«Создание биопластика в домашних условиях»
Краевое государственное бюджетное образовательное учреждение «Минусинский кадетский корпус»
Тема работы: «Создание биопластика в домашних условиях»
Автор работы: Лысенко Юрий Романович
7 «А» класс, КГБОУ «Минусинский кадетский корпус»
Адрес: 662606, Красноярский край,
г. Минусинск, ул. Народная, д.80
телефон: 8 (39132) 4-04-78
Минусинск, 2020
Введение
На сегодняшний день полимерные изделия являются лидерами среди упаковочных материалов и повсеместно используются в быту. Упаковка наших продуктов питания, одежда, компьютеры, мобильные телефоны, канцелярские принадлежности и даже игрушки ребенка - всё это сделано из пластмассы! И всё, изготовленное из пластмассы, очень часто ломается. К тому же пластмасса, изготовленная на современных заводах, практически не разлагается и выделяет опасные вещества.
Исследования показывают, что 75% пластмасс, которые были выпущены на рынок с момента их производства, уже стало отходами. Это 6,3 миллиардов тонн, из которых менее 10% были подвержены переработке, а 12% энергетическому восстановлению. Это означает, что примерно 5 миллиардов тонн пластмасс хранится на свалках, в лесах, водоемах, на пляжах и на незаконных свалках, разбросанных по всему миру. Именно такие отходы, залегающие в почве, оказывают наибольшее влияние на окружающую среду и человека.
Чтобы сделать окружающую среду более чистой, нужно уменьшить количество выбрасываемых упаковок, а для этого им надо дать новую жизнь. Так же необходимо обратить внимание людей на проблему загрязнения окружающей среды бытовыми отходами и поменять полимерную упаковку на упаковку, сделанную из биоразлагающегося материала. В этом и заключается актуальность данной работы.
Цель работы - создание в домашних условиях биопластика.
Задачи работы:
изучить историю создания биопластика;
познакомиться со способами получения и ингредиентами для создания биопластика, опробовать способы получения биопластика;
рассмотреть финансовые затраты на создание биоупоковки;
проверить свойства и показать возможности применение полученного материала.
Объект исследования: биопластик.
Предмет исследования: изготовление биопластика из крахмала.
Гипотеза: предположим, что возможно изготовить биопластик из крахмала в домашних условиях.
Методы:
теоретические: изучение понятия «пластик», «биопластик»;
эмпирические методы исследования: наблюдение, фотографирование;
практические исследования: изготовление биопластика и изделий из него;
анализ результата исследования.
История происхождения биопластика.
Биопластик – это собирательный термин для обозначения полимерных материалов, удовлетворяющих хотя бы одному из следующих критериев: материалы, полностью или частично получаемые из возобновляемого сырья пластики на растительной основе и материалы, способные к разложению под воздействием природных микроорганизмов (биоразлагаемые пластики).
Из истории известно о том, что в II веке до нашей эры греки играли в мяч из желчного пузыря свиньи, наполненного воздухом. Этот спортивный снаряд по форме напоминал яйцо или мяч для регби. Древние греки 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. И вот 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. Сегодня этот материал используют для изоляции подводных и подземных кабелей и производства клеев.
В 1862 году британский химик Александр Паркес решил придумать дешевый заменитель дорогостоящей слоновой кости, из которой делались бильярдные шары. Результатом стало открытие первого пластификатора. Сперва Паркес изобрел нитроцеллюлозу. Однако ее свойства не подходили для игральных шаров, так как материал оказался легкобьющимся. Нужна была добавка, которая смягчила бы его, не уменьшив полезное свойство — упругость. Паркес решил добавить камфору. Смесь нитроцеллюлозы, камфоры и спирта подогревалась до текучего состояния, далее заливалась в форму и застывала при нормальном атмосферном давлении. Так появился паркезин — первый полусинтетический пластик. Последователь Паркеса, американец Джон Хайт основал компанию и стал производить расчески, игрушки и массу других изделий из целлулоида. Но материал оказался высоковоспламеняемым, поэтому сейчас из него делают лишь шарики для настольного тенниса и школьные линейки.
