پلیمرهای زیست تخریب پذیر

پلیمر‌های زیست تخریب پذیر یا بیو پلیمر ها که از منابع طبیعی مختلف مشتق می شوند شامل PLA ،PHA و پلیمر‌های مشتق شده از نشاسته میباشند.

انواع پلیمرهای زیست تخریب پذیر

پلیمرهای زیست تخریب پذیر معمولاً به عنوان “بیو پلیمر” نامیده می شوند، زیرا این پلیمرها بیشتر از منابع طبیعی مختلف مشتق می شوند. بیوپلیمرهایی که طبیعتاً زیست تخریب پذیر هستند تعداد محدودی دارند. پلاستیک‌هایی مانند PLA ،PHA و نشاسته پرمصرف‌ترین بیوپلیمرهایی هستند که حداقل تا کمترین اثر را در افزایش ردپای کربن محیطی دارند.

پلیمر‌های زیست تخریب پذیر چرا به بازار عرضه شدند؟ قبل از هر چیز باید درباره نقش پلاستیک در صنعت بسته بندی بیشتر بدانیم. اما قبل از هر چیز باید درباره نقش پلاستیک در صنعت بسته بندی بیشتر بدانیم. بسته بندی‌های پلاستیکی به دلیل دوام، سبکی و انعطاف پذیری که دارند نقش مهمی در صنایع غذایی ایفا می کنند. این ویژگی‌ها را ظروف سرامیکی و فلزی ندارند. بنابراین استفاده از بسته بندی پلاستیکی در تهیه غذا ها، فست فود‌ها و رستوران‌ها پیشرو هستند. با این حال، پیامدهای زیست محیطی پلاستیک‌های اضافی باعث شده تا محققان مواد بیشتری را برای بسته بندی تولید کنند. در حال حاضر، صنعت بسته بندی از پلیمرهای زیست تخریب پذیر با هدف جایگزینی مواد نفتی و حل مشکلات دفع زباله در بازار استفاده می‌کند.

پلیمر‌های زیست تجزیه پذیر هم به صورت طبیعی و هم به صورت مصنوعی ساخته می شوند و عمدتاً از گروه های عاملی استر، آمید و اتر تشکیل شده اند. خواص و مکانیسم تجزیه آنها با ساختار دقیق آنها تعیین می شود. این پلیمرها اغلب توسط واکنش های تراکم، پلیمریزاسیون حلقه باز و کاتالیزورهای فلزی سنتز می شوند. استفاده از پلیمرهای زیست تخریب پذیر در صنایع بسته بندی امروز مورد توجه قرار گرفته است. این پلیمرها به دلیل ویژگی های سازگار با محیط زیست تنوع گسترده، در دسترس بودن، سمی نبودن و کم هزینه بودن باعث شده است که امروزه از آن‌ها به عنوان جایگزین سبز پلیمرهای پلاستیکی استفاده شود.

پلیمرهای زیست تخریب پذیر یک زمینه رو به رشد را نشان می دهند. تعداد زیادی از پلیمرهای زیست تخریب پذیر (به عنوان مثال، سلولز، کیتین، نشاسته، پلی هیدروکسی آلکانوات، پلی لاکتید، پلی (ε-کاپرولاکتون)، کلاژن، و سایر پلی پپتیدها) در طول چرخه رشد ارگانیسم ها در محیط طبیعی ساخته شده اند یا تشکیل می شوند. برخی از میکروارگانیسم ها و آنزیم هایی که قادر به تجزیه چنین پلیمرهایی هستند شناسایی شده اند. پلیمرهای زیست تخریب پذیر بر اساس منشأ خود به سه دسته تقسیم می شوند: پلیمرهای تجدیدپذیر طبیعی تولید شده، پلیمرهای مصنوعی مشتق شده از منابع تجدیدپذیر و پلیمرهای مصنوعی مشتق شده از منابع نفتی. این این نوشته نگاهی اجمالی و کامل در مورد انواع مختلف بیوپلیمرهای زیستی و مصنوعی خواهد داشت. 

