منوی وب

جستجوی محصول

زبان

سهم

خانه / خبر / اخبار صنایع / پلاستیک زیست تخریب پذیر چگونه ساخته می شود: فرآیند، مواد و موارد استفاده
اخبار صنایع

پلاستیک زیست تخریب پذیر چگونه ساخته می شود: فرآیند، مواد و موارد استفاده

چگونه پلاستیک زیست تخریب پذیر ساخته می شود: پاسخ مستقیم

پلاستیک زیست تخریب‌پذیر با تهیه پلیمرها از مواد اولیه بیولوژیکی - عمدتاً نشاسته‌های گیاهی، سلولز و قندهای تخمیری - و پردازش آنها از طریق مسیرهای شیمیایی یا میکروبی ساخته می‌شود که موادی را تولید می‌کنند که می‌توانند ظرف چند ماه تا چند سال در محیط‌های طبیعی تجزیه شوند. برخلاف پلاستیک‌های معمولی مشتق‌شده از نفت، انواع زیست تخریب‌پذیر از زنجیره‌های کربنی تجدیدپذیر استفاده می‌کنند که میکروب‌ها می‌توانند آن‌ها را به آب، دی اکسید کربن و مواد آلی متابولیزه کنند.

امروزه مهم ترین پلاستیک های زیست تخریب پذیر از نظر تجاری عبارتند از پلی لاکتیک اسید (PLA) پلی هیدروکسی آلکانوات ها (PHA)، نشاسته ترموپلاستیک (TPS) و پلی بوتیلن سوکسینات (PBS). هر کدام از طریق مسیرهای تولید مجزا ساخته می شوند، اما همه یک اصل مشترک دارند: پلیمرهای ستون فقرات آنها از منابع بیولوژیکی به جای منابع فسیلی سرچشمه می گیرند و به مسیرهای تجزیه آنزیمی اجازه می دهند تا چرخه زندگی مواد را کامل کنند.

ارزش این را دارد که از قبل توضیح داده شود: تجزیه پذیری زیستی و منشا زیستی یک ویژگی نیستند. برخی از پلاستیک های زیستی پایه زیستی هستند اما زیست تخریب پذیر نیستند، در حالی که برخی از پلیمرهای مشتق شده از نفت را می توان با افزودنی های زیست تخریب پذیر مهندسی کرد. این مقاله به طور خاص بر چگونگی تولید پلاستیک‌هایی که هم به‌دست‌آمده و هم واقعاً زیست‌تخریب‌پذیر هستند، تمرکز می‌کند، چگونه با مواد مهندسی معمولی مانند پلاستیک نایلونی مهندسی مقایسه می‌شوند، و معنای آن برای کاربردهای صنعتی و محصولی چیست.

مواد اولیه مواد اولیه: از جایی که پلاستیک زیست تخریب پذیر آغاز می شود

سفر تولید پلاستیک زیست تخریب پذیر نه در یک کارخانه بلکه در یک مزرعه آغاز می شود. انتخاب ماده اولیه بیولوژیکی مسیر شیمیایی، شرایط فرآوری و خواص مواد نهایی پلیمر حاصل را تعیین می کند.

نشاسته ذرت و نیشکر

نشاسته ذرت خوراک غالب برای تولید PLA در سطح جهان است. ابتدا نشاسته به صورت مرطوب آسیاب می شود تا گلوکز جدا شود و سپس توسط باکتری های اسید لاکتیک تخمیر می شود (عمدتاً لاکتوباسیلوس گونه) برای تولید مونومرهای اسید لاکتیک. آب نیشکر غلظت قند بالاتری را ارائه می دهد و خوراک ارجح در مناطق گرمسیری، به ویژه برزیل است. بر اساس داده های انجمن بیوپلاستیک اروپا (نسخه 2023 گزارش بازار آنها)، PLA مشتق شده از نشاسته ذرت و نیشکر تقریباً باعث می شود 32 درصد از کل ظرفیت تولید بیوپلاستیک در سراسر جهان .

سلولز حاصل از ضایعات کشاورزی

سلولز استخراج شده از کاه گندم، پوسته برنج، باگاس نیشکر یا خمیر چوب یک ماده اولیه جذاب نسل دوم است. از رقابت مستقیم با زنجیره های تامین مواد غذایی جلوگیری می کند. با این حال، ساختار کریستالی سلولز نیاز به پیش تصفیه آنزیمی یا هیدرولیز اسیدی قبل از ادامه تخمیر دارد و مراحل فرآیند و هزینه را اضافه می کند. تحقیق منتشر شده در فناوری منابع زیستی (جلد 289، 2019) نشان داد که سم زدایی آنزیمی سلولز کاه گندم می تواند غلظت گلوکز تولید کند. 45-55 گرم در لیتر ، برای تخمیر پایین دستی PHA کافی است.

روغن های گیاهی و اسیدهای چرب

روغن سویا، روغن پالم و روغن کرچک به عنوان مواد اولیه برای فوم های زیست تخریب پذیر مبتنی بر پلی اورتان و انواع پلی استر خاص استفاده می شود. روغن کرچک به خصوص غیر قابل خوردن است و کشت آن به آب و آفت کش کمتری نسبت به ذرت نیاز دارد. زنجیره‌های اسید اولئیک و لینولئیک درون این روغن‌ها، ستون‌های کربن-کربنی را فراهم می‌کنند که می‌توانند اکسیده شده و به پیش‌سازهای پلی‌ال برای پلی‌استرها و پلی‌اورتان‌های زیست تخریب‌پذیر تبدیل شوند.

متان و CO2 به عنوان مواد اولیه در حال ظهور

شرکت هایی از جمله Mango Materials (ایالات متحده آمریکا) و Newlight Technologies فرآیندهای تخمیر را با استفاده از متان - که از محل های دفن زباله یا زباله های کشاورزی گرفته می شود - به عنوان تنها منبع کربن برای تولید PHA توسعه داده اند. این نشان دهنده یک مسیر نسل سوم مواد اولیه است که به طور همزمان گازهای گلخانه ای را جدا می کند و یک پلیمر زیست تخریب پذیر تولید می کند. تاسیسات در مقیاس آزمایشی بازدهی را نشان داده اند تا 80% وزن خشک سلولی PHA در سویه های باکتریایی خاص تحت شرایط بهینه (منبع: ارتباطات طبیعت ، 2020، "تولید پلی هیدروکسی آلکانوات از متان در مقیاس آزمایشی").

