Во многом именно бурное развитие упаковочной отрасли в последние десятилетия (см. "Наука и жизнь" № 10, 2006 г.) привело к тому, что объем бытовых отходов на душу населения в индустриальных странах увеличился по сравнению с 1980 годом втрое. Куда девать бесчисленное количество полиэтиленовых пакетов, пластиковых бутылок, алюминиевых банок и другой утратившей потребительские свойства тары? Закапывать в землю - значит загрязнять литосферу. Делать захоронения в морях и океанах - наносить ущерб гидросфере планеты. Сжигать - вредить атмосфере. Между тем эффективные способы хотя бы частичного решения проблемы существуют.
Отходы человеческой деятельности подразделяются на промышленные и бытовые. По подсчетам специалистов, в России в среднем на душу населения ежегодно приходится более 300 кг твердых бытовых отходов (ТБО), а в развитых странах мира и крупнейших мегаполисах эта цифра значительно выше. Существует правило, согласно которому количество производимого страной мусора пропорционально ее валовому внутреннему продукту: чем выше благосостояние людей, тем больше мусора.
Сегодня твердые бытовые отходы на 50% состоят из использованной упаковки (главным образом полимерной и комбинированной, большинство видов которой не подвергается процессам биологического разрушения и гниения и может многие десятки лет находиться в почве). В основном их хоронят в земле или сжигают. Иногда закладывают в металлические контейнеры и выбрасывают в моря и океаны, а порой даже в реки и озера, являющиеся источниками питьевой воды (что совершенно недопустимо).
Очищенные от крупногабаритных предметов, металлов, стекла, керамики, пластмассы, резины ТБО пытались перерабатывать в компост. Однако биотермическое компостирование - дорогой способ избавления от мусора и не всегда эффективный.
Загрязнение планеты всякого рода отходами наряду с интенсивным потреблением природных ресурсов ведет к разрушению механизма саморегулирования биосферы с непредсказуемыми последствиями. Академик Н. Н. Моисеев еще в конце 70-х годов прошлого века писал: "Главной проблемой глобальной экологии является устойчивость биосферы, нарушение ее устойчивости практически означает ликвидацию человечества на планете Земля".
Ученые, проводившие в то время научные рейсы по изучению загрязненности бассейна Средиземного моря и Северной Атлантики, наблюдали значительные скопления на поверхности акватории полиэтиленовых пакетов, всевозможных пластиковых изделий, а также кусков пенопластов. В 1980-х годах отмечался массовый выброс китов на побережье Тихого океана в районе Дальнего Востока. Исследования показали, что киты вместе с водой поглощали куски пленки, которая забивала их дыхательные органы и явилась одной из вероятных причин массовой гибели животных.
Из-за нашей беспечности и неаккуратности на Земле скоро трудно будет отыскать уголок, где бы не валялись выброшенные за ненадобностью пластиковые бутылки, коробки, стаканчики, канистры. Утратив потребительские свойства, упаковка поворачивается к нам другой, страшной стороной.
ПЛЮСЫ САМОРАЗЛАГАЮЩИХСЯ УПАКОВОК
Сегодня из специальных полимерных материалов изготавливают фото-, био- и водоразлагаемые упаковки. Их общее название - саморазлагающиеся. 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.
Для читателей - неспециалистов в области высокомолекулярных материалов поясню, что полимеры, из которых производят пластиковые упаковки, получают в результате синтеза низкомолекулярных соединений (мономеров).
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. (Об изобретении пластиков, способных растворяться в воде или распадаться под действием солнечной радиации, журнал "Наука и жизнь" сообщал в короткой заметке "Как избавиться от пластмасс" - см. № 5, 1971 г., стр. 74. - Прим. ред.)
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.
В фоторазлагаемых полимерных упаковочных материалах макромолекулярные цепи распадаются на более короткие звенья и сегменты под воздействием солнечных лучей; в биоразлагаемых - при участии ферментов, содержащихся в грибах и бактериях почвы; в водоразлагаемых - благодаря влаге.
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.
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.
Источник: Наука и Жизнь. |
