القائمة

البحث عن المنتج

لغة

يشارك

الصفحة الرئيسية / أخبار / أخبار الصناعة / كيف يتم تصنيع البلاستيك القابل للتحلل: العملية والمواد والاستخدامات
أخبار الصناعة

كيف يتم تصنيع البلاستيك القابل للتحلل: العملية والمواد والاستخدامات

محتوى

كيف يتم تصنيع البلاستيك القابل للتحلل: الإجابة المباشرة

يتم تصنيع البلاستيك القابل للتحلل الحيوي عن طريق الحصول على البوليمرات من المواد الأولية البيولوجية - في المقام الأول النشويات النباتية، والسليلوز، والسكريات المتخمرة - ومعالجتها من خلال مسارات كيميائية أو ميكروبية تنتج مواد قادرة على التحلل في البيئات الطبيعية في غضون أشهر إلى بضع سنوات. على عكس المواد البلاستيكية التقليدية المشتقة من البترول، تستخدم الأنواع القابلة للتحلل الحيوي سلاسل الكربون المتجددة التي يمكن للميكروبات استقلابها إلى الماء وثاني أكسيد الكربون والمواد العضوية.

تشمل المواد البلاستيكية القابلة للتحلل الأكثر أهمية تجاريًا اليوم حمض البوليلاكتيك (جيش التحرير الشعبى الصينى) ، بولي هيدروكسي ألكانوات (PHA)، نشا لدن بالحرارة (TPS)، وسكسينات البولي بيوتيلين (PBS). يتم تصنيع كل منها من خلال طرق تصنيع متميزة، ولكنها تشترك جميعًا في مبدأ واحد: تنشأ البوليمرات الأساسية الخاصة بها من مصادر بيولوجية وليست أحفورية، مما يسمح لمسارات التحلل الأنزيمية بإكمال دورة حياة المادة.

يجدر التوضيح مقدمًا: إن قابلية التحلل الحيوي والأصل الحيوي ليسا نفس الخاصية. بعض المواد البلاستيكية الحيوية ذات أساس حيوي ولكنها غير قابلة للتحلل الحيوي، في حين يمكن هندسة بعض البوليمرات المشتقة من النفط باستخدام إضافات قابلة للتحلل الحيوي. تركز هذه المقالة بشكل خاص على كيفية تصنيع المواد البلاستيكية المشتقة بيولوجيًا والقابلة للتحلل الحيوي بشكل حقيقي، وكيفية مقارنتها بالمواد الهندسية التقليدية مثل بلاستيك النايلون الهندسي، وما يعنيه ذلك بالنسبة للتطبيقات الصناعية وتطبيقات المنتجات.

المواد الأولية للمواد الخام: حيث يبدأ البلاستيك القابل للتحلل

رحلة تصنيع البلاستيك القابل للتحلل لا تبدأ في المصنع بل في المزرعة. يحدد اختيار المادة الخام البيولوجية المسار الكيميائي، وظروف المعالجة، وخصائص المادة النهائية للبوليمر الناتج.

نشا الذرة وقصب السكر

نشا الذرة هو المادة الخام السائدة لإنتاج جيش التحرير الشعبى الصينى على مستوى العالم. يتم أولاً طحن النشا رطبًا لعزل الجلوكوز، والذي يتم بعد ذلك تخميره بواسطة بكتيريا حمض اللاكتيك (بشكل أساسي ملبنة الأنواع) لإنتاج مونومرات حمض اللاكتيك. يوفر عصير قصب السكر تركيزًا أعلى من السكر وهو المادة الخام المفضلة في المناطق الاستوائية، وخاصة البرازيل. وفقًا لبيانات من الجمعية الأوروبية للبلاستيك الحيوي (طبعة 2023 من تقرير السوق الخاص بها)، يمثل PLA المشتق من نشا الذرة وقصب السكر ما يقرب من 32% من إجمالي الطاقة الإنتاجية للبلاستيك الحيوي في جميع أنحاء العالم .

السليلوز من النفايات الزراعية

يعد السليلوز المستخرج من قش القمح، أو قشور الأرز، أو قصب السكر، أو لب الخشب مادة خام جذابة بشكل متزايد من الجيل الثاني. إنه يتجنب المنافسة المباشرة مع سلاسل الإمدادات الغذائية. ومع ذلك، يتطلب التركيب البلوري للسليلوز معالجة مسبقة للتحلل الأنزيمي أو الحمضي قبل أن يبدأ التخمير، مما يضيف خطوات العملية والتكلفة. الأبحاث المنشورة في تكنولوجيا الموارد الحيوية (المجلد 289، 2019) أثبت أن التسكير الأنزيمي لسليلوز قش القمح يمكن أن ينتج عنه تركيزات الجلوكوز 45-55 جم/لتر ، كافية لتخمير PHA.

الزيوت النباتية والأحماض الدهنية

يعمل زيت فول الصويا وزيت النخيل وزيت الخروع كمواد أولية للرغاوي القابلة للتحلل الحيوي القائمة على البولي يوريثان وبعض أنواع البوليستر. زيت الخروع ملحوظ بشكل خاص لأنه غير صالح للأكل وتتطلب زراعته كمية أقل من الماء والمبيدات الحشرية مقارنة بالذرة. توفر سلاسل حمض الأوليك واللينوليك داخل هذه الزيوت أعمدة كربونية كربونية يمكن أكسدتها وتفعيلها في سلائف البوليول للبوليستر والبولي يوريثان القابلة للتحلل.

الميثان وثاني أكسيد الكربون كمواد خام ناشئة

قامت شركات بما في ذلك Mango Materials (الولايات المتحدة الأمريكية) وNewlight Technologies بتطوير عمليات تخمير باستخدام غاز الميثان - الذي يتم التقاطه من مدافن النفايات أو النفايات الزراعية - كمصدر الكربون الوحيد لإنتاج PHA. ويمثل هذا مسارًا من الجيل الثالث للمواد الأولية يعمل في الوقت نفسه على عزل غازات الدفيئة وإنتاج بوليمر قابل للتحلل الحيوي. وقد أظهرت المرافق ذات النطاق التجريبي عوائد قدرها ما يصل إلى 80% من الوزن الجاف للخلايا PHA في بعض السلالات البكتيرية في ظل الظروف المثلى (المصدر: اتصالات الطبيعة ، 2020، "إنتاج متعدد هيدروكسي ألكانوات من الميثان على نطاق تجريبي").

