پیشرفت های اخیر در پلاستیک های زیستی

پلاستیک ها یکی از مشکلات اصلی محیط زیست هستند. با شناسایی پلیمرهای زیست تخریب پذیر، دانشمندان بر طراحی این پلیمرهای برای توسعه بسته بندی هوشمند تمرکز نمودند. در اینجا تلاش‌های تحقیقاتی اخیر برای طراحی...

چهارشنبه، 8 دی 1400

تخمین زمان مطالعه:

مترجم : زهرا حاجی احمدی

موارد بیشتر برای شما

پلاستیک ها خانواده بزرگی از پلیمرها هستند که به طور سنتی از منابع فسیلی به دست می آیند و دارای طیف وسیعی از خواص و ویژگی ها هستند. تقریباً 90 درصد پلاستیک های تولید شده از مواد اولیه فسیلی به دست می آیند. رشد اقتصادی جهانی و بهبود استانداردهای زندگی منجر به افزایش قدرت خرید افراد و تولید پلاستیک شده است. در حالیکه محصولات پلاستیکی سنتی پتروشیمی کیفیت زندگی روزمره را بهبود بخشیده اند، ماهیت عمدتا یکبار مصرف و بادوام آنها منجر به افزایش قابل توجهی به عنوان بخشی از زباله های جامد شهری شده است. دفن زباله نه تنها به فضای زیادی نیاز دارد، بلکه پیامدهای منفی مربوط به آلودگی خاک و آب های زیرزمینی را دارد. با این حال، کشورهایی مانند سوئیس و آلمان محدودیت‌های دفن زباله را اعمال کرده‌اند و به نرخ دفن زباله کمتر از 10 درصد دست یافته‌اند. پلاستیک‌های زیست‌تخریب‌پذیر و زیست‌تخریب‌ سازگار می‌توانند از طریق استفاده از منابع تجدیدپذیر به یک جامعه پایدارتر و کاهش انتشار CO2 در طول تولید کمک کنند. علاوه بر این، پلاستیک‌های زیست تخریب‌پذیر گزینه‌های مدیریتی جدید مانند هضم بی‌هوازی یا کمپوست را ارائه می‌کنند که اثرات منفی کمتری بر محیط‌زیست دارند.

پلاستیک های زیستی

در حال حاضر، ترموپلاستیک هایی مانند پلی اتیلن ترفتالات (PET)، پلی اتیلن (PE)، پلی پروپیلن (PP) و پلی استایرن (PS) در مجموع 60 درصد از تقاضای کلی پلاستیک در اروپا را تشکیل می دهند. در حالیکه این پلاستیک‌ها به‌طور سنتی از پتروشیمی مشتق می‌شوند، تقاضای فزاینده‌ای برای تولید پلاستیک با استفاده از منابع تجدیدپذیر (به اصطلاح پلاستیک‌های زیستی) به‌عنوان جایگزینی برای همتایان مشتق‌شده از پتروشیمی وجود دارد. تمام پلاستیک های زیستی از منابع طبیعی تولید می شوند. با این حال، همه زیست تخریب پذیر نیستند. پلاستیک های زیستی خانواده ای از پلاستیک ها هستند که به دو دسته زیست تخریب پذیر و غیرقابل تجزیه تقسیم می شوند. پلاستیک های زیست تخریب‌پذیر عبارتند از پلی لاکتیک اسید (PLA)، پلی هیدروکسی آلکانوات ها (PHA)، سلولز و نشاسته. مشابه پلاستیک‌های مبتنی بر نفت، پلاستیک‌های زیست‌تخریب‌پذیر را می‌توان بازیافت نمود یا سوزاند. آنها همچنین ممکن است از نظر میکروبی تخریب شوند، که امکان مدیریت جایگزین در پایان عمر، مانند کمپوست سازی صنعتی و خانگی، هضم بی هوازی، بسته به نوع پلاستیک را فراهم می کند که توسعه اقتصاد دایره ای را تسهیل می کند. پلاستیک های زیستی غیرقابل تجزیه شامل پلی اتیلن ترفتالات زیستی (PET-Bio)، پلی ال-پلی اورتان و پلی اتیلن زیستی (Bio-PE) است.

