НЕТРИВИАЛЬНЫЕ ПОДХОДЫ СНИЖЕНИЯ НАКОПЛЕНИЯ ОТХОДОВ УПАКОВОЧНЫХ ПОЛИМЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ

№62-1,

Физико-математические науки

Проанализированы результативные методы предупреждения скапливания стойких остатков упаковок на базе синтетических макромолекул в рамках фрактальной концепции. Переработка отработанных упаковок в качестве рециклических ресурсов встречается со многими преградами экономико-технологического характера.

Похожие материалы

Вторым по объему сегментом российского упаковочного рынка является упаковка, производимая на базе полимеров: около 38 % потребления упаковки в целом и 60 % в пищевой промышленности [8]. Тем не менее достаточно большая стойкость к биодеградации синтетических пластмасс и высокие темпы роста потребления одноразовых упаковок, характерные для развитых государств, привели к возникновению техногенной проблемы — скапливанию полимерных отходов, засоряющую естественную среду.

Цель данной статьи — обобщение инновационных способов конструирования упаковок на основе макромолекулярных материалов с уменьшенным прессингом на окружающую природу.

Основная доля упаковки в настоящее время приходится на полимерные материалы, что объясняется их довольно значительной механической прочностью, нейтральностью к большинству пищевых продуктов; а также технологичностью производства, возможностью создавать композиционные пленки. Краткое обозрение использования полимерных упаковок показывает, что создание упаковочных материалов является одним динамичных направлений современных технологий [3].

Создание экологически безопасной упаковки на сегодняшний день является актуальным для человечества и является обязательным требованием Технического регламента Таможенного союза «О безопасности упаковки» [6, 9]. В рамках ресурсосбережения упаковка, которая была использована для размещения, транспортировки, доставки и хранения продукции, должна быть утилизирована в порядке, установленным законодательством государства — члена Таможенного союза. Безопасность упаковки должна обеспечиваться совокупностью требований:

  • применяемым материалам, контактирующим с пищевой продукцией, в части санитарно-гигиенических показателей;
  • физико-механическим показателям и др.

Согласно пункту 2 статьи 6 Технического регламента ТР ТС 005/2011 маркировка должна содержать информацию, необходимую для идентификации материала, из которого изготавливается упаковка: цифровое обозначение и (или) буквенное обозначение (аббревиатуру) материала, из которого изготавливается упаковка. Например, полиэтилентерефталат PET (цифровой код 1), используется для производства ёмкостей (бутылок) для жидких продуктов питания (различных напитков).

Инновационными подходами конструирования биоразрушающихся полимеров [14] считаются:

  • синтез биодеградабельных полимеров [15] с помощью микроорганизмов (биополиэфиры);
  • биоразлагаемые полимеры на основе природных веществ (природные полисахариды [7]);
  • получаемые химической модификацией (синтетические полиэфиры).

Предупреждение неблагоприятных влияний накопления остатков упаковок в техногенных ландшафтах требует принятия превентивных мер. Использование отработанных упаковок в качестве вторичных ресурсов очень перспективно, но пока в этой сфере появляются барьеры различного характера. Реутилизация бытовых и производственных отходов упаковок на основе макромолекул в мусороперерабатывающих заводах сопряжена множеством организационных проблем (рис. 1):

Нецикличность нынешнего производства и использования упаковочных материалов на основе полимеров
Рисунок 1. Нецикличность нынешнего производства и использования упаковочных материалов на основе полимеров

Для производства упаковочных материалов производственные компании используют в технологическом цикле вещественные и энергетические ресурсы, источником которых является природа. Биоразлагающиеся материалы, несомненно "выигрывают" по ряду экологических требований перед синтетическими полимерами, однако уступают по технологическим характеристикам (прочности и износостойкости) и имеют более высокую стоимость. Проблема контролируемого придания свойств биоразложения освоенным многотоннажным индустриальным полимерам: полиэтилену, полипропилену, поливинилхлориду, полистиролу и полиэтилентерефталату решается разнообразными способами [5].

