Биополимеры что это, описание, прогнозы, применение

Биологические полимеры – полимеры нового поколения

На сегодняшний день биополимеры занимают незначительную долю рынка по производству и потреблению. Основной объем за синтетическими пластиками. По прогнозу ученых к 2020 году доля биоразлагаемых полимеров составит5%.

Однако многие ученые говорят, что будущее именно за биоматериалами, и с ними трудно спорить. Проблема экологии, ограниченности внутренних ресурсов Земли и утилизации именно пластиковых отходов стоит очень остро, поэтому наряду с разработкой новых способов утилизации и переработки пластика активно ведутся разработки новых видов быстро и безопасно разлагаемых полимеров. Именно к ним и относятся биополимеры.

Главной особенностью биологических пластиков и их отличием от синтетических полимеров является наличие в структуре закодированной информации – «памяти». Эти полимеры информативны, они имеют особое химическое строение. К таким материалам относятся белки, ДНК, РНК, углеводы, жиры, пептиды, полисахариды, нуклеиновая кислота.

Виды биополимеров

Существует два больших классов биополимеров:

• Биокомпозиты;
• Биоэластомеры.

В качестве основы в биокомпозитах может выступать любое разлагаемое вещество – природный источник, армирующим наполнителем служит натуральное растительное волокно. Использование таких материалов может стать толчком для роста текстильной промышленности, сельского хозяйства, химической отрасли и нефтехимии.

Биокомпозиты делятся на три основные группы:

• Полимеры из нефтехимических компонентов с армирующими натуральными волокнами;
• Небиоразлагаемые полимеры из растительного сырья, армированные растительными волокнами;
• Биоразлагаемые полимеры из возобновляемого сырья, армированные натуральными волокнами.

Наиболее изучаемые сегодня материалы первой группы. В качестве волокон используются семена хлопка, кокоса, стебли льна, джута, листья сизали, а также отходы текстильной промышленности.

Основными отраслями применения биокомпозитов являются: автомобилестроение (дверные панели, крыши, багажники, спинки сидений, приборные панели и т.д.), строительная промышленность (сайдинг, декинг, дверные коробки ит.д.), спортивный инвентарь, потребительские товары.

Прирост применения биокомпозитов в автомобилестроении каждый год составляет 20%. Спрос является следствием высоких прочностных и физико-механических характеристик, низкой стоимости и возобновляемости сырьевой базы.

Изделия имеют меньшую массу, так как волокна обладают меньшей плотностью. Немалую роль играет и экологичность получаемых товаров.Больше всего деталей из биокомпозитов можно увидеть в автомобилях марок БМВ, Ауди, Мерседес, Вольцваген.

На сегодняшний день рынок производства биокомпозитов неуклонно растет и на 2017 год составлял 531 млн долларов, объем потребления по прогнозам европейских компаний вырастет до 100 тысяч тонн. Легковые автомобили доминируют в потреблении и занимают 90% рынка.

Активно используются биокомпозиты из-за возможности снижения общего веса автомобиля, а значит, и меньшего потребления топлива. Так, Форд планирует к 2020 году сократить вес своих автомобилей на 340 кг в среднем, благодаря использованию биокомпозитов в конструкциях.

Отметим, что наиболее востребованное натуральное волокно для армирования биополимеров – льняное. Россия занимает 3 место по производству льна, что дает ей перспективы для роста и развития данного направления.

Биоэластомеры – это класс каучуков и резин. Самым распространенным материалом является тиленпропилендиеновый каучук (EPDM), который уже выпускается серийно. Широкое применение материал получил в производстве деталей для специальной техники (моющей и чистящей), в которой используются щелочи, горячая вода, пар, стиральные порошки и т.д.

Промышленность выпускает штоковые и поршневые уплотнители, кольца, детали стиральных машин, уплотнители для тормозной системы автомобилей.Эластичность материала сохраняется даже при минусовых температурах. В состав каучука входит сажа.

