XVII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Изготовление экологичных заменителей пластика и бумаги в домашних условиях

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Малаев П.В. 1

---

1Средняя общеобразовательная школа №1 г. Реутов Московской области

Мартынова Ю.В. 1

---

1Средняя общеобразовательная школа №1 г. Реутов Московской области

Работа в формате PDF

2.8 MB

Автор работы награжден дипломом победителя II степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение

Пластик и бумага окружают нас повсюду и служат основой для многих вещей. Однако пластиковые отходы засоряют воду, воздух и почву, отравляют живые организмы. Рост производства бумажной продукции вызывает сокращение лесов, что также приводит к большим экологическим последствиям.

Вопрос о том, как уменьшить производство и потребление этих материалов, является серьезным исследовательским вызовом, ведь от его решения во многом зависит жизнь нашей планеты. Будущее за производством новых экологичных материалов, способных создать достойную альтернативу пластику и бумаге по своим свойствам, не нанося при этом масштабного ущерба природе. Все это делает тему работы очень актуальной.

Цель исследования – создать образцы материалов, способных стать экологичной альтернативой пластику и бумаге в повседневной жизни.

Задачи исследования: изучить, как влияет производство пластиковой и бумажной продукции на окружающую среду; сделать обзор экологичных материалов, выступающих альтернативой пластику и бумаге; провести эксперимент по созданию экоматериалов в домашних условиях, оценить их свойства и предложить способы применения в повседневной жизни.

Методы исследования: анализ, наблюдение, сравнение, эксперимент.

Объект исследования – экологичные материалы, являющиеся альтернативой пластику и бумаге. Предмет исследования – изготовление и практическое применение экоматериалов домашних условиях.

Гипотеза исследования – в домашних условиях возможно создание экологичных материалов, не уступающих пластику и бумаге по своим свойствам и не наносящим при этом вреда природе.

Результаты проведенного исследования позволят внести вклад в решение проблемы засорения природы пластиковым мусором, а также в просвещение молодежи. Материалы и выводы можно будет использовать при проведении классных часов и уроков по окружающему миру.

1. Влияние производства пластика и бумаги на окружающую среду и способы его снижения

Пластик – это общее название материалов, основой которых являются высокомолекулярные соединения, полимеры. Эти материалы в процессе нагревания и давления способны принимать различные формы и сохранять заданную форму после охлаждения или отвердения. Обычные (синтетические) пластики получают из нефти и природного газа.

Впервые пластик был получен в 1862 году, однако наибольшее распространение получил в 20 веке. Материал стал основой изготовления множества бытовых мелочей, строительных материалов, обуви, электроприборов и техники, упаковки, канцелярии, медицине и др. Разработки и изыскания ведутся и сегодня. Ученые стараются сделать материал не только гибким, но и прочным, надежным, термостойким, долговечным. 

Однако кроме своих замечательных свойств, пластик имеет два важных недостатка. Во-первых, он производится из невосстанавливаемых природных ресурсов: нефти, угля и газа. Во-вторых, пластик разрушается очень долго (200-500 лет). При этом в воздух выделяется метан – парниковый газ, влияющий на процесс глобального потепления. А превращение пластика в микроскопические частицы загрязняет океаны, воздух и целые экосистемы, попадая в том числе и в человеческий организм. [3, 4, 5]

Бумага сама по себе является очень экологичным продуктом. Однако, данная альтернатива хоть и уменьшает количество пластиковых отходов, также несет серьезный вред природе! В результате вырубки лесов на бумагу многие животные лишаются своего дома, меняется состав воздуха, грунтовых вод и почвы. При производстве бумажных пакетов в атмосферу выбрасывается масса вредных веществ: углеродный след бумажного пакета в 3 раза больше, чем пластикового. Ученые подсчитали, что если каждый житель планеты сэкономит хотя бы один листок, то это спасёт от вырубки миллион деревьев. Поэтому увеличение использования вещей из обычной бумаги не является оптимальным выбором с точки зрения сохранения природных богатств.

Некоторые аспекты воздействия пластика и бумаги на природу представлены в приложении 1.

