Биопластик: устойчивое будущее из простых ингредиентов

XXVII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке

Личный портфель

Биопластик: устойчивое будущее из простых ингредиентов

Тимофеева П.А. 1
1Инженерный лицей БПОУ "Омавиат"
Бровкина Н.А. 1
1Инженерный лицей БПОУ "Омавиат"
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Диплом школьникаСвидетельство руководителя
Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

ВВЕДЕНИЕ

Проблема загрязнения окружающей среды пластиковыми отходами приобрела глобальный масштаб, представляя серьезную угрозу для экосистем и здоровья человека. Традиционный пластик, полученный из невозобновляемых ресурсов, отличается длительным периодом разложения, что приводит к его накоплению в почве и водоемах, образованию микропластика и негативному воздействию на живые организмы. В связи с этим, все больше внимания уделяется поиску и разработке альтернативных материалов, способных заменить традиционный пластик и снизить негативное воздействие на окружающую среду.

Одним из перспективных направлений является создание и использование биопластика – материалов, полученных из возобновляемых ресурсов или обладающих способностью к биоразложению. Биопластик, в отличие от традиционного, способен разлагаться под воздействием микроорганизмов, что снижает риск долгосрочного загрязнения окружающей среды. Однако, несмотря на очевидные преимущества, биопластик все еще имеет ряд ограничений, таких как более высокая стоимость производства и недостаточная прочность по сравнению с некоторыми видами традиционного пластика.

В рамках данной исследовательской работы предпринята попытка изучить возможности создания биопластика в домашних условиях из доступных и экологически безопасных материалов, таких как крахмал, молоко и водоросли. Целью исследования является оценка перспектив использования такого биопластика в качестве альтернативы традиционному пластику для ограниченного спектра применений.

Целью исследования является возможность возможности создания и оценить свойства биопластика на основе доступных материалов (крахмала, молока и водорослей) в домашних условиях как экологически безопасной альтернативы традиционному пластику для ограниченного спектра применений.

Задачи:

  1. Подтвердить возможность создания биопластика в домашних условиях из крахмала, молока и водорослей.

  2. Определить экологические свойства полученного биопластика, подтверждающие его биоразлагаемость и безопасность для окружающей среды.

  3. Оценить физико-механические свойства биопластика, созданного в домашних условиях, в частности, прочность, водостойкость и термостойкость.

  4. Определить потенциальные области применения биопластика на основе полученных свойств, с акцентом на упаковку сухих материалов, одноразовую посуду и другие области, где не требуется высокая прочность и водостойкость.

  5. Продемонстрировать, что биопластик, созданный в домашних условиях, является реальной альтернативой традиционному пластику и может снизить проблему микропластика, несмотря на ограничения в применении.

Объект исследования: биопластик как потенциальная альтернатива традиционному пластику.

Предмет исследования: процесс создания, свойства и области применения биопластика, изготовленного из доступных материалов (крахмал, молоко, водоросли) в домашних условиях.

Гипотеза: в домашних условиях из крахмала, молока и водорослей возможно создать биопластик, который экологичен, разлагается в почве и не вредит окружающей среде; он подходит для сухих материалов, одноразовой посуды, упаковок, но не устойчив к воде и высоким температурам, демонстрируя реальную альтернативу традиционному пластику и главной его проблеме - микропластику.

Методы исследования

1. Экспериментальный метод:

  • Создание образцов биопластика из крахмала, молока и водорослей по различным рецептурам.

  • Контроль условий создания (температура, пропорции, время).

  1. Метод наблюдения:

  • Визуальная оценка характеристик биопластика (цвет, текстура, прозрачность).

  1. Измерительный метод (оценочный):

  • Оценка прочности (на разрыв, изгиб) с использованием подручных средств.

  • Оценка водостойкости (время сохранения формы при контакте с водой).

  • Оценка термостойкости/теплостойкости (время сохранения формы при контакте с теплом).

  1. Сравнительный анализ:

  • Сравнение свойств полученного биопластика с характеристиками традиционного пластика.

  • Сравнение полученных результатов с данными из научной литературы о биопластиках.

  1. Анализ и обобщение:

  • Систематизация полученных данных.

  • Формулирование выводов на основе результатов исследования.

Глава 1. Биопластик: понятие, классификация и перспективы применения.

    1. Что такое биопластик.

Больше 99% всех полимеров и пластмасс делают из нефти, газа или угля. А значит, всё, что окружает нас, — упаковка, стройматериалы, детали автомобилей, ткани, электронные устройства — сделаны из невозобновляемых ресурсов. Впрочем, полимерные материалы еще в 60-е годы 20-го века научились получать из кукурузы, картофельного крахмала, пшеницы, сахарного тростника и т. п., но по технологическим свойствам они уступали полимерам из углеводородов, да и стоили дорого. Однако в последние годы производство полимеров из растений резко выросло, и тому есть несколько причин. Промышленники и общественность стали подсчитывать выброс СО2 при любом производстве, пластики из растений сравнялись по свойствам с синтетическими. Биопластик — это полимерный материал, который либо производится из возобновляемых биологических ресурсов (растений, биомассы), либо является биоразлагаемым (под действием микроорганизмов), либо и то, и другое, в отличие от традиционных пластиков из нефти Обычные пластики (также называемые полимерами), такие как, например, полиэтилен, производят чаще всего из нефти или природного газа. Биопластики необязательно являются биоразлагаемыми и могут разлагаться не быстрее, чем некоторые пластмассы. Полимер — это, в свою очередь, высокомолекулярное соединение, которое состоит из большого количества одинаковыхилиразныхповторяющихсямономеров,соединенныхмеждусобой.