Одним из актуальных направлений становится производство биоразлагаемой упаковки, основанное на рециклинге синтетических макромолекул (полиэтилена, полипропилена и др.). Пиктограмма рециклинга — «петля Мебиуса» означает, что упаковка товара частично или полностью сделана из переработанного сырья или пригодна для вторичной переработки.

Современным направлением конструирования упаковок, которое уменьшает антропогенный прессинг на среду обитания, является изучение фрактальной наноструктуры полимеров. Твердофазовое состояние упаковочных полимерных материалов — аморфно-кристаллическое — определяется синергетикой макромолекул и вследствие этого процессы структурообразования напрямую связаны с термодинамическими характеристиками [12]. Например, в зависимости от технологических условий синтеза полиэтилен высокого давления содержит 50-65% кристаллической фазы. По особенностям супрамолекулярных наноструктур в полимерах нелегко выделить строго аморфные или кристаллические фазы, т.к. одна и та же «зигзагообразная» макромолекула в полиэтиленовой упаковке может «проходить» через несколько областей (рис. 2):

Схема аморфных (ам.) и кристаллических (кр.) фаз в наноструктуре макромолекул полиэтиленовой пленки упаковки
Рисунок 2. Схема аморфных (ам.) и кристаллических (кр.) фаз в наноструктуре макромолекул полиэтиленовой пленки упаковки

Аморфная фаза полимерной упаковки, в свою очередь, включает кластеры — области локальной упорядоченности радиусом ≈3,5-10 нм и неупорядоченную полимерную матрицу [11]. Кластеры макромолекул находятся в неравновесном состоянии и при понижении температуры постепенно кристаллизуются. Свободный объем распределен в полимерном материале как микропоры (нанополости), что и вызывает неоднородность в наномасштабе. Многоуровневая структура полимеров, топология и параметры надмолекулярного строения достаточно хорошо описываются при использовании фрактального подхода. Основными свойствами полимерных фракталов являются самоподобие, дробная размерность и неоднородность поверхности.

Установлено, что газопроницаемость полимерных материалов связана с наномолекулярным строением и размерами молекул газов, в частности кислорода. Процессы газопереноса контролируются фрактальной размерностью высокомолекулярного соединения и эффективным диаметром молекулы газа, а уменьшение размеров микрополостей свободного объема приводит к изменению механизма диффузии [13] газов (кислорода воздуха). Кластерная модель аморфной фазы продемонстрировала, что области локальной упорядоченности также затруднены для «проникновения» молекул кислорода. Молекулярная природа элементарного акта диффузии в полимерных структурах представляет собой перескоки молекул кислорода через микрополости свободного объема полимерного упаковочного материала. При изучении фрактальности процессов диффузии в многокомпонентной системе необходимо учитывать влияние температуры, давления и других параметров.

В процессе эксплуатации и переработки упаковочных материалов из полимеров макромолекулы подвергаются воздействию физико-химических факторов: света, кислорода воздуха и т.д. При исследовании теплового старения (температура 150-200ºС) полимерных материалов установлено [1], что преобладают химические процессы, связанные термической и термоокислительной деструкциями: выделяются СО2 и другие газы.

В случае подбора условий, при которых скорость окисления будет намного больше скорости диффузии кислорода в полимерную матрицу, окислительная деструкция затронет только аморфную фазу. В результате прогнозируемого окисления полимерные отходы упаковок в техногенных биогеоценозах довольно легко самопроизвольно распадаются под действием света или влаги на олигомеры полиэтилена. Эти блоки олигомеров дальше разрушаются микроорганизмами почвы в естественных геобиоэкосистемах до конечных метаболитов: воды и углекислого газа, которые могут включиться в биологический цикл фотосинтеза.

