خصائص البلاستيك الحيوي وأنواعه وإنتاجه واستخداماته

ال البلاستيك الحيوي إنها مواد بوليمرية بلاستيكية ، تم الحصول عليها من مواد خام ذات أصل بيولوجي ، أي من المصادر الطبيعية المتجددة ، مثل الكتلة الحيوية للنشا والسليلوز وحمض اللبنيك والدهون والبروتينات النباتية والحيوانية ، من بين أشياء أخرى.

يستخدم مصطلح البلاستيك الحيوي لتمييز هذه المواد ذات الأصل البيولوجي ، من البلاستيك البترولي ، والتي يتم تصنيعها من المشتقات البترولية.

المواد البلاستيكية عبارة عن مواد قابلة للتشكيل بسهولة ويمكن أن تتشوه دون اقتحام مجموعة واسعة أو أقل من الظروف ؛ هذا هو السبب في أنها مواد ذات براعة كبيرة.

يتم تصنيع معظم المواد البلاستيكية من المواد الخام المشتقة من البترول. تأتي هذه المواد البترولية من استخراج وتكرير النفط ، وهو مورد طبيعي غير متجدد ومحدود ومستنفد..

علاوة على ذلك ، فإن المواد البلاستيكية غير قابلة للتحلل الحيوي وتسبب مشاكل بيئية خطيرة مثل ما يسمى "الجزر البلاستيكية والحساء" في المحيطات. هذه تسبب وفيات هائلة من الأسماك والطيور البحرية ، بسبب تلوث البحر والهواء بواسطة الجسيمات البلاستيكية الدقيقة المعلقة ، نتيجة لتدهورها المادي.

بالإضافة إلى ذلك ، فإن حرق المواد البترولية يولد انبعاثات شديدة السمية.

على عكس البتروكيماويات ، يمكن أن تكون معظم اللدائن الحيوية قابلة للتحلل بشكل كامل وغير ملوثة. حتى أنها يمكن أن تفضل ديناميات النظم الإيكولوجية.

مؤشر

• 1 خصائص البلاستيك الحيوي
  • 1.1 الأهمية الاقتصادية والبيئية للبلاستيك الحيوي
  • 1.2 التحلل البيولوجي
  • 1.3 قيود البلاستيك الحيوي
  • 1.4 تحسين خصائص البلاستيك الحيوي
• 2 أنواع (تصنيف)
  • 2.1 التصنيف وفقا لإعداده
  • 2.2 التصنيف وفقا للمواد الخام
• 3 الإنتاج الصناعي من البلاستيك الحيوي
• 4 استخدامات البلاستيك الحيوي
  • 4.1 المواد المتاح
  • 4.2 البناء والهندسة المدنية
  • 4.3 التطبيقات الصيدلانية
  • 4.4 التطبيقات الطبية
  • 4.5 النقل الجوي والبحري والبري والصناعة
  • 4.6 الزراعة
• 5 المراجع

خصائص البلاستيك الحيوي

الأهمية الاقتصادية والبيئية للبلاستيك الحيوي

في الآونة الأخيرة ، برز اهتمام علمي وصناعي أكبر لإنتاج المواد البلاستيكية من المواد الخام المتجددة والقابلة للتحلل.

ويرجع ذلك إلى حقيقة أن احتياطيات النفط العالمية تنفد وأن هناك وعيًا أكبر فيما يتعلق بالأضرار البيئية الخطيرة التي تسببها صناعة البترول..

مع تزايد الطلب على البلاستيك في السوق العالمية ، يتزايد الطلب على البلاستيك القابل للتحلل أيضًا.

التحلل البيولوجي

يمكن معالجة نفايات البلاستيك الحيوي القابل للتحلل الحيوي كنفايات عضوية وتدهور سريع وغير ملوث. على سبيل المثال ، يمكن استخدامها كتعديلات للتربة في التسميد ، حيث يتم إعادة تدويرها بشكل طبيعي بواسطة العمليات البيولوجية.

قيود البلاستيك الحيوي

يواجه تصنيع البلاستيك الحيوي القابل للتحلل تحديات كبيرة ، لأن البلاستيك الحيوي له خصائص أقل شأنا من البلاستيك البترولي وتطبيقه ، رغم نموه ، محدود.

تحسين خصائص البلاستيك الحيوي

لتحسين خصائص البلاستيك الحيوي ، يتم تطوير مخاليط البوليمرات الحيوية مع أنواع مختلفة من المواد المضافة ، مثل الأنابيب النانوية الكربونية والألياف الطبيعية التي يتم تعديلها عن طريق العمليات الكيميائية.