عمليات التصنيع خطوة بخطوة للمواد البلاستيكية الرئيسية القابلة للتحلل

صنع PLA: التخمير إلى بلمرة فتح الحلقة

يتبع إنتاج PLA تسلسلًا صناعيًا راسخًا:

  1. تحضير المواد الأولية: تتم معالجة الذرة أو قصب السكر لتحرير السكريات المتخمرة (الجلوكوز أو السكروز).
  2. تخمر حمض اللاكتيك: تقوم البكتيريا بتحويل السكريات إلى حمض اللاكتيك أو حمض اللاكتيك د تحت درجة حموضة ودرجة حرارة يمكن التحكم فيها (عادة 37-43 درجة مئوية، ودرجة الحموضة 5.5-6.5).
  3. التنقية: يتم استرداد حمض اللاكتيك عن طريق الترسيب والتحميض والتقطير، مما يحقق درجة نقاء أعلى من 99.5%.
  4. عملية احتواء حمض اللاكتيك على بلمرة تكثيف تحت فراغ ودرجات حرارة مرتفعة (150-170 درجة مئوية) لتكوين أوليجومرات PLA ذات وزن جزيئي منخفض.
  5. إزالة بلمرة اللاكتيد: تتم إزالة بلمرة القلة حرارياً في وجود محفز (عادةً أوكتوات القصدير (II) لإنتاج ثنائيات اللاكتيد الحلقية.
  6. بلمرة فتح الحلقة (ROP): يخضع اللاكتيد لـ ROP في وجود محفز وبادئ عند درجة حرارة 150-210 درجة مئوية، مما ينتج PLA عالي الوزن الجزيئي بأوزان جزيئية متوسطة الوزن 100.000-300.000 جرام/مول .
  7. التكوير والتركيب: يتم بثق ذوبان البوليمر، وتبريده، وتكويره للمعالجة النهائية.

تدير شركة NatureWorks LLC (مينيسوتا، الولايات المتحدة الأمريكية) أكبر منشأة لإنتاج PLA في العالم، بسعة 150.000 طن متري سنويا باستخدام طريق ROP. تتراوح درجات PLA الخاصة بعلامة Ingeo التجارية من أفلام التغليف إلى تطبيقات الألياف.

صنع PHA: تراكم الميكروبات داخل الخلايا

يختلف إنتاج PHA بشكل أساسي عن PLA: حيث يتم تصنيع البوليمر داخل الخلايا البكتيرية الحية كاحتياطي طاقة داخل الخلايا، ثم يتم استخلاصه. تتضمن العملية:

  1. زراعة البكتيريا: سلالات مثل نيكاتور كوبريافيدوس (سابقا رالستونيا الرحمة )، بوركولديريا سيباكيا ، أو المؤتلف الإشريكية القولونية تزرع في وسائل الإعلام الغنية بالمغذيات.
  2. مرحلة الحد من المغذيات: يتم تقييد النيتروجين أو الفوسفور أو الأكسجين عمدًا لتحفيز تراكم PHA. تقوم البكتيريا بإعادة توجيه تدفق الكربون نحو تخليق PHA، والذي يتراكم في بعض الأحيان يصل إلى 90% من وزن الخلايا الجافة كحبيبات PHA.
  3. حصاد الخلايا: يتم طرد المرق لتركيز الكتلة الحيوية البكتيرية.
  4. تمزيق الخلايا واستخراجها: يتم تحلل الخلايا عن طريق المعالجة الكيميائية (هيبوكلوريت الصوديوم، المواد الخافضة للتوتر السطحي) أو التعطيل الميكانيكي (طحن الخرز، التجانس). يتم بعد ذلك استخلاص PHA باستخدام المذيبات (الكلوروفورم، كلوريد الميثيلين) أو عن طريق الترسيب المائي غير المذيب.
  5. التنقية والتجفيف: يتم تبخير المذيب أو ترسيب البوليمر في مادة غير مذيبة، ثم يتم غسله وتجفيفه للحصول على مسحوق أو كرية.

PHA الأكثر شيوعًا هو poly(3-hydroxybutyrate) (PHB) وبوليمراته المشتركة (3-hydroxybutyrate-co-3-hydroxyvalerate) (PHBV). يظهر PHBV مرونة محسنة على PHB عن طريق تعطيل التعبئة البلورية العادية، مما يعطي استطالة عند قيم الانكسار 15-50% مقابل PHB النموذجي 5%.

صنع النشا بالحرارة (TPS)

حبيبات النشا الأصلية هشة ومحبة للماء ولا يمكن معالجتها بشكل مباشر. يتضمن تحويلها إلى TPS التلدين - مزج النشا مع الملدنات (الماء، الجلسرين، السوربيتول، اليوريا) وتطبيق القص الميكانيكي والحرارة (90-180 درجة مئوية) في طارد مزدوج اللولب. يؤدي هذا إلى تعطيل بنية الحبيبات شبه البلورية وينتج مصفوفة لدن بالحرارة غير متبلورة وقابلة للمعالجة. TPS وحده لديه أداء ميكانيكي محدود. يتم مزجه عادةً مع PLA أو PBAT (بولي بوتيلين أديبات تيريفثاليت) أو PBS لتحسين قوة الشد ومقاومة الماء.

صنع PBAT: بوليستر مشترك قائم على الأحافير وقابل للتحلل البيولوجي

يتم تصنيع PBAT من المونومرات المشتقة من النفط - 1،4-بوتانيديول، وحمض الأديبيك، وحمض تيريفثاليك - من خلال بلمرة تكثيف الذوبان. على الرغم من أصله القائم على الحفريات، فإن PBAT معتمد بأنه قابل للتحلل صناعيًا (EN 13432 / ASTM D6400) لأن روابط الإستر الخاصة به تكون عرضة للتحلل المائي الأنزيمي. يستخدم PBAT على نطاق واسع في أفلام التغليف المرنة كعامل تشديد لخلطات PLA الهشة. على الصعيد العالمي، يعد منتج إيكوفليكس (PBAT) الخاص بشركة BASF ومزيج Ecovio (PLA PBAT) من المنتجات التجارية المهيمنة.