Полимеры для биопластиков получают в основном поликонденсацией из возобновляемого сырья (кукуруза, тростник, молочная кислота), где мономеры соединяются с выделением низкомолекулярных веществ (вода, спирт), образуя длинные цепи, в то время как полимеризация — это присоединение мономеров без побочных продуктов, типичное для нефтехимических пластиков, хотя и био-мономеры (например, из растительных масел) могут быть использованы в обоих процессах. Реакция полимеризации — это процесс образования высокомолекулярного соединения путем соединения друг с другом большого числа низкомолекулярных веществ (мономеров). Реакция поликонденсации — это процесс образования высокомолекулярного соединения путем взаимодействия мономеров с несколькими функциональными группами, которое сопровождается выделением низкомолекулярных продуктов реакции (воды, аммиака, соли и других веществ).

1.2. Свойства и применение биопластика.

1. Преимущества биопластика перед обычным пластиком:

    • Использование возобновляемых ресурсов.

    • Биоразлагаемость и компостируемость.

    • Меньший углеродный след при производстве.

    • Снижение зависимости от ископаемого топлива.

2. Недостатки биопластика:

    • Более высокая стоимость по сравнению с традиционным пластиком (хотя это меняется).

    • Ограниченная прочность и термостойкость (для некоторых типов).

    • Зависимость от технологий производства и доступности сырья.

    • Необходимость создания специализированной инфраструктуры для компостирования.

3. Области применения биопластика:

    • Упаковка (пищевая, косметическая, промышленная).

    • Сельское хозяйство (мульчирующая пленка).

    • Медицина (хирургические нити, импланты).

    • Производство одноразовой посуды.

    • 3D-печать.

    • Производство игрушек и сувениров.

1.3. Производство биопластика в домашних условиях: перспективы и ограничения.

  1. Принципы создания биопластика в домашних условиях:

    • Использование доступных и безопасных компонентов (крахмал, уксус, глицерин, желатин, молоко, водоросли).

    • Оптимизация рецептур и технологий производства для достижения желаемых свойств.

    • Создание простых и доступных методов для оценки качества полученного биопластика.

  1. Особенности и свойства биопластиков, созданных в домашних условиях на основе различных компонентов (крахмал, молоко, водоросли)

  2. Преимущества и ограничения домашнего производства биопластика:

    • Экологическая безопасность.

    • Низкая стоимость.

    • Возможность экспериментировать с рецептурами и свойствами.

    • Ограниченная прочность и долговечность.

    • Невозможность масштабирования производства.

    • Необходимость соблюдения мер предосторожности при работе с компонентами.

  1. Перспективы использования домашнего биопластика:

    • Упаковка сухих продуктов.

    • Изготовление одноразовой посуды.

    • Создание поделок и сувениров.

    • Альтернатива полиэтиленовым пакетам.

    • Проведение образовательных экспериментов.

Глава 2. Практическая часть: Создание биопластика в домашних условиях.

В рамках исследовательской работы были проведены эксперименты по созданию биопластика из доступных материалов: водорослей (агар-агар), крахмала и молока. Целью экспериментов являлось подтверждение возможности получения биоразлагаемых материалов в домашних условиях и оценка их основных характеристик.

2.1. Биопластик из водорослей (агар-агар).

Материалы:

  • Агар-агар (порошок): 3 г

  • Глицерин (пластификатор): 3 г

  • Вода: 60 мл

Технология:

  1. Смешивание: В небольшую кастрюлю налила воду. Добавила агар-агар и глицерин. Тщательно перемешала компоненты до однородной консистенции, избегая образования комочков.

  2. Нагрев: Поставила кастрюлю на плиту на слабый огонь. Постоянно помешивая смесь, довела её почти до кипения, не допуская интенсивного кипения.

  3. Термообработка: Продолжила нагрев при постоянном помешивании в течение 5-10 минут, до образования однородного и слегка вязкого раствора.

  4. Формовка: Сняла кастрюлю с огня. Вылила раствор на плоскую поверхность (например, силиконовый коврик или лист стекла), распределила тонким слоем.

  5. Сушка: Оставила заготовку застывать и высыхать при комнатной температуре до полного затвердевания.

2.2. Биопластик из крахмала.

