Рафал Павельчак
Rafal Pawelczak

Биопластики по механическим и термическим свойствам похожи традиционные термопластичные материалы, а иногда даже и превосходят их

В настоящее время основным сырьем для производства большинства полимеров является сырая нефть, запасов которой, при современном уровне ее потребления, хватит до 2050 года.

В табл. 1 представлена сравнительная характеристика объемов продукции из различных видов сырья, продукции сельского хозяйства и синтетических материалов.

В 1997 г. компания Nature Works, LCC вывела на рынок новый материал PLA и дала ему следующее определение: «Синтетический материал из кукурузы, который поддается биологическому распаду». Так было документально признано, что производство может быть экологически чистым. Но можно ли заменить нефтехимические продукты на аналогичные растительные, нет ли здесь ошибки и можно ли таким образом приблизиться к созданию гармоничного общества?

Отходы

Табл. 1. Сравнительная характеристика объемов продукции из различных видов сырья

Согласно исследованиям, проведенным Европейским агенством охраны окружающей среды, увеличение количества отходов является одной из наиболее важных проблем для стран ЕС, ежегодно производящих их около 1,3 млрд т. Коммунальные отходы составляют 14% этого количества, а на долю среднестатического жителя Европы их приходится около 400 кг в год. Большая часть этой колоссальной горы мусора попадает на свалки, заражая землю, воздух и воду, портит пейзаж и требует расходов на складирование.

Большую часть коммунальных отходов составляют упаковочные. Их количество возрастает пропорционально росту благосостояния общества (так, в Италии количество упаковочных отходов, попавших на складирующие предприятия, начиная с 1975 г. выросло на 30%). Картонные коробки, пакеты, бутылки и ламинаты составляют до 60% объема европейских свалок. Эти продукты имеют очень короткий срок службы и используются однократно, что означает постоянное привлечение сырья, необходимого для их производства (нефть, алюминий, дерево и пр.).

Страны ЕС относительно недавно обратили внимание на проблему упаковочных отходов. Некоторые государства старались решить ее самостоятельно путем ограничения применения определенных категорий упаковки (например, алюминиевой) и таким образом стимулировать использование более экологически чистой (стеклянной).

Действия, предпринятые этими странами, имели ограниченный характер и не приносили ощутимых результатов по следующим причинам:

• отсутствие дешевых технологий переработки отходов, а также стимулов к их развитию (лучшим и наиболее дешевым способом утилизации коммунальных отходов было сжигание);
  
  
• нежелание отдельных стран Союза ухудшать позиции собственных предприятий из-за межгосударственной конкуренции Содружества;
  
  
• серьезная опасность самостоятельного принятия постановления по применению определенных видов упаковки, в то время как отдельные члены ЕС могли быть не согласны с общими рыночными положениями Союза.

В 1985 году была принята директива ЕС №85/339/EWG, касающаяся емкостей для пищевых жидкостей. Документ накладывал на государства содружества обязательства по разработке программ, направленных на уменьшение количества упаковочных отходов. В частности, предусматривалась пропаганда многократного использования упаковки, внедрение ее целевого сбора, а также поддержание полной утилизации упаковочных отходов.

Основными недостатками директивы были узкие рамки применения, общие фразы и полный отрыв от рыночных реалий, а также отсутствие стимулов, которые побуждали бы к развитию технологий по переработке отходов.

Ввиду несовершенства документа Европейская комиссия предложила его более детальную проработку для ограничения количества упаковочных отходов. Новая директива ЕС за №94/62/WE об упаковке и соответствующих отходах ставит перед государствами ЕС цель уменьшить количество коммунальных отходов, попадающих на сборочные пункты, до 300 кг/г на человека.

Табл. 2. Биоразлагаемые полимеры

Уровень возврата отходов

Государствам ЕС также поставлена цель довести возврат упаковочных отходов до уровня от 50% (а с 2008 г. - 60%) до 65% от веса всех упаковок, поставленных на рынок, причем от 25% до 45% упаковок должны быть подвергнуты рециклингу. К 31 декабря 2008 г. ему должны подлежать 60% стекла, 60% бумаги и картона, 50% металла, 22,5% пластиков и 15% дерева.

В 2000 г. ЕС приняла стандарт EN 13432, регламентирующий требования к биоразлагаемым полимерам. По решению Европейской Комиссии №2001/524/WE он приведен в соответствие с директивой №94/62/WE. Стандарт внедряет критерии оценки и процедуры, касающейся возможности естественного гниения биоразлагаемых синтетических материалов в компостных ямах, а также их обработку без присутствия кислорода (то есть рециклинг органических веществ, а не сжигание).

