XXVIII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Изготовление биоразлагаемого пластика в домашних условиях

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Толмачев Д.В. 1

---

1ЧОУ" Романовская гимназия"

Емельянова А.А. 1

---

1ЧОУ" Романовская гимназия"

Работа в формате PDF

170.3 KB

Автор работы награжден дипломом победителя III степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение

В эпоху массового посещения магазинов стало популярной традицией: при покупке большинство товаров автоматически упаковываются в одноразовые пластиковые пакеты. Жизненный цикл таких продуктов очень короток: после транспортировки и временного хранения (обычно всего несколько дней в холодильнике) они классифицируются как бытовые отходы. Затем пакеты вместе с другими видами отходов выбрасываются на свалки.

Изначально это стандартный процесс обращения с отходами. Однако продолжительность разложения пластика остается пугающим явлением: продолжительность разложения одного пластикового пакета на свалке превышает 400 лет.

В то же время стремительное развитие технологий и стремительный темп жизни привели к широкому использованию одноразовой пластиковой посуды. Сегодня она стала популярной частью повседневной жизни, начиная с активного отдыха.

Несомненно, по сравнению с изделиями из других материалов — например, стекла или дерева — одноразовая пластиковая посуда обладает рядом весомых преимуществ. Она чрезвычайно удобна в использовании, отличается малым весом, а главное — после применения не требует мытья и сушки.

Тем не менее, несмотря на все эти плюсы, широкое использование пластиковой упаковки и посуды наносит колоссальный ущерб окружающей среде. Согласно статистическим данным, ежегодно в мире расходуется порядка четырёх триллионов пластиковых пакетов. Их накопилось настолько много, что этими пакетами можно было бы многократно обернуть нашу планету. В результате человечество столкнулось с масштабной глобальной проблемой, которая несёт реальную угрозу жизни на Земле.

В настоящее время наблюдается растущий интерес общества к экологичности ибезопасности используемых материалов. И для многих важна биоразлагаемость материалов, из которых сделана та или иная посуда и упаковка.

Современные научные изыскания в данной сфере концентрируются на синтезе биоразлагаемых пластмасс с использованием сырья природного происхождения. Разлагаясь после утилизации, подобные материалы формируют продукты распада, обладающие потенциалом для улучшения плодородия почв.

Выявленная научная и практическая значимость направления послужила основанием для формулирования цели исследования.

Цель: разработка методики получения биоразлагаемого пластика в условиях домашней лаборатории.

Для реализации поставленной цели определены следующие исследовательские задачи:

1. Провести комплексный анализ исторических аспектов возникновения и развития производства пластиковой посуды, опираясь на данные научной литературы

2. Исследовать и систематизировать данные о влиянии пластиковой утвари на экологическое состояние окружающей среды и здоровье человека

3. Экспериментальным путём выявить оптимальные пищевые компоненты для создания биоразлагаемого пластика в домашних условиях

4. Провести тестирование полученного материала на экологическую безопасность и продемонстрировать возможности его практического применения

Объект исследования: материалы на основе биоразлагаемого пластика

Предмет исследования: свойства биоразлагаемого пластика.

  В работе использованы следующие методы исследования:

1.   Анализ специальной литературы и Интернет-ресурсов по данному вопросу; 

2.   Проведение экспериментов по созданию биоразлагаемого пластика в домашних условиях;

3.   Сравнение биоразлагаемых  пакетов, купленных в магазине и биоразлагаемый пластик, изготовленный в домашних условиях.

4.    Анализ и обобщение полученных результатов.

Результаты исследования обладают практической ценностью благодаря созданию прототипа экологичного аксессуара для сервировки — биоразлагаемой подставки под горячие напитки. Материал изделия получен на основе доступных биогенных компонентов с эксплуатацией технологий, реализуемых в домашних условиях. Разработанная конструкция способна снизить антропогенную нагрузку за счёт замещения аналогичных изделий из небиоразлагаемых полимерных материалов.

Научная новизна работы состоит в разработке уникального подхода к производству пластикоподобных материалов с использованием натуральных пищевых компонентов. Предложенная методика открывает новые перспективы в области создания экологичных заменителей пластика, позволяя получить функциональный материал из доступных продуктов питания без применения сложных химических процессов и специального оборудования.