Защита окружающей среды от этого негативного влияния имеет несколько направлений. Во-первых, это сортировка и переработка мусора. Однако, тому, кто собирается отправить пластиковые изделия на переработку, необходимо хорошо разбираться в маркировке таких товаров. Для правильного выбора мы составили памятку по маркировке пластиковых изделий (приложение 2). Мы также предлагаем делать такие знаки ярче на каждом изделии. Это позволит людям правильно сортировать мусор или вовсе отказаться от вредного пластика. [8]

Перспективным способом утилизации пластика является использование живых организмов. Например, существуют микроорганизмы, насекомые, грибы, которые питаются пластиком. [1] Очень важно и отношение самого человека к этой проблеме, стремление уменьшить использование пластмассовых и бумажных изделий в повседневной жизни. Например, вместо полиэтиленовых пакетов можно купить тканевую сумку, не покупать воду в пластиковых бутылках и использовать вместо них многоразовые бутылки из нержавеющей стали, приходить в кофейни с собственной термокружкой или отказываться хотя бы от пластиковой крышки и ложечки. Хочется верить, что как можно больше людей изменит свое отношение к пластиковым и бумажным отходам. Но, к сожалению, это очень длительный процесс.

Решить проблему, на наш взгляд, поможет производство новых экологичных материалов – они не наносят окружающей среде такой большой вред, но при этом не уступают по своим потребительским свойствам. Рассмотрим основные из них.

2. Обзор экологичных материалов-заменителей пластика и бумаги

Существуют различные экологичные альтернативы пластику и бумаге, которые используются людьми в самых разных сферах. [6] Краткий анализ таких материалов представлен в таблице 1.

Таблица 1 – Современные экоматериалы – заменители пластика и бумаги

К общим недостаткам разных видов экоматериалов можно отнести дороговизну производства, а также некоторые более низкие качества по сравнению с синтетическими материалами, например, меньшая прочность, универсальность, гибкость и т. д.

Изучив различные возможные варианты экоматериалов, которые служат заменой пластика и бумаги, наш интерес вызвали те из них, которые можно изготовить самостоятельно в домашних условиях из доступных и безопасных ингредиентов:

1) пластик на основе молока;

2) пластик на основе картофельного крахмала;

3) бумага из опавших листьев.

Следующим этапом нашего исследования стали эксперименты по изготовлению указанных материалов.

Создание экопластика из молока

Превратить молоко в экопластик помогает казеин – молочный белок. При смене уровня кислотности казеин начинает сворачиваться. Именно этот процесс лежит, например, в основе производства сыров. Производство твердого материала (галалита) в прошлом предполагало окисление молока формальдегидом, однако это очень токсичное вещество. [7] Мы решили проверить, возможно ли создание такого экопластика в домашних условиях с помощью доступных и безопасных материалов.

Для нашего эксперимента нам понадобились: 240 мл молока, 4 столовые ложки 9%-го уксуса. Молоко разогреваем в микроволновой печи до температуры 60-70 градусов. Далее вливаем в него укус и тщательно перемешиваем. Практически сразу мы наблюдали, как в молоке образовались сгустки, комочки. Из-за уксусной кислоты, которая содержится в столовом уксусе, молоко стало более кислотным и молочный белок начал отделяться от остальной жидкости.

Получившуюся смесь мы перелили через дуршлаг, застеленный марлей. Таким образом выделили густую массу, напоминающую творог. Немного отжали оставшуюся влагу бумажными салфетками, все комочки вымесили, как тесто, чтобы образовался цельный материал. С помощью формочки для печенья придали массе нужную форму и оставили сушиться (приложение 3).

Готовое изделие получилось через 3 дня. Такой пластик напоминает пластмассу, он прочный, не крошится, не имеет неприятного запаха. На молочно-белый цвет легко ложатся яркие краски. При желании сделать пластик цветным возможно и в процессе изготовления – можно добавить пищевой краситель при вымешивании «теста».

4. Создание экопластика на основе картофельного крахмала.

Крахмал – широко распространенное в природе соединение. Он используется в пищевой, аграрной, целлюлозно-бумажной, текстильной и фармацевтической промышленностях. Наиболее популярные источники крахмала – картофель и кукуруза, но его также производят из риса, пшеницы, сорго и некоторых других растений. Материалы, полученные на основе этого вещества, прозвали крахмалопластами.

Возможность использования крахмала для изготовления пластика обусловлена его химической структурой. Крахмал – это тоже полимер, но его молекулы слишком длинные, поэтому он недостаточно упругий и может рассыпаться еще до полного застывания. Крахмал может стать более крепким в реакции с кислотой.

В своем эксперименте мы будем использовать картофельный крахмал, поскольку он является доступным и недорогим продуктом.

Изучая данный вопрос, мы узнали множество способов изготовления пластика из крахмала:

- на основе соды,

- на основе соли,

- с применением специальных химических веществ,

- на основе уксуса.