بشكل عام ، المواد المضافة المطبقة على البلاستيك الحيوي تعمل على تحسين الخصائص مثل:

• الصلابة والمقاومة الميكانيكية.
• خصائص الجدار ضد الغازات والماء.
• المقاومة للحرارة والحرارة.

يمكن تصميم هذه الخصائص في البلاستيك الحيوي من خلال الطرق الكيميائية للتحضير والتجهيز.

أنواع (التصنيف)

التصنيف وفقا لإعدادك

يمكن تصنيف البلاستيك الحيوي وفقًا لطريقة تحضيره في:

• اللدائن الحيوية التي يتم تصنيعها من المواد الخام البوليمرية المستخرجة مباشرة من الكتلة الحيوية.
• البلاستيك الحيوي الذي تم الحصول عليه من خلال التخليق بواسطة طرق التكنولوجيا الحيوية (باستخدام الكائنات الحية الدقيقة الأصلية أو المعدلة وراثيا).
• البلاستيك الحيوي الذي تم الحصول عليه عن طريق التخليق الكيميائي الكلاسيكي ، بدءا من المونومرات البيولوجية (والتي ستكون الطوب المستخدمة في بنائها).

التصنيف حسب المواد الخام

كما يمكن تصنيف البلاستيك الحيوي وفقًا لمصدر المواد الخام الخاصة به:

البلاستيك الحيوي على أساس النشا

النشا عبارة عن بوليمر حيوي قادر على امتصاص الماء ولهذه المواد البلاستيكية وظيفية ، فهي مواد بلاستيكية مضافة توفر المرونة (مثل السوربيتول أو الجلسرين).

بالإضافة إلى ذلك ، فهي مختلطة مع polyesters القابلة للتحلل ، وحمض polylactic ، polycaprolactones ، من بين أمور أخرى ، لتحسين خواصها الميكانيكية ومقاومتها للتدهور عن طريق المياه..

يطلق على البلاستيك الحيوي المصنوع من النشا مثل المواد الخام الاقتصادية الوفيرة والمتجددة ، اسم "النشا الحراري".

إنها مواد مشوهة في درجة حرارة الغرفة ، تذوب عند تسخينها وتصلبها في حالة زجاجي عند التبريد. يمكن إعادة تسخينها وإعادة تشكيلها ، ولكنها تخضع لتغيرات في خواصها الفيزيائية والكيميائية مع هذه الإجراءات.

هم نوع البلاستيك الحيوي الأكثر استخدامًا ويشكلون 50٪ من البلاستيك الحيوي في السوق.

البلاستيك الحيوي القائم على السليلوز

السليلوز هو المركب العضوي الأكثر وفرة داخل الكتلة الحيوية الأرضية ، المكون الهيكلي لجدران الخلايا النباتية. إنه غير قابل للذوبان في الماء ، الإيثانول والأثير.

اللدائن الحيوية القائمة على السليلوز هي عمومًا استرات السليلوز (خلات السليلوز والنيتروسليلوز) ومشتقاتها (السليلوز). من خلال التعديلات الكيميائية للسليلوز ، يمكن أن يصبح لدن بالحرارة.

السليلوز ، كونه أقل بكثير من الماء (أقرب إلى الماء) من النشا ، ينتج البلاستيك الحيوي مع خصائص محسنة للقوة الميكانيكية ، ونفاذية الغاز أقل ومقاومة أكبر لتدهور المياه..

البلاستيك الحيوي القائم على البروتين

من الممكن صناعة البلاستيك الحيوي باستخدام بروتينات مثل حليب الكازين وغلوتين القمح وبروتين الصويا وغيرها.

على وجه الخصوص ، البلاستيك الحيوي الناتج عن بروتين الصويا معرض للغاية للتدهور عن طريق المياه ومكلفة اقتصاديًا لإنتاجه. وضع خلائط أرخص وأقل مقاومة ، ينطوي على تحدٍ في الوقت الحالي.

البيوبلاست المستمدة من الدهون

تم تصنيع البلاستيك الحيوي (البولي يوريثان والبوليستر والراتنجات الايبوكسي) من الدهون النباتية والحيوانية ، مع خصائص مماثلة لصفات البلاستيك البترولي.

يمكن أن يكون إنتاج الزيوت النباتية والزيوت منخفضة التكلفة من الطحالب الدقيقة عاملاً ملائماً لإنتاج هذا النوع من البلاستيك الحيوي.

على سبيل المثال ، البلاستيك الحيوي بولياميد 410 (PA 410) ، يتم إنتاجه بـ 70٪ من زيت ثمار الخروع (Ricinus comunis). هذا البلاستيك الحيوي لديه نقطة انصهار عالية (250^أوج) ، امتصاص الماء منخفضة ومقاومة العوامل الكيميائية المختلفة.