فرآیندهای ساخت گام به گام برای پلاستیک های زیست تخریب پذیر عمده

ساخت PLA: تخمیر تا پلیمریزاسیون حلقه باز

تولید PLA از یک توالی صنعتی به خوبی تثبیت شده پیروی می کند:

  1. تهیه خوراک: ذرت یا نیشکر برای آزادسازی قندهای قابل تخمیر (گلوکز یا ساکارز) فرآوری می شود.
  2. تخمیر اسید لاکتیک: باکتری ها قندها را تحت pH و دمای کنترل شده به L-لاکتیک اسید یا D-لاکتیک اسید تبدیل می کنند (معمولاً 37-43 درجه سانتی گراد، pH 5.5-6.5).
  3. خالص سازی: اسید لاکتیک با بارش، اسیدی شدن و تقطیر بازیافت می شود و خلوص بالای 99.5 درصد به دست می آید.
  4. الیگومریزاسیون: اسید لاکتیک تحت پلیمریزاسیون متراکم تحت خلاء و دماهای بالا (150-170 درجه سانتیگراد) قرار می گیرد تا الیگومرهای PLA با وزن مولکولی کم را تشکیل دهد.
  5. پلیمریزاسیون به لاکتید: الیگومرها به صورت حرارتی در حضور یک کاتالیزور (معمولا قلع (II) octoate) برای تولید دایمرهای لاکتیدی حلقوی دپلیمریزه می شوند.
  6. پلیمریزاسیون با باز کردن حلقه (ROP): لاکتید در حضور کاتالیزور و آغازگر در دمای 150 تا 210 درجه سانتیگراد تحت ROP قرار می گیرد و PLA با وزن مولکولی بالا با وزن مولکولی متوسط وزن تولید می کند. 100000-300000 گرم در مول .
  7. گندله سازی و فرمولاسیون: مذاب پلیمری اکسترود می شود، سرد می شود و برای پردازش پایین دست پلت می شود.

NatureWorks LLC (مینسوتا، ایالات متحده آمریکا) بزرگترین مرکز تولید PLA در جهان را با ظرفیت 150000 تن در سال با استفاده از مسیر ROP نمرات PLA برند Ingeo آنها از فیلم های بسته بندی تا کاربردهای فیبر را شامل می شود.

ساخت PHA: تجمع میکروبی درون سلولی

تولید PHA اساساً با PLA متفاوت است: پلیمر در داخل سلول های باکتریایی زنده به عنوان ذخیره انرژی درون سلولی سنتز می شود و سپس استخراج می شود. این فرآیند شامل:

  1. کشت باکتری: سویه هایی مانند Cupriavidus necator (قبلا رالستونیا اوتروفا ) Burkholderia cepacia ، یا نوترکیب E. coli در محیط های غنی از مواد مغذی رشد می کنند.
  2. فاز محدودیت مواد مغذی: نیتروژن، فسفر یا اکسیژن عمداً محدود می شود تا تجمع PHA را تحریک کند. باکتری ها شار کربن را به سمت سنتز PHA هدایت می کنند، گاهی اوقات تجمع می یابند تا 90 درصد از وزن سلول خشک آنها به عنوان گرانول PHA.
  3. برداشت سلول: آبگوشت برای تغلیظ زیست توده باکتریایی سانتریفیوژ می شود.
  4. از هم گسیختگی و استخراج سلولی: سلول ها با عملیات شیمیایی (هیپوکلریت سدیم، سورفکتانت ها) یا اختلال مکانیکی (آسیاب مهره ها، همگن سازی) لیز می شوند. سپس PHA با استفاده از حلال ها (کلروفرم، متیلن کلرید) یا از طریق یک مسیر ته نشینی آبی بدون حلال استخراج می شود.
  5. خالص سازی و خشک کردن: حلال تبخیر می شود یا پلیمر در غیر حلال رسوب می کند، شسته شده و خشک می شود تا پودر یا گلوله به دست آید.

رایج ترین PHA پلی (3-هیدروکسی بوتیرات) (PHB) و پلیمر کوپلیمر آن (3-هیدروکسی بوتیرات-کو-3-هیدروکسی والرات) (PHBV) است. PHBV با ایجاد اختلال در بسته بندی کریستالی منظم، انعطاف پذیری بهبود یافته ای را نسبت به PHB نشان می دهد، و در مقادیر شکست از طول می کشد. 15-50٪ در مقابل 5% معمولی PHB.

ساخت نشاسته ترموپلاستیک (TPS)

دانه های نشاسته بومی شکننده و آبدوست هستند و نمی توان آنها را مستقیماً با ذوب فرآوری کرد. تبدیل آنها به TPS شامل پلاستیک سازی - مخلوط کردن نشاسته با نرم کننده ها (آب، گلیسرول، سوربیتول، اوره) و اعمال برش مکانیکی و حرارت (90 تا 180 درجه سانتیگراد) در یک اکسترودر دو مارپیچ است. این امر ساختار گرانول نیمه کریستالی را مختل می کند و یک ماتریس ترموپلاستیک آمورف و قابل پردازش با مذاب تولید می کند. TPS به تنهایی عملکرد مکانیکی محدودی دارد. معمولاً با PLA، PBAT (پلی بوتیلن آدیپات ترفتالات) یا PBS برای بهبود استحکام کششی و مقاومت در برابر آب مخلوط می‌شود.

ساخت PBAT: یک کوپلی استر مبتنی بر فسیل اما زیست تخریب پذیر

PBAT از مونومرهای مشتق شده از نفت - 1،4-بوتاندیول، اسید آدیپیک و اسید ترفتالیک - از طریق پلیمریزاسیون چگالشی مذاب سنتز می شود. علیرغم منشأ مبتنی بر فسیل، PBAT دارای گواهینامه صنعتی قابل کمپوست (EN 13432 / ASTM D6400) است زیرا پیوندهای استری آن مستعد هیدرولیز آنزیمی هستند. PBAT به طور گسترده در فیلم های بسته بندی انعطاف پذیر به عنوان یک عامل سخت کننده برای مخلوط های ترد PLA استفاده می شود. در سطح جهانی، Ecoflex BASF (PBAT) و ترکیب Ecovio آن (PLA PBAT) محصولات تجاری غالب هستند.