البلاستيك القابل للتحلل مقابل. هندسة النايلون البلاستيكية : مقارنة الممتلكات

أحد الأسئلة الأكثر شيوعًا في اختيار المواد هو كيفية مقارنة المواد البلاستيكية القابلة للتحلل مع المواد التقليدية عالية الأداء، وخاصة بلاستيك النايلون الهندسي (PA6، PA66، PA12). يتمتع بلاستيك النايلون الهندسي بعقود من الأداء المثبت في تطبيقات السيارات والصناعية والاستهلاكية. يعد فهم فجوة الأداء أمرًا ضروريًا قبل اختيار أي من عائلة المواد.

مقارنة الخواص الميكانيكية والحرارية الرئيسية بين المواد البلاستيكية القابلة للتحلل الحيوي ودرجات بلاستيك النايلون الهندسي. تم جمع البيانات من أوراق بيانات موردي المواد والأدبيات المنشورة.
الملكية PLA فا (فبف) مزيج TPS النايلون الهندسي (PA66)
قوة الشد (ميغاباسكال) 40-65 25-40 15-30 70-85
الاستطالة عند الاستراحة (%) 3-8 15-50 30-200 60-300
درجة حرارة انحراف الحرارة (درجة مئوية) 55-65 100-130 50-70 180-250
امتصاص الماء (٪) 0.3-0.5 0.5-2.0 عالية (5-20) 2.5-8.5
درجة حرارة المعالجة (درجة مئوية) 170-220 160-180 90-180 260-290
القابلية للتحلل البيولوجي السماد الصناعي التربة، البحرية، السماد التربة والسماد لا شيء (مستقر)
التكلفة النموذجية (دولار أمريكي/كجم، 2024) 1.8-2.5 4.0-8.0 1.5-3.0 2.0-3.5

البيانات توضح ذلك يتفوق بلاستيك النايلون الهندسي على البدائل القابلة للتحلل الحيوي في كل المقاييس الميكانيكية والحرارية تقريبًا . يوفر PA66 قوة شد أعلى بنسبة 30-50% من PLA، ودرجات حرارة انحراف الحرارة أكثر من ثلاثة أضعاف تلك الخاصة بـ PLA القياسي، ومقاومة ممتازة للتعب - ولهذا السبب يظل بلاستيك النايلون الهندسي هو المادة المفضلة لمكونات السيارات الموجودة أسفل غطاء المحرك، وأغطية الأدوات الكهربائية، والتروس، والموصلات الصناعية. بالنسبة للتطبيقات التي تتطلب مستويات الأداء هذه، فإن المواد البلاستيكية القابلة للتحلل الحيوي ليست بدائل قابلة للتطبيق حاليًا دون تعديل كبير في الخاصية من خلال المزج، أو التركيب مع تعزيزات الألياف، أو إعادة التصميم الخاص بالتطبيق.

ومع ذلك، هذه ليست الصورة الكاملة. بالنسبة للتغليف، وأدوات المائدة التي تستخدم لمرة واحدة، وأغشية المهاد الزراعية، والأجهزة الطبية قصيرة الدورة، والسلع الاستهلاكية ذات مسارات محددة لنهاية العمر، يمكن للمواد البلاستيكية القابلة للتحلل الحيوي أن تتطابق مع مواصفات الأداء الضرورية أو تتجاوزها. مع تقديم ميزة بيئية قابلة للقياس. تستمر عائلة بلاستيك النايلون الهندسي في التطور أيضًا - يمثل PA11 الحيوي (المصنوع من زيت الخروع، والذي يتم تسويقه بواسطة Arkema تحت العلامة التجارية Rilsan) وPA410 (من DSM، باستخدام المونومرات الحيوية والمشتقة من النفط) تقاربًا حيث يكتسب بلاستيك النايلون الهندسي محتوى حيويًا جزئيًا دون التضحية بالأداء الهيكلي.

كيف تتحلل المواد البلاستيكية القابلة للتحلل فعليًا: علم التحلل

إن فهم آليات التحلل لا يقل أهمية عن فهم كيفية صنع البلاستيك القابل للتحلل، لأن الاثنين مرتبطان بشكل مباشر. تحدد الهياكل الكيميائية التي تم إنشاؤها أثناء التصنيع مسارات التحلل التي يمكن الوصول إليها في البيئة.

التحلل المائي

يتحلل PLA في المقام الأول من خلال التحلل المائي اللاأحيائي - حيث يشق الماء روابط الإستر في العمود الفقري للبوليمر، مما يقلل الوزن الجزيئي تدريجيًا دون الحاجة إلى نشاط ميكروبي. هذه العملية هي تحفيز ذاتي: مع استمرار التحلل المائي، تنتج شظايا حمض اللاكتيك درجة حموضة محلية أقل، مما يؤدي إلى تسريع انقسام السلسلة. في ظروف السماد الصناعي (58 درجة مئوية، > 50٪ رطوبة)، يتحلل PLA إلى أجزاء منخفضة الوزن الجزيئي داخل 60-90 يومًا ، يليه التمعدن الميكروبي السريع. في درجات الحرارة البيئية المحيطة (التربة عند 15-20 درجة مئوية)، يمكن أن تتم نفس العملية 2-5 سنوات ولهذا السبب لا ينبغي تسويق PLA على أنه مناسب للسماد المنزلي أو رمي النفايات دون مؤهل. هذه الحقيقة الحركية مهمة: مصطلح "قابل للتحلل الحيوي" الموجود على منتج PLA لا يعني أنه يختفي بسرعة في أي بيئة.

التحلل الأنزيمي

يتحلل PHA من خلال آلية أولية مختلفة تمامًا - هجوم إنزيمي مباشر بواسطة ديبوليميراز PHA خارج الخلية الذي تفرزه بكتيريا التربة والفطريات. تعمل هذه الإنزيمات على تحلل روابط الإستر على سطح البوليمر، مما يؤدي إلى توليد مونومرات 3-هيدروكسي بويترات التي يتم استقلابها على الفور بواسطة الكائنات الحية الدقيقة نفسها أو المجاورة. وهذا يجعل PHA قابلاً للتحلل عبر نطاق أوسع بكثير من البيئات: الرواسب البحرية والمياه العذبة والتربة والسماد . تبين أن الأغشية الرقيقة من PHBV تفقد 90% من كتلتها في الحمأة المنشطة خلال 28 يومًا وفي البيئات البحرية خلال 60-90 يومًا (المصدر: تدهور البوليمر والاستقرار ، المجلد. 94، العدد 4، 2009).