۱- پلیمرهای زیست تجزیه پذیر طبیعی

پلیمرهای زیست تخریب پذیر و زیست پایه دارای طیف گسترده ای دارای کاربرد‌های زیادی در داروسازی، پزشکی، باغبانی، کشاورزی، لوازم الکترونیکی مصرفی، خودرو، منسوجات و به ویژه بسته بندی هستند. تا به امروز، پلیمرهای تجزیه پذیر زیادی در دسترس هستند مانند پلی لاکتیک اسید یا پلی لاکتید (PLA)، پلی کاپرولاکتون (PCL)، پلی بوتیلن ادیپات ترفتالات (PBAT)، پلی هیدروکسی بوتیرات (PHB)، پلی هیدروکسی آلکانوات (PHA) و پلی استرامید. در برخی موارد، هزینه بالای تولید پلیمرهای تجزیه پذیر از استفاده آنها در جایگزینی پلیمرهای سنتی جلوگیری می کند. استفاده از مواد اولیه طبیعی و تجدید پذیر مانند نشاسته، لیگنین، کلاژن، سلولز به عنوان جایگزین مورد توجه بیشماری قرار گرفته است.

از میان پلیمر‌های طبیعی، نشاسته امکانات بی‌شماری را برای تولید مواد سازگار با محیط زیست با قابلیت استفاده تجاری گسترده ارائه می دهد. این پلیمر از دی اکسید کربن و آب از طریق فتوسنتز در گیاهان احیا میشود. به دلیل قابلیت تجزیه آن در محیط زیست، هزینه کم و قابلت بازسازی بالا، میتواند کاربرد‌های فراوانی‌ به ویژه در صنعت بسته بندی داشته باشد. تاکنون، تلاش‌های زیادی برای توسعه پلیمر‌های بر پایه نشاسته انجام شده است تا از این طریق منابع پتروشیمی حفظ شده و آسیب کمتری به محیط زیست وارد شود. 

    پلیمرهای زیست تخریب پذیر حاصل از تخمیر

پلیمرهای زیست تجزیه پذیر از تخمیر مربوط به پلی استرها و پلی ساکاریدهای خنثی تولید شده توسط میکروارگانیسم‌هایی که دسترسی به ذخیره کربن و منبع انرژی دارند به وجود می‌‌آیند. تحقیقات گسترده‌ای در زمینه PHA‌ ها، که گروهی از اسیدهای یدروکسی بوتیریک و هیدروکسی والریک است، انجام شده است.‌ PHA ها پلیمرهایی با وزن مولکولی بالا هستند که در زنجیره اصلی جایگزین n- الکیل هستند. معمولاً این پلیمرها میزان تجزیه پذیری زیستی را به ترتیب سال نشان میدهند. 

در این گروه، پلی ۳- هیدروکسی بورتیرات و پلی هیدروکسی بوتیرات- کو- هیدروکسی والرات (PHBV) به عنوان مواد جایگزین برای کاربردهای مختلف صنعتی پیشنهاد شده است. آخرین تحقیقات در زمینه تولید PHB نشان میدهد که این ماده را می‌توان از سنبل آبی به دست آورد. سنبل آبی، یکی از بدترین علف‌های هرز آبزی است که به راحتی‌ قابل دسترس بوده و ارزان می‌باشد. یکی از مهمترین مزایای این بیوپلیمری تحمل حرارتی آن است که نقطه ذوب در حدود ۱۷۵ درجه سانتی گراد می‌باشد. 

    پلیمرهای زیست تجزیه پذیر ساخته شده از مواد طبیعی که به صورت شیمیایی اصلاح شده ا‌ند

این نوع پلیمر‌ها شامل پلیمرهایی مانند پلی ساکاریدها، از واحدهای گلوکز و فروکتوز تشکیل شده اند. سلول و نشاسته به دلیل پتانسیل مناسب برای جایگزینی پلیمرهای بر پایه روغن در مقیاس بزرگ و با هزینه کم بیشتر مورد مطالعه قرار گرفته اند. نشاسته ارزان بوده و در طبیعت تجزیه میشود. بنابراین از آن به عنوان یک جزء مهم در بیو پلاستیک ‌ها استفاده میشود. با این حال، خواص مکانیکی ضعیف و حلالیت آب در نشاسته‌ها منجر به توسعه تکنیک‌های پیشنهادی برای استفاده‌های تجاری این ماده شده است. 