پلاستیک های زیست تخریب پذیر در مقابل مهندسی نایلون پلاستیک : مقایسه اموال

یکی از رایج ترین سوالات در انتخاب مواد این است که چگونه پلاستیک های زیست تخریب پذیر با مواد معمولی با کارایی بالا، به ویژه پلاستیک نایلونی مهندسی (PA6، PA66، PA12) مقایسه می شوند. پلاستیک نایلونی مهندسی چندین دهه عملکرد ثابت شده در کاربردهای خودرو، صنعتی و مصرف کننده دارد. درک شکاف عملکرد قبل از انتخاب هر یک از خانواده مواد ضروری است.

مقایسه خواص مکانیکی و حرارتی کلیدی بین پلاستیک‌های زیست تخریب‌پذیر رایج و نمرات پلاستیک نایلونی مهندسی داده ها از برگه های اطلاعات تامین کننده مواد و ادبیات منتشر شده گردآوری شده است.
اموال PLA PHA (PHBV) ترکیب TPS نایلون مهندسی (PA66)
مقاومت کششی (MPa) 40-65 25-40 15-30 70-85
کشیدگی در زمان شکست (%) 3-8 15-50 30-200 60-300
دمای انحراف گرما (°C) 55-65 100-130 50-70 180-250
جذب آب (%) 0.3-0.5 0.5-2.0 بالا (5-20) 2.5-8.5
دمای پردازش (°C) 170-220 160-180 90-180 260-290
زیست تخریب پذیری کمپوست صنعتی خاک، دریا، کمپوست خاک، کمپوست هیچ (پایدار)
هزینه معمولی (USD/kg، 2024) 1.8-2.5 4.0-8.0 1.5-3.0 2.0-3.5

داده ها این را روشن می کند پلاستیک نایلونی مهندسی تقریباً در هر معیار مکانیکی و حرارتی از جایگزین های زیست تخریب پذیر بهتر عمل می کند. . PA66 استحکام کششی 30 تا 50 درصد بالاتر از PLA، دمای انحراف حرارتی بیش از سه برابر PLA استاندارد و مقاومت در برابر خستگی عالی ارائه می‌دهد - به همین دلیل است که پلاستیک نایلونی مهندسی همچنان ماده انتخابی برای قطعات خودرو، محفظه ابزار برقی، دنده‌ها و اتصالات صنعتی است. برای کاربردهایی که به این سطوح عملکردی نیاز دارند، پلاستیک های زیست تخریب پذیر در حال حاضر بدون تغییر خاصیت قابل توجه از طریق اختلاط، ترکیب با تقویت کننده های الیاف یا طراحی مجدد ویژه برنامه، جایگزین های قابل دوام نیستند.

با این حال، این تصویر کامل نیست. برای بسته بندی، کارد و چنگال یکبار مصرف، فیلم های مالچ کشاورزی، دستگاه های پزشکی چرخه کوتاه، و کالاهای مصرفی با مسیرهای پایان عمر مشخص، پلاستیک های زیست تخریب پذیر می توانند با مشخصات عملکردی لازم مطابقت داشته باشند یا از آنها فراتر رود. در حالی که یک مزیت زیست محیطی قابل اندازه گیری ارائه می دهد. خانواده پلاستیکی مهندسی نایلون نیز به تکامل خود ادامه می‌دهد - PA11 مبتنی بر زیستی (ساخته شده از روغن کرچک، تجاری‌سازی شده توسط Arkema با نام تجاری Rilsan) و PA410 (از DSM، با استفاده از مونومرهای مبتنی بر زیستی و مشتق‌شده از نفت) همگرایی را نشان می‌دهد که در آن پلاستیک نایلونی مهندسی بدون عملکرد جزئی ساختاری نایلونی به دست می‌آورد.

چگونه پلاستیک های زیست تخریب پذیر واقعاً تجزیه می شوند: علم تخریب

درک مکانیسم های تخریب به اندازه درک چگونگی ساخت پلاستیک زیست تخریب پذیر مهم است، زیرا این دو به طور مستقیم با هم مرتبط هستند. ساختارهای شیمیایی ایجاد شده در طول تولید تعیین می کند که کدام مسیرهای تخریب در محیط قابل دسترسی است.

تجزیه هیدرولیتیکی

PLA عمدتاً از طریق هیدرولیز غیر زنده تجزیه می شود - آب پیوندهای استری را در ستون فقرات پلیمری می شکافد و به تدریج وزن مولکولی را بدون نیاز به فعالیت میکروبی کاهش می دهد. این فرآیند اتوکاتالیستی است: با ادامه هیدرولیز، قطعات اسید لاکتیک pH محلی کمتری تولید می‌کنند و بریدگی زنجیره را تسریع می‌کنند. در شرایط کمپوست صنعتی (58 درجه سانتیگراد، رطوبت > 50 درصد)، PLA به قطعات با وزن مولکولی کم در داخل تجزیه می شود. 60-90 روز و به دنبال آن کانی سازی سریع میکروبی انجام می شود. در دمای محیطی (خاک 15 تا 20 درجه سانتیگراد)، همین فرآیند ممکن است انجام شود 2-5 سال به همین دلیل است که PLA نباید به عنوان مناسب برای کمپوست خانگی یا زباله‌ریزی بدون صلاحیت به بازار عرضه شود. این واقعیت جنبشی مهم است: عبارت "زیست تخریب پذیر" در یک محصول PLA به این معنی نیست که در هر محیطی به سرعت ناپدید می شود.

تجزیه آنزیمی

PHA از طریق یک مکانیسم اولیه اساسی متفاوت تجزیه می شود - حمله آنزیمی مستقیم توسط دپلی مرازهای PHA خارج سلولی که توسط باکتری ها و قارچ های خاک ترشح می شود. این آنزیم ها پیوندهای استری را در سطح پلیمر هیدرولیز می کنند و مونومرهای 3-هیدروکسی بوتیرات را تولید می کنند که بلافاصله توسط میکروارگانیسم های مشابه یا مجاور متابولیزه می شوند. این باعث می شود که PHA در طیف وسیع تری از محیط ها تجزیه شود: رسوبات دریایی، آب شیرین، خاک و کمپوست . نشان داده شده است که لایه‌های نازک PHBV در لجن فعال ظرف ۲۸ روز و در محیط‌های دریایی در عرض ۶۰ تا ۹۰ روز ۹۰ درصد جرم خود را از دست می‌دهند (منبع: تخریب و پایداری پلیمر ، جلد. 94، شماره 4، 2009).

