Полимолочная кислота: биоразлагаемый полимер

Альтернативной здесь могут выступать биоразлагаемые полимеры – биодеградирующие полимерные материалы, распадающиеся под действием естественных микробиологических и химических процессов на безопасные продукты, лучшим примером которых могут служить углекислый газ и вода. Одно из таких искусственно синтезированных веществ – полимолочная кислота.

Что такое полимолочная кислота

Полимолочная кислота (ПЛА, полимер молочной кислоты – ПМК, полилактид, Polilactic acid – PLA) – это биоразлагаемый, термопластичный полиэфир, вырабатываемый путём конденсации молочной кислоты. Сырьём для её получения путём ферментации сахаров, входящих в состав растительного крахмала, выступают сахарный тростник, жмых сахарной свёклы, кукуруза и маниока. Это возобновляемые растительные сырьевые ресурсы, используемые в процессе получения полимолочной кислоты, приходящей на смену производимым из нефти традиционным термопластам.

В пользу ПМК свидетельствует и тот факт, что вырабатываемый с экономической точки зрения достаточно эффективно полимер в 2021 году стал самым востребованным в списке мировых биопластиков. Чему благоприятствует множество достоинств полимеризируемого мономера молочной кислоты, производимого такими компаниями, как Total Corbion PLA, Nature Works, Evonic, FKuR, RTP Company.

Характеристики и свойства полилактида

Биоразлагаемый и биосовместимый полимер, вырабатываемый из биоматериалов, всё больше выступает в качестве достойной альтернативы изготовленным из нефти полимерам, таким как акрилонитрил-бутадиен-стирол (АБС-пластик), поливинилхлорид (ПВХ), полистирол (ПС), полипропилен (ПП) и полиэтилентерефлатат (ПЭТФ), так как не уступает им по своим потребительским качествам.

Температура плавления многих типов полилактида составляет 180°С, температура стеклования колеблется в пределах 55-60°С. Одним из преимуществ – наличие в полимолочной кислоте кристаллов, которые способствуют повышению качества изготавливаемых изделий. Кроме того, в перечне достоинств ПЛА:

• Высокая прочность и высокий модуль упругости, обеспечивающие товарный вид выпускаемой продукции. Здесь полилактид не уступает полистиролу (ПС).
• Меньшее потребление энергии по сравнению с производством других полимеров.
• Простота переработки (в сравнении со стандартными термопластами).
• Постоянное расширение областей использования, приумножающихся вследствие развития технологий производства композитных, биокомпозитных и нанокомпозитных материалов.

Однако это не говорит об отсутствии множества недостатков (уходить от них приходится посредством ряда специальных технологий), в списке которых:

• низкая температура стеклования, составляющая примерно 55° С;
• малая прочность (при ударах) и жёсткость, низкая гибкость, плохая пластичность;
• затруднённость и продолжительность процесса кристаллизации, что вызывает получение аморфной продукции;
• высокая чувствительность к биологическим и химическим процессам пиролиза;
• термическая нестабильность;
• малая скорость разложения и продолжительность формирования во время осуществления переработки.

Способы производства

Наиболее распространённый метод получения ПМК в промышленных масштабах – это полимеризация исходных материалов с раскрытием цикла. Причина заключается в быстроте реакции, требующей высокой температуры, низкого давления и привлечения металлических катализаторов, подчас вызывающих рацемизацию полилактида.

Другие методы полимеризации, стимулируемые ультразвуком сонохимические процессы или воздействие при помощи микроволнового излучения, требуют дальнейших исследований и разработок, способных сделать их более конкурентоспособными в коммерческом отношении.

Из иных методов получения полимолочной кислоты можно отметить прямую поликонденсацию, обеспечивающую поток низкомолекулярных полимеров, что под воздействием агентов преобразуются в высокомолекулярные соединения, а также азеотропную дегидративную конденсацию, обеспечивающую удаление воды из зоны реакции за счёт введения органических растворителей.

Методы и условия переработки

Существует немало способов переработки множества марок полилактида:

• Литьё под давлением, где перерабатываемый материал может проходить сушку в большинстве применяемых сушилок или проходить процедуру переработки при помощи горячеканальных систем.
• Экструзия волокон – прядение штапельных волокон из расплава.
• Экструзия плёнок, предназначенная для того, чтобы совместно с другими полиалактидами создавать термосвариваемый слой в процессе формирования двухосно-ориентированных плёнок из полиактидов.
• Стандартная экструзия.
• Изготовление термостойких плёнок.
• Производство формованной (штучной) продукции методами раздувного формирования и термоформирования.
• Производство нетканого материала фильерным способом по технологии «спанбонд».
• Изготовление филаментов – прутков, нитей, предназначенных для 3D-печати, сферами применения которой выступают промышленность, архитектура и медицина.

Способы улучшения свойств полимолочной кислоты

Несмотря на множество достоинств, полимолочная кислота не лишена недостатков. Чтобы в какой-то мере нейтрализовать их, изменив свойства ПЛА с целью расширения сфер применения в лучшую сторону, было разработано несколько методов и технологий, предусматривающих введение добавок, а также создание полимерных смесей на основе полилактида.

Повышение пластичности, эластичности или сразу обоих свойств посредством добавления в состав полимеров малолетучих низкомолекулярных пластификаторов именуется «пластификацией». Добиться её можно с помощью введения в полилактид лактидного мономера, но не отличающийся стабильностью места расположения мономер часто мигрирует на поверхность. Увеличение пластичности также можно обеспечить за счёт добавления низкомолекулярного полиэтиленглюколя или сложных эфиров цитраты, что ненамного повысит прочность ПМК и приведёт к снижению прочностного предела и модуля упругости во время её растяжения.

