biotechnologia


 
 

Degradacja polimerów

polimery

Jak zmniejszyć ilość odpadów z tworzyw sztucznych? Być może odpowiedź na to pytanie dadzą badania prowadzone w Uniwersytecie Mikołaja Kopernika w Toruniu.
Mariusz Karwowski

Kluczem do rozwiązania problemu wydaje się być stworzenie polimerów rozkładających się w jak największym stopniu w możliwie jak najkrótszym czasie. Wprawdzie polimery ulegają samoistnej degradacji, nawet „starzeją się”, przez co tracą swe właściwości mechaniczne, lecz proces ten odbywa się bardzo powoli. Można go jednak przyspieszyć odpowiednio wysoką temperaturą lub też, jak to się dzieje na Wydziale Chemii UMK, światłem ultrafioletowym bądź słonecznym.

- O tym, że polimery nie są odporne na światło, wiadomo od dawna. Wystarczy przykryć obrazem tapetę ścienną z polichlorku winylu i po pewnym czasie będzie miała ona zupełnie inny kolor niż pozostała część ściany. Pierwsze nasze badania dotyczyły zwiększenia stabilności materiałów polimerowych, zarówno fotochemicznej, jak i termicznej - mówi dr Halina Kaczmarek z Zakładu Chemii Ogólnej.

Pod wpływem temperatury polimery stają się bowiem plastyczne i można je formować w dowolny sposób. Ale wysoka temperatura może również działać destrukcyjnie. Spróbowano zahamować niekorzystne zmiany. Priorytetem stało się ustabilizowanie tych materiałów już w trakcie procesu przetwórstwa.

- Zaczęliśmy więc modyfikować polimery handlowe, np. polietylen, polipropylen, polistyren, polichlorek winylu, w taki sposób, żeby poprawić ich stabilność. Obecnie stosowane są już w praktyce skuteczne metody stabilizacji termicznej i fotochemicznej wyrobów polimerowych. Pojawił się jednak nowy, ekologiczny trend, zmierzający do poszukiwania takich materiałów, które mogłyby się same rozkładać po wykorzystaniu, czyli materiałów degradowalnych. Interesują nas oba kierunki badań.

JAK MODYFIKOWAĆ?

W warunkach laboratoryjnych modyfikacja rozpoczyna się od rozpuszczenia polimeru i wybranej substancji modyfikującej w określonym rozpuszczalniku. Później oba roztwory są mieszane i po odparowaniu wspólnego rozpuszczalnika powstaje próbka wykorzystywana do badań. Na ogół są to cienkie folie. Istotne jest, by uzyskać możliwie jak największy stopień wymieszania modyfikatora w próbce polimerowej.

- Promieniowanie nie przenika zbyt głęboko, zatrzymuje się w kilkunanometrowej warstwie, ponieważ na ogół jest absorbowane w cienkiej powierzchni, gdzie zachodzą reakcje fotochemiczne. Dlatego też przygotowujemy takie, a nie inne próbki - wyjaśnia dr Kaczmarek.

Niekiedy trudno jest znaleźć rozpuszczalnik, który pozwoliłby na bardzo dobre wymieszanie składników. Co więcej, polimery niezbyt chętnie mieszają się z innymi polimerami. Dopiero wprowadzenie dodatkowej substancji poprawia mieszalność i adhezję składników, co jednak powoduje natychmiast zmianę przebiegu reakcji fotochemicznych układu. Stąd też badanie fotodegradacji mieszaniny polimerowej stanowi nie lada wyzwanie.

- Jeżeli okaże się, że dodanie jednego polimeru do drugiego spowoduje drastyczne pogorszenie stabilności, to taki materiał będzie dobry na degradowalne opakowania, bo jego stabilność jest mniejsza niż obu wyjściowych składników, gdyby je badano osobno. Udało się nam wielokrotnie stwierdzić, że gdy do polimerów handlowych dodawaliśmy chlorku żelaza, kobaltu, niklu czy miedzi, to przyspieszały one fotodegradację. Wystarczy nawet ich niewielka ilość, by zaobserwować działanie inicjujące.

Okazało się, że innym związkiem nieorganicznym przyspieszającym degradację polimerów jest nadtlenek wodoru, czyli zwykła woda utleniona, może nieco bardziej stężona. To związek silnie utleniający, który po absorpcji promieniowania ultrafioletowego rozkłada się na wolne rodniki, reagujące z polimerem i powodujące jego degradację. Takie działanie było bardzo efektywne w przypadku polimerów rozpuszczalnych w wodzie, np. w politlenku etylenu. Ale badania dotyczyły też polimerów nierozpuszczalnych (np. politlenku fenylenu, polistyrenu), które mogą być wykorzystywane chociażby do produkcji opakowań. Okazało się, że po zanurzeniu ich w roztworze nadtlenku wodoru i naświetleniu, również, szczególnie na powierzchni, zachodził szybki proces fotoutleniania.

- Chodzi w nim o to, aby rodniki trafiły na słabe punkty w polimerze, czyli defekty strukturalne i by zapoczątkowana reakcja biegła dalej, łańcuchowo, a tym samym degradacja postępowała. To podstawowy warunek uzyskania degradowalnego polimeru - tłumaczy dr Halina Kaczmarek.

