна (из древесины, хлопка), биополимеров на основе аминокислот. Из такой композиции формуют сосуды, тарелки.
     Биоразлагаемые изделия для упаковки пищевых продуктов с улучшенной стойкостью к увлажнению получают из смеси крахмала, биоразлагаемого волокна (преимущественно целлюлозного) с добавкой протеинов, природных красителей, которые дополнительно покрывают отверждающим слоем методом погружения или напыления полиуретана или алкидных смол.
     В Китае разработан биоразлагаемый пластик. В качестве полимерной матрицы используются полигидроксибутират, сополимер гидроксибутирата с гидроксивалератом, полилактиды. В термопласт вводят 40 % микронизированного (сшитого) крахмала, который обладает повышенной водостойкостью. Такие модифицированные термопласты биоразлагаются на 50 % в почве за 120 дней.