پلیمر های نشاسته‌ای در حال حاضر بیشترین سهم بازار ظروف گیاهی را دارا هستند. پلاستیک‌های بر پایه نشاسته به خودی خود شکننده هستند. اما اگر با موادی چون  گلیسرول گلیکول و سوربیتول مخلوط شوند، نسبت به حرارت مقاوم تر میشوند. پلاستیک‌های تجدید پذیر نشاسته ای را عموما با پلیمرهای زیست تجدید پذیر ترکیب میکنند. این نوع پلیمر‌ها کاربرد‌های فراوانی‌ در کاربردهای در پزشکی‌، محیط زیست و در صنایع بسته بندی دارند. 

    پلیمرهای زیست تخریب پذیر نشاسته‌ای

پلیمرهای نشاسته‌ای که جزو پلیمرهای زیست تجزیه پذیر ساخته شده از مواد طبیعی هستند، در حال حاضر بیشترین سهم بازار ظروف گیاهی را دارا هستند. پلاستیک‌های بر پایه نشاسته به خودی خود شکننده هستند. اما اگر با موادی چون  گلیسرول گلیکول و سوربیتول مخلوط شوند، نسبت به حرارت مقاوم تر میشوند. پلاستیک‌های تجدید پذیر نشاسته ای را عموما با پلیمرهای زیست تجدید پذیر ترکیب میکنند. این نوع پلیمر‌ها کاربرد‌های فراوانی‌ در کاربردهای در پزشکی‌، محیط زیست و در صنایع بسته بندی دارند. 

پلیمر‌های بر پایه نشاسته در صنایع غذایی‌ و بسته بندی مواد غذایی بیشتر مورد استفاده قرار میگیرند. هدف اصلی‌ بسته بندی مواد غذایی محافظت از غذا، حفظ ویژگی‌های حسی، ظاهری و کیفیت ماده غذایی است. در صنعت بسته بندی، از ظروف یکبار مصرف پلاستیکی برای بسته بندی غذا استفاده میشود. بسیاری از این ظروف، از مواد پلاستیکی با کد‌های مختلف رزین استفاده میشود که هر کدام دارای مزایا و معایب مخصوص به خود میباشند. پلیمر‌های زیست تجزیه پذیر بر پایه نشاسته‌ که در ظروف یکبار مصرف گیاهی کاربرد دارند، جایگزین مناسبی برای بسته بندی مواد غذایی‌ و غلبه بر این معایب و حفظ مزایا بسته بندی‌های قدیمی‌ می باشند.

      محدودیت‌های نشاسته

نشاسته‌های طبیعی محدودیت هایی را نشان می دهند. این محدودیت ها عمدتاً مربوط به یکپارچگی مکانیکی، ثبات حرارتی و جذب رطوبت است. به دلیل این محدودیت‌ها، نشاسته‌ها اغلب با مواد دیگر ترکیب می شوند تا خواص خود را افزایش دهند. هدف از مخلوط کردن نشاسته کاهش هزینه تولید است. به عبارتی برای بهبود ثبات ابعادی، کاهش ویژگی آبگریزی نشاسته و تجزیه پذیری زیستی آن نشاسته را با مواد مختلفی‌ ترکیب میکنند. به منظور بهینه سازی خواص کلی این مخلوط‌ها، نشاسته‌ها با نرم کننده‌های با جرم مولکولی کم مانند گلیسرول، گلوکز، سوربیتول، اوره و اتیلن گلیکول مخلوط می شوند. افزودن مواد روان کننده به نشاسته ترموپلاستیک، باعث تجزیه خود به خود‌ی ساختار نیمه کریستالی نشاسته و تشکیل پیوندهای هیدروژنی بین نرم کننده و نشاسته میشود.

بسته به نوع نرم کننده که با نشاسته مخلوط شده است، خواص نهایی نشاسته ترموپلاستیک متفاوت است. به طور کلی نرم کننده‌ها با کاهش فعل و انفعالات زنجیره‌ای قوی بین مولکولی، باعث افزایش انعطاف پذیری، توسعه پذیری و سیالیت می شوند. علاوه بر این، نشاسته ترموپلاستیک یک ماده آب دوست است. پیشرفتهای اخیر در ترکیب نشاسته شامل ترکیب نشاسته ترموپلاستیک با پلیمرهای زیست تجزیه پذیر یکی از پیشرفتهای مهم در صنعت بسته بندی مواد غذایی است.