Глава 1. Что такое пластик. История происхождения пластика

Несмотря на повсеместное распространение пластика в современном мире, его история сравнительно коротка — появление этого материала датируется лишь серединой XIX века. До этого момента способностью принимать разнообразные формы обладали исключительно природные вещества: воск, смола и глина. Однако все они имели существенный недостаток — низкую долговечность, что делало их малопригодными для широкого практического применения.

В начале XIX века учёные и изобретатели начали активные поиски синтетического материала, который смог бы заменить существующие аналоги. Пионером в этой области стал английский исследователь Александр Паркс, занимавшийся изучением природных полимеров. В результате своих экспериментов он создал вещество, получившее название «паркезин».

В 1866 году Паркс запустил производство изделий из паркезина, однако из‑за невысокого качества продукции предприятие прекратило существование уже через два года. Тем не менее идеи Паркса получили развитие: его наработки легли в основу создания целлулоида, который оказался более успешным и быстро вошёл в широкий обиход.

Целлулоид нашёл применение в производстве самых разных товаров — от упаковочных материалов до бильярдных шаров. Позднее технология была усовершенствована, и в 1899 году был создан полиэтилен. При этом широкое признание и активное использование этот материал получил лишь спустя несколько десятилетий — в 1933 году.

Активно использовать пластик начали в середине 20 столетия,   в 1953г. немецкий профессор Штаудингер разработал рецепт современной пластмассы, которую получают путем определенных химических реакций.   

С тех пор пластмассу используют везде, потому что из неё можно изготовить практически ВСЁ, используя её свойства. Один из видов пластика –поливинилхлорид был пущен в массовое производство для изготовления бижутерии и лаков, электроприборов и техники, упаковочных материалов, предметов обихода, бытовых мелочей, канцелярии, медицине и прочее.   

Сейчас, наш 21 век можно назвать цивилизацией пластика: разнообразные виды пластмасс и полимерных материалов можно встретить буквально повсюду.

Пластмасса – это искусственный материал (синтетические полимеры, получаемые из нефти), который способен менять свою форму при нагревании и под давлением, а при остывании сохранять новую форму. Другое название пластмассы – пластик. Слово «пластик» происходит от греческого слова «пластик». Это означает «пригодный для литья». 

1.1. Виды пластмасс

PET (PETE). Полиэтилентерефталат

Это, пожалуй, наиболее широко известное название. Тара из данного материала — самый популярный вариант у производителей продуктов питания. При этом производитель чётко указывает: использовать такую упаковку допускается лишь однократно. Однако в странах бывшего СССР это правило зачастую игнорируют: люди продолжают хранить в ПЭТ‑бутылках воду и другие жидкости. Причина для беспокойства есть: такой пластик содержит тяжёлые металлы и отличается токсичностью.

PVC или V (ПВХ). Поливинилхлорид

Поливинилхлорид — один из видов пластика, который запустили в массовое производство для самых разных целей. Его применяют при изготовлении бижутерии и лаков, электроприборов и техники, упаковочных материалов, предметов обихода и бытовых мелочей, канцелярских товаров, а также в медицине и других сферах.

LDPE. Полиэтилен высокого давления

Этот тип пластика нельзя считать полностью безопасным. В его составе могут присутствовать опасные для здоровья человека вещества — например, ртуть, кадмий и различные диоксины. В пищевой промышленности его задействуют редко, и только для хранения растительных масел.

PS (полистирол)

Полистирол чаще прочих материалов используют для производства стаканчиков под кофе и чай. При комнатной температуре этот пластик практически безвреден, но при нагревании он начинает выделять токсины. Поэтому не стоит наливать в такую посуду слишком горячие напитки и тем более долго их в ней хранить. Кроме того, полистирол крайне токсичен при горении — из‑за этого не рекомендуется держать дома большие запасы изделий из этого материала.

PC (поликарбонат)

Иногда такие изделия маркируют буквой «О» (от английского other — «другой»). Поликарбонат — один из наиболее токсичных видов пластика. При этом его нередко используют для изготовления контейнеров для хранения еды. Регулярное употребление пищи из такой посуды может спровоцировать нарушения в работе эндокринной системы и снизить выработку гормона эстрогена.

PP (полипропилен)

Этот вид пластика считается относительно безопасным. Он содержит минимальное количество токсичных веществ и обладает высокой термоустойчивостью. Благодаря этим свойствам тару из полипропилена часто используют для упаковки йогуртов, сиропов и других продуктов, в том числе подходящих для детского питания.

