XVIII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Получение биоразлагаемого пластика и его применение в быту

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Грошева А.И. 1

---

1МБОУ «СОШ №153» г. Казани

Ксенофонтова И.В. 1

---

1МБОУ «СОШ №153» г. Казани

Работа в формате PDF

136.1 KB

Автор работы награжден дипломом победителя III степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение

В современном мире созданы материалы, которые прочны и долговечны во времени, например, пластик. Благодаря своим свойствам, т.е. относительно низкой стоимости производства и простоте обработки, пластические изделия сопровождают нас практически во всех областях жизни и техники. Они используются, в частности, в предметах домашнего обихода, спортивного оборудования, офисных товарах, электронике, в упаковках и т.п. Без современных пластмасс был бы невозможен большой рост в автомобильной, авиационной и космической промышленностях, а также медицины. Но пластик, кроме всех своих замечательных свойств, имеет два важных недостатка. Во-первых, он производится из невосстанавливаемых природных ресурсов — нефти, угля и газа. Во-вторых, его главное достоинство — долговечность, — за которым так гнались изобретатели пластика в начале прошлого столетия, сегодня обернулось недостатком. Чем больше пластмассы мы используем, тем быстрее растут горы отходов, которые не разлагаются в окружающей среде ни при каких условиях. В окружающую нас среду выбрасывается около десятки миллионов тонн в год пластиковых отходов. Они попадают в океаны и наносят большой вред морским животным. Как известно, время разложения одной пластиковой бутылки более 400 лет. А масштабы производства пластика всё растут. Обычные методы переработки мусора – сжигание, закапывание и даже вторичная его переработка не решают проблему. Так при сжигании пластика в атмосферу выделяются ядовитые газы, отравляющие живые организмы и раздражающие озоновый экран, закопанный пластик будет веками загрязнять нашу почву. Отличный способ избавления от пластика – его вторичная переработка в производстве - рециклинг, но это при условии соблюдения раздельного сбора мусора, а такая культура в нашем обществе, к сожалению, воспитывается очень медленно. Пластмассы в настоящее время являются неотъемлемой частью окружающего нас мира.

Из-за растущей проблемы с распределением пластиковых отходов проводятся исследования в целях разработки новых биоразлагаемых полимерных материалов, сокращенно называемых также биопластиком. Такие материалы должны обладать эксплуатационными свойствами, сопоставимыми со свойствами пластмасс, полученных традиционными методами. Их производят в промышленных масштабах, как из возобновляемого, так и нефтехимического сырья. По сравнению с традиционными пластмассами, производимыми из ископаемого сырья, биопластмассы имеют ряд ценных преимуществ. Прежде всего, они позволяют экономить сырье при использовании периодически обновляющейся биомассы. Кроме того, их производство и применение нейтральны с точки зрения выбросов углерода, что означает, что их переработка не способствует повышению уровня углекислого газа в атмосфере. Более того, некоторые типы биопластика поддаются биодеградации. Срок разложения биопластиков в естественной среде составляет 180 дней, тогда как другие пластика и разлагаются до несколько сотен лет. Кроме того, спрос на биопластики определяется целым рядом социальных и экономических факторов. Таким образом, тема нашего исследования актуальна, ведь настало время, когда требуются инновационные способы решения данной проблемы.

Исходя из вышеизложенного, перед нами возник вопрос о возможности получения биопластика (экопластика) в домашних условиях, проверить свойства и показать возможности применения полученного материала.Тщательно изучив доступную нам литературу, посвящённую данной проблеме, мы задались вопросом - как, например, сделать из крахмала пластиковую бутылку для молока или корзинку для фруктов? Таким образом, актуальность данного исследования обуславливается:

1) потребностью изучения состава биопластика и его качественных характеристик;

2) изучение эффективности применения биопластика в практической деятельности человека.

Проблема исследования заключается в изучении свойств биопластика, в выяснении его положительных характеристик и возможных недостатков в применении.

Объект исследования: биоупаковка(экопластик), созданная на основе крахмала.Предмет исследования: процесс приготовления биоразлагаемого пластика и состав ингредиентов.