Материалы:

  • Крахмал (кукурузный или картофельный): 10 г

  • Вода: 60 мл

  • Глицерин (аптечный, 99%): 5 г

  • Уксус (столовый, 9%): 5 г

Технология:

  1. Смешивание: В небольшой емкости смешала крахмал с холодной водой до образования однородной суспензии.

  2. Добавление реактивов: Добавила глицерин и уксус в крахмальную суспензию, тщательно перемешала.

  3. Термообработка: Нагревала смесь на медленном огне, постоянно помешивая, до загустения и образования прозрачной массы (клейстера). Важно не допустить пригорания.

  4. Сушка: Распределила полученную массу тонким слоем (толщиной 2-3 мм) по фольге или силиконовому коврику. Оставила высыхать при комнатной температуре в течение 24-48 часов до полного высыхания.

2.3. Биопластик из молока (казеин).

Материалы:

  • Молоко (2.5 %): 400 мл

  • Уксус (столовый, 9%): 4 мл

Технология:

  1. Смешивание: В кастрюле смешала теплое молоко с уксусом. В результате реакции происходит свертывание молока и образование белых хлопьев казеина (молочного белка).

  2. Фильтрация: Процедила полученную смесь через сито или марлю, чтобы отделить густой осадок (казеин) от жидкости (сыворотки).

  3. Подготовка к сушке: Удалила лишнюю влагу из казеинового осадка с помощью бумажных салфеток, промокнув творожистую массу.

  4. Сушка: Распределила казеиновую массу тонким слоем по силиконовому коврику. Оставила высыхать при комнатной температуре в течение 24-48 часов до полного затвердевания.

Выводы

В результате проведенных экспериментов были успешно получены образцы биопластика из водорослей, крахмала и молока. Полученные материалы обладают свойствами, характерными для биопластика: они полностью разлагаемы, экологичны и могут быть использованы для изготовления упаковки для сухих продуктов, одноразовой посуды или игрушек. Следует отметить, что полученные образцы биопластика не обладают высокой прочностью и водостойкостью и не предназначены для использования в условиях высоких температур или контакта с водой. Одним из важных преимуществ данных материалов является их безопасность и возможность разложения в почве в течение нескольких недель, что позволяет снизить негативное воздействие на окружающую среду.

 

Заключение

В ходе нашего исследования была достигнута основная цель – создана и оценена возможность получения биопластика на основе доступных материалов (крахмала, молока и водорослей) в домашних условиях. Итоги выполнения поставленных задач подтверждают жизнеспособность биопластика как экологически безопасной альтернативы традиционным пластикам, а также выявляют его достоинства и ограничения.

Мы подтвердили, что биопластик может быть успешно изготовлен из крахмала, молока и водорослей, что открывает новые возможности для его использования, даже в условиях домашнего производства.

Полученный материал продемонстрировал свои биоразлагаемые характеристики, что подтверждает его безопасность для окружающей среды и потенциал в борьбе с проблемой микропластика.

Оцененные свойства, такие как прочность, водостойкость и термостойкость, показывают, что хотя биопластик не подходит для применения в условиях высокой влажности или экстремальных температур, он является адекватным выбором для использования в упаковке сухих материалов и одноразовой посуде.

Исходя из исследованных параметров, биопластик может найти свое применение в упаковке и производстве одноразовой посуды, что делает его полезным на потребительском рынке.

Биопластик, созданный в домашних условиях, стал реальной альтернативой традиционным пластиковым изделиям, что демонстрирует его потенциал для снижения проблемы микропластика.

Достигнутая цель подтверждает возможность использования доступных природных материалов для создания экологически безопасного биопластика, который может стать частью решения проблемы загрязнения окружающей среды.

Мы пришли к выводу, что биопластик, созданный из крахмала, молока и водорослей, является не только жизнеспособной альтернативой, но и имеет значительный потенциал для дальнейшего развития.

Полученные результаты могут быть полезны не только в личном использовании, но и при разработке более масштабных экологически безопасных продуктов. Это открывает двери для новых исследований в области устойчивого потребления и защиты окружающей среды.

Рекомендуется продолжить экспериментальную работу по улучшению свойств биопластика, а также рассмотреть возможность его серийного производства для коммерческого использования.

Перспективы дальнейших исследований включают эксперименты с добавлением других природных материалов, испытания на различные методы обработки, а также изучение возможных путей повышения водостойкости и термостойкости биопластика. Это позволит не только улучшить доступные экологически чистые материалы, но и расширить их область применения, что станет значительным шагом к устойчивому развитию.

Список литературы и интернет-источников

  1. https://skysmart.ru/

  2. https://www.bluesun-chem.com/

  3. https://olil.ru/articles

  4. https://himstab.ru/

  5. https://polymer.by/

  6. http://mocgeoz.by

  7. https://polymerbranch.com/

  8. Greenpeace:greenpeace.org

  9. Федеральныйзакон"Оботходахпроизводстваипотребления".

  10. Материалыитехнологии:Учебноепособие/Подред.Б.Н.Арзамасова.

—М.:Изд-воМГТУим.Н.Э.Баумана,2006.

Просмотров работы: 23