مثال آخر هو بولياميد 11 (PA 11) ، والتي يتم إنتاجها من الزيوت النباتية ، ولكن ليست قابلة للتحلل.

Polyhydroxyalkanoates (PHAs)

مجموعة واسعة من الأنواع البكتيرية تخمر السكريات والدهون ، منتجة كمنتجات ثانوية تسمى المركبات polyhydroxyalkanoates (PHAs) ، والتي تخزن كمصدر للكربون والطاقة.

PHAs غير قابلة للذوبان في الماء ، قابلة للتحلل وغير سامة.

تنتج اللدائن الحيوية من نوع PHA أليافًا بلاستيكية صلبة تمامًا قابلة للتحلل. إنها تمثل بديلاً واعداً للغاية ، فيما يتعلق باستخدام البتروليمرات ، لإنتاج الأجهزة الطبية.

حمض polylactic (جيش التحرير الشعبى الصينى)

حمض polylactic (جيش التحرير الشعبى الصينى) هو البلاستيك الحيوي الشفاف الذي يتم إنتاجه من الذرة أو سكر العنب كمادة خام.

لإنتاجه ، يجب أولاً استخراج النشا من الذرة أو من مصدر نباتي آخر ؛ بعد ذلك يتم الحصول على حمض اللبنيك من هذا ، وذلك بفضل عمل الكائنات الحية الدقيقة ، وأخيرا يتم تطبيق عملية كيميائية (بلمرة حمض اللبنيك) للحصول على البلاستيك الحيوي.

البلاستيك الحيوي للبلاستيك PLA شفاف ، وله مقاومة منخفضة للتأثيرات ، ويمتلك خواص مقاومة للحرارة والحاجز ، مما يمنع دخول الهواء. بالإضافة إلى ذلك ، فهي قابلة للتحلل.

البلاستيك الحيوي على أساس بولي 3 - هيدروكسي بويتير (PHB)

Poly-3-hydroxybutyrate (PHB) هو نوع من المواد الكيميائية المركبة من البوليستر ، وتنتجه بعض البكتيريا التي تعمل على أيض الجلوكوز ونشاء الذرة.

يحتوي PHB على خصائص مشابهة للبولي بروبيلين البتروبلاستيك (المستخدم على نطاق واسع تجاريًا) ، لكن تكلفة إنتاجه أعلى تسعة أضعاف ، حيث أنه ينطوي على إنتاج الكتلة الحيوية بمصادر الكربون باهظة الثمن.

يمكن لهذا البلاستيك الحيوي إنتاج أفلام شفافة ، لديه نقطة انصهار 130^أوC وغير قابلة للتحلل تماما.

الحيوي البولي ايثيلين المستمدة

يحتوي البولي إثيلين على مونومر الإيثيلين كوحدة هيكلية ؛ والتي يمكن الحصول عليها عن طريق التوليف الكيميائي بدءا من الإيثانول كمادة خام.

يتم إنتاج الإيثانول في التخمير الكحولي بواسطة الكائنات الحية الدقيقة التي تستقلب قصب السكر أو الذرة أو غيرها.

هذه هي الطريقة التي يمكن من خلالها الجمع بين التخمير الكحولي والتوليف الكيميائي للإيثيلين والبولي إثيلين ، الحصول على البلاستيك الحيوي المسمى البولي إيثيلين المشتق.

هذا البولي ايثيلين البلاستيك الحيوي مطابق كيميائيا وجسديا للبتروبلاستيك. أنها ليست قابلة للتحلل ولكن يمكن إعادة تدويرها.

يوريثان بولي هيدروكسي

في الآونة الأخيرة ، كان هناك اهتمام كبير بإنتاج البولي يوريثان الحيوي ، خالية من مركب شديد السمية يسمى الإيزوسيانات.

يستخدم الإيزوسيانات على نطاق واسع في عمليات الإنتاج الصناعي للبوليمرات الاصطناعية (البولي يوريثان المطبقة على اللدائن الإسفنجية ، الرغاوي الصلبة ، اللاكيه ، المبيدات الحشرية ، المواد اللاصقة ، المتفجرات ، من بين أمور أخرى) ، في الزراعة والطب.

هناك طريقة كيميائية تسمى البلمرة المتقاطعة للبولي هيدروكسي يوريثان, التي تنتج البلاستيك الحيوي القابلة لإعادة التدوير وخالية الإيزوسيانات.