        ۱-۱- نشاسته پلی وینیل الکل (PVA)

PVA یک پلیمر تجزیه پذیر مصنوعی است که دارای مزایای تشکیل فیلم خوب، تراکم قوی، پایداری حرارتی بالا و خواص سدگری گاز است. وجود PVA در مخلوط باعث افزایش مقاومت مکانیکی، مقاومت در برابر آب و مقاومت در برابر آب و هوا می شود. ژلاتینه شدن متداول ترین روش ترکیب نشاسته با PVA است. روشهای دیگر ممکن است به دلیل شکاف بین دمای تخریب حرارتی و دمای ذوب مفید نباشند.

سازگاری PVA ​​و نشاسته آنها را قادر می سازد تا یک فاز پیوسته در ترکیب ایجاد کنند حتی اگر خواص مخلوط ها با افزایش محتوای نشاسته خراب شود و باعث جداسازی فاز در هنگام آماده سازی مخلوط شود. برای بهبود سازگاری بین PVA و نشاسته، افزودن نرم کننده های مناسب، عوامل اتصال عرضی، پرکننده ها و سازگار کننده های زیادی در طی سالیان مورد مطالعه قرار گرفته است.

سازگاری PVA ​​و نشاسته آنها را قادر می سازد تا یک فاز پیوسته در ترکیب ایجاد کنند حتی اگر خواص مخلوط ها با افزایش محتوای نشاسته خراب شود و باعث جداسازی فاز در هنگام آماده سازی مخلوط شود. برای بهبود سازگاری بین PVA و نشاسته، افزودن نرم کننده های مناسب، عوامل اتصال عرضی، پرکننده ها و سازگار کننده ها مورد مطالعه قرار گرفته است. برخی از نرم کننده های رایج مورد استفاده در این ترکیب گلیسرول و آب است. هر دو PVA و نشاسته را می توان با استفاده از روش ریخته گری و گلیسرول در یک محیط آبی به یک ماده ترمو پلاستیک تبدیل کرد. نشاسته و PVA هر دو در چند محیط میکروبی تجزیه پذیر هستند. با این حال، تجزیه پذیری زیستی PVA ​​به میزان هیدرولیز و وزن مولکولی آن بستگی دارد.

             تجزیه بیولوژیکی نشاسته PVA

برخی از مطالعات نشان می دهد که مخلوط های PVA نشاسته در شرایط محیطی به راحتی تجزیه پذیر نیستند. با این حال، در یک مطالعه زمانی که نشاسته های PVA با روش حلال در معرض خاک حاوی کود قرار گرفتند، میزان خاصی از تجزیه بیولوژیکی به دست آمد. نتایج نشان داد با افزایش میزان نشاسته میزان تجزیه بیولوژیکی افزایش می یابد. یک مطالعه بر اساس استانداردهای ملی چین 14432 نیز نشان داد که با افزودن نشاسته قابلیت تجزیه پذیری افزایش می یابد.

        ۲-۱- نشاسته پلی لاکتیک اسید یا پلی لاکتید (PLA)

PLA با توجه به ویژگی های زیست تخریب پذیر و آبگریز آن، در تحقیقات کاربردهای زیست پزشکی و بسته بندی مورد توجه زیادی قرار گرفته است. گرید تجاری PLA معمولاً کوپلیمرهای پلی (L- لاکتیک اسید) و پلی (D ، L-lactic acid) هستند. برخی از معایب PLA انعطاف پذیری پایین، شکل پذیری و مقاومت در برابر ضربه است. برای بهبود انعطاف پذیری PLA و مقاومت در برابر ضربه، نرم کننده های متعددی مانند پلی (اتیلن گلیکول)، گلیسرول، تک استرهای گلوکز، استرهای سیترات و الیگومرها استفاده شده است. با این حال، نشاسته ترموپلاستیک به عنوان یک ترکیب ترکیبی برای PLA مزایای مهمی را از نظر هزینه، خواص و تجزیه پذیری زیستی را به این ترکیب میدهد.