پلاستیک های مبتنی بر روغن را نیز می توان به طور مشابه بر اساس زیست تخریب پذیری آن ها طبقه بندی نمود. به عنوان مثال، در حالیکه PE و PS زیست تخریب پذیر نیستند، پلی کاپرولاکتون و پلی بوتیلن آدیپات ترفتالات (PBAT) خاصیت زیست تخریب پذیری دارند. تولید پلی اتیلن با پایه زیستی از نیشکر در برزیل موفقیت آمیز بوده است، در حالیکه PET به طور کامل از مواد گیاهی برای تولید بطری های نوشابه به دست آمده است (Bio-PET). اگرچه این پلاستیک‌ها پایه زیستی هستند و می‌توانند به کاهش انتشارات گلخانه‌ای در تولید پلاستیک کمک کنند اما زیست تخریب‌پذیر نیستند. در حالیکه پلاستیک های زیستی با تنها 1٪ از کل تولید پلاستیک در جایگاه ویژه ای قرار دارند، حرکتی به سمت گسترش گسترده تر آن ها وجود دارد. پیش بینی می شود که بازار جهانی پلاستیک زیست تخریب پذیر از 3/02 میلیارد دلار در سال 2018 تا سال 2025 به 6/73 میلیارد دلار برسد . محرک اصلی این افزایش چشمگیر به دلیل افزایش تقاضا برای پلیمرهای زیست تخریب پذیر در اقتصادهای نوظهور مانند هند، برزیل و چین است. در حالیکه ترکیبات نشاسته بیشترین سهم را در تولید پلاستیک های زیست تخریب پذیر دارند، پلی هیدروکسی آلکانوات ها (PHA) و پلی لاکتیک اسید (PLA) به عنوان عوامل اصلی در رشد پلاستیک های زیست تخریب پذیر بیولوژیکی گزارش شده اند. PHA ها پلیمرهای زیست تخریب پذیر و فعال نوری هستند که توسط بسیاری از باکتری ها به عنوان یک پاسخ به استرس در طول محرومیت از مواد مغذی معدنی مانند نیتروژن، فسفات یا اکسیژن سنتز می شوند. PHA از طریق فرآیندهای تخمیر میکروبی تولید می شود و متعاقباً توسط تجزیه سلولی میکروبی استخراج می شود. PHA ها پلی استرهای زیست سازگار، زیست تخریب پذیر و غیر سمی هستند که از اسیدهای (R)-3-هیدروکسی آلکانوئیک تشکیل شده اند و خواص ترموپلاستیک مشابهی با پلاستیک های پتروشیمی از خود نشان می دهند. تغییرات در خواص فیزیکی آن ها به دلیل تنوع ترکیبات مونومر آن ها است و بنابراین، برای طیف گسترده ای از کاربردها استفاده می شوند. پلی-3-هیدروکسی بوتیرات (PHB) گسترده ترین پلیمر PHA مورد مطالعه است و ویژگی های شکننده و بسیار کریستالی مشابه پلی پروپیلن را نشان می دهد. همچنین، پلی-3-هیدروکسی بوترات-کو-3-هیدروکسی والرات (PHBV) به دلیل دمای ذوب پایین تر و درصد بلورینگی کمتر، مطلوب تر از هموپلیمر PHB شناخته شده است که باعث می شود قالب گیری آسان تر و شکننده تر شود. سهم بازار فعلی PHA بسیار کوچک است. تنها 25200 تن در سال 2019 تولید شد که 1/2 درصد از کل بازار بیوپلاستیک را به خود اختصاص داد که نسبت به سال قبل 1.7 برابر کاهش داشته است. پلی لاکتیک اسید (PLA) یک پلی استر زیست‌تخریب‌پذیر است که 13/9 درصد از ظرفیت‌های جهانی تولید بیوپلاستیک را در سال 2019 نشان می‌دهد. مونومرهای PLA، L و/یا D-لاکتیک اسید، از طریق تخمیر میکروبی تولید می‌شوند و بیشتر به صورت شیمیایی پلیمریزه می‌شوند تا PLA تولید کنند. نشاسته یک پلی ساکارید زیست تخریب پذیر است که از آمیلوز و آمیلوپکتین تشکیل شده است و توسط اکثر گیاهان از طریق فتوسنتز سنتز می شود. نشاسته یک پلیمر زیستی به وفور، قابل تجدید و ارزان است که به طور گسترده برای بسته بندی در صنایع غذایی استفاده می شود. پلیمرهای مبتنی بر نشاسته 21/3 درصد از ظرفیت های تولید جهانی پلاستیک زیستی را در سال 2019 نشان دادند. با این حال، کاربرد نشاسته طبیعی محدود است، زیرا فرآیند پذیری آن به عنوان یک پلیمر ترموپلاستیک به شدت تحت تأثیر آب دوستی، نیروهای بین مولکولی و پیوندهای هیدروژنی موجود در پلیمر قرار می گیرد و در نتیجه Tg بالا و Tm پایین ایجاد می شود. به منظور غلبه بر این مشکل، نشاسته با مخلوط کردن با نرم کننده هایی مانند گلیسرول، اوره، سوربیتول یا گلیسیرین، در حضور دماها و نیروهای برشی بالا، برای تسهیل در بهبود شکل پذیری و ویژگی های ترموپلاستیک پلیمر، پردازش می شود. سلولز فراوان ترین بیوپلیمر طبیعی روی زمین است که عمدتاً از درختان و پنبه تامین می شود و یکی از چهار عنصر تشکیل دهنده دیواره های سلولی گیاه است. سالانه تقریباً 1/5 × 1012 تن تولید می شود. سلولز یک هموپلیمر خطی از 7000-15000 مونومرهای گلوکز β-D است که به طور متناوب 180 درجه می چرخد و میکروفیبریل هایی با قطر تقریباً 3-4 نانومتر و متعاقباً ماکروفیبریل هایی با قطر 10-25 نانومتر تشکیل می دهد. سلولز طبیعی دارای یک ریزساختار چند سطحی است که معمولاً به عنوان ساختار سلسله مراتبی شناخته می شود. ذرات نانوسلولز ممکن است با تخریب ساختار سلسله مراتبی بومی سلولز از طریق روش‌های آنزیمی، شیمیایی و/یا فیزیکی، از سلولز منبع کشاورزی و جنگلداری جدا شوند. کاربردهای نانوسلولز شامل نانوکامپوزیت‌های مبتنی بر نانوسلولز در صنعت پزشکی، فیلتراسیون آب، تقویت تولید باتری‌های لیتیوم یونی و کاربرد در صنعت بسته‌بندی مواد غذایی می‌شود.