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. Беикеланд искал синтетический заменитель для шеллака — воскообразного вещества, выделяемого тропическими насекомыми. Его в огромных количествах потребляла граммофонная и электротехническая промышленность: из шеллака делали пластинки и изоляторы. Ученый изобрел жидкое вещество, напоминающее смолу, которое после застывания превращалось в материал с удивительными свойствами.
В середине 1990-х был изготовлен биопластик из натурального крахмала, разлагающегося под воздействием различных микроорганизмов. Но тогда о крупномасштабном внедрении новшества в нашу повседневную жизнь не могло быть и речи: производство биопластика оказалось слишком дорогим.
С наступлением нового века ситуация изменилась кардинальным образом. Ученые нашли способ снизить себестоимость изготовления биопластика и утверждают, что в скором времени она приблизится к стоимости изготовления обычной пластмассы. Более того, некоторые эксперты считают, что цена на разлагаемую пластмассу искусственно завышается коммерческими производителями и нефтяными компаниями. Если посчитать затраты на переработку пластмассовых отходов и внести эту цифру в стоимость обычного пластика, еще неизвестно, какой из них будет дороже. Так, компания «Биополимеры Роденбурга» первой в мире предложила биопластик «Solanyl» по цене, сопоставимой с обычными синтетическими пластиками. «Solanyl» - это разлагаемый микроорганизмами пластик, в основу которого входит картофельный крахмал.
2. Современные технологии биопластика
в промышленных масштабах.
Обычный пластик не поддается разложению в среде из-за того, что он состоит из слишком длинных полимеров, которые тесно связаны друг с другом. Совсем по-иному ведет себя пластик, содержащий более короткие натуральные полимеры растений. По этой причине, биопластик можно производить из крахмала, он является природным полимером и производится растениями в процессе фотосинтеза, поэтому отлично подходит в качестве сырья. В большом количестве крахмал содержится в злаковых, картофеле и других неприхотливых растениях. Урожай крахмала с кукурузы доходит до 80% от всей собранной зеленой массы. Поэтому производство пластика нового поколения должно стать достаточно рентабельным. Биопластик ломается и крошится при любой температуре, в которой активны микроорганизмы. Из-за того, что крахмал хорошо растворяется в воде, изделия из него легко деформируются при малейшем контакте с влагой. Для того чтобы придать крахмалу большую прочность, при изготовлении биопластика, в состав добавляют вещества, повышающие влагостойкость материала, технология создания подобных материалов заключается в перемешивании при высокой температуре и высоком давлении специальных порошков (составных компонентов) до состояния сжиженной массы. Формируемая сиропная масса пропускается через форсунки. Возможен такой вариант как обработка крахмала специфическими бактериями, разлагающими полимеры крахмала в мономеры молочной кислоты. Затем химическим способом мономеры заставляют соединиться в цепочки полимеров. Эти полимеры гораздо прочнее, но при этом не так длинны, как полимеры пластмассы, и могут разлагаться микроорганизмами. Полученный материал назвали полилактидом (PLA). В 2014 году в штате Небраска открылся первый в мире завод по изготовлению PLA.
Другой способ получения биопластика заключается в использовании бактерий Alcaligenes eutrophus. В процессе своей жизнедеятельности они производят гранулы органического пластика, получившего название «полигидроксиалканонат» (PHA), которые в настоящее время становятся лидирующим классом среди биопластиков. Уже были проделаны успешные эксперименты по внедрению генов этих бактерий в хромосомы растений, чтобы те смогли в дальнейшем производить пластик внутри своих собственных клеток. Это означает, что пластик можно буквально выращивать. Правда, такой способ пока остается дорогостоящим. К тому же, так как процесс включает в себя вмешательство на генетическом уровне, он имеет и своих противников.