آماده سازی فوتو اکسیداتیو و حرارتی

تابش اشعه ماوراء بنفش و چرخه حرارتی در محیط‌های بیرونی می‌تواند پلاستیک‌های زیست تخریب‌پذیر را با آغاز بریدگی زنجیره، افزایش شکنندگی و بزرگ‌تر کردن سطح قابل دسترسی برای کلونیزاسیون میکروبی، از پیش آماده کند. این امر به ویژه برای فیلم‌های مالچ کشاورزی مبتنی بر مخلوط‌های PBAT/TPS، که برای قطعه‌سازی و کانی‌سازی در مزرعه پس از یک فصل رشد طراحی شده‌اند، مرتبط است. به طور حیاتی، این مسیر تکه تکه شدن اکسیداتیو نوری همچنین نحوه عملکرد مواد افزودنی اکسو تجزیه پذیر معمولی در پلی اولفین های استاندارد است - اما قطعات حاصل زیست تخریب پذیر نیستند، یک تمایز کلیدی که منجر به ممنوعیت قانونی پلاستیک های تجزیه پذیر اکسو در اتحادیه اروپا بر اساس دستورالعمل 2019/904 شده است.

چرا نایلون پلاستیک مهندسی تجزیه نمی شود؟

پلاستیک نایلونی مهندسی (پلی آمید) در برابر تخریب زیستی مقاومت می کند زیرا پیوندهای آمیدی آن (-CO-NH-) به طور قابل توجهی از نظر هیدرولیتیکی پایدارتر از پیوندهای استری در PLA یا PHA در شرایط بیولوژیکی محیط هستند. در حالی که هیدرولیز صنعتی پلی آمید در دماها و فشارهای بالا (> 200 درجه سانتیگراد) در فرآیندهای بازیافت نایلون (معروف به آمینولیز یا پلیمریزاسیون هیدرولیز) استفاده می شود، میکروارگانیسم های خاک و دریایی فاقد دپلی مرازهای پلی آمید کارآمدی هستند که قادر به شکستن این پیوندها در شرایط محیطی هستند. پلاستیک نایلونی مهندسی می تواند صدها سال در محیط باقی بماند دقیقاً به همین دلیل است که عملکرد مکانیکی آن در طول چندین دهه خدمات حفظ می شود - یک ویژگی مطلوب برای اجزای ساختاری، اما یک مسئولیت زیست محیطی زمانی که مواد بدون بازیافت اختصاصی تبدیل به زباله می شوند.

کاربردهای صنعتی و تجاری: جایی که هر ماده تعلق دارد

ویژگی های ساخت پلاستیک های زیست تخریب پذیر و پلاستیک نایلونی مهندسی آنها را برای کاربردهای بسیار متفاوت مناسب می کند. هیچ یک از مواد در سطح جهانی برتر نیستند - هر دو نقش مهمی در اکوسیستم مواد مدرن دارند.

برنامه های کاربردی مناسب برای پلاستیک های زیست تخریب پذیر

  • فیلم های بسته بندی انعطاف پذیر: مخلوط‌های PBAT/PLA برای کیسه‌های تولید، کیسه‌های نان و سطل‌های قابل کمپوست استفاده می‌شوند. بازار اروپا به تنهایی از حدود 750000 تن بسته بندی قابل کمپوست در سال 2022 استفاده کرد (منبع: European Bioplastics / nova-Institute, Bioplastics Market Data 2022).
  • اقلام خدمات غذایی یکبار مصرف: فنجان‌ها، بشقاب‌ها و کارد و چنگال‌های PLA دارای گواهینامه EN 13432 توسط بسیاری از مراکز تولید کمپوست صنعتی پذیرفته شده‌اند. Starbucks و McDonald's Europe لیوان های کاغذی با پوشش PLA را به عنوان جایگزینی برای جایگزین های با پوشش پلی اتیلن آزمایش کرده اند.
  • فیلم های مالچ کشاورزی: فیلم‌های مبتنی بر PBAT پس از برداشت در خاک شخم زده می‌شوند و در عرض 3 تا 12 ماه تجزیه می‌شوند و نیاز به حذف لایه‌های پرهزینه را از بین می‌برند. ایتالیا استفاده از فیلم های مالچ زیست تخریب پذیر تایید شده را طبق قانون زباله خود الزامی می کند (D.Lgs. 116/2020).
  • بخیه های پزشکی و داربست های دارورسانی: PLA، PGA (پلی گلیکولید) و کوپلیمر آنها PLGA از دهه 1970 در بخیه های قابل جذب استفاده شده است. استرازهای بدن این پلیمرها را به محصولات جانبی متابولیکی ایمن هیدرولیز می کنند. میکروسفرهای PLGA برای تحویل داروهای شیمی درمانی با نرخ آزادسازی کنترل شده طی 1 تا 6 ماه استفاده می شوند.
  • فیلامنت پرینت سه بعدی: PLA به دلیل پیچیدگی کم، دود سمیت کم و دمای چاپ قابل دسترسی برای چاپگرهای سطح ابتدایی، پرکاربردترین ماده چاپ FDM در سطح جهان است. بازار جهانی فیلامنت PLA در سال 2023 تقریباً 430 میلیون دلار ارزش داشت (منبع: MarketsandMarkets، گزارش 2023).
  • سینی بذر و گلدان مهد کودک: سینی‌های مبتنی بر TPS و PHA را می‌توان مستقیماً با نهال در زمین کاشت، شوک پیوند و حذف زباله‌های پلاستیکی را از عملیات رشد حذف می‌کند.