خواص آبگریزی نشاسته و  PLA باعث اختلاط کم بین این دو ترکیب می شود. به همین دلیل، تکنیک اختلاط مذاب و افزودن سازگار کننده‌ها برای افزایش تعامل موفق (مانند مولکول‌های آمفیفیلیک یا عوامل اتصال( مورد نیاز است. پلی (هیدروکسی استر اتر)، متیلن دی فنیل دیسیوسیانات (MDI) ،PLA-graft- (انیدرید مالئیک)، PLA-پیوند- (اسید اکریلیک) و PLA-پیوند-نشاسته و پلی (وینیل الکل) به عنوان سازگار کننده در این ترکیب استفاده شده است.

             تجزیه بیولوژیکی نشاسته PLA

مطالعاتی در زمینه آزمایش زیست تجزیه پذیری با استفاده از PLA، نشاسته و چندین سازگار کننده یا سایر مواد انجام شده است. مطالعه نوارهای کششی تزریقی نشان داد که کاهش وزن با افزایش محتوای نشاسته و پلی (هیدروکسی استر) (PHEE) افزایش می یابد. این مخلوط ها از ترکیبات مختلف نشاسته ذرت، PLA و PHEE تشکیل شده بودند و میله ها به مدت یک سال در خاک دفن شده بودند تا اثرات نشاسته و PHEE بر میزان تجزیه بیولوژیکی مشخص شود. نشاسته موجود در کامپوزیت در مدت سه ماه تقریباً به طور کامل در محیط خاک تجزیه می شود.

        ۳-۱- نشاسته پلی کاپرولاکتون (PCL)

پلی (ε-کاپرولاکتون) یک پلی استر خطی، نیمه بلوری، آلیفاتیک است که با پلیمریزاسیون بازکننده حلقه ε-کاپرولاکتون تهیه می شود. آبگریز است و نقطه ذوب پایینی (60-65 درجه سانتی گراد) دارد. میزان تخریب هموپلیمرز PCL مربوط به وزن مولکولی و درجه بلورینگی آنهاست. بنابراین، کوپلیمریزاسیون PCL با سایر پلی استرهای آلیفاتیک می تواند توانایی تجزیه پذیری آن را بهبود بخشد. از طرف دیگر، وجود نشاسته میزان تجزیه بیولوژیکی PCL را افزایش می دهد زیرا واکنشهای هیدرولیز را تشدید می کند.

از آنجا که PCL یک پلیمر آبگریز است، ترکیب PCL و نشاسته جداسازی فاز نامطلوبی دارد. به منظور افزایش سازگاری بین دو ماده، افزودن عامل سطحی یا سازگار کننده ضروری است. گفته شده است که پلی (اتیلن گلیکول) (PEG) باعث بهبود خواص سطحی PCL میشود. افزودن PCL به نشاسته بر ضعف های نشاسته ترموپلاستیک خالص و نشاسته غلبه می کند و در همان زمان، کاهش بلورینگی PCL باعث تخریب آنزیمی می شود. مخلوط نشاسته و PCL در دهه گذشته به طور گسترده مورد مطالعه قرار گرفته است. لیکن هزینه تولید بالا و تنوع خواص، کاربردهای آن را محدود کرده است.

             تجزیه بیولوژیکی نشاسته PCL

دانشمندان تجزیه بیولوژیکی مخلوط نشاسته PCL را ارزیابی کرده اند. تجزیه بیولوژیکی دو مخلوط PCL، یکی با گرانول خشک نشاسته ساگو و دیگری با نشاسته ساگو ترموپلاستیک خشک نشده (TPSS)، با تعیین کاهش وزن و میزان اسید آدیپیک آزاد شده از PCL در یک مطالعه ارزیابی شد. طبق نتایج این تحقیق، گرانول خشک نشاسته ساگو در هر دو در خواص مکانیکی و تجزیه بیولوژیکی در مخلوط موجود باعث بهبود روند تجزیه زیستی‌ شد. همچنین وجود گرانول خشک نشاسته ساگو باعث کاهش وزن بیشتر در مقایسه با کاهش وزن در مخلوط‌های حاوی نشاسته ترموپلاستیک ساگو شد.