Существует иной путь получения более функционального биопластика для упаковки. Это использование крахмалсодержащего сырья для микробиологической трансформации его в молочную кислоту (лактид). Полностью биоразрушаемые пластики производят также из природного сахаросодержащего сырья. В ходе многочисленных экспериментов по их производству использовали самые разные растения - от картофеля, пшеницы, бобовых, подсолнечника, сахарной свеклы до древесины тополя и осины. Одни оказались непригодными, а другие, такие как пшеница, кукуруза, сахарная свекла, - весьма перспективными. В настоящее время используются такие природные полимеры, как целлюлоза, натуральный каучук, полисахариды, полипептиды, хитин, эпоксидированные масла, лигнин, поллулан, сложные полиэфиры и др. Большой интерес вызывает крахмал как относительно недорогое по цене сырье, который производят из картофеля, пшеницы, кукурузы, риса. Биопластик может быть создан с настолько мелкими порами, что вполне подойдет для создания из него полиэтиленовых пакетов или брикетных форм, которые путем штамповки затем можно преобразовать в тарелки, поддоны, стаканчики или ложки и вилки. На создание тарелки весом в пять граммов, содержащей четыре грамма крахмала, ушло бы меньше комочка кукурузной массы, умещающегося в двух ладошках рук. Упаковка для каждого изделия может быть сделана с расчетом на такой срок самораспада, который требует специфика этого изделия. Некоторые биопластики растворяются очень быстро; другие могут служить четыре - пять месяцев.
3. Изготовление биопластика в домашних условиях.
П
рактической частью моего проекта стало изготовление биопластика в домашних условиях различными способами. Для получения биопластика на основе крахмала я нашел рецепты на различных сайтах в Интернете.
Что нужно для первого опыта? Ингредиенты для органического пластика: 1 столовая ложка кукурузного или картофельного крахмала, 1 столовая ложка уксуса, 1 столовая ложка глицерина и 4 столовых ложки воды. Полезные приспособления: небольшая кастрюля, противень, алюминиевая фольга, п
лита.
С
мешать все ингредиенты в кастрюле (порядок смешивания неважен), затем включить плиту на медленный\средний нагрев. Нагреть смесь. после включения плиты, постоянно помешивать смесь, иначе она начнёт слипаться. Сначала она будет молочного цвета, а затем загустеет и станет полупрозрачной. Очень важно нагревать смесь медленно, чтобы тепло распределялось равномерно. Этот процесс проходит достаточно быстро. Как только смесь можно будет легко собирать ложкой, выключить нагрев. Помешать еще несколько раз, а затем слить или соберать смесь при помощи ложки в противень, проложенный алюминиевой фольгой. Фольга — необязательный компонент, но с ней будет легче снимать пластик после того, как он высохнет. Формуем пластик. Как только мы выложим смесь на противень, она будет похожа по консистенции на гель для волос, и ей нужно будет остыть перед тем, как можно будет придать ей форму.
Д
ать ей полежать около минуты, затем распределить по фольге.
С
ледующие 15 минут пластик будет затвердевать, и не будет прилипать к пальцам при прикосновении, но при этом будет всё еще будет мягким. Для полного затвердевания пластику нужно дать постоять в течение нескольких часов. После формовки, положить его обратно на фольгу и дать постоять несколько часов или оставить на ночь. Не трогать изделие до полного высыхания, так как оно будет мягким.
Финансовые затраты:
КРАХМАЛ (из расчета: 1 уп. (500 гр.) стоимостью 65 рублей) - 1 ст. ложка крахмала весом 30 гр. стоимостью 4 рубля;
УКСУС (из расчета: 1 фл. (165 гр.) стоимостью 18 рублей) - 1 ст. ложка уксуса весом 15 гр. стоимостью 1 рубль 60 коп.;
ГЛИЦЕРИН (из расчета: 1 фл. (40 гр.) стоимостью 17 рублей) - 1 ст. ложка глицерина весом 22,7 гр. стоимостью 6 рублей;
ВОДА – 1 ст. ложка весом 18 гр.; 4 ст. ложки – 72 гр.