HDPE (HDP)

Данный тип пластика — самый безопасный. Он характеризуется высокой плотностью и прочностью, а главное — полной нетоксичностью. В таре из HDPE можно без опасений приобретать не только продукты питания и воду, но и медикаменты. Продукты, хранящиеся в такой упаковке, сохраняют все полезные свойства и не накапливают вредных веществ. Игрушки, изготовленные из этого материала, тоже безопасны для детей. Ещё одно важное преимущество HDPE — возможность повторной переработки, что особенно актуально в современных экологических условиях.

Интересные факты:

• почти в 50% случаев – в бутылках обычная водопроводная вода;

• для производства пластиковой бутылки требуется в 3 раза больше воды, чем в нее помещается;

• цена, которую мы платим за бутылку с водой, на 90% - это стоимость бутылки и на 10% -воды.

Делая вывод из всего вышесказанного, можно заметить, что при покупке любого товара или продукта, внимание следует обращать не только на его состав, но также и на маркировку тары, в которую тот упакован.

Поэтому питание и воду, предназначенную для детей лучше всего приобретать в стеклянной таре. Не рекомендуется использовать пластик и для длительного хранения продуктов, особенно тех из них, которые имеют повышенную кислотность. Не стоит помещать в подобную тару и слишком горячую пищу. Всю упаковочную пленку нужно снимать с продуктов сразу же после возвращения из магазина.

1.2. Влияние пластика на окружающую среду и здоровье человека

Пластик, из которого делается значительная часть современной посуды (в основном дешёвой и одноразовой), представляет собой огромную угрозу для экобаланса планеты, поскольку для его разложения требуются даже не годы, а тысячелетия. Экологи называют пластик болезнью Земли.
Пластиковые отходы в небольших количествах перерабатываются, большая же часть накапливается в виде не разлагаемых остатков.

Кроме загрязнения планеты непосредственно пластиковыми отходами, негативным образом сказывается на окружающей среде и само производство пластика. Ядовитые химикаты, содержащиеся в пластмассе, попадают в продукты питания, напитки, океанические и грунтовые воды.

Но есть и другой нюанс! Если кто не знает, под воздействием соли и солнца пластик распадается на мелкие частицы, называемые микропластиком. Это все тот же пластик, только в гораздо более опасной форме. Его не только едят рыбы, птицы и млекопитающие, он еще и легко переносится по воздуху и оседает вместе с осадками – дождем и снегом. Микропластик «атакует» не только мегаполисы. Его нашли в девственно-чистых льдах Арктики и на горных ледниках, куда он также попал вместе с осадками.

Пластик попадает в наш организм каждый день. Он участвует в пищевой цепи, оседает на коже, мы вдыхаем его частицы. Влияние пластика на здоровье человека еще мало изучено, но, несмотря на это уже сегодня ученые во всем мире уверены в том, что пластмассы губительны не только для окружающей среды, но для организма человека. Их прогнозы неутешительны. Благодаря проведенным исследованиям стало известно, что в год в организм человека способно попасть от 250 грамм частиц пластика, вместе с ними туда попадает множество токсинов, отравляющих нас.[2]

Мы невольно получаем вредные вещества в организм вместе с одноразовой посудой. Дешёвые пластиковые тарелки и столовые приборы, которые повсеместно выдают в супермаркетах, на фудкортах и вместе с заказами еды на вынос, зачастую изготовлены из полистирола.

При производстве полистирола и поликарбоната применяют отвердитель — бисфенол А. Даже незначительное количество этого соединения в организме способно спровоцировать развитие сердечно‑сосудистых заболеваний, нанести ущерб печени, а также повысить риск возникновения диабета, психических расстройств и онкологических заболеваний. Для детей воздействие бисфенола А особенно опасно: оно может привести к развитию астмы, аллергии и иных заболеваний дыхательных путей.

Ещё один компонент, присутствующий в составе полистирола, — меламин. Попадание этого вещества в организм чревато развитием мочекаменной болезни. Таким образом, использование полистирола в качестве материала для пищевой упаковки категорически недопустимо.Сегодня учёные и экологи всего мира бьют тревогу и призывают к тому, что пришло время переходить от пластика к биоразлагаемым альтернативам.