Прежде чем приступить к созданию собственного экопластика, мы изучили данные рецепты для того, чтобы понять их достоинства и недостатки. Наш интерес представляет получение гибкого, прочного материала. Проанализировав свойства различных крахмалопластов, мы пришли к выводу, что содовый рецепт нам не подходит, материал отличается сильной хрупкостью. Для уменьшения хрупкости было решено обязательно использовать глицерин. Он останавливает процессы загустения и затвердевания. Исключительно вода для этого не подойдет: она легко испаряется, а глицерин испаряется намного медленнее.

Рецепт, в котором используются промышленные химические компоненты – соляная кислота и гидроокись натрия – мы также решили не использовать. Во-первых, нашей целью было создание полностью натурального продукта. Во-вторых, данные вещества труднодоступны. И, наконец, их использование не вполне отвечает требованиям безопасности.

Учитывая вышесказанное, главными рецептами, на которых мы решили остановиться, стали «солевой» и «уксусный». Основными ингредиентами в них являются: картофельный крахмал, вода, уксус, глицерин, поваренная соль.

Далее основной исследовательской задачей стал поиск оптимальной пропорции указанных ингредиентов. Воспользовавшись информацией из различных источников, мы провели три эксперимента (таблица 2).

Таблица 2 – Эксперименты по созданию пластика на основе крахмала

Третий эксперимент оказался наиболее удачным. Далее было решено проверить, как поведет себя полученный материал в разных средах. Сначала поместили образец в воду: в течение первых суток из него выделился краситель, экопластик обесцветился, однако свои свойства не потерял. Лишь через пять дней он стал разрушаться. Мы также закопали кусочек пластика в горшок с комнатным растением и убедились, что в почве он разлагается в течение двух недель, не причиняя вред растению.

Получив два разных вида экопластика – из молока и картофельного крахмала – мы решили сравнить их свойства. Результаты представлены в таблице 3.

Таблица 3 – Сравнительная характеристика экопластиков на основе молока и крахмала

Полученные выводы будут важны для определения перспектив практического использования экопластика при изготовлении реальных вещей.

5. Изготовление экобумаги из листьев

Экобумагу производят из тростника, бамбука, некоторых трав и даже из опавших листьев! Последний способ нас заинтересовал особенно, ведь при этом ни одно дерево не пострадает. А листьев в нашем городе осенью очень много! Собрав листья разных деревьев, мы попробовали сделать из них настоящую бумагу (приложение 5).

Для этого листья делятся на мелкие кусочки, заливаются кипятком и измельчаются блендером. Затем мы взяли старые газеты и проделали с ними то же самое, что и с листьями. Следующим шагом стало приготовление раствора из воды и крахмала – именно крахмал поможет скрепить молекулы нашего будущего листа. Далее массы из листьев и бумаги помещаются в крахмальный раствор и перемешиваются. С помощью металлической сетки масса перекладывается на чистую ткань. Лишнюю влагу удаляем губкой и отправляем листы сушиться.

Результат оказался впечатляющим! Через три дня мы получили плотные бумажные листы, на которых можно рисовать, писать, вырезать нужные формы. К недостаткам можно отнести цвет – он был слишком серым по сравнению с привычной нам бумагой, а также заметны вкрапления кусочков листьев. Вторую проблему можно частично решить, если сильнее измельчить листья, например, с помощью кофемолки.

6. Перспективы использования экоматериалов в повседневной жизни

Как мы можем использовать подобные материалы в своей жизни? Вариантов очень много!

Из экобумаги можно производить одноразовую посуду, стаканчики, соломинки, пакеты, упаковку. Экопластик на основе крахмала пригодится в производстве контейнеров, украшений, упаковок, пакетов, канцелярских товаров. «Молочный пластик» послужит для изготовления предметов рукоделия (бусины, пуговицы), детских украшений (бусы, браслеты), небольших игрушек, формочек для раскрашивания, сувениров, предметов декора. Им можно заменить пластилин и тесто для лепки.

Я решил сделать что-то полезное для своих родных из собственных экоматериалов, показав, что они ничем не хуже привычного для нас пластика. Моему брату 2 года, из экобумаги и крахмалопласта я решил сделать для него сортер: на бумаге изобразил разные фигуры, а затем вырезал такие же из пластика. Получилась интересная игрушка ко Дню рождения малыша! Для своей сестры я тоже решил сделать сюрприз – из нашего крахмалопласта смастерил нарядное украшение (приложение 6).