کاربردهایی که مهندسی نایلون پلاستیک غالب است

  • اجزای زیر کاپوت خودرو: منیفولدهای ورودی، پوشش‌های موتور، اتصالات کابل، اتصالات خط سوخت، و مخازن خنک‌کننده ساخته‌شده از گریدهای تقویت‌شده با الیاف شیشه‌ای PA66 یا PA6، دمای مداوم 120 تا 150 درجه سانتی‌گراد را با مقاومت شیمیایی بالا در برابر روغن‌ها، سوخت‌ها و خنک‌کننده‌ها تحمل می‌کنند. در حال حاضر هیچ پلاستیک زیست تخریب پذیری به این پوشش عملکرد نزدیک نمی شود.
  • اتصالات و محفظه های الکتریکی: پلاستیک نایلونی مهندسی (PA66) دارای درجه بندی ضد شعله UL94 V-0 (با افزودنی های مناسب) است که مقاومت ردیابی و پایداری ابعادی را برای ایمنی الکتریکی در لوازم الکترونیکی مصرفی، سیستم های مدیریت باتری EV و تابلو برق صنعتی ارائه می دهد.
  • چرخ دنده ها، بلبرینگ ها و بوشینگ های صنعتی: ضریب اصطکاک کم پلاستیک نایلونی مهندسی (0.1-0.3 در برابر فولاد)، ویژگی های خود روان شونده و مقاومت در برابر خستگی، آن را برای درایوهای مکانیکی روغن کاری نشده در پردازش مواد غذایی، ماشین آلات نساجی و سیستم های نوار نقاله مورد استفاده قرار می دهد.
  • محفظه و دستگیره ابزار برقی: مقاومت بالای ضربه و سختی سطح PA6/66 در برابر سقوط های مکرر و چرخه های استفاده سنگین مقاومت می کند. گریدهای تقویت شده با الیاف شیشه (30% GF) به استحکام کششی بیش از 160 مگاپاسکال دست می یابند.
  • کالاهای ورزشی و تجهیزات فضای باز: اتصالات اسکی، دنده‌های دوچرخه، زیپ‌ها و بدنه‌های کارابین برای پایداری طولانی‌مدت در برابر اشعه ماوراء بنفش (با بسته‌های تثبیت‌کننده)، مقاومت در برابر ضربه و عملکرد ساختاری سبک، به پلاستیک مهندسی نایلون متکی هستند.

نوآوری‌های فعلی که شکاف عملکردی بین پلاستیک‌های زیست تخریب‌پذیر و پلاستیک نایلونی مهندسی را کاهش می‌دهند.

بخش قابل توجهی از تحقیقات پلیمری فعلی به بهبود عملکرد پلاستیک های زیست تخریب پذیر اختصاص دارد تا بتوانند در کاربردهای با تقاضای بالاتر استفاده کنند. در همان زمان، تلاش‌هایی در حال انجام است تا پلاستیک نایلونی مهندسی تا حدی مشتق‌شده از محیط زیست باشد و در عین حال مزایای مهندسی خود را حفظ کند.

Stereocomplex PLA: شکستن سد انحراف گرما

استاندارد PLA دارای دمای انحراف حرارتی 55 تا 65 درجه سانتیگراد است که آن را از بسته بندی های داغ، ظروف قابل شستشو در ماشین ظرفشویی و بسیاری از کاربردهای خودرو محروم می کند. Stereocomplex PLA (sc-PLA)، که از ترکیب PLLA (پلی-L-لاکتید) و PDLA (پلی-D-لاکتید) در نسبت 1:1 تشکیل می شود، ساختاری متبلور با نقطه ذوب را تشکیل می دهد. 220-230 درجه سانتی گراد - به طور قابل توجهی بالاتر از هموپلیمر به تنهایی. تحقیقات Mitsui Chemicals و Toyota نشان داده است که قطعات تزریقی sc-PLA در دمای استفاده مداوم 100 درجه سانتیگراد مقاومت می کنند و آنها را برای برخی از قطعات داخلی خودرو که در حال حاضر از پلاستیک نایلونی مهندسی استفاده می کنند، قابل استفاده است.

کوپلیمرها و ترکیبات PHA برای استحکام

شکنندگی ذاتی PHB از لحاظ تاریخی موفقیت تجاری PHA را محدود کرده است. استراتژی‌های فعلی برای بهبود چقرمگی عبارتند از: (1) ترکیب بیوسنتزی زنجیره‌های جانبی طولانی‌تر (3-hydroxyvalerate، 3-hydroxyhexanoate) برای برهم زدن بلورینگی و بهبود شکل‌پذیری. (2) ترکیب واکنشی با PLA یا PBAT با استفاده از پراکسید یا دی کومیل پراکسید به عنوان عوامل سازگار. و (3) پلاستیک سازی با روغن های گیاهی اپوکسید شده. این رویکردها مواد مبتنی بر PHA را با ازدیاد طول در هنگام شکست تولید کرده‌اند 200% در حالی که زیست تخریب پذیری کامل حفظ می شود - به انعطاف پذیری پلی اتیلن با چگالی کم نزدیک می شود، اگرچه هنوز عملکرد پلاستیک نایلونی مهندسی را ندارد.

تقویت زیست کامپوزیت: الیاف طبیعی در ماتریس های زیست تخریب پذیر

افزودن الیاف طبیعی - کتان، کنف، جوت، کناف یا بامبو - به ماتریس‌های PLA یا PHA باعث ایجاد بیوکامپوزیت‌های کاملاً کمپوست‌پذیر با سفتی و استحکام قابل‌توجهی می‌شود. کامپوزیت های الیاف کتان/PLA با بارگذاری الیاف 30 درصد به مدول های کششی دست یافته اند. 8-12 گیگا پاسکال ، به پلاستیک نایلونی مهندسی تقویت شده با الیاف شیشه نزدیک می شود در حالی که چگالی بسیار کمتری ارائه می دهد (1.2-1.3 گرم در سانتی متر مکعب در مقابل 1.5 گرم در سانتی متر مکعب برای 30٪ GF PA66). شرکت هایی از جمله Bcomp (سوئیس) و Trifilon (سوئد) این سیستم های بیوکامپوزیت را برای استفاده در پانل های داخلی خودرو، تجهیزات ورزشی و محفظه های لوازم الکترونیکی مصرفی تجاری کرده اند.