پلاستیک های زیستی زیست تخریب پذیر

نیاز به حفاظت از محیط زیست در برابر آلودگی پلاستیکی و استفاده از منابع تجدیدپذیر مانند زیست توده، زباله و غیره برای برآوردن نیازهای مادی بشر در سال های اخیر توجه جهانی را به خود جلب کرده است.. همانطور که قبلاً ذکر شد، همه پلاستیک‌های زیستی با استفاده از منابع طبیعی تولید می‌شوند، اما منشاء زیست‌پایه به این معنا نیست که پلاستیک زیست‌پایه نیز تجزیه‌پذیر است. پلی اتیلن پایه زیستی (Bio-PE)، پلی اتیلن ترفتالات (Bio-PET) و پلی اتیلن-2،5-furandicarboxylate (PEF) از نظر شیمیایی مشابه یا مشابه PET و PE مشتق از نفت خام هستند و زیست تخریب پذیر نیستند. TPS، PLA، و PHA از طرف دیگر زیست تخریب پذیر هستند. با این حال، اینکه آیا یک ماده در یک محیط خاص کاملاً زیست تخریب می‌شود یا خیر، به ویژگی‌های آن مانند کریستالی بودن، حضور مواد افزودنی و شرایط محیطی که پلاستیک در آن قرار دارد بستگی دارد. بنابراین، یک بیوپلاستیک ممکن است در برخی محیط‌ها اما نه در همه محیط‌ها، زیست تخریب‌پذیر باشد.

پلیمرهای زیست تخریب پذیر در بسته بندی

موادی مانند شیشه، کاغذ، چوب، فلز و پلاستیک برای بسته بندی اولیه، ثانویه یا ثالث استفاده می شود. در بسته‌بندی اولیه، مواد معمولاً در تماس مستقیم با کالا هستند، در حالیکه از بسته‌بندی ثانویه و ثالث برای کمک به حمل و نقل کالاهای بسته‌بندی شده اولیه استفاده می‌شود. همانطور که قبلاً گفته شد، تقریباً 40٪ از پلاستیک تولید شده به بخش بسته بندی می رود و عمدتاً به عنوان بسته بندی اولیه استفاده می شود. جایگزینی مواد بسته بندی معمولی مبتنی بر نفت مانند PP، PE و PET با پلاستیک های زیستی به عنوان راه حلی برای مشکلات زیست محیطی و وابستگی ما به نفت خام دیده می شود. استفاده از پلیمرهای پایه زیستی برای کاربردهای بسته بندی مواد غذایی به طور پیوسته در حال رشد است . با این حال، در مقایسه با پلیمرهای مصنوعی ترموپلاستیک، پلیمرهای زیستی از مسائلی مانند قیمت بالا، چالش‌هایی در پردازش با استفاده از فناوری‌های سنتی و عملکرد ضعیف از نظر خواص عملکردی و ساختاری رنج می‌برند. در نتیجه، اگرچه نمونه‌هایی از استفاده از پلاستیک زیستی در بسته‌بندی وجود دارد، پلیمرهای زیستی هنوز کاربرد گسترده‌ای در این زمینه پیدا نکرده‌اند. از پلاستیک‌های مبتنی بر فسیل معروف، یعنی Bio-PE، Bio-PP و Bio-PET در بسته‌بندی استفاده شده‌ا است. در حالیکه این مواد بر پایه زیستی هستند، از نظر شیمیایی با همتایان مبتنی بر نفت خود یکسان هستند، می‌توانند با استفاده از تجهیزات سنتی پردازش و بازیافت شوند، اما غیرقابل تجزیه زیستی هستند. کاهش انتشار گازهای گلخانه ای در تولید پلاستیک را می توان با استفاده از منابع زیست پایه به دست آورد. با این حال، پلاستیک های زیستی نباید بهانه ای برای جامعه برای ادامه فعالیت های ناپایدار مانند مصرف بیش از حد پلاستیک و فرهنگ دور ریختن باشد.