Полученная масса биопластика получается весом примерно 139,7 граммов стоимостью 11 рублей 60 коп.
У этого опыта есть ряд замечательных особенностей. Во-первых, этот пластик растворяется в воде. Во-вторых, он не вредит окружающей среде. Если маленький ребёнок или домашнее животное проглотят изделия из биопластика, то им не будет нанесено никакого вреда (за исключением возможности подавиться), и всё это потому, что все ингредиенты полностью безопасны для потребления.
Второй способ изготовления биопластика был совершенно по другому рецепту!
Берём клей «Момент» 2 ст. ложки, насыпаем кучку крахмала в емкость в количестве 2 ст. ложек и наливаем на крахмал клей. Для вязкости массы добавляем 2 ст. ложки глицерина. Тщательно вымешиваем полученную массу. Кладём полученную массу на рабочую поверхность. Если вам нужен цветной биопластик, то можно добавить краситель. В качестве красителя может выступить гуашь, либо акварель.
Чем больше красителя, тем ярче получается желаемое изделие! Перед работой руки желательно смазать глицерином или растительным маслом. Полностью застывает и высыхает такой самодельный пластик в течение 1-3 дней.
Финансовые затраты:
КРАХМАЛ (из расчета: 1 уп. (500 гр.) стоимостью 65 рублей) - 2 ст. ложка крахмала весом 60 гр. стоимостью 8 рублей;
КЛЕЙ (из расчета: 1 фл. (250 гр.) стоимостью 146 рублей) - 2 ст. ложка клея весом 84 гр. стоимостью 49 рублей;
ГЛИЦЕРИН (из расчета: 1 фл. (40 гр.) стоимостью 17 рублей) - 2 ст. ложка глицерина весом 45,4 гр. стоимостью 12 рублей;
ГУАШЬ – 1 ст. ложка весом 15 гр.
Полученная масса биопластика получается весом примерно 204,4 граммов стоимостью 69 рублей.
П
осле проведения этого опыта пластик получается довольно прочный, не крошится и легко обрабатывается. Из такого материала можно изготовить множество изделий: сувенирная продукция, изделия для использования в быту и декоративные украшения, которые могут послужить не один день!
Для того, чтобы доказать, что биопластик, созданный в домашних условиях полностью растворяется в воде, я провел еще один эксперимент. Опустим часть полученного биопластика в стакан с водой комнатной температуры и понаблюдаем в течение нескольких дней.
Как оказалось – уже на следующий день кусочек биопластика растворился в воде полностью!
4. Заключение.
В ходе моей работы мне удалось решить все задачи исследования.
Выяснилось, что изготовление пластмасс насчитывает историю чуть более 150 лет. Из пластмассы изготавливают почти все предметы, вплоть до изготовления деталей для транспорта. Но с учётом экологии и загрязнения планеты люди работают над биопластиком.
Изучая источники информации, удалось узнать несколько вариантов изготовления биопластика и попробовать получить биопластик в домашних условиях.
Из биопластика, приготовленного в домашних условиях, удалось изготовить декоративные изделия для украшения, мелкие игрушки.
Таким образом, подтвердилась гипотеза о том, что биопластик можно изготовить и в домашних условиях.
5. Литература
Лешина А.Пластики биологического происхождения, «Химия и жизнь» №9, 2012
Касьянов Г.И. Биоразрушаемая упаковка для пищевых продуктов Вестник науки и образования Северо-Запада России.- 2015, Т. 1.
Биопластики: перспективы в России. Коллектив авторов под общей редакцией А. Костина. Декабрь, 2014