التكييف المسبق للصور المؤكسدة والحرارية

يمكن للأشعة فوق البنفسجية والتدوير الحراري في البيئات الخارجية أن تعمل على تهيئة المواد البلاستيكية القابلة للتحلل الحيوي عن طريق بدء عملية انقسام السلسلة، وزيادة الهشاشة، وتوسيع مساحة السطح التي يمكن للاستعمار الميكروبي الوصول إليها. وينطبق هذا بشكل خاص على أفلام النشارة الزراعية المعتمدة على مزيج PBAT/TPS، والتي تم تصميمها للتفتيت والتمعدن في الحقل بعد موسم نمو واحد. والأهم من ذلك، أن مسار التجزئة المؤكسد الضوئي هذا هو أيضًا الطريقة التي تعمل بها الإضافات التقليدية القابلة للتحلل بالأكسيد في البولي أوليفينات القياسية - لكن الأجزاء الناتجة ليست قابلة للتحلل الحيوي، وهو تمييز رئيسي أدى إلى فرض حظر تنظيمي على المواد البلاستيكية القابلة للتحلل بالأكسيد في الاتحاد الأوروبي بموجب التوجيه 2019/904.

لماذا لا يتحلل بلاستيك النايلون الهندسي بيولوجيًا؟

يقاوم بلاستيك النايلون الهندسي (البولي أميد) التحلل الحيوي لأن روابط الأميد الخاصة به (-CO-NH-) أكثر استقرارًا من الناحية المائية بشكل ملحوظ من روابط الإستر في PLA أو PHA في ظل الظروف البيولوجية المحيطة. في حين يتم استخدام التحلل المائي الصناعي للبولي أميد عند درجات حرارة مرتفعة (> 200 درجة مئوية) والضغوط في عمليات إعادة تدوير النايلون (المعروفة باسم التحلل الأميني أو إزالة بلمرة التحلل المائي)، فإن الكائنات الحية الدقيقة في التربة والبحرية تفتقر إلى بوليميرازات البولياميد الفعالة القادرة على كسر هذه الروابط في الظروف البيئية. يمكن لبلاستيك النايلون الهندسي أن يستمر في البيئة لمئات السنين وهذا هو بالضبط سبب الحفاظ على أدائها الميكانيكي طوال عقود من الخدمة - وهي خاصية مرغوبة للمكونات الهيكلية، ولكنها مسؤولية بيئية عندما تصبح المادة نفايات بدون إعادة تدوير مخصصة.

التطبيقات الصناعية والتجارية: حيث تنتمي كل مادة

إن خصائص تصنيع المواد البلاستيكية القابلة للتحلل وبلاستيك النايلون الهندسي تجعلها مناسبة لتطبيقات مختلفة جدًا. ولا تعتبر أي من المادتين متفوقة عالميًا، فكلتاهما تخدم أدوارًا حاسمة في النظام البيئي المادي الحديث.

التطبيقات الأنسب للمواد البلاستيكية القابلة للتحلل

  • أفلام التغليف المرنة: يتم استخدام خلطات PBAT/PLA لإنتاج الأكياس وأكياس الخبز وبطانات الصناديق القابلة للتحلل. استخدم السوق الأوروبي وحده ما يقرب من 750 ألف طن من العبوات القابلة للتحلل في عام 2022 (المصدر: معهد البلاستيك الحيوي الأوروبي / معهد نوفا، بيانات سوق البلاستيك الحيوي 2022).
  • مواد الخدمات الغذائية ذات الاستخدام الواحد: يتم قبول أكواب وأطباق وأدوات المائدة PLA المعتمدة بموجب EN 13432 من قبل العديد من منشآت التسميد الصناعية. قامت ستاربكس وماكدونالدز أوروبا بتجربة الأكواب الورقية المطلية بـ PLA كبديل للبدائل المطلية بالـ PE.
  • أفلام المهاد الزراعية: يتم حرث الأغشية المعتمدة على PBAT في التربة بعد الحصاد وتتحلل خلال 3 إلى 12 شهرًا، مما يلغي الحاجة إلى إزالة الأغشية المكلفة. تفرض إيطاليا استخدام أغشية النشارة المعتمدة القابلة للتحلل البيولوجي بموجب قانون النفايات الخاص بها (D.Lgs. 116/2020).
  • الغرز الطبية وسقالات توصيل الأدوية: تم استخدام PLA وPGA (بولي جلايكوليد) والبوليمر المشترك PLGA في الغرز القابلة للامتصاص منذ السبعينيات. تقوم استرات الجسم بتحليل هذه البوليمرات إلى منتجات ثانوية أيضية آمنة. تُستخدم كريات PLGA المجهرية لتوصيل أدوية العلاج الكيميائي بمعدلات إطلاق خاضعة للرقابة على مدى 1-6 أشهر.
  • خيوط الطباعة ثلاثية الأبعاد: PLA هي مادة طباعة FDM الأكثر استخدامًا على مستوى العالم نظرًا لانخفاض اعوجاجها وأبخرة سميتها المنخفضة ودرجة حرارة الطباعة التي يمكن للطابعات ذات المستوى المبتدئ الوصول إليها. بلغت قيمة سوق خيوط PLA العالمية حوالي 430 مليون دولار أمريكي في عام 2023 (المصدر: MarketsandMarkets، تقرير 2023).
  • صواني البذور وأواني الحضانة: يمكن زراعة الصواني المعتمدة على TPS وPHA مباشرة في الأرض باستخدام الشتلات، مما يزيل صدمة الزرع وإزالة النفايات البلاستيكية من عمليات النمو.