نایلون زیستی: پل زدن بر شکاف

تمایز بین "زیست تخریب پذیر" و "پایه زیستی" اغلب در هم آمیخته می شود، اما پلاستیک نایلونی مهندسی مبتنی بر زیست یک قلمرو میانی مهم را نشان می دهد. PA11 (Rilsan، Arkema) 100٪ از روغن کرچک مشتق شده است و زیست تخریب پذیر نیست اما یک ردپای کربن 50 تا 60 درصد کمتر از PA12 بر اساس گهواره به دروازه (منبع: Arkema Life Cycle Assessment، 2021). PA410 (EcoPaXX، DSM/Covestro) 70% از روغن کرچک بر پایه زیستی است و عملکرد مکانیکی PA66 را با Tg 30 درجه سانتی گراد و نقطه ذوب 250 درجه سانتی گراد به دست می آورد. این مواد مزایای ساختاری پلاستیک نایلونی مهندسی را حفظ می کنند و در عین حال وابستگی به مواد اولیه پتروشیمی را کاهش می دهند - گامی عملی در کربن زدایی صنعتی که در آن جایگزین های کاملاً زیست تخریب پذیر هنوز کافی نیستند.

بازیافت آنزیمی: اتصال پایان عمر به تولید

یک فناوری نوآورانه از Carbios (فرانسه) از آنزیم‌های کوتیناز ترموفیل مهندسی شده برای پلیمریزه کردن PET - و در نتیجه PLA و سایر پلی‌استرها - به مونومرهای خالص در دمای 72 درجه سانتیگراد در عرض 10 ساعت استفاده می‌کند. بازدهی بیش از 97 درصد پلیمریزاسیون . این مسیر بازیافت آنزیمی که در مقیاس آزمایشی تأیید شده و مجوز شرکای خود از جمله L'Oreal و Nestle را دریافت کرده است، به این معنی است که پلی استرهای زیست تخریب پذیر در نهایت می توانند به جای کمپوست، به مونومرهای با کیفیت بکر بازیافت شوند و حلقه مواد را به مراتب کارآمدتر ببندند. این امر پلی استرهای زیست تخریب پذیر را نه تنها به عنوان مواد کمپوست پذیر پایان عمر، بلکه به عنوان پلت فرم های قابل بازیافت در یک اقتصاد دایره ای قرار می دهد - روایتی که به طور مستقیم تری با اعتبار بازیافت نایلون پلاستیکی مهندسی رقابت می کند.

تاثیر محیطی: تجزیه و تحلیل چرخه حیات پلاستیک های زیست تخریب پذیر در مقابل مواد معمولی

مورد زیست محیطی پلاستیک های زیست تخریب پذیر بیشتر از ادعاهای بازاریابی است. داده‌های ارزیابی چرخه حیات (LCA) نشان می‌دهد که پلاستیک‌های زیست‌تخریب‌پذیر به طور قطعی نسبت به مواد معمولی در همه دسته‌های ضربه «سبزتر» نیستند – اما مزایای خاصی را ارائه می‌دهند که در موارد استفاده خاص بسیار مرتبط هستند.

پتانسیل گرمایش جهانی (GWP)

یک LCA مقایسه ای توسط آژانس محیط زیست اروپا (EEA، 2021) نشان داد که تولید PLA تقریباً منتشر می کند 1.3-2.5 کیلوگرم CO2-eq در هر کیلوگرم از پلیمر، در مقایسه با 3.4-4.5 کیلوگرم CO2-eq در هر کیلوگرم برای PET بکر و 2.5-3.5 کیلوگرم CO2-eq در هر کیلوگرم برای PA66 (پلاستیک نایلونی مهندسی). با این حال، این ارقام به طور قابل توجهی بر اساس ترکیب انرژی تاسیسات تولید، تغییر کاربری زمین مرتبط با کشاورزی مواد اولیه و فواصل حمل و نقل متفاوت است. هنگامی که PLA در پایان عمر کمپوست می شود، CO2 بیوژن آزاد شده کربن خنثی در نظر گرفته می شود (زیرا اخیراً در طول رشد گیاه از اتمسفر گرفته شده است)، در حالی که سوزاندن پلاستیک های مبتنی بر فسیل، کربن فسیل شده را به عنوان افزودنی خالص به CO2 اتمسفر آزاد می کند.

مسابقه کاربری اراضی و محصولات غذایی

انتقاد اولیه از پلاستیک های زیست تخریب پذیر نسل اول مانند PLA نشاسته ذرت این است که آنها برای زمین های کشاورزی با تولید مواد غذایی رقابت می کنند. در حجم فعلی تولید جهانی PLA (حدود 600000 تن در سال)، ذرت خام تقریباً نیاز دارد. 1.2 میلیون هکتار زمین کشاورزی - کمتر از 0.1٪ از زمین های زراعی جهانی (منبع: nova-Institute, "Bio-based Building Blocks and Polymers," 2023). امروزه این یک تأثیر نسبتاً جزئی زمین است، اما در مقیاس، پیامدهای کاربری زمین جایگزینی همه پلاستیک‌های فسیلی با پلاستیک‌های زیستی نسل اول قابل توجه خواهد بود. این یک محرک کلیدی در تحقیقات در مورد مواد اولیه نسل دوم (ضایعات لیگنوسلولزی) و نسل سوم (جلبک‌ها، متان) است که با سیستم‌های غذایی رقابت نمی‌کنند.

ملاحظات آلودگی دریایی

یکی از مزیت‌های زیست‌تخریب‌پذیر پلاستیک‌های زیست‌تخریب‌پذیر، به‌ویژه PHA، تجزیه‌پذیری دریایی است. آلودگی پلاستیکی دریایی بین 8 تا 12 میلیون تن در سال که وارد اقیانوس می شود تخمین زده می شود (منبع: Jambeck et al., علم ، 2015). پلاستیک نایلونی مهندسی که در دریا به‌عنوان تورهای ماهیگیری، تجهیزات آبزی‌پروری یا زباله‌های صنعتی از بین می‌رود، طی دهه‌ها به قطعات میکروپلاستیک تبدیل می‌شود. PHA تنها پلاستیک زیست تخریب پذیر تجاری است که دارای گواهی برای تجزیه زیستی در محیط های دریایی است (استاندارد ASTM D7991)، که در آن توسط باکتری های دریایی طبیعی در عرض چند ماه به جای چند دهه متابولیزه می شود. این باعث می شود PHA به طور خاص برای تجهیزات ماهیگیری، تورهای آبزی پروری، و پوشش های دریایی مناسب باشد، جایی که از دست دادن محیط اقیانوس یک خطر ذاتی است - برنامه هایی که پایداری پلاستیک نایلونی مهندسی به یک مسئولیت زیست محیطی تبدیل می شود.