Jeżeli cząsteczka polimeru zostanie wzbudzona promieniowaniem elektromagnetycznym, może ulegać dalszym przemianom. Z tego też względu promieniowanie ma za zadanie inicjować procesy utylizacji. Kolejne etapy, a więc procesy wtórne, mogą przebiegać bez udziału światła. Na wysypisku śmieci promieniowanie dociera tylko do zewnętrznej warstwy. To, co pod nią, wcześniej czy później ulegnie biodegradacji, a więc zniszczeniu przez bakterie. Sens badań prowadzonych przez zespół dr Kaczmarek tkwi w połączeniu tych procesów. Jest to możliwe tylko przy założeniu, iż polimer składowany na wysypisku będzie podatny zarówno na foto-, jak i biodegradację.

- Jeżeli promieniowanie UV spowoduje częściowe utlenienie polimeru, to stanie się on z natury rzeczy bardziej podatny na atak mikroorganizmów. Wtedy efekt byłby wzmocniony, podwójny. Światło zatem rozpoczyna proces degradacji, a bakterie, atakując polimer, dokończyłyby jego rozkład.

ŚWIATŁO DAJE POCZĄTEK

Produkcja polimerów biodegradowalnych jest niezwykle kosztowna. Przez to są to materiały zbyt drogie. Używane np. w medycynie nici chirurgiczne, rozkładające się same w organizmie, spełniają swoją funkcję. Ale gdyby z tych samych materiałów produkować opakowania, właśnie z uwagi na koszt straciłoby to sens. Znakiem czasu jest dziś opracowanie takiego rozwiązania, by niski koszt połączyć z ekologią. Najlepiej, gdyby materiały polimerowe służyły tak długo, jak to tylko potrzebne, a zaraz po wyrzuceniu na śmietnisko od razu się rozkładały. Próby idące w tym kierunku podejmowane są już od przeszło 30 lat. Modyfikacja stosowana w Toruniu ma na celu zwiększenie podatności polimerów na fotodegradację, czyli na działanie światła i jednocześnie na biodegradację. Efektywność fotodegradacji polimerów zależy od rodzaju promieniowania. Im krótsza długość fali, tym energia jest większa. A zatem promieniowanie ultrafioletowe, które tylko w niewielkim procencie dociera do ziemi, niesie ogromną energię. Tak dużą, że jest ona zdolna do rozerwania wiązań chemicznych. W ten sposób światło daje początek procesom degradacyjnym. Jednym z podstawowych warunków zachodzenia takiej reakcji jest absorpcja promieniowania. By do niej doszło, konieczne jest zwiększenie czułości polimeru.

- W tej chwili próbujemy uzyskać taki polimer, który zawierałby grupy karbonylowe lub inne chromofory, zdolne absorbować światło. Także pierścienie fenylowe, znajdujące się w łańcuchu polimeru, absorbują promieniowanie o długości fali 270-280 nanometrów, ale nie zawsze to promieniowanie prowadzi do reakcji rozkładu.

Kiedy polimer jest już zdolny absorbować światło, pozostaje zmodyfikować go tak, aby stał się podatny na działanie mikroorganizmów. W celu uzyskania biodegradowalności do syntetyków wprowadza się polimery naturalne, np. skrobię. Tak czyni wiele ośrodków na całym świecie. Dr Halina Kaczmarek postawiła natomiast na celulozę. Włókna celulozowe są również materiałem biodegradowalnym, choć nie tak dobrym, jak skrobia. Celuloza to bowiem polimer krystaliczny, a degradacja znacznie lepiej przebiega w strukturze amorficznej, nieuporządkowanej.

- Gdyby więc na etapie produkcji dało się zniszczyć strukturę krystaliczną, to modyfikowane celulozą polimery też powinny być biodegradowalne. Pozostaje to „gdyby”...

Za polimer biodegradowalny uznaje się taki, który ulega utylizacji przynajmniej w 90 proc. w ciągu miesiąca. Moja rozmówczyni przyznaje, że w przypadku mieszanek z celulozą takie tempo rozkładu jest niemożliwe. Nie udało się przyspieszyć biodegradacji, tak jak się tego spodziewano...


Pełny tekst: kliknij tutaj
Fragment zamieszczony dzięki uprzejmości Redakcji Forum Akademickiego

Menu główne

Podręcznik biotechnologii

Kto jest online

139 anonymous users oraz 0 registered users online.

Jesteś niezarejestrowanym lub niezalogowanym użytkownikiem.


 
 
 
Partnerzy:

laboratoria.net Nauka w Polsce Academio Fundacja NanoNet BioCen - BioCentrum Edukacji Naukowej Notatek.pl cebioforum.com materialyinzynierskie.pl Wspieram.to - POLSKI KICKSTARTER - Polska platforma finansowania społecznoœciowego.Tu zrealizujš się Twoje pomysły. Portal popularnonaukowy

Portal: Redakcja . Współpraca . Kontakt . Polecamy



Wszystkie prawa zastrzeżone 2006-2016 e-biotechnologia.pl
stat4u