التطبيقات التي يظل فيها بلاستيك النايلون الهندسي هو السائد

  • مكونات السيارة تحت غطاء محرك السيارة: تتحمل مشعبات السحب وأغطية المحرك وروابط الكابلات وموصلات خطوط الوقود وخزانات سائل التبريد المصنوعة من درجات PA66 أو PA6 المقواة بالألياف الزجاجية درجات حرارة مستمرة تتراوح بين 120 و150 درجة مئوية مع مقاومة كيميائية عالية للزيوت والوقود وسائل التبريد. لا يوجد بلاستيك قابل للتحلل البيولوجي يقترب حاليًا من غلاف الأداء هذا.
  • الموصلات الكهربائية والعلب: بلاستيك النايلون الهندسي (PA66) حاصل على تصنيف UL94 V-0 لمثبطات اللهب (مع إضافات مناسبة)، مما يوفر مقاومة التتبع واستقرار الأبعاد الضروري للسلامة الكهربائية في الأجهزة الإلكترونية الاستهلاكية، وأنظمة إدارة بطاريات المركبات الكهربائية، والمفاتيح الكهربائية الصناعية.
  • التروس والمحامل والبطانات الصناعية: إن معامل الاحتكاك المنخفض لبلاستيك النايلون الهندسي (0.1-0.3 ضد الفولاذ)، وخصائص التشحيم الذاتي، ومقاومة التعب تجعله الحل الأمثل للمحركات الميكانيكية غير المشحمة في معالجة الأغذية، وآلات النسيج، وأنظمة النقل.
  • أغلفة الأدوات الكهربائية ومقابضها: تتحمل قوة التأثير العالية وصلابة السطح PA6/66 حالات السقوط المتكررة ودورات الاستخدام الشاقة. تحقق الدرجات المقواة بالألياف الزجاجية (30% GF) قوة شد تتجاوز 160 ميجا باسكال.
  • السلع الرياضية والمعدات الخارجية: تعتمد روابط التزلج، ومخارج الدراجات، وأربطة السحاب، وأجسام حلقة التثبيت على بلاستيك النايلون الهندسي لتحقيق ثبات طويل الأمد للأشعة فوق البنفسجية (مع حزم التثبيت)، ومقاومة الصدمات، والأداء الهيكلي خفيف الوزن.

الابتكارات الحالية تسد فجوة الأداء بين المواد البلاستيكية القابلة للتحلل وهندسة بلاستيك النايلون

تم تخصيص جزء كبير من أبحاث البوليمر الحالية لتحسين أداء المواد البلاستيكية القابلة للتحلل الحيوي حتى تتمكن من العمل في التطبيقات ذات الطلب العالي. وفي الوقت نفسه، تُبذل الجهود لجعل بلاستيك النايلون الهندسي مشتقًا حيويًا جزئيًا مع الاحتفاظ بمزاياه الهندسية.

جهاز PLA المجسم: كسر حاجز انحراف الحرارة

يحتوي PLA القياسي على درجة حرارة انحراف للحرارة تتراوح بين 55-65 درجة مئوية، مما يجعله غير مؤهل للتغليف الساخن، والحاويات الآمنة لغسالة الأطباق، والعديد من تطبيقات السيارات. المجسم المجسم PLA (sc-PLA)، الذي يتكون من مزج PLLA (بولي-L-لاكتيد) وPDLA (بولي-D-لاكتيد) بنسبة 1:1، يشكل بنية متبلورة مشتركة مع نقطة انصهار 220-230 درجة مئوية — أعلى بكثير من أي من البوليمرات المتجانسة وحدها. أظهرت الأبحاث التي أجرتها شركة ميتسوي للكيماويات وتويوتا أن الأجزاء المصبوبة بالحقن SC-PLA تتحمل درجات حرارة الاستخدام المستمر البالغة 100 درجة مئوية، مما يجعلها قابلة للاستخدام في بعض المكونات الداخلية للسيارات التي تستخدم حاليًا بلاستيك النايلون الهندسي.

بوليمرات ومزيج PHA من أجل المتانة

لقد أدت الهشاشة المتأصلة في PHB إلى الحد من النجاح التجاري لـ PHA تاريخيًا. تشمل الاستراتيجيات الحالية لتحسين المتانة ما يلي: (1) الدمج الحيوي للسلاسل الجانبية الأطول (3-هيدروكسي فاليرات، 3-هيدروكسي هكسانوات) لتعطيل التبلور وتحسين الليونة؛ (2) المزج التفاعلي مع PLA أو PBAT باستخدام البيروكسيد أو بيروكسيد الديكيوميل كعوامل متوافقة؛ و (3) التلدين بالزيوت النباتية المؤكسدة. أنتجت هذه الأساليب مواد تعتمد على PHA مع استطالة تتجاوز الكسر 200% مع الحفاظ على قابلية التحلل الحيوي الكاملة، وهو ما يقترب من مرونة البولي إيثيلين منخفض الكثافة، على الرغم من عدم وصوله بعد إلى أداء هندسة بلاستيك النايلون.

التعزيز الحيوي: الألياف الطبيعية في المصفوفات القابلة للتحلل

تؤدي إضافة الألياف الطبيعية - الكتان، أو القنب، أو الجوت، أو التيل، أو الخيزران - إلى مصفوفات PLA أو PHA إلى إنشاء مركبات حيوية قابلة للتحلل بالكامل مع صلابة وقوة محسنة بشكل كبير. حققت مركبات ألياف الكتان/PLA مع تحميل ألياف بنسبة 30% معامل شد قدره 8-12 المعدل التراكمي ، تقترب من بلاستيك النايلون الهندسي المقوى بالألياف الزجاجية في الصلابة مع تقديم كثافة أقل بكثير (1.2-1.3 جم / سم 3 مقابل 1.5 جم / سم 3 بنسبة 30٪ GF PA66). قامت الشركات بما في ذلك Bcomp (سويسرا) و Trifilon (السويد) بتسويق هذه الأنظمة المركبة الحيوية لاستخدامها في اللوحات الداخلية للسيارات، والمعدات الرياضية، ومساكن الأجهزة الإلكترونية الاستهلاكية.