Результатами своей работы я поделился с одноклассниками на классном часе и раздал ребятам памятку по сортировке пластика в зависимости от его маркировки. Свои эксперименты мы оформили в короткие просветительские видео и выложили их в открытом доступе на специально созданном youtube-канале «Экология – это круто» (https://www.youtube.com/channel/UCsIidxdQD2-kn_mxEmzlr1A). И теперь каждый человек, интересующийся экологией, сможет познакомиться с процессом создания экоматериалов, самостоятельно сделать или даже улучшить их!

Заключение

Невозможно представить жизнь в современном мире без пластика и бумаги. Однако пластиковые отходы разлагаются очень долго, засоряя окружающую среду, отравляя живые организмы. Рост производства бумажной продукции вызывает сокращение лесов, что также приводит к большим экологическим последствиям.

Как мы можем сохранить планету здоровой? Во-первых, сортировка и переработка мусора – они подарят вещам вторую жизнь. Это также использование живых организмов: существуют бактерии, насекомые и грибы, которые питаются пластиком.Очень важно стремление людей сокращать потребление пластиковых и бумажных вещей в целом. И, наконец, самым перспективным способом мы считаем производство экологичных материалов – таких, которые не наносят окружающей среде большой вред, но при этом не уступают пластику и бумаге по своим свойствам.

Изучив различные варианты экоматериалов, наш интерес вызвали те из них, которые можно изготовить самостоятельно в домашних условиях. Это пластик из молока, из картофельного крахмала и бумага из опавших листьев.

Основным этапом исследования стали эксперименты по созданию вышеуказанных материалов. Мы изготовили образцы экопластика двух типов и листы бумаги из сухих опавших листьев, изучили их свойства. Полученные результаты доказали возможность использования этих материалов в качестве достойной альтернативы синтетическому пластику и бумаге. Из них можно было бы производить упаковку, пакеты, игрушки, канцелярские товары, предметы декора, контейнеры и ящики и др. В качестве доказательства из полученных образцов были изготовлены детская игрушка и детское украшение.

В результате исследования гипотеза, выдвинутая в его начале, была доказана частично. Нам удалось создать материалы, которые способны выступить экологичной заменой синтетическому пластику и бумаге, однако, по свойствам они им все же уступают: не такие прочные, универсальные, эстетически приятные. Однако, это не означает, что работа над экоматериалами не имеет перспектив. Напротив, интересно продолжить исследование и изучить подробнее их свойства и область применения.

Другим практическим результатом исследования стали просветительские мероприятия. Благодаря докладу на классном часе в школе ребята узнали о проблеме загрязнения планеты мусором, познакомились с образцами экоматериалов и получили памятку о правильной сортировке пластика. Наше исследование также было представлено на конкурсах и выставках разного уровня, получив высокую оценку экспертов. Кроме того, все эксперименты опубликованы в формате социальных видеороликов на авторском канале в сети Интернет «Экология – это круто».

Уверены, каждый из нас поможет сохранить здоровую планету, если задумается над проблемами экологии и приложит усилия к их решению!

Список литературы:

Бактерии, насекомые и грибы, которые с удовольствием пожирают пластик [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://pikabu.ru/story/bakterii_nasekomyie_i_gribyi_kotoryie_s_udovolstviem_pozhirayut_plastik_7726240

Биопластик из крахмала: ингредиенты и рецепты [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://ooley.ru/practice/project/starch-plastic/

Вред пластика для окружающей среды [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://www.oum.ru/literature/raznoe/vred-plastika-dlya-okruzhayushchey-sredy/

Вред пластика для окружающей среды и человека[Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://green-club.su/plastik/

Почему пластик вреден [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://argumenti.ru/opinion/2021/09/739455

Природные материалы, которые смогут заменить пластик [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://pikabu.ru/story/prirodnyie_materialyi_kotoryie_smogut_zamenit_plastik_5810846

Тавапов Д.И. Исследование процесса получения пластика из молока в домашних условиях [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://school-science.ru/5/13/35234

Треугольники на пластике: как разобраться в маркировке? [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://greenpeace.ru/how-to/2018/10/30/treugolniki-na-plastike-o-chjom-rasskazyvaet-jekomarkirovka/

Приложение 1

Статистика негативного влияния пластика и бумаги на экологию

Приложение 2

Памятка по сортировке пластика

Приложение 3

Изготовление пластика из молока

Приложение 4

Изготовление пластика из картофельного крахмала

Приложение 5

Изготовление экобумаги из листьев

Приложение 6

Практическое применение экоматериалов

Детское украшение из пластика

на основе картофельного крахмала

Игрушка из пластика на основе картофельного крахмала и бумаги из опавших листьев