1.3 Понятие биопластика: суть и основные характеристики.

Биопластик – тренд последних десятилетий на рынке экополимеров. Одноразовая посуда, высокопрочные сельскохозяйственные пленки и экоупаковка, которая продлит свежесть зелени и овощей. Широкая палитра свойств биопластика уже сегодня позволяет применять его для решения самых разных технологических задач.

За последние 50 лет на роль сырья, дающего химически интересные мономеры в производстве биопластика, ученые перепробовали множество материалов. Биопластики — это полимеры, полученные из растительного сырья: растительные жиры и масла, кукурузный крахмал, солома, щепа, опилки, быстрорастущие бурые водоросли и даже переработанные пищевые отходы. В результате производится материал, доступный для природных деструкторов – бактериологических организмов, разлагающих полимеры.

Создание биоразлагаемого пластика считается наиболее перспективной отраслью борьбы за экологическое благополучие планеты.

Современный мир создает разные вариации данного вида продукции. На сегодняшний день создана посуда из волокон бамбука, сахарного тростника, из опавшей пальмовой листвы, волокон кокоса, крахмала кукурузы и др.

Кукуруза – как сырьё для изготовления пластика. Выращивают специальные сорта и извлекают из биомассы крахмал (полисахариды) или сахар. Затем начинаются очистка и переработка, включающие не только химические стадии, но и биотехнологические — с участием ферментов и микроорганизмов. Каждому конечному продукту соответствует своя технологическая цепочка. Конечный продукт — или мономер для дальнейшей полимеризации (это может быть обычный этилен, амид, эфир, молочная кислота), или чистая природная биомолекула, пригодная для дальнейшей модификации (например, крахмал) .

Крахмал— пожалуй, самое распространенное сырьё 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, или полимер молочной кислоты, полученный из кукурузы или свёклы, то это увеличит механическую прочность и пластичность. Таким образом, крахмал используют не только в качестве наполнителя, но и модифицируют его, после чего получается полимер, который разлагается в окружающей среде. 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 плёнки, упаковочные материалы, столовые приборы, сеточки для хранения овощей и фруктов и многое другое. Посуда из кукурузного крахмала разлагается всего 2-3 года в естественных условиях и не более 3-х месяцев в промышленном компосте

Полимеры молочной кислоты (ПЛА)

Полилактиды, которые получают после ферментации сахаров кукурузы или другой биомассы, также используют довольно широко. ПЛА часто смешивают с крахмалом для лучшего биологического разложения и рентабельности производства. Полилактиды — яркие и прозрачные, из них производят изделия с коротким сроком службы: упаковки для фруктов и овощей, яиц, деликатесных продуктов и выпечки, а также хирургические нити, используют их как средство доставки лекарств. В полилактидные пленки упаковывают сандвичи, леденцы и цветы, а в полилактидные бутылки разливают воду, соки, молочные продукты. Пластик, который получается в результати поликонденсации молочной кислоты, характеристически мало чем отличается от обиходных синтетических пластиков. Исключение - срок разложения, который можно регулировать используя различные добавки. На сегодняшний день самый быстроживущий из производимых промышленно полимолочных пластиков полностью разлагается за 70 дней!

Глава 2. Изготовление биоразлагаемого пластика.

Загрязнение планеты пластиком очень серьёзная проблема в наше время. В рамках исследования была поставлена задача найти альтернативные пищевые компоненты для создания экологически безопасной замены традиционному пластику. Мы использовали крахмал, желатин, сахар, агар -агар и пюре фруктов.

Таблица 1. Состав биопластика

2.1 Свойства полученных образцов биопластика

Все полученные образцы мы подвергли сушке в течение 5 суток.

При проведении опыта по получению образца №1 – желатин, мы получили массу однородной консистенции твёрдой на ощупь, имеющую устойчивую форму, без запаха, применимый в дальнейшей работе.

Образец №2 – агар-агар, не получился, образец остался жидким, он не пригоден в дальнейшей работе.

Образец №3 – крахмал, представляет собой довольно твердую шероховатую массу кремового оттенка с пористой структурой, легко разрушается при сжатии в руке. Эластичность низкая. Прослеживается едва уловимый запах пластика

Образец № 4 – сахар, твердый, легкорастворимый при повышении температуры.

Образец № 5 – пюре фруктов, напоминает желе и мягкий по своей структуре.