نشاسته

نشاسته و مخلوط های آن بالاترین سهم را در ظرفیت های تولید جهانی پلاستیک های زیست تخریب پذیر نشان می دهند . منابع نشاسته مهم تجاری عبارتند از ذرت، گندم، برنج، سیب زمینی، تاپیوکا و نخود. پلاستیک‌های نشاسته‌ای جزو اولین پلاستیک‌های زیست‌تخریب‌پذیر و زیست‌تخریب سازگار تجاری بودند. پلاستیک های نشاسته ای تجاری عمدتاً برای کاربردهای فیلم، قالب گیری تزریقی و فوم تولید می شوند. نشاسته به طور گسترده در پوشش های خوراکی استفاده شده است. یعنی لایه های نازکی از مواد خوراکی که به منظور افزایش ماندگاری و ایجاد یک سد موثر در برابر خطرات روی محصولات غذایی اعمال می شود. پوشش ها از دست دادن رطوبت و تبادل گاز را کاهش می دهند، تغییرات ساختار را به تاخیر می اندازند و یکپارچگی غذا را حفظ می کنند. فراوانی، هزینه کم و زیست تخریب پذیری نشاسته، این ماده را برای بسته بندی بسیار جالب می کند. با این حال، آب دوستی ذاتی و شکنندگی دو عیب اصلی هستند که کاربرد نشاسته را محدود می کنند. گرانول های نشاسته بومی با استفاده از آب، گرما و نرم کننده هایی مانند گلیسرول، انیدرید مالئیک و اسید سیتریک مختل می شوند. نرم کننده ها با پیوندهای هیدروژنی جدیدی که بین نرم کننده و نشاسته تشکیل شده اند، برهمکنش های قوی بین گروه های هیدروکسیل موجود در مولکول نشاسته را جابجا می کنند. این منجر به تشکیل TPS همگن با افزایش تحرک زنجیره، کاهش دمای انتقال شیشه ای و در نتیجه بهبود خواص شکل پذیری و کششی می شود. به طور مشابه به استراتژی های مورد استفاده برای بهبود ویژگی های PLA، اختلاط نشاسته به طور گسترده ای برای بهبود مقاومت در برابر آب و استحکام مکانیکی آن مورد بررسی قرار گرفته است. پلی وینیل الکل (PVA) اغلب برای تهیه مخلوط با نشاسته استفاده می شود. گروه های هیدروکسیل موجود در نشاسته و PVA پیوندهای هیدروژنی تشکیل می دهند که احتمالاً تأثیر مثبتی بر سازگاری دو پلیمر دارد. هنگامی که نسبت های مختلف نشاسته و PVA مورد آزمایش قرار گرفتند، مشخص شد که با افزایش بلورینگی اجزای نشاسته، استحکام کششی، ازدیاد طول در هنگام شکست و مدول یانگ کاهش می یابد، در حالیکه جذب آب در حالت تعادل افزایش می یابد. از آنجایی که نشاسته در درجه اول به عنوان یک ماده بسته بندی مواد غذایی در نظر گرفته می شود، پیشرفت های جالبی در زمینه بسته بندی فعال مواد غذایی انجام شد. اخیرا دانشمندان استفاده از آنتی اکسیدان های استخراج شده از پوسته آفتابگردان را به عنوان افزودنی در فیلم های نشاسته برای تولید مواد بسته بندی مواد غذایی تجدید پذیر گزارش کردند.

