Воски на биооснове и заменители парафина

Воск определяется поведением, а не химией: твёрдый при комнатной температуре, маловязкий сразу выше точки плавления, гидрофобный и пластичный, а не хрупкий. Под это подходят несколько несвязанных химических семейств, и различия между ними существенны.

Барьер — это кристаллическая структура, а не химия

Восковое покрытие на бумаге или на плоде сопротивляется водяному пару много лучше, чем аморфный гидрофобный слой той же толщины, и причина здесь структурная.

При охлаждении молекулы воска — длинные, линейные, регулярные цепи — упаковываются в ламеллярные кристаллы: стопки пластин, в которых цепи лежат бок о бок. Кристаллическая ламелла практически непроницаема, поскольку в ней нет свободного объёма, который могла бы занять диффундирующая молекула. Значит, проникновение идёт не сквозь кристаллы, а через аморфные области между ними и вдоль границ зёрен.

Отсюда два следствия, и оба практические. Барьерные свойства зависят от размера, формы и ориентации кристаллов, поэтому скорость охлаждения нанесённого покрытия меняет его проницаемость: быстрое охлаждение даёт много мелких кристаллов и больше площади границ. И любое нарушение кристалличности разрушает барьер непропорционально сильно: воск, нагретый вблизи диапазона плавления или смешанный с несовместимым маслом, теряет куда больше барьерных свойств, чем можно было бы предположить по одному изменению температуры.

Два химических семейства, разные свойства

Парафин — смесь неразветвлённых н-алканов примерно от C20 до C40 из нефтепереработки. Чистый углеводород без полярных групп, потому охотно кристаллизуется и дёшев. Размягчается в довольно узком диапазоне.

Природные воски — по большей части сложные эфиры: длинноцепочечные жирные кислоты, этерифицированные длинноцепочечными спиртами, обычно вместе со свободными кислотами, спиртами и некоторым количеством углеводородов.

Сложноэфирная группа меняет материал вполне определённым образом: она вносит полярность и место для дипольного взаимодействия между цепями, что повышает температуру плавления и твёрдость по сравнению с углеводородом сходной длины цепи. Карнаубский воск, почти целиком состоящий из эфиров очень длинных цепей, плавится около 82–86 °C и является самым твёрдым природным воском — потому его и применяют там, где нужны твёрдость и блеск. Канделильский примерно наполовину углеводородный и мягче. Пчелиный воск содержит эфиры плюс существенную долю свободных жирных кислот, что делает его совместимее с полярными рецептурами. Воски рисовых отрубей и подсолнечника суть побочные продукты рафинации масел, и на этом держится их коммерческое положение.

Сложноэфирная группа решает и судьбу в конце жизни. Сложноэфирные воски гидролизуемы, а липазы и эстеразы вездесущи, поэтому разлагаются они охотно. Н-алканы атакуются алкан-монооксигеназами многих почвенных и морских бактерий и биоразлагаемы, но по более узкому и медленному маршруту — окислением неактивированной связи C–H, а не гидролизом.

Что такое «биопарафин» на самом деле

Под этим названием ходят две разные вещи, и они неравноценны.

Воск Фишера — Тропша из биомассы получают газификацией биомассы до синтез-газа и каталитической сборкой углеводородных цепей. Продукт — н-алканы, химически те же молекулы, что и нефтяной парафин, без сложноэфирных групп, с той же кристаллизацией и тем же медленным окислительным маршрутом разложения. Это подмена сырья, и довод здесь углеродно-учётный.

Гидрированные растительные масла — триглицериды, двойные связи которых насыщены, отчего температура плавления поднимается и получается твёрдый жир. Это сложные эфиры, и ведут они себя соответственно: другой профиль плавления, другая совместимость, другое разложение.

Спецификация, запрашивающая «воск на биооснове» без указания, что из этого имеется в виду, материал не задала.