Гипотеза исследования – предположим, что возможно изготовить биопластик из крахмала в домашних (школьных) условиях. Экспериментально изучив свойства предметов из биопластика, можно доказать не только их положительную роль для человека, но и безопасность для окружающей среды.

Целью нашего исследования явилось проектирование и изготовление изделия биоразлагаемой упаковки на основе крахмала для дальнейшего возможного применения данного продукта на практике.

Задачи исследований:

1) Провести литературный обзор по проблеме создания биопластика и биоупаковки.

2) Рассмотреть способы (технику) получения биопластика и на его основе биоупаковки.

3) С помощью химического эксперимента спроектировать и изготовить изделие, рассчитать себестоимость изделия.

4) Провести исследование по изучению свойств и возможности применения полученного материала, выполнить экономическое обоснование.

5) Ознакомить с полученными результатами исследований учащихся нашей школы и их родителей.

Проектный продукт: крахмалопласт и изготовленная на его основе биоупаковка.

Новизна исследования: предпринята попытка создать самозатвердевающий биопластик в домашних (школьных) условиях из подручных материалов.    

Глава 1. Литературный обзор

1.1 История развития биопластики

В XX веке главным завоеванием синтетической революции можно смело назвать изобретение пластика. Сейчас, даже трудно представить себе, что еще в начале прошлого века его просто не существовало и все вокруг делалось из модных нынче натуральных материалов.  Во II веке до нашей эры греки играли в мяч из желчного пузыря свиньи, наполненного воздухом и напоминающий мяч для регби. Древние греки без конца пробовали различные растительные добавки, чтобы придать стенкам свиного пузыря эластичность. Индейцы майя делали мяч из кожуры плодов, обернутой в натуральный каучук, который они добывали из фикусов. Похожую технологию использовали жители островов Океании и Юго-восточной Азии. До ума, впрочем, ее довели только европейцы. В XIX веке из Малайзии в Европу было привезено гуттаперчевое дерево, из млечного сока которого стали добывать гуттаперчу. Первым изделием из нового материала стали шары для гольфа. От мяча эстафетная палочка перешла к бильярду. В 1862 году британский химик Александр Паркес решил придумать дешевый заменитель дорогостоящей слоновой кости, из которой делались бильярдные шары. Результатом стало открытие первого пластификатора. Смесь нитроцеллюлозы, камфоры и спирта подогревалась до текучего состояния, далее заливалась в форму и застывала при нормальном атмосферном давлении. Так на свет появился паркезин — первый полусинтетический пластик [4]. В 1897 году немецкие химики открыли казеин — протеин, образующийся при сворачивании молока под действием протеолитических ферментов (тех самых веществ, с помощью которых мы перевариваем пищу). Ученые обнаружили, что казеин придает материалам эластичные свойства, а при остывании — твердость и прочность. Из казеина наладили выпуск пуговиц и вязальных спиц. Первый полностью синтетический пластик был разработан Лео Беикеландом в США в 1907 году. Ученый изобрел жидкое вещество, напоминающее смолу, которое после застывания превращалось в материал с удивительными свойствами. Изделия из него были прочными и не растворялись даже в кислоте. Первые телефонные аппараты были сделаны именно из находки Беикеланда. Пластик мгновенно (менее чем за год) распространился по всему миру (1). Сегодня одному из самых распространенных материалов – пластику на смену приходит биопластик. «Зеленые полимеры» научились делать еще в 1960-е годы, изготавливая из кукурузы, картофельного крахмала, пшеницы, сахарного тростника и другого растительного сырья. Однако стоили они весьма дорого, да и качество их оставляло желать лучшего. Первые биоразлагаемые полимеры, представляющие собой сочетание крахмала с различными синтетическими пластиками, были представлены в 80-е годы прошлого столетия в США, Италии и Германии на рынке упаковочных материалов. Благодаря наличию в составе природного компонента они получили способность самоутилизироваться, сохраняя при этом эксплуатационные свойства, присущие синтетическим пластикам. Разработке этих материалов способствовал нефтяной кризис 1970-х годов, резко увеличивший стоимость традиционного сырья для производства полимеров. До начала XXI века биопластики не получили широкого применения, так как их производство было весьма затратным. Но новые технологии позволили снизить их себестоимость. К тому же стремительный рост цен на нефть и очевидное предстоящее сокращение ее запасов заставили изготовителей полимеров использовать возобновляемое сырье. Этому способствовала и ответственная экологическая политика властей в развитых странах. На рынке биоразлагаемых полимеров сегодня лидируют США, государства ЕС, Китай, Япония и Южная Корея. С 2010 года по 2015-й мировое производство таких материалов выросло более чем в три раза. В 2017 г. российские ученые из Университета экономики имени Плеханова и Института биохимической физики РАН объявили об успешной разработке высококачественного биоразлагаемого полиэтилена, полученного путем соединения сельскохозяйственных отходов с обычными полимерами (2)