الإنتاج الصناعي من البلاستيك الحيوي

يتضمن الإنتاج الصناعي للبلاستيك الحيوي 4 خطوات أساسية:

1. الحصول على المواد الخام (الكتلة الحيوية).
2. تخليق البوليمر.
3. تعديل البوليمر في وظيفة وجود الخصائص المطلوبة وفقا للمنتج النهائي المراد تفصيلها.
4. مصبوب من البلاستيك الحيوي بواسطة طرق الضغط العالي أو المنخفض ، للحصول على الشكل النهائي المطلوب.

استخدامات البلاستيك الحيوي

يوجد حاليًا عدد قليل من التطبيقات التجارية للبلاستيك الحيوي ، نظرًا لأن التكلفة الاقتصادية لإنتاجها وتحسين خصائصها ، لا تزال تمثل مشكلات يتعين حلها.

البنود المتاح

ومع ذلك ، يتم استخدام البلاستيك الحيوي بالفعل في تصنيع العديد من المواد التي يمكن التخلص منها مثل الأكياس البلاستيكية وحاويات التغليف ومغلفات الطعام والسكاكين والنظارات والأطباق البلاستيكية الصالحة للأكل.

البناء والهندسة المدنية

تم استخدام البلاستيك الحيوي النشا كمواد بناء والبلاستيك الحيوي المقوى بالألياف النانوية في التركيبات الكهربائية.

بالإضافة إلى ذلك ، تم استخدامها في إعداد غابات البلاستيك الحيوي للأثاث ، والتي لا تتعرض للهجوم من قبل الحشرات إكسيلوباف ولا تتعفن مع الرطوبة.

التطبيقات الصيدلانية

لقد تم تصنيعها بكبسولات بلاستيكية تحتوي على أدوية وعقاقير يتم إطلاقها ببطء. وبالتالي ، يتم تنظيم التوافر البيولوجي للعقاقير مع مرور الوقت (الجرعة التي يتلقاها المريض في وقت معين).

التطبيقات الطبية

تم تصنيع البلاستيك السليلوز الحيوي المطبق في عمليات الزرع ، هندسة الأنسجة ، اللدائن الحيوية للكيتين والشيتوزان لحماية الجروح ، هندسة الأنسجة العظمية وتجديد جلد الإنسان..

كما تم تصنيع البلاستيك السليلوز الحيوي لأجهزة الاستشعار الحيوي ، الخلائط مع هيدروكسيباتيت لتصنيع زراعة الأسنان ، ألياف البلاستيك الحيوي في القسطرة ، من بين أشياء أخرى..

النقل الجوي والبحري والبري والصناعة

تم استخدام رغاوي صلبة تعتمد على الزيوت النباتية (البلاستيك الحيوي) ، سواء في الأجهزة الصناعية أو وسائل النقل ؛ قطع غيار السيارات وقطع غيار الفضاء.

كما تم إنتاج المكونات الإلكترونية للهواتف المحمولة وأجهزة الكمبيوتر وأجهزة الصوت والفيديو من البلاستيك الحيوي.

زراعة

الهلاميات المائية البلاستيكية الحيوية ، التي تمتص الماء وتحتفظ به ويمكن أن تطلقه ببطء ، مفيدة كغطاء واقي للتربة المزروعة ، وتحافظ على رطوبتها وتفضل نمو المزارع الزراعية في المناطق الجافة وفي مواسم الأمطار الشحيحة.

مراجع

1. Chen، G. and Patel، M. (2012). المواد البلاستيكية المشتقة من الموارد البيولوجية: الحاضر والمستقبل. مراجعة تقنية وبيئية. المراجعات الكيميائية. 112 (4): 2082-2099. Doi: 10.1021 / cr.20162d
2. كتيب من البلاستيك الحيوي والمركبات الحيوية. (2011). سريكانث بيلا محرر. سالم ، الولايات المتحدة الأمريكية: Scrivener Publishing LLC. نشرها جون وايلي وأولاده.
3. لامبينن ، J. (2010). الاتجاهات في البلاستيك الحيوي والمركبات الحيوية. ملاحظات أبحاث VTT. مركز البحوث الفنية في فنلندا. 2558: 12-20.
4. Shogren، R.L.، Fanta، G. and Doane، W. (1993). تطوير البلاستيك القائم على النشا: إعادة النظر في أنظمة بوليمر مختارة من منظور تاريخي. النشا. 45 (8): 276-280. Doi: 10.1002 / star.19930450806
5. فير ، م. (2012). المصطلحات الخاصة بالبوليمرات والتطبيقات ثنائية الحلقات (توصيات IUPAC). الكيمياء البحتة والتطبيقية. 84 (2): 377-410. Doi: 10.1351 / PAC-REC-10-12-04