Мы сделали вывод, что самый пригодный биопластик можно изготовить из желатина. Его можно использовать в обычной жизни, например:

Упаковка пищевых продуктов — например, в молочной промышленности для упаковывания творога, мягких сыров и сливочного масла.

Изготовление одноразовой посуды — биопластики из желатина сохраняют форму и могут после использования разлагаться безотходно.

У паковка говядины — учёные из Государственного университета Сан-Паулу разработали биопластик из бычьего желатина типа B, который изначально использовали для упаковки говядины, уязвимой к микробному загрязнению и имеющей сильный запах.

З аключение

Тема нашей работы очень увлекла меня — исследование возможностей создания биоразлагаемого пластика в домашних условиях оказалось не только познавательным, но и крайне значимым с практической точки зрения. В наше время любой человек согласится с тем, что пластиковое загрязнение — это глобальная катастрофа, угрожающая экосистемам планеты и здоровью человечества.

Актуальность темы моего проекта не вызывает сомнений: настало время, когда требуются инновационные способы решения данной проблемы. Ежегодно в мире производится свыше 300 млн тонн пластика, значительная часть которого попадает в окружающую среду, разлагаясь сотни лет и выделяя токсичные вещества. Ситуация усугубляется тем, что традиционные методы утилизации — захоронение на полигонах и сжигание — не решают проблему, а лишь переносят её в другую плоскость, усугубляя загрязнение почвы, воды и воздуха.

В настоящее время этот метод борьбы с глобальным пластиковым загрязнением земли развивается так же активно, как и использование новых материалов — экологических пластмасс. Мы узнали, что ученые из многих стран работают над созданием новых биоразлагаемых пластмасс. В его основе будут натуральные вещества, которые при попадании в почву будут превращаться в удобрения для растений без вреда для окружающей среды.

Данный проект открыл для нас много нового и чрезвычайно важного. Мы освоили базовые методы химического синтеза в домашних условиях, научились анализировать свойства материалов и оценивать их экологическую безопасность. Полученные результаты дают основания для дальнейшего развития темы: мы планируем:

• экспериментировать с другими натуральными компонентами (целлюлоза, пектин);

• улучшать механические свойства биопластика (прочность, влагостойкость);

• разрабатывать составы для конкретных применений (плёнки, контейнеры, элементы декора);

• изучать возможности масштабирования технологии для мелкосерийного производства.

Мы убеждены, что развитие технологий биоразлагаемых материалов — это не просто тренд, а необходимость для сохранения планеты. Наш скромный вклад в эту область подтверждает: даже в домашних условиях можно создавать экологичные альтернативы пластику, а значит, каждый человек способен помочь в решении глобальной проблемы загрязнения.

Список литературы

1. Елдышев Ю.Н. Мир против пластиковых пакетов / Ю.Н. Елдышев. Экология и жизнь – №7.

2. Федорцова, И. Е. Влияние пластика на человека и окружающую среду / И. Е. Федорцова, С. Д. Семенюк. — Текст: непосредственный // Юный ученый. — 2023. — № 3 (66). — С. 299-301.

Список интернет-источников

1. Ацетилцеллюлоза (ацетат целлюлозы, АЦ). https://proplast.ru/articles/atsetiltsellyuloza/?ysclid=mmkw6umklr447374399

2. Биопластик. Виды и тенденции https://ekofriend.com/articles/ekoposuda/bioplastik-vidy-i-tendencii?ysclid=mmkw0prk8j977847788

3. Как изготовить биопластик https://ru.wikihow.com/изготовить-биопластик

4. Самарские ученые изобрели стаканы из яблочного пюре - Recycle (recyclemag.ru)

5. Часть вторая. Все о биоразлагаемых пластиках. Мировой рынок биополимеров — 2019. https://ect-center.com/

6. Пластик из… водорослей! https://hi-tech.mail.ru/news/131571-ot-pruda-do-polimera-himiki-sozdali-polnostyu-pererabatyvaemyj-plastik-iz-vodoroslej/?ysclid=mmkw5du392497749316

7. Пластики, эластомеры и нанокомпозиты. Биоразлагаемые полимеры. Часть 4. https://nomitech.ru/articles-and-blog/plastiki_elastomery_i_nanokompozity_biorazlagaemye_polimery_chast_4/