1.2 Экологическая альтернатива – биопластик

Биопластики — это разновидность пластмассы, которую получают из возрождаемых источников биоматерии: растительных масел и жиров, крахмала или же микробиоматерии. Биопластики можно изготавливать из вторичных сельскохозяйственных продуктов или из побочного полимерного материала, с использованием микроорганизмов. Простые пластики, в основном, получают из газа и нефти, но их изготовление требует использования огромного количества ископаемого топлива, а объем парниковых газов, являющихся побочным эффектов их производства, значительно выше, нежели при производстве биопластиков. Биопластмассы могут включать в себя различные элементы: крахмалы, целлюлозы, биополимеры и многие другие. Интересно, что некоторые виды биопластиков относятся к биоразлагаемым, что и делает их привлекательным для всего человечества. С каждым годом объем их использования только растет. Их уже используют для изготовления биоразлагаемой посуды, детских игрушек, упаковок и упаковочных материалов, медицинской промышленности, электронной, а также как сырье для полимерной 3D-печати.Разлагаемые биопластики широко применяют и в медицине. Полимеры, сделанные из биомолекул, лучше совместимы с человеческими тканями и рассасываются легче, чем «традиционные» пластики. Например, немецкие хирурги испытали хирургические винты из полилактидов. Они рассасываются через два года, и больных не надо оперировать повторно, как это сейчас происходит с металлическими штифтами. В США исследуют медицинские импланты из смесей биоразлагаемых полимеров, например для восстановления коленного хряща. А японцы недавно выпустили на рынок почти прозрачную клеящуюся пленку толщиной в десятки нанометров. Она сделана из хитозана и предназначена для быстрого заживления внутренних ран. Теоретически она могла бы заменить медицинские нити или скобы [3].

Биопластмассы можно разделить на три группы в зависимости от источника происхождения и способности к биодеградации:

• пластмассы, полученные из возобновляемого сырья, но не поддающиеся биоразложению, напр., полиамид (ПА), полиэтилентерефталат (ПЭТ),

• биоразлагаемые пластмассы, но не производимые из возобновляемого сырья – например, полибутиратадипинтерефталат (PBAT) или поликапролактон (PCL),

• биопластмассы, полученные из возобновляемого сырья (биоразлагаемых полимеров), поддающиеся биоразложению – например, полилактид, т.е. пластик на основе биополимера молочной кислоты (ПЛА), полигликолид на основе гликолевой кислоты (ПГА) или же модифицированный крахмал [4].

1.3 Виды биопластиков

Пластмассы на основе крахмала. Крахмал наиболее распространенное сырье для биоразлагаемых материалов, с ним работают более 30% специализированных предприятий. Конечно, сам он довольно хрупкий, но если в него добавить растительные пластификаторы (глицерин, сорбитол), волокна льна, конопли или полимер молочной кислоты, полученный из кукурузы или свеклы, то это увеличит механическую прочность и пластичность. Модификация гидрофильных ОН-групп сделает его устойчивым к влаге. Таким образом, крахмал используют не только в качестве наполнителя, но и модифицируют его, после чего получается полимер, который разлагается в окружающей среде, но при этом обладает свойствами коммерчески полезного продукта. Изделия из модифицированного крахмала производят на том же оборудовании, что и обыкновенную пластмассу, его можно красить. Правда, его технологические свойства пока уступают полиэтилену и полипропилену, которые он мог бы заменить. И все-таки из крахмала уже делают поддоны для пищевых продуктов, сельскохозяйственные пленки, упаковочные материалы, столовые приборы, сеточки и контейнеры для хранения овощей и фруктов и многое другое.