پردازش پلاستیک های زیست تخریب پذیر بر روی تجهیزات تولید پلاستیک معمولی

یک سوال عملی برای سازندگانی که تغییر از پلاستیک‌های معمولی به جایگزین‌های زیست تخریب‌پذیر را در نظر می‌گیرند این است که آیا ماشین‌های موجود - ماشین‌های قالب‌گیری تزریقی، اکسترودرها، خطوط قالب‌گیری دمشی، پرس‌های ترموفرمینگ - می‌توانند مواد زیست تخریب‌پذیر را بدون سرمایه‌گذاری عمده پردازش کنند.

قالب گیری تزریقی

PLA را می توان بر روی ماشین های پیچی رفت و برگشتی استاندارد با دمای بشکه 170-220 درجه سانتی گراد و دمای قالب 25-40 درجه سانتی گراد برای قطعات آمورف یا 80-110 درجه سانتی گراد برای قطعات کریستالی (CPLA) قالب گیری کرد. چالش کلیدی حساسیت PLA به رطوبت است: باید از قبل تا زیر خشک شود محتوای آب 250ppm (به طور ایده آل 100 ppm) قبل از پردازش، یا بریدگی زنجیره هیدرولیتیک در طول قالب گیری وزن مولکولی را کاهش می دهد و منجر به ایجاد قطعات شکننده می شود. زمان ماندن در بشکه باید به حداقل برسد - PLA پس از 5 تا 10 دقیقه در دمای پردازش به طور قابل اندازه گیری شروع به تخریب می کند. در مقایسه با پلاستیک نایلونی مهندسی (که نیاز به خشک کردن تا رطوبت کمتر از 0.2 درصد و فرآیند در دمای 260 تا 290 درجه سانتیگراد دارد)، PLA تقاضای حرارتی کمتری را برای بخاری‌های بشکه‌ای ایجاد می‌کند اما نیاز به مدیریت رطوبت دقیق‌تری دارد.

فیلم اکستروژن و فیلم دمیده

ترکیبات PBAT، TPS/PLA و گریدهای PHA با موفقیت بر روی خطوط فیلم دمیده معمولی پردازش شده اند. ممکن است اصلاحاتی در طراحی پیچ مورد نیاز باشد - معمولاً نسبت تراکم کمتر (2.5:1 تا 3:1) و برش کمتر در مقایسه با پردازش PE توصیه می شود. شکاف دای و نسبت باد کردن باید تنظیم شود زیرا پلی استرهای زیست تخریب پذیر رفتار مقاومت مذاب متفاوتی نسبت به LDPE دارند. PHA به ویژه در معرض تخریب حرارتی در نزدیکی نقطه ذوب خود (160-180 درجه سانتیگراد) است و به کنترل دقیق دما با یک پنجره پردازش باریک نیاز دارد. برخی از گریدهای PHA از عوامل هسته‌زا برای بهبود سینتیک کریستالیزاسیون و کاهش زمان چرخه در خطوط اکستروژن سود می‌برند.

ترموفرمینگ

ورق های PLA آمورف در دماهای 75 تا 95 درجه سانتیگراد، که کمتر از بیشتر بسترهای گرمافرمینگ معمولی است و امکان پردازش روی تجهیزات موجود با پروفیل های دمایی اصلاح شده را فراهم می کند. PLA کریستالی (CPLA) به شکل دهی حرارتی در دمای 135 تا 160 درجه سانتی گراد با طرح های قالب اختصاصی نیاز دارد. توزیع ضخامت دیواره در PLA ترموفرم شده به دلیل رفتار سخت شدن کرنش بالاتر PLA که برای کاربردهای بسته بندی دیواره نازک سودمند است نسبت به HIPS (پلی استایرن با ضربه بالا) یکنواخت تر است. زمان چرخه ترموفرمینگ PLA عموماً با PS در گیج مشابه قابل رقابت است.

سوالات متداول در مورد تولید پلاستیک زیست تخریب پذیر

آیا پلاستیک زیست تخریب پذیر در محل دفن زباله تجزیه می شود؟

بیشتر پلاستیک های زیست تخریب پذیر، از جمله PLA، به طور موثر در محل های دفن زباله تجزیه نمی شوند. شرایط دفن زباله - اکسیژن کم، رطوبت کم و دمای پایین در مناطق بی هوازی - مسیرهای تخریب هیدرولیتیک و میکروبی را که پلاستیک های زیست تخریب پذیر به آن وابسته هستند، سرکوب می کند. PLA در محل دفن زباله ممکن است برای دهه ها باقی بماند، مانند پلاستیک معمولی. کمپوست سازی صنعتی (58 درجه سانتیگراد، هوازی، رطوبت بالا) محیط پایان عمر مورد نظر برای اکثر پلاستیک های کمپوست پذیر تایید شده است. فقط PHA تحت طیف وسیع‌تری از شرایط، از جمله محیط‌های بی‌هوازی، تجزیه می‌شود، اگرچه سرعت آن هنوز بسیار کندتر از کمپوست فعال یا محیط‌های دریایی است.

آیا پلاستیک زیست تخریب پذیر می تواند جایگزین پلاستیک نایلونی مهندسی در کاربردهای ساختاری شود؟

نه در بیشتر موارد با تکنولوژی مواد فعلی. پلاستیک نایلونی مهندسی (PA6، PA66، PA12) خواص مکانیکی - استحکام کششی 70-85 مگاپاسکال، HDT تا 250 درجه سانتیگراد، مقاومت شیمیایی عالی را ارائه می دهد - که جایگزین های زیست تخریب پذیر فعلی بدون به خطر انداختن تجزیه پذیری زیستی نمی توانند مطابقت داشته باشند. روش‌های بیوکامپوزیت با استفاده از تقویت‌کننده الیاف طبیعی در ماتریس‌های PLA یا PHA می‌توانند از نظر سختی به پلاستیک نایلونی مهندسی نزدیک شوند، اما چقرمگی، پایداری حرارتی و مقاومت شیمیایی طولانی‌مدت به طور قابل‌توجهی پایین‌تر هستند. برای کاربردهای ساختاری، پلاستیک نایلونی مهندسی مبتنی بر زیست (PA11 از روغن کرچک، PA410) مسیر عملی تری را برای کاهش اثرات زیست محیطی بدون به خطر انداختن عملکرد ارائه می دهد.