پلی لاکتیک اسید

PLA دومین پلاستیک زیست تخریب پذیر تولید شده است که به شدت در بخش بسته بندی استفاده می شود. برخی از بزرگترین تولیدکنندگان PLA NatureWorks هستند که طیفی از پلیمرهای Ingeo PLA را از اسید لاکتیک تولید می کند که برای عملکرد خاص طراحی شده است. مزیت PLA این است که می توان آن را به راحتی توسط قالب گیری تزریقی، اکستروژن فیلم، قالب گیری دمشی، ترموفرمینگ، ریسندگی الیاف و تشکیل فیلم به اشکال و اندازه های مختلف پردازش نمود. PLA در حال حاضر در تعدادی از کاربردهای بسته بندی مانند بسته بندی میوه و سبزیجات، کیسه های خرید یکبار مصرف و فنجان استفاده می شود. PLA در مقایسه با پلاستیک‌های فسیلی رقیب مانند PET، سخت‌تر است. پوشش PLA با یک لایه نازک از پلی (ε-کاپرولاکتون) (PCL)، یا پلی (اتیلن اکسید) موجب بهبود خواص سد گاز و بخار آب بدون تأثیر بر ظاهر بصری فیلم‌های PLA شده است. از آنجایی که PLA شکننده است، ترکیب با مواد دیگر به عنوان یک استراتژی برای افزایش چقرمگی آن استفاده می شود (یعنی توانایی جذب انرژی ضربه ای بدون شکستن). سخت شدن PLA را می توان از طریق پلاستیک سازی، کوپلیمریزاسیون و اختلاط مذاب به دست آورد. در حالت ایده آل، ماده مخلوط باید سازگار، زیست تخریب پذیر و غیر سمی باشد و باید Tg PLA را به میزان قابل توجهی کاهش دهد. در یک حالت ایده آل، دو پلیمر امتزاج پذیر، یک محصول یکنواخت و تک فاز، با خواص فیزیکی بین دو ماده مخلوط را تشکیل می دهند. با این حال، در اکثر موارد پلیمرها غیرقابل اختلاط هستند و اختلاط چنین پلیمرهایی یک فاز میانی را تشکیل می دهد که می تأثیر منفی بر ویژگی های مخلوط حاصل نمی گذارد. به عنوان مثال، افزودن پلی کاپرولاکتون مبتنی بر روغن اما زیست تخریب پذیر (PCL) به PLA در بارهای مختلف، انعطاف پذیری PLA را بهبود بخشید. در حالیکه PLA و PCL غیر قابل اختلاط هستند، اثر متقابل آنها منجر به تشکیل مورفولوژی خاص ساختارهای کروی با توزیع یکنواخت در ماتریس PLA می شود که در نهایت سفتی ترکیب حاصل را در مقایسه با PLA خالص کاهش می دهد. اخیرا، نانوبلورها و نانوالیاف سلولز به طور گسترده به عنوان جایگزین‌های ارزان، زیست تخریب‌پذیر، تجدیدپذیر، قوی و سفت برای سیلیکات‌ها، نانومواد کربنی و فلزات مورد بررسی قرار گرفته‌اند. مانع اصلی در کاربرد نانومواد سلولزی آبدوست بودن آنهاست. به طور کلی، هنگامی که از نانوبلورهای سلولز یا الیاف سلولزی استفاده می شود، مدول کششی و استحکام کششی کامپوزیت های سلولز/PLA با افزایش محتوای نانوسلولز افزایش می یابد. کامپوزیت‌های سلولز/PLA پتانسیل خوبی برای تولید در مقیاس بزرگ مواد با طیف وسیعی از کاربردها از جمله بسته‌بندی دارد. یکی از ویژگی‌های کاربردی PLA که نیاز به پرداختن به آن دارد تا کاربرد آن را گسترش دهد و تعدادی ظروف و بسته‌بندی غذا و نوشیدنی گرم را شامل شود، تحمل حرارتی است. از طرفی، ترکیبات ضد میکروبیو آنتی‌اکسیدانی را می‌توان مستقیماً در پلیمر گنجاند تا بسته‌بندی فعالی ایجاد کند که در آن ماده فعال زیستی مستقیماً با غذا در تعامل است و در نتیجه رشد میکروارگانیسم‌های بیماری‌زا را کاهش داده یا به طور کامل مهار می‌کند. فیلم‌های PLA/PCL آغشته به تیمول یا عصاره آویشن نمونه‌هایی از بسته‌بندی فعال مبتنی بر PLA با فعالیت ضد باکتری هستند.

منبع: تانجا نارانسیس، University College Dublin