Значит, создание материалов из биодеградируемых полимеров необходимо, прежде всего, для решения глобальной экологической проблемы утилизации отходов, в частности переработки пластика, который является основным упаковочным материалом. Сейчас актуально изготовление биодеградабельной упаковки, основанное на введении в синтетическую полимерную матрицу веществ (чаще всего крахмал), способствующих к «запуску» биохимических реакций метаболизма усвоения остатков полимерной упаковки микроорганизмами. В последние десятилетия для производства упаковок стали применяться экобезопасные синтетические биоматериалы на основе полимеров органических: молочной (полилактат) и гликолевой (полигликолид) кислот. При этом в состав макромолекул упаковочного материала может входить как один вид (регулярно) кислотного остатка, так и их блок-сочетания в различных пропорциях.

Следует отметить, что рациональные технологии [10], которые минимизируют отрицательное воздействие производства различных материалов на окружающую среду, а также инновационные методы решения непростых экологических проблем должны основываться на мониторинге и управления качеством [4] среды обитания. Разработка и совершенствование подходов рациональной защиты и восстановления [2] природной среды, биогеоэкосистем постоянно должны входить в число приоритетов государства и частного бизнеса.

В заключение можно сделать вывод: уменьшение объемов небиодеградабельных упаковочных материалов, а также разработка технологий вторичной переработки синтетических полимеров являются эффективными способами перехода к парадигме устойчивого развития современной цивилизации в планетарном масштабе.

Список литературы

  1. Алоев В.З., Жирикова З.М., Тарчокова М.А. Исследование газообразных продуктов деструкции полимерных материалов в условиях длительного теплового старения // NovaInfo.ru. 2016. №55-2. С.12-18.
  2. Гатин И. М. Естественное возобновление древесных пород в условиях техногенного загрязнения (на примере Уфимского промышленного центра): дис. ... канд. биол. наук. – Уфа, 2006. - 188 с.
  3. Ефремов Н. Ф., Колесниченко М. Г. Технология упаковочного производства. – М.: МГУП, 2011. - 350 с.
  4. Иванова О. В. Словарь основных терминов управления качеством. – Уфа: РИЦ БашГУ, 2014. – 68 с.
  5. Машуков Н. И., Халиков Р. М., Хараев А. М. Стабилизация и модификация молекулярных структур. – Saarbrucken: Palmarium Academic Publishing, 2014. – 210 с.
  6. Мустафина Д.Ф., Иванова О.В. Роль технических регламентов в безопасности жизнедеятельности человека // Сб. Всерос. конф. «Качество жизнеобеспечения населения». – Уфа: БГМУ, 2016. С. 91-94.
  7. Полякова Е.А., Коротнева И.С., Туров Б.С. и др. Свойства нового биодеградируемого композиционного материала на основе акрилового сополимера и крахмала // Пластические массы. 2015. №7-8. С. 61-64.
  8. Сухарева Л.А., Яковлев В.С. Полимеры в производстве тароупаковочных материалов. – М.: ДеЛи принт, 2005. - 494 с.
  9. Технический регламент Таможенного союза «О безопасности упаковки» ТР ТС 005/2011. Утвержден Решением Комиссии Таможенного союза 16.08.2011 № 769.
  10. Халиков Р.М., Иванова О.В. Технологические схемы решения экологических проблем регионального производства материалов // NAUKA-RASTUDENT.RU. 2014. № 3(03). С.10.
  11. Халиков Р.М., Козлов Г.В. Мультифрактальная модель диффузии газов в полимерах // Высокомолекулярные соединения. 2006. Т.48. № 4. С.699-703.
  12. Хасанов М.Ф., Латыпова З.Б., Халиков Р.М. Влияние термодинамических факторов на самосборку наноструктур макромолекул // В мире научных открытий. 2010. № 4(10). С.8-9.
  13. Khalikov R.M., Kozlov G.V. Multifractal model of gas diffusion in polymers // Polymer Science. 2006. V.48. N.3-4. P. 84-87.
  14. Pluta M., Piorkowska E. Tough crystalline blends of polylactide with block copolymers of ethylene glycol and propylene glycol // Polymer Testing. 2015. V.46. P.79-87.
  15. Samal S.K., Fernandes E.G., Corti A. et al. Bio-based polyethylene–lignin composites containing a pro-oxidant/pro-degradant additive: preparation and characterization // Journal of Polymers and the Environment. 2014. V.22. N.1. P.58-68.