النايلون الحيوي: سد الفجوة

غالبًا ما يتم الخلط بين التمييز بين "القابل للتحلل الحيوي" و"القائم على أساس حيوي"، لكن بلاستيك النايلون الهندسي ذو الأساس الحيوي يمثل منطقة وسيطة مهمة. PA11 (ريلسان، أركيما) مشتق بنسبة 100% من زيت الخروع وهو غير قابل للتحلل البيولوجي ولكنه يوفر انخفاض البصمة الكربونية بنسبة 50-60% من PA12 على أساس المهد إلى البوابة (المصدر: تقييم دورة حياة Arkema، 2021). PA410 (EcoPaXX، DSM/Covestro) عبارة عن أساس حيوي بنسبة 70% من زيت الخروع ويحقق الأداء الميكانيكي لـ PA66 مع Tg يبلغ 30 درجة مئوية ونقطة انصهار تبلغ 250 درجة مئوية. تحتفظ هذه المواد بالمزايا الهيكلية لبلاستيك النايلون الهندسي مع تقليل الاعتماد على المواد الأولية البتروكيماوية - وهي خطوة عملية في إزالة الكربون الصناعية حيث لا تكون البدائل القابلة للتحلل البيولوجي بالكامل كافية بعد.

إعادة التدوير الأنزيمي: ربط نهاية العمر بالإنتاج

تستخدم تقنية متقدمة من شركة Carbios (فرنسا) إنزيمات الكوتيناز المحبة للحرارة لإزالة بلمرة PET - وبالتالي PLA والبوليسترات الأخرى - مرة أخرى إلى مونومرات نقية عند 72 درجة مئوية في غضون 10 ساعات، مما يحقق أكثر من 97% عائد إزالة البلمرة . إن مسار إعادة التدوير الأنزيمي هذا، والذي تم التحقق من صحته على نطاق تجريبي وترخيصه لشركاء بما في ذلك لوريال ونستله، يعني أنه يمكن في نهاية المطاف إعادة تدوير البوليستر القابل للتحلل كيميائيًا إلى مونومرات ذات جودة عذراء بدلاً من تحويله إلى سماد، مما يؤدي إلى إغلاق حلقة المواد بكفاءة أكبر بكثير. وهذا لا يضع البوليستر القابل للتحلل الحيوي كمواد قابلة للتحلل في نهاية العمر فحسب، بل كمنصات قابلة لإعادة التدوير في الاقتصاد الدائري - وهو السرد الذي يتنافس بشكل مباشر أكثر مع أوراق اعتماد إعادة التدوير لبلاستيك النايلون الهندسي.

التأثير البيئي: تحليل دورة حياة المواد البلاستيكية القابلة للتحلل مقابل المواد التقليدية

تعتبر الحالة البيئية للمواد البلاستيكية القابلة للتحلل أكثر دقة مما توحي به ادعاءات التسويق. تُظهر بيانات تقييم دورة الحياة (LCA) أن المواد البلاستيكية القابلة للتحلل الحيوي ليست "أكثر خضرة" بشكل قاطع من المواد التقليدية في جميع فئات التأثير - ولكنها توفر مزايا محددة ذات أهمية كبيرة في حالات استخدام معينة.

إمكانات الاحترار العالمي (GWP)

وجد تقييم LCA المقارن الذي أجرته وكالة البيئة الأوروبية (EEA، 2021) أن إنتاج PLA يصدر انبعاثات تقريبية 1.3-2.5 كجم من مكافئ ثاني أكسيد الكربون لكل كجم من البوليمر، مقارنة بـ 3.4-4.5 كجم من مكافئ ثاني أكسيد الكربون لكل كجم من مادة PET البكر و2.5-3.5 كجم من مكافئ ثاني أكسيد الكربون لكل كجم من PA66 (بلاستيك النايلون الهندسي). ومع ذلك، تختلف هذه الأرقام بشكل كبير بناءً على مزيج الطاقة في منشأة الإنتاج، وتغير استخدام الأراضي المرتبط بزراعة المواد الأولية، ومسافات النقل. عندما يتم تحويل PLA إلى سماد في نهاية العمر، فإن ثاني أكسيد الكربون الحيوي المنطلق يعتبر محايدًا للكربون (نظرًا لأنه تم التقاطه مؤخرًا من الغلاف الجوي أثناء نمو النبات)، في حين أن حرق المواد البلاستيكية ذات الأساس الأحفوري يطلق الكربون المتحجر كإضافة صافية لثاني أكسيد الكربون الموجود في الغلاف الجوي.

استخدام الأراضي ومسابقة المحاصيل الغذائية

الانتقاد الأساسي للجيل الأول من المواد البلاستيكية القابلة للتحلل الحيوي مثل نشا الذرة PLA هو أنها تتنافس على الأراضي الزراعية مع إنتاج الغذاء. في حجم الإنتاج العالمي الحالي لـ PLA (حوالي 600.000 طن/سنة)، تتطلب الذرة مادة خام تقريبًا 1.2 مليون هكتار من الأراضي الزراعية - أقل من 0.1% من الأراضي الزراعية العالمية (المصدر: معهد نوفا، "كتل البناء الحيوية والبوليمرات،" 2023). يعد هذا تأثيرًا بسيطًا نسبيًا على الأراضي اليوم، ولكن على نطاق واسع، ستكون آثار استخدام الأراضي الناتجة عن استبدال جميع المواد البلاستيكية الأحفورية بالبلاستيك الحيوي من الجيل الأول كبيرة. وهذا هو المحرك الرئيسي للبحث في المواد الأولية من الجيل الثاني (النفايات الخشبية السليلوزية) والجيل الثالث (الطحالب والميثان) التي لا تتنافس مع النظم الغذائية.

اعتبارات التلوث البحري

واحدة من المزايا البيئية الأكثر ذكرًا للمواد البلاستيكية القابلة للتحلل الحيوي، وتحديدًا PHA، هي قابلية التحلل البحري. يقدر التلوث البلاستيكي البحري بحوالي 8-12 مليون طن متري يدخل المحيط سنويًا (المصدر: Jambeck et al., العلوم ، 2015). يتم فقد بلاستيك النايلون الهندسي في البحر بسبب تحلل شباك الصيد أو معدات تربية الأحياء المائية أو الحطام الصناعي إلى أجزاء بلاستيكية دقيقة على مدى عقود. PHA هو البلاستيك التجاري الوحيد القابل للتحلل البيولوجي المعتمد للتحلل البيولوجي في البيئات البحرية (معيار ASTM D7991)، حيث يتم استقلابه بواسطة البكتيريا البحرية الموجودة بشكل طبيعي في غضون أشهر بدلاً من عقود. وهذا يجعل PHA مناسبًا على وجه التحديد لمعدات الصيد وشباك تربية الأحياء المائية والطلاءات البحرية حيث يمثل فقدان بيئة المحيط خطرًا متأصلًا - وهي التطبيقات التي يصبح فيها ثبات بلاستيك النايلون الهندسي مسؤولية بيئية.