Пластмассы на основе целлюлозы. Биопластиками целлюлозы являются главным образом сложные эфиры целлюлозы (включая ацетат целлюлозы и нитроцеллюлозу) и их производные, включая целлулоид. Целлюлоза может стать термопластичной при значительной модификации. Примером этого является ацетат целлюлозы, который дорог и поэтому редко используется для упаковки. Однако целлюлозные волокна, добавленные в крахмалы, могут улучшить механические свойства, газопроницаемость и водостойкость, поскольку они менее гидрофильны, чем крахмал.  Группа из Шанхайского университета смогла создать новый зеленый пластик на основе целлюлозы с помощью метода, называемого горячим прессованием. 

Белковые пластики. Биопластики могут быть сделаны из белков из разных источников. Например, пшеничный глютен и казеин проявляют многообещающие свойства в качестве сырья для различных биоразлагаемых полимеров. Кроме того, соевый белок рассматривается как еще один источник биопластика. Соевые белки используются в производстве пластмасс уже более ста лет. Например, панели кузова оригинального автомобиля Ford были сделаны из пластика на основе сои.

Биопроизводный полиэтилен. Основным строительным блоком (мономером ) полиэтилена является этилен. Этилен может быть получен из этанола, который может быть получен путем ферментации сельскохозяйственного сырья, такого как сахарный тростник или кукуруза. Биологически полученный полиэтилен химически и физически идентичен традиционному полиэтилену - он не разлагается, но может быть переработан.

Генетически модифицированное сырье. Учитывая, что ГМ - кукуруза является обычным сырьем, неудивительно, что некоторые биопластики сделаны из этого. В технологиях производства биопластиков используется модель «фабрика растений», в которой для оптимизации эффективности используются генетически модифицированные сельскохозяйственные культуры или генетически модифицированные бактерии.

Липидные полимеры. Ряд биопластических классов был синтезирован из растительных и животных жиров и масел.  Полиуретаны, сложные полиэфиры, эпоксидные смолы  и ряд других типов полимеров были разработаны с сопоставимыми свойствами с материалами на основе сырой нефти [5].

1.4 Биодеградация биопластиков.

Биодеградация любого пластика - это процесс, который происходит на границе раздела твердое тело / жидкость, в результате которого ферменты в жидкой фазе деполимеризуют твердую фазу. Биопластики и обычные пластмассовые содержащие добавки способны к биоразложению. Биопласты способны разлагаться в различных средах, поэтому они более приемлемы, чем обычные пластмассы. Биоразлагаемость биопластика происходит в различных условиях окружающей среды, включая почву, водную среду и компост. Как структура, так и состав биополимера оказывают влияние на процесс биоразложения, поэтому изменение состава и структуры может увеличить биоразлагаемость. Почва и компост как условия окружающей среды более эффективны при биоразложении благодаря их высокому микробному разнообразию. Компостирование не только эффективно разлагает биопластики, но и значительно снижает выбросы парниковых газов. Биоразлагаемость биопластов в компостных средах может быть повышена путем добавления более растворимого сахара и повышения температуры. С другой стороны, почвенная среда имеет большое разнообразие микроорганизмов, что облегчает биоразложение биопластиков. Однако биопластика в почвенной среде требует более высоких температур и более длительного времени для биоразложения. Некоторые биопластики более эффективно разлагаются в водоемах и морских системах; однако это создает опасность для морских экосистем и пресной воды. Следовательно, можно с полным основанием сделать вывод, что биодеградация биопластика в водоемах, которая приводит к гибели водных организмов и загрязнению воды, может быть отмечена как одно из негативных воздействий биопластика на окружающую среду [6].

2. Практическая часть

2.1 Объекты и методы исследований

Объект исследования: биоупаковка (экопластик), созданная на основе крахмала.

Предмет исследования: процесс приготовления биоразлагаемого пластика

состав ингредиентов.

При выполнении данной работы нами были использованы следующие методы исследования:

1. Анализ литературных источников.

2. Методы химического исследования.

3. Наблюдение.

4. Анкетирование.

5. Математическая обработка полученных результатов (статистический).