Повысить ударную прочность материала может карбонат кальция – CaCO3, концентрация которого в составе полимолочной кислоты не должна превышать 30%. Ещё способствуют улучшению качеств ПЛА модификаторы ударной вязкости, но при этом они снижают компостируемость полилактида.

Разлагаемый сложный полиэфир поликапролактонат (ПКЛ) вследствие низкой температуры стеклования наделён рядом свойств каучуков. Предел его удлинения при разрыве достигает 600%, что даёт возможность смешения полимолочной кислоты и ПКЛ с целью повышения прочностных характеристик вырабатываемой смеси.

Ещё в качестве добавки для образования смеси применяют полигидроксиалканоат (ПГА), который обладает (в сравнении с ПЛА) повышенной ударной прочностью и более высокими модулями упругости и прочности. При этом компостируемость и экологичность полилактида не претерпевает значительных изменений.

Большой интерес представляют созданные на основе наноразмерных добавок нанокомпозитные материалы. В таких случаях в роли наполнителей выступают коллоидный диоксид кремния, пластинчатая глина, которые по сравнению с традиционно используемыми макро- и микрочастицами – тальком, стеклом, пластинчатой глиной, наделены рядом преимуществ: большей площадью поверхности, специфическим соотношением размеров и улучшенной адгезией по отношению к матрице. Так, сформированные на базе полимолочной кислоты и глины нанокомпозиты отличаются улучшенными барьерными, механическими, оптическими и теплофизическими свойствами.

Сферы применения полилактида

Сферы применения ПЛА расширяются. И на это есть свои причины. Ни для кого не секрет, что одноразовые пластиковые изделия загрязняют нашу планету. А ведь за период с 1950 года пластика было изготовлено свыше 8,3 млрд т. Значительная его часть в виде отходов располагается в Мировом океане, куда ежегодно отправляется порядка 8 млн т изделий из пластика.

Не лучше дело обстоит и в районе прибрежных пляжей, где 83% мусора составляет пластик. Дело уже дошло до того, что среднестатистический житель планеты в год потребляет 70 тыс. частиц микропластика, который также присутствует в организмах 90% птиц и рыб, проживающих на Земле. Это уже привело к гибели 1,1 млн животных и птиц, проживавших поблизости с побережьем. Всё это вызывает обеспокоенность мировой общественности, осознавшей вступление человечества в эпоху пластикового апокалипсиса.

Для решения проблемы принимаются серьёзные меры:

• Запрет на использование одноразовых пластиковых пакетов, введённый на территории свыше 90 государств мира (к примеру, 4 года тюрьмы можно получить в Кении за наличие пластикового пакета). К числу их 20 июля 2019 года присоединилась Панама, ставшая пока последней в этом списке.
• Создание в 36 странах систем налогообложения, в значительной степени препятствующих обращению полимерной продукции.
• Активизация инициатив по введению ограничений на одноразовые изделия в других государствах мирового сообщества.
• Внедрение в странах Евросоюза в мае 2019 года новых правил, запрещающих к 2021 году использование созданных на основе пластиков ватных палочек, посуды, соломинок и тому подобных изделий. Также предусматривается специальная маркировка на иную пластиковую продукцию и повышение требований к процессам по её дальнейшей утилизации.
• В 2022 году Индия должна была полностью уйти от одноразовых пластиковых изделий.
• В России предусмотрено поэтапное сокращение выпуска пластиковых пакетов.

На фоне таких событий освободившуюся нишу рынка начинают осваивать созданные на основе крахмала, целлюлозы, ПЛА и тому подобных материалов полимеры, используемые во многих сферах мирового хозяйства.

Сегодня наиболее освоенными областями использования полилактида выступают:

• Изготовление биоразлагаемой упаковки, в основном предназначенной для пищевых изделий. Она может выпускаться в виде контейнеров, стаканчиков, посуды, обёрточной плёнки и блистерной упаковки. Тем более, что Управление по контролю за продуктами и лекарствами США (FDA) одобрило использование полимолочной кислоты в роли материала, который может контактировать с продуктами питания. Уже имеются технологии производства наносеребряной упаковки, обладающей антибактериальными свойствами.
• Медицина, где высоко оценены такие качества ПМК, как биосовместимость и биоразлагаемость. С помощью полилактида можно изготавливать костные скаффолды, имплантанты, изделия для сочленения и соединения костей, ранозалечивающие материалы, средства адресной доставки лекарств, биоабсорбенты, средства для дерматологической обработки тканей.
• 3D- и 4D-печать. Здесь ПЛА выступает в роли материала, предназначенного для изготовления нитей, используемых в принтерах и в роли обладателя памяти по сохранению первоначальной формы изделий.

И это лишь начало большого пути, где актуальным становится использование полимолочной кислоты в качестве одной из составляющей, предназначенной для производства компонентов, используемых в автомобилестроении, изготовлении электротехники и электроники. Не менее важным направлением использования полилактида может стать получение волокон и тканей, находящих применение в производстве одежды, ковровых изделий, постельных принадлежностей. Обобщая сказанное, можно предположить, что биоразлагаемые полимеры, в списке которых присутствует и ПЛА, вполне могут прийти на смену традиционным полимерам. Они способны расширить сферы применения за счёт уникальных свойств и особенностей.