Что понимается под термином «упаковка»? В соответствии с Законом об упаковках и их отходах, это изделие, предназначенное для хранения, перевозки, доставки или презентации всевозможных продуктов, от сырья до высокотехнологичных товаров. Закон различает единичную, групповую и транспортную упаковку и предписывает изготавливать ее с учетом назначения и требований логистики.

Проведенные в начале 80-х гг. исследования новых биополимеров, полученных из сырья растительного происхождения, имели, в частности, целью исключить нагрузку на естественную окружающую среду, вызванную увеличением количества упаковочных отходов. Наибольший интерес для ученых до сих пор представляет нахождение экономичных методов производства способных к разложению полимеров, полученных из возобновляемого сырья. Биоразложению подлежат обычно природные полимеры и те, которые являются гомологами натуральных.

Применяемое для производства биополимеров сырье натурального происхождения не только становится альтернативой рециклингу неразлагающихся материалов, но и косвенно ограничивает мировое потребление сырой нефти. Одновременно оно дает возможность использовать имеющиеся во многих регионах мира излишки продуктов сельского хозяйства.

Начиная с конца 90-х гг. ХХ в. наблюдается значительный рост производства биополимеров, связанный, с одной стороны, с изменениями в законодательстве, а с другой - в большой заинтересованности, в том числе и производителей упаковки. За последние годы значительно улучшились не только физико-химические свойства многих новых материалов, но и, что более важно, значительно изменились к лучшему цены на них. Так, биополимеры обычно в 2–4 раза дороже, чем, например, полиэтилен (не так давно цены были еще выше).

Может быть, мы находимся накануне революции и не видим ее угрозы? А широко распространенное мнение на тему новых биополимеров - не вводит ли оно нас в заблуждение, и мы, вместо того, чтобы придерживаться существующих продуктов, которые были подвергнуты детальному анализу, замещаем их теми, которые направлены на достижении единственной цели?

На конференции производителей кукурузы США в марте 2006 г. специалисты фирмы Cereplast проинформировали, что цены на сырье для производства биополимеров впервые сравнились с ценами на сырую нефть для производства стандартных полимеров.

Согласно мнению многих обозревателей, пришло время динамичного производства. Многочисленные расчеты показывают, что до 2010 г. наступит выравнивание цен по большинству био- и традиционных полимеров. Это утверждение выглядит весьма обоснованным.

Проведенный несколько лет назад анализ рынка растительного сырья показал, что для достижения планируемых объемов производства биопластиков в количестве 5 млн т для всех стран ЕС необходимо увеличить площадь обрабатываемых земель до 2,5 млн га. При этом прогнозируется, что 6–10% мирового потребления кукурузы «съест» рынок изготовителей биополимера PLA.

Термо - и механические свойства многих биопластиков обеспечивают аналогичные, а иногда даже более высокие, потребительские характеристики по сравнению с продуктами, полученными из традиционных термопластических материалов. Вот некоторые из отличительных признаков биополимера PLA как материала, нашедшего наиболее широкое применение:

• высокий модуль упругости при растяжении;
  
  
• способность сохранять приданную форму;
  
  
• устойчивость к воздействию масел;
  
  
• высокая прозрачность и глянец;
  
  
• устойчивость к воздействию УФ-излучения.

С начала этого года с успехом идет внедрение одного из видов PLA, который устойчив к воздействию температуры до 200оС, при этом у него практически не изменяются глянец, прозрачность и жесткость. Но еще более важно, что материал можно использовать в микроволновых печах - по утверждению изготовителей, он без деформаций выдерживает температуру 205оС в течение 30 мин.

Великолепная тридцатка

Традиционно доступными являются более 30 различных биополимеров, которые находят широкое применение не только на рынке упаковки, но и в таких направлениях, как текстиль, сельское хозяйство, медицина, строительство и отделка. Пленки (около 50%), пенки (около 20%), волокна и прочее (около 20%) - вот что в целом составляют переработанные биополимеры.

Общее разделение биоматериалов представлено на рис. 1, а общие характеристики некоторых полимеров - в табл. 2.