Проектный продукт: крахмалопласт и изготовленная на его основе биоупаковка

Методика получения биопластика на основе крахмала:

Обычный крахмальный биопластик можно произвести даже в домашних условиях.

Крахмал — пожалуй, самое распространенное сырье для биоразлагаемых материалов, с ним работают более 30% специализированных предприятий. Конечно, сам он довольно хрупкий, но если в него добавить растительные пластификаторы (глицерин, сорбитол), волокна льна, конопли или полимер молочной кислоты, полученный из кукурузы или свеклы, то это увеличит механическую прочность и пластичность. Чистый крахмал имеет свойство абсорбировать влагу. Следовательно, он отлично подходит для того, чтобы производить медицинские препараты (лекарственные капсулы). Роль пластификаторов при этом могут играть сорбит глицерин. Для создания биопластика мы использовали картофельный крахмал и ингредиенты, которые способствуют гидролизу крахмала, для получения линейных структур крахмала мы использовали уксусную кислоту, поваренную соль, соду, а также глицерин для придания гибкости и мягкости биополимеру. Вода является одним из основных реактивов реакции гидролиза крахмала и от ее количества зависит степень вязкости полимера.

Таблица 1. Состав биопластика

2.2 Свойства полученных образцов биопластика

Все полученные образцы мы подвергли сушке в течение 5 суток.

При проведении опыта по получению образца №1 – солевого, мы получили массу неоднородной консистенции жирной на ощупь, не имеющей устойчивой формы, без запаха, не применимый в дальнейшей работе (табл.2).

Образец №2 – содовый получился очень твердым, белого цвета, практически без запаха, не эластичный, но довольно легко крошится и также не совсем применим для получения биоупаковки (табл.2).

Образец №3 – уксусный представляет собой довольно твердую шероховатую массу кремового оттенка с пористой структурой. Эластичность низкая. Прослеживается едва уловимый запах пластика (табл. 2).

Образец № 4 – экспериментальный, наиболее удачный образец, гладкий на ощупь, довольно эластичный, имеет однородную структуру, твердость умеренная, прозрачный с желтоватым оттенком (табл. 2).

Образец № 5 – домашний, имеет неоднородную структуру, достаточно твердый, хрупкий, легко крошится (табл.2).

Полученные образцы мы решили проверить на их отношение к воде, растворам кислоты, щелочи, спирту, а также отношение полученных продуктов к повышенным и пониженным температурам.

Таблица 2. Характеристика образцов биопластика

На основании изученных свойств полученных биопластиков, мы предположили возможность их применения, и данные представили в таблице 2.

Таблица 3. Свойства крахмалопластов и возможное их применение

2.3 Расчеты себестоимости

Расчеты себестоимости определяется стоимостной оценкой используемых в процессе производства (изготовления) ресурсов, сырья, материалов, энергии, основных средств на ее производство и реализацию. Себестоимость единицы продукции определяется как отношение всех производственных издержек к количеству произведенной продукции.

S=И/V, где

И-суммарная (полная) себестоимость, руб.

S- единичная себестоимость, V объем произведенной продукции

Расчет стоимости использованных материалов (образец №2)

Крахмал: 500 г (1 пачка) – 53 руб., использовано 200 г – 21,5 руб.

Сода: 500 г (1 пачка) – 31 руб., использовано 400 г – 24,8 руб.

Получили образец пластмассы стоимостью 46,8 руб.

Себестоимость продукта: S=46,3 / 2=23,15 руб. (2 изделия)

Стоимость 1 кВт/ч – 3,93 руб, мощность плиты 1 кВт, время приготовления – 5 минут, израсходовано 0,083 кВт/ч

Стоимость потраченного электричества: 0,083*3,93= 33 коп.

Итого: 23,15 руб+33 коп.=23,35 руб.

Вывод: В результате проведенных исследований органолептических свойств полученных образцов крахмалопласта и их отношения к различным средам мы пришли к выводу, что наиболее высокими показателями свойств обладает образец №4 – экспериментальный, и образец №2 – содовый, области применения которых могут быть наиболее широкими.