۲- پلیمرهای مصنوعی

مواد پلیمرهای مصنوعی عمدتا از منابع نفتی تهیه می شوند. با این حال این مواد قادر به تجزیه هستند، که با آزمایش های استاندارد مانند ISO 1708 ،ASTM D6400 ،ASTM D6868 ،ASTM D5338 و CSN EN 13432 ارزیابی می شود. به طور کلی، این نوع پلیمرهای زیستی، از نظر بیولوژیکی بی اثر بوده و دارای خواص قابل پیش بینی هستند. پلی استرها معروف‌ترین پلیمرهای این گروه هستند. آنها به دو نوع آلیفاتیک و معطر طبقه بندی می شوند. به عنوان مثل از گروه آلیفاتیک می‌توان به PLA ،PCL، پلی بوتیلن سوکسینات (PBS)، پلی بوتیلن سوکسینات- کو بوتیلن آدیپات (PBSA)، پلی اسید گلیکولیک اسید (PGA) و پلی وینیل الکل اشاره نمود. مشکل اصلی مربوط به این مواد این است که نقطه ذوب آنها در حدود ۶۰ درجه سانتی گراد است، که باعث میشود در بسیاری از موارد کاربردی نداشته باشند.

سنتز PLA با تولید اسید لاکتیک از طریق تخمیر باکتریایی شروع می شود. پس از آن پلیمریزاسیون انجام می شود. به منظور بهبود خواص PLA، آن را با چندین پلیمر آب دوست مانند PCL ،PVA، پلی اتیلن گلیکول (PEG)، پلی اکسید پروپیلن، هیالوروناسید و پلی وینیل استات (PVAc) مخلوط می کند. PVA دارای مقاومت بالا، پارگی، چسبندگی، انعطاف پذیری، جذب آب و ویژگی های اتصال است. از نظر صنعتی، PVAis در تولید فیلم های تجزیه پذیر و چسب و روکش کاغذ استفاده می شود.

۳- پلیمر‌های صنعتی

پلیمر‌های صنعتی در واقع ماکرو ملکول‌های مصنوعی هستند که معمولا از مواد نفتی‌ مشتق شده که نوع مرسوم آن‌ها غیر قابل تجزیه میباشند. از آنجا که منابع نفتی‌ ما محدود است و این نوع پلیمر‌ها به راحتی‌ تجزیه نمیشوند، پلیمر‌های زیست تجزیه پذیر از دهه ۱۹۷۰ به بعد مورد توجه بیشتری قرار گرفتند. پلیمرهای زیست تجزیه پذیر به عنوان پلیمرهایی تعریف می شوند که می توانند در یک فرآیند تجزیه به دی اکسید کربن، آب، متان و سایر محصولات با وزن مولکولی کم تبدیل شوند. فرایند شیمیایی تجزیه بیولوژیکی مجموعه‌ای از واکنش‌ها است که از طریق موجودات زنده مانند باکتری، قارچ، مخمر، جلبک و حشرات در شرایط خاص نور، دما، اکسیژن (شرایط هوازی یا بی‌هوازی) و سایر متغیرها رخ می دهد.

ریز ساختار پلیمر همچنین بر روند تجزیه تأثیر می گذارد. علاوه بر این، بسته به شرایط محیطی و ساختار مولکولی ذاتی پلیمر، تجزیه بیولوژیکی از چند هفته تا چند ماه به طول می انجامد. هنگامی که این نوع پلیمرها تجزیه می شوند، تولید مواد مضر کاهش می یابد. در واقع، بقایای تولید شده از فرایند تجزیه را می توان در چرخه ژئوشیمی طبیعی وارد کرد. 

سایت اکوکلیکی محصولات دوستدار محیط زیست را در اختیار شما قرار می دهد.

—————————————————————————————————————————-

پلیمرهای زیست تخریب پذیر |  مزایا و معایب پلاستیک های زیست تخریب پذیر |  پلیمرهای زیست تخریب ناپذیر |  پلی لاکتیک اسید پلیمری زیست تخریب پذیر |  زیست تخریب پذیر یعنی چه |  پلیمرهای زیست تجزیه پذیر |  پلیمرهای زیست تخریب پذیر دارویی |  پلیمر زیست تجزیه پذیر |  مواد تجزیه پذیر | علامت تجزیه پذیر | کاربرد پلیمر تفلون زیست تخریب پذیر | خواص و کاربرد پلیمر های طبیعی | پلیمر زیستی | پلیمر طبیعی | شباهت و تفاوت پلیمر طبیعی و مصنوعی | نشاسته پلیمر | ماده اولیه تولید پلیمر مصنوعی | کاربرد پلیمر مصنوعی