معالجة المواد البلاستيكية القابلة للتحلل باستخدام معدات تصنيع البلاستيك التقليدية

السؤال العملي الذي يطرحه المصنعون الذين يفكرون في التحول من المواد البلاستيكية التقليدية إلى البدائل القابلة للتحلل الحيوي هو ما إذا كانت الآلات الحالية - آلات القولبة بالحقن، والبثق، وخطوط القولبة بالنفخ، ومكابس التشكيل الحراري - يمكنها معالجة المواد القابلة للتحلل الحيوي دون استثمار رأسمالي كبير.

صب الحقن

يمكن قولبة PLA بالحقن في الآلات اللولبية الترددية القياسية مع درجات حرارة برميل تتراوح بين 170-220 درجة مئوية ودرجات حرارة العفن تتراوح بين 25-40 درجة مئوية للأجزاء غير المتبلورة، أو 80-110 درجة مئوية للأجزاء البلورية (CPLA). التحدي الرئيسي هو حساسية PLA للرطوبة: يجب تجفيفه مسبقًا إلى الأسفل محتوى الماء 250 جزء في المليون (من الناحية المثالية 100 جزء في المليون) قبل المعالجة، أو قطع السلسلة الهيدرولية أثناء القولبة يقلل الوزن الجزيئي ويؤدي إلى أجزاء هشة. يجب تقليل وقت المكوث في البرميل إلى الحد الأدنى - يبدأ PLA في التحلل بشكل ملموس بعد 5-10 دقائق عند درجات حرارة المعالجة. بالمقارنة مع بلاستيك النايلون الهندسي (الذي يتطلب التجفيف إلى أقل من 0.2% من الرطوبة والعمليات عند درجة حرارة 260-290 درجة مئوية)، يضع PLA طلبًا حراريًا أقل على السخانات البرميلية ولكنه يتطلب إدارة أكثر دقة للرطوبة.

بثق الفيلم والفيلم المنفوخ

تمت معالجة خلطات PBAT وTPS/PLA ودرجات PHA بنجاح على خطوط الأفلام المنفوخة التقليدية. قد تكون هناك حاجة إلى تعديلات على تصميم المسمار - يوصى عادةً باستخدام نسب ضغط أقل عمقًا (2.5:1 إلى 3:1) وقص أقل مقارنة بمعالجة PE. يجب تعديل فجوة القالب ونسب النفخ لأن البوليستر القابل للتحلل الحيوي له سلوك قوة ذوبان مختلف عن البولي إثيلين المنخفض الكثافة. يكون PHA عرضة بشكل خاص للتدهور الحراري بالقرب من نقطة الانصهار (160-180 درجة مئوية) ويتطلب تحكمًا دقيقًا في درجة الحرارة من خلال نافذة معالجة ضيقة. تستفيد بعض درجات PHA من عوامل النواة لتحسين حركية التبلور وتقليل وقت الدورة على خطوط البثق.

التشكيل الحراري

صفائح PLA غير المتبلورة ذات شكل حراري عند درجات حرارة تتراوح بين 75-95 درجة مئوية، وهي أقل من معظم ركائز التشكيل الحراري التقليدية وتسمح بالمعالجة على المعدات الموجودة مع ملفات تعريف درجة الحرارة المعدلة. يتطلب Crystalline PLA (CPLA) التشكيل الحراري عند درجة حرارة 135-160 درجة مئوية مع تصميمات قوالب مخصصة. يميل توزيع سمك الجدار في PLA المشكل بالحرارة إلى أن يكون أكثر اتساقًا منه في HIPS (البوليسترين عالي التأثير) نظرًا لسلوك تصلب الضغط العالي لـ PLA، وهو مفيد لتطبيقات التعبئة والتغليف ذات الجدران الرقيقة. تعد أوقات دورة التشكيل الحراري PLA منافسة بشكل عام مع PS بمقياس مماثل.

الأسئلة المتداولة حول صناعة البلاستيك القابل للتحلل

هل يتحلل البلاستيك القابل للتحلل في مكب النفايات؟

معظم المواد البلاستيكية القابلة للتحلل، بما في ذلك PLA، لا تتحلل بشكل فعال في مدافن النفايات. ظروف مدافن النفايات - انخفاض الأكسجين، وانخفاض الرطوبة، ودرجات الحرارة المنخفضة في المناطق اللاهوائية - تمنع مسارات التحلل المائي والميكروبي التي تعتمد عليها المواد البلاستيكية القابلة للتحلل. قد يستمر PLA في مكب النفايات لعقود من الزمن، على غرار البلاستيك التقليدي. إن التسميد الصناعي (58 درجة مئوية، هوائي، رطوبة عالية) هو بيئة نهاية العمر المقصودة لمعظم المواد البلاستيكية المعتمدة القابلة للتحويل إلى سماد. فقط PHA يتحلل في ظل نطاق أوسع من الظروف، بما في ذلك البيئات اللاهوائية، على الرغم من أن المعدلات لا تزال أبطأ بكثير من السماد النشط أو البيئات البحرية.

هل يمكن للبلاستيك القابل للتحلل أن يحل محل بلاستيك النايلون الهندسي في التطبيقات الهيكلية؟

ليس في معظم الحالات مع تكنولوجيا المواد الحالية. يوفر بلاستيك النايلون الهندسي (PA6، PA66، PA12) خصائص ميكانيكية - قوة شد 70-85 ميجا باسكال، HDT تصل إلى 250 درجة مئوية، مقاومة كيميائية ممتازة - لا يمكن للبدائل الحالية القابلة للتحلل الحيوي أن تتطابق معها دون المساس بقابلية التحلل البيولوجي. يمكن لأساليب المركبات الحيوية التي تستخدم تقوية الألياف الطبيعية في مصفوفات PLA أو PHA أن تقترب من بلاستيك النايلون الهندسي في الصلابة، لكن المتانة والاستقرار الحراري والمقاومة الكيميائية على المدى الطويل تظل أقل جودة بشكل كبير. بالنسبة للتطبيقات الهيكلية، يوفر بلاستيك النايلون الهندسي الحيوي (PA11 من زيت الخروع، PA410) مسارًا أكثر عملية لتقليل التأثير البيئي دون التضحية بالأداء.