Среди сверхинновационных разработок применения биоэластомеров – 3Д-печать нейронов на спецпринтере. Материал графен является основой для создания прочных структур, которые по форме и свойствам напоминают нейроны, а связующим и укрепляющим звеном является биоэластомер. В будущем этими жидкими чернилами можно будет напечатать целую часть нервной системы или мозга человека.

Основным направлением изучения и использования биоэластомеров является именно медицина и биология. Ученые трудятся над созданием материалов, которые бы имитировали кожу, мягкие ткани, сосуды и т.д.

Рост данного вида материалов выше, чем у биокомпозитов –23,5% в год. В основном интерес проявляют европейские и азиатские компании(Франция, Япония, Таиланд и др.).

Преимущества биополимеров

Очевидными плюсами является экологичность и безопасное, быстрое и полное разложение биополимеров. Также материалы позволяют сохранить энергию и генетическую информацию, что важно для разных отраслей промышленности.

Полиактиды (сахарные полимеры) обладают высокой приживаемостью, поэтому хорошо генерируют в организме человека, не вызывая отторженияи побочных эффектов. В связи с чем и были выбраны в качестве основы для хирургических имплантатов.

С экологической точки зрения биоразлагаемые полимеры не имеют аналогов. Они способствуют уменьшению углекислого газа в атмосфере, имеют стабильную структуру, легко компостируются.

Биологические соединения позволят в будущем уменьшить зависимость от невозобновляемых ископаемых видов топлива и пластика. Их прочность и долговечность также ведет к снижению использования синтетических веществ.

Интересно, что биологические технологии данного вида впервые были открыты еще в середине двадцатого века. Еще Генри Форд начал производство биополимерных автомобильных секций на своем заводе. Выпуску машин с биополимерными деталями помешала Вторая Мировая Война. Сегодня данная технология возрождается, и биопластические машины могут вернуться.

Недостатки биополимеров относятся только к их стоимости, которая еще высока (от 5 евро за килограмм). Также невозможно крупнотоннажное производство, но данная проблема со временем решится.

Основные производители биополимеров и продукции из них

Одним из игроков рынка является японская компания ResearchDevelopment, котора яспециализируется на получении биоразлагаемой пленки из хитозана, целлюлозы и крахмала. Хитозан выделяют из панцирей ракообразных моллюсков. Все компоненты смешивают, добавляют уксусную кислоту и при термообработке получают раствор, из которого путем налива с дальнейшим охлаждением производят пленку. Она разлагается в почве и морской воде за несколько месяцев.

Американская компания Telles вывела марку материала на основе крахмала – Mirel – это биополиэтилен, который имеет двойную цену по сравнению с синтетическим аналогом.

Компания DuPontтакже работает в данном направлении и выбрала для себя полимеры на основе полимолочной кислоты.

В Италии работает компания Novamont, разрабатывающая промышленные способы получения биополимеров. Известны два немецких завода BIOPи Biotec, производящие в год23,5 тонны биопластиков из крахмала.

Тем временем на полное освоение мира биополимеров у человечества осталось не так много времени. По расчетам сырой нефти, из которой производится сегодня большинство синтетических пластиков, в запасах осталось не так много, и хватит ее примерно до 2050 года.

Прогнозы рынка биопластиков

В 2015 году доля биопластиков в отрасли полимеров составляла60%, к 2020 году показатель вырастет до 80, как отмечает компания EuropeanBioplastics, которая проводила исследования. Большая часть материалов будет производиться в Азии.

Стабильный рост прогнозируется на всех мировых рынках, однако в общем пластиковом рынке процент биоматериалов составит лишь 1%. Потребители все больше доверяют чистым изделиям, однако тормозит ход развития дорогое производство, поэтому темпы снижены.

Когда производство биополимеров будет приближено по цене к производству обычных пластиков, то можно будет говорить о крупных масштабах потребления и изготовления данных материалов.