Натуральное - лучше искусственного

Дальнейшие исследования направлены на придание биопластикам более совершенных физико-химических свойств

с одновременным снижением цены. С этой целью многие производители вместо чистых биополимеров внедряют высокоспециализированные соединения с заранее известным назначением. При сравнении свойства этих биополимеров с традиционными материалами давольно трудно найти какие-либо отличия. Некоторые из них имеют высокий показатель упругости при растяжении, способность к сохранению статичной формы (пленки, ткани), хорошие барьерные свойства, способствующие сохранению запаха и вкуса, устойчивость к воздействию жиров, прозрачность и глянец, стойкость к УФ-излучению, слабую горючесть и небольшое количество выделяемого при этом дыма, относительно высокую гидрофильность, прочность и гибкость - достаточное количество поводов для начала широкого применения этих материалов. Дополнительным стимулом является тот факт, что для их переработки не требуется разрабатывать новое оборудование или технологии.

В прессе все чаще появляется информация о приближении революции. Традиционные полимеры, благодаря которым наступил экспансивный рост развития упаковки, начинают понемногу вытесняться с рынка. Из отчета Plastic Information Europe (апрель 2006 г.) о рынке материалов в Европе следует, что рост цен на оборудование и сырье может привести к подъему цен на готовую продукцию до уровня 200 евро/т. Этому сопутствует постоянный рост и так высоких цен на нефть и нефтепродукты, электроэнергию, добавки и модификаторы.

Может быть, мы находимся накануне революции и не видим ее угрозы? А широко распространенное мнение на тему новых биополимеров - не вводит ли оно нас в заблуждение, и мы, вместо того, чтобы придерживаться существующих продуктов, которые были подвергнуты детальному анализу, замещаем их теми, которые сконцентрированы на достижении единственной цели? Сокращение добычи угля и замещение мазута другими источниками энергии - несомненно, значительные достоинства. Но смогут ли они вынудить систему принять многие из этих инициатив, верится с трудом. Разве не стоит изучить, как проведение этой стратегии отзывается на других событиях, приближающих нас к гармоничному обществу? Кроме усилий по вопросам охраны окружающей среды со стороны правительств, подписано около 200 соглашений (в том числе и «Киотский протокол»), однако, согласно многим мнениям (в частности, института World Watch в Вашингтоне), мы по-прежнему далеки от удовлетворительного результата.

Табл. 3. Сравнение стратегий NatureWorks и Кита-Кюшу

Производство современных биополимеров из возобновляемых источников энергии, то есть замещение продуктов нефтехимического производства на продукты агрохимии (согласно данным World Watch), приводит к определенным изменениям в глобальном распределении. Производство биополимеров из возобновляемых сельскохозяйственных культур в рамках одной монокультуры (например, крахмал из кукурузы) вызывает усиление ее позиций, что приводит к огромному давлению на природу, проявляющемуся в эрозировании почвы и понижении уровня воды. На польском рынке это наблюдается с приходом перемен, связанных с биотопливом. Для удовлетворения потребностей в биорафинации необходимо несколько тонн сырья, для получения которого нужно увеличивать посевные площади такой сельскохозяйственной культуры, как рапс. Это растение имеет очень высокие требования к земле, - на 1 гектар площади нужно 300 кг азота, 400 кг поташа, 130 кг фосфора, 60 кг магния и 80 кг серы.

Кукуруза может быть использована и как продукт питания, и для производства биоматериалов. Однако это взаимоисключающие варианты. Альтернативой такого развития является инициатива южнояпонского города Кита-Кюшу, в котором начато производство биополимеров типа PLA из кухонных отходов. Помимо коммерческой выгоды (каждая тонна содержит примерно 30% органических отходов, которые не попадают на свалку) здесь имеется положительный экологический аспект, а также возможность создания дополнительных рабочих мест. Данная инициатива разработана политехническим институтом города Кита-Кюшу с одновременным привлечением нескольких корпораций и представляет собой реальный системный подход, заслуживающий всестороннюю поддержку. Он понятен даже дилетантам и достаточно перспективен. Эта ситуация радикально отличается от проекта Nature Works, где на огромные средства (около 1 млрд долл. США) была организована фирма, имеющая всего одно производство и производящая продукт, с помощью которого можно будет контролировать большую часть нового формирующегося рынка.

Не нужно быть инженером-химиком, чтобы дать ответ на вопрос, какой из путей развития производства биополимеров является для природы наиболее безопасным. Не нужно быть также экологом, чтобы понять, что предложения о больших концернах по производству биопластмасс - экологическая бомба с замедленным действием. Удивляет убежденность многих в том, что благодаря биополимерам наступит перелом в охране окружающей среды.

По моему мнению, нельзя оценить все развитие биополимеров только на основе одного или двух параметров. Необходимо провести дифференцированный и всеобъемлющий анализ, чтобы как можно раньше доказать, что развитие идет в направлении равновесия. И здесь важно, кроме изменения «к лучшему», причинять как можно меньше вреда существующему.