ما الفرق بين البلاستيك القابل للتحلل والقابل للتحلل؟

تعني عبارة "قابلة للتحلل الحيوي" أن المادة يمكن تحللها بواسطة الكائنات الحية الدقيقة إلى الماء وثاني أكسيد الكربون والكتلة الحيوية - لكن هذا التعريف لا يعطي إشارة إلى النطاق الزمني أو الشروط المطلوبة. "القابل للتحويل إلى سماد" هو مصطلح أكثر تحديدًا وتنظيمًا: يجب أن يتحلل البلاستيك المعتمد بموجب EN 13432 (أوروبا) أو ASTM D6400 (الولايات المتحدة الأمريكية) إلى أجزاء يقل حجمها عن 2 مم خلال 12 أسبوعًا في ظروف التسميد الصناعي، ويتحلل بيولوجيًا إلى 90% على الأقل من محتوى الكربون كثاني أكسيد الكربون في غضون 6 أشهر. يجب أيضًا أن تثبت المواد البلاستيكية القابلة للتحويل إلى سماد أن المواد المتبقية لا تضر بنمو النبات وأن محتوى المعادن الثقيلة يظل أقل من الحدود المحددة. جميع المواد البلاستيكية المعتمدة القابلة للتحلل قابلة للتحلل الحيوي، ولكن ليست كل المواد البلاستيكية القابلة للتحلل معتمدة قابلة للتحلل.

ما هي تكلفة البلاستيك القابل للتحلل مقارنة بالمواد الهندسية التقليدية؟

اعتبارًا من عام 2024، تبلغ تكلفة سلعة PLA حوالي 1.8-2.5 دولارًا أمريكيًا للكيلوجرام، وهي تكلفة تنافسية مع العديد من اللدائن الحرارية الهندسية القياسية. تظل PHA أكثر تكلفة بشكل ملحوظ عند 4-8 دولارات أمريكية للكيلوجرام بسبب انخفاض أحجام الإنتاج وعمليات الاسترداد الأكثر تعقيدًا. يتم تداول بلاستيك النايلون الهندسي (PA6) بسعر 2.0-3.5 دولار أمريكي/كجم للدرجات القياسية، مما يجعله قابلاً للمقارنة على نطاق واسع من حيث التكلفة مع PLA في بعض التطبيقات. ومع ذلك، يجب أن تأخذ مقارنة التكلفة الإجمالية في الاعتبار الاختلافات في ظروف المعالجة، ومتطلبات التجفيف، وتأثيرات وقت الدورة، والحاجة إلى سلاسل توريد معتمدة قابلة للتحلل في نهاية العمر. مع تزايد إنتاج البلاستيك القابل للتحلل بيولوجيًا على مستوى العالم - من المتوقع أن ينمو إجمالي سعة البلاستيك الحيوي من 2.18 مليون طن في عام 2023 إلى أكثر من 6.3 مليون طن بحلول عام 2028 (المصدر: البلاستيك الحيوي الأوروبي / معهد نوفا) - من المتوقع تكافؤ التكلفة مع البلاستيك التقليدي لمعظم الدرجات بحلول أواخر عشرينيات القرن الحالي.

هل يمكن إعادة تدوير البلاستيك القابل للتحلل باستخدام تيارات النفايات البلاستيكية التقليدية؟

وهذا هو مصدر قلق عملي بالغ الأهمية. إن المواد البلاستيكية القابلة للتحلل الحيوي - وخاصة PLA - غير متوافقة بشكل عام مع تيارات إعادة التدوير التقليدية لـ PET، أو HDPE، أو PP. حتى التلوث البسيط بـ PLA (<1%) في تيار إعادة تدوير PET يمكن أن يسبب عيوبًا مرئية في منتجات PET المعاد تدويرها بسبب الاختلافات في سلوك الذوبان والوضوح البصري. تستخدم أنظمة الفرز الميكانيكية بشكل متزايد التحليل الطيفي للأشعة تحت الحمراء القريبة (NIR) لفصل PLA عن PET، لكن الدقة ليست مثالية. المسار الصحيح لنهاية العمر الافتراضي للمواد البلاستيكية المعتمدة القابلة للتحلل هو التسميد الصناعي، وليس صناديق إعادة التدوير على جانب الرصيف. قد تسمح تقنيات إعادة التدوير الأنزيمية (مثل منصة PETase الخاصة بشركة Carbios) في النهاية بتفكيك بلمرة البوليستر القابلة للتحلل كيميائيًا إلى مونومرات بغض النظر عن مستوى التلوث، مما يحل تحدي الفرز.

هل يتم التخلص التدريجي من هندسة بلاستيك النايلون بسبب المخاوف البيئية؟

لا، لا يتم التخلص التدريجي من بلاستيك النايلون الهندسي (البولي أميد). إن عمر الخدمة الطويل، وقابلية إعادة التدوير من خلال الطرق الميكانيكية والكيميائية، ونسبة الأداء العالية إلى الوزن تجعلها مادة مهمة في استراتيجيات تخفيف الوزن للسيارات الكهربائية، والفضاء، والبنية التحتية للطاقة المتجددة - وكلها تقلل من البصمة الكربونية للنظام بشكل عام. الاتجاه في قطاع بلاستيك النايلون الهندسي هو زيادة المحتوى الحيوي (PA11، PA410، PA66 و PA6 القائم على الحيوي جزئيًا من طرق سداسي ميثيلين ثنائي أمين وحمض الأديبيك الناشئة ذات الأساس الحيوي) بدلاً من استبدالها بمواد قابلة للتحلل الحيوي. كما أن درجات PA ذات المحتوى المعاد تدويره (المصنوعة من شباك الصيد منتهية الصلاحية، أو نفايات النسيج، أو الخردة الصناعية) متاحة أيضًا بشكل متزايد كبدائل سهلة الاستخدام ذات تأثير بيئي أقل من بلاستيك النايلون الهندسي البكر.

السابق:كيف يتم تصنيع التيفلون؟ عملية PTFE ومواد النايلون الجديدةالتالي:ما مدى قوة بلاستيك PLA مقارنة بالنايلون الهندسي؟

المنتجات الساخنة