تفاوت بین پلاستیک قابل کمپوست و زیست تخریب پذیر چیست؟

"زیست تخریب پذیر" به این معنی است که یک ماده می تواند توسط میکروارگانیسم ها به آب، CO2 و زیست توده تجزیه شود - اما این تعریف هیچ نشانه ای از مقیاس زمانی یا شرایط مورد نیاز ارائه نمی دهد. "قابلیت کمپوست سازی" یک اصطلاح خاص تر و تنظیم شده است: پلاستیک دارای گواهی EN 13432 (اروپا) یا ASTM D6400 (ایالات متحده آمریکا) باید در عرض 12 هفته در شرایط کمپوست صنعتی به قطعاتی با اندازه کمتر از 2 میلی متر تجزیه شود و حداقل تا 90٪ محتوای کربن در 6 ماه به عنوان CO2 تجزیه شود. پلاستیک های قابل کمپوست نیز باید نشان دهند که مواد باقیمانده به رشد گیاه آسیب نمی رساند و محتوای فلزات سنگین زیر آستانه های تعریف شده باقی می ماند. همه پلاستیک های قابل کمپوست تایید شده قابل تجزیه زیستی هستند، اما همه پلاستیک های زیست تخریب پذیر تایید شده قابل کمپوست نیستند.

هزینه پلاستیک زیست تخریب پذیر در مقایسه با مواد مهندسی معمولی چقدر است؟

از سال 2024، PLA کالا تقریباً 1.8-2.5 دلار در کیلوگرم هزینه دارد که با بسیاری از ترموپلاستیک های مهندسی استاندارد رقابتی است. به دلیل حجم تولید کمتر و فرآیندهای بازیابی پیچیده تر، PHA به طور قابل توجهی گرانتر در 4 تا 8 دلار در کیلوگرم است. پلاستیک نایلونی مهندسی (PA6) با 2.0 تا 3.5 دلار در کیلوگرم برای گریدهای استاندارد معامله می شود، که باعث می شود به طور کلی از نظر هزینه با PLA برای کاربردهای خاص قابل مقایسه باشد. با این حال، مقایسه هزینه کل باید تفاوت در شرایط پردازش، الزامات خشک کردن، اثرات زمان چرخه، و نیاز به زنجیره تامین قابل کمپوست تایید شده در پایان عمر را در نظر بگیرد. با افزایش مقیاس تولید پلاستیک زیست تخریب پذیر در سطح جهان - پیش بینی می شود ظرفیت کل پلاستیک های زیستی از 2.18 میلیون تن در سال 2023 به بیش از 6.3 میلیون تن تا سال 2028 افزایش یابد (منبع: European Bioplastics / nova-Institute) - برابری هزینه با پلاستیک های معمولی برای اکثر گریدها تا اواخر سال 202 پیش بینی می شود.

آیا پلاستیک زیست تخریب پذیر با جریان های زباله پلاستیکی معمولی قابل بازیافت است؟

این یک نگرانی عملی حیاتی است. پلاستیک های زیست تخریب پذیر - به ویژه PLA - به طور کلی با جریان های بازیافت معمولی برای PET، HDPE یا PP ناسازگار هستند. حتی آلودگی کوچک PLA (<1٪) در یک جریان بازیافت PET می تواند به دلیل تفاوت در رفتار ذوب و شفافیت نوری باعث نقص قابل مشاهده در محصولات PET بازیافت شده شود. سیستم‌های مرتب‌سازی مکانیکی به طور فزاینده‌ای از طیف‌سنجی مادون قرمز نزدیک (NIR) برای جدا کردن PLA از PET استفاده می‌کنند، اما دقت کامل نیست. مسیر صحیح پایان عمر برای پلاستیک های قابل کمپوست تایید شده، کمپوست سازی صنعتی است، نه سطل های بازیافت کناری. فن‌آوری‌های بازیافت آنزیمی (مانند پلت‌فرم PETase Carbios) ممکن است در نهایت به پلی‌استرهای زیست تخریب‌پذیر اجازه دهند که بدون توجه به سطح آلودگی، پلی‌استرهای زیست‌تخریب‌پذیر را به صورت شیمیایی به مونومرها بازگردانند و چالش مرتب‌سازی را حل کنند.

آیا ساخت پلاستیک نایلونی مهندسی به دلیل نگرانی های زیست محیطی به تدریج کنار گذاشته می شود؟

خیر. پلاستیک نایلونی مهندسی (پلی آمید) به تدریج کنار گذاشته نمی شود. عمر طولانی، قابلیت بازیافت از طریق مسیرهای مکانیکی و شیمیایی، و نسبت عملکرد به وزن بالا، آن را به یک ماده مهم در استراتژی‌های سبک‌سازی برای وسایل نقلیه الکتریکی، هوافضا و زیرساخت‌های انرژی‌های تجدیدپذیر تبدیل کرده است – که همگی باعث کاهش ردپای کربن کلی سیستم می‌شوند. روند در بخش مهندسی نایلون پلاستیک به سمت افزایش محتوای زیستی (PA11، PA410، PA66 و PA6 با پایه زیستی جزئی از مسیرهای نوظهور هگزامتیلن دی آمین و اسید آدیپیک زیستی) به جای جایگزینی با مواد زیست تخریب پذیر است. نمرات PA با محتوای بازیافتی (ساخته شده از تورهای ماهیگیری پایان عمر، ضایعات نساجی، یا ضایعات صنعتی) نیز به طور فزاینده ای به عنوان جایگزین هایی با اثرات زیست محیطی کمتر از پلاستیک نایلونی مهندسی بکر در دسترس هستند.

قبلی：بدون مقاله قبلیبعدی：پلاستیک PLA در مقایسه با نایلون مهندسی چقدر قوی است؟

محصولات داغ