Заключение

В результате проведенных исследований мной были решены поставленные задачи и получены различные образцы биопластика на основе крахмала, рассмотрены их органолептические свойства и изменение их структуры в различных средах и условиях применения. Конечно, пластик сегодня незаменим во всех областях жизни, он легкий и прочный, может быть любого цвета и формы, позволяя создавать невозможные без него формы и предметы. Пластик производят из нефти, газа, угля, но основная проблема не в том, из чего этот пластик получают, а в том, что его производят в огромных количествах и человек не наладил процессы по его вторичной переработке. Огромное количество отходов попадает на мусорные свалки, в Мировой океан, воздух и т.д. но есть прекрасная альтернатива – биопластик.

Изучая материалы по данной тематике, мне удалось узнать о разных способах создания крахмалопластов на основе крахмала. Образец №4 наиболее приближен к привычным нам пластмассам. Прозрачный, эластичный, легко поддается окрашиванию пищевыми красителями. Но главные его недостатки не позволяют смастерить изделие в домашних условиях – при высыхании пластмасса рвется по краям и не клеится между собой. Более того, материал даже после высыхания остается гибким, что ограничивает возможности создания изделий из него.

Из биопластика и №2, приготовленного в условиях школьной химической лаборатории мне удалось создать некоторые изделия: из биопластика контейнер для хранения сыпучих веществ и елочное украшение. Выдвинутая нами гипотеза исследования о том, что возможно  изготовить биопластик из крахмала в домашних условиях полностью подтвердилась практическим способом.

В условиях школьной лаборатории нам удалось получить образец экологически чистой пластмассы на основе природного полимера – крахмала. Полученные образцы биопластика способны разлагаться водой (образцы 1,2,5) и размягчаться (образцы 3,4), поэтому изделия из них можно применять для хранения сухих и сыпучих веществ. Крахмал прекрасный материал, на основе которого можно получить биоупаковки. Можно получать биоупаковки разного назначения, подбирая соответствующие ингредиенты. Биоупаковки на основе крахмала экологически безопасны, как для природы в целом, так и для здоровья человека. Таким образом, из проделанной работы можно сделать следующие выводы:

Провели литературный обзор по данной проблеме.

Рассмотрели способы (технологии) получения биопластика и на их основе создали изделия.

Из подручных средств была создана биопластмасса «образец № 4», и изготовлен контейнер для хранения сыпучих веществ «образец №2».

Выяснили, что наилучшими свойствами обладает биопластик, произведенный на основе крахмала, образец №2 (содовый).

Изучили физико-химические свойства биоупаковки, на основе полученного биопластика, а также определили себестоимость продукта, равную 23,35 руб.

Ознакомили с полученными результатами исследований учащихся нашей школы и их родителей.

Список литературы

1. Власов С.В., Ольхов А.А. Биоразлагаемые полимерные материалы // Полимерные материалы. 2006. №10. - С. 28-33.

2. Лешина А. Пластики биологического происхождения// Химия и жизнь.-2012.- №9.- С. 287-289.

3.Касьянов Г.И. Биоразрушаемая упаковка для пищевых продуктов// Вестник науки и образования Северо-Запада России.- 2015.- Т. 1.- №3.- С.37-41.

4. Попов А. Биоразлагаемые полимерные материалы // Тара и упаковка. – 2007. – № 3. – С. 43–47.

5. Рыбкина С.П., Пахаренко В.А., Шостак Т.С., Пахаренко В.В. Основные направления в области создания биоразлагаемых термопластов // Пластические массы. – 2008. – № 10. – С. 47–54

Интернет источники:

1. http://elementy.ru/nauchno-populyarnaya_biblioteka/431802

2. http://ooley.ru/bioplastik-iz-krahmala-sbor-znanij/

3. http://ecoidea.by/ru/article/1593

4. https://habr.com/ru/company/sibur_official/blog/561878/

5. https://ru.thpanorama.com/articles/biologa/bioplsticos-caractersticas-tipos-produccin-y-usos.html

6. https://www.products.pcc.eu/ru/blog/биопластик-будущее-индустрии-пласт/

7. http://zarinsk.ru/news2109

8. https://www.mirpack.ru/articles/istoriya-otkrytiya-i-polza-biorazlagaemykh-polimerov/

9. Wikipedia: Биопластики

https://ru.thpanorama.com/articles/biologa/bioplsticos-caractersticas-tipos-produccin-y-usos.html