Bioplastide omadused, tüübid, tootmine ja kasutusviisid



The bioplastid need on plastist polümeersed materjalid, mis on saadud bioloogilise päritoluga toorainest, st taastuvatest loodusvaradest, näiteks tärklise, tselluloosi, piimhappe, rasvade, taimsete ja loomsete valkude biomassist..

Terminit "bioplast" kasutatakse nende bioloogilise päritoluga materjalide eristamiseks petroplastist, mis on sünteesitud naftasaadustest..

Plastid on kergesti vormitavad materjalid, mis võivad deformeeruda ilma enam-vähem laia tingimusteta; sel põhjusel on need väga mitmekülgsed materjalid.

Enamik plastmasse on valmistatud naftast saadud toorainest. Need petroplastid pärinevad õli ekstraheerimisest ja rafineerimisest, mis on taastumatu, piiratud ja ammendav loodusressurss..

Lisaks ei ole petroplastid biolagunevad ja tekitavad tõsiseid keskkonnaprobleeme, näiteks ookeanide nn "plastist saared ja supid". Need põhjustavad kalade ja merelindude massilist surma mere ja õhu reostamise tõttu suspensioonis olevate plastist mikroosakeste poolt nende füüsilise lagunemise tõttu..

Lisaks tekitab petroplastide põletamine väga mürgiseid heitmeid.

Erinevalt petroplastikust võib enamik bioplastidest olla täielikult biolagunev ja saastav. Nad võivad isegi soodustada ökosüsteemide dünaamikat.

Indeks

  • 1 Bioplastide omadused
    • 1.1 Bioplastide majanduslik ja keskkonnaalane tähtsus
    • 1.2 Biolagunduvus
    • 1.3 Bioplastide piirangud
    • 1.4 Bioplastide omaduste parandamine
  • 2 tüüpi (klassifikatsioon)
    • 2.1 Klassifikatsioon vastavalt selle ettevalmistusele
    • 2.2 Klassifikatsioon vastavalt toorainele
  • 3 Bioplastide tööstuslik tootmine
  • 4 Bioplastide kasutamine
    • 4.1 Ühekordsed esemed
    • 4.2 Ehitus- ja tsiviilehitus
    • 4.3 Farmatseutilised rakendused
    • 4.4 Meditsiinilised rakendused
    • 4.5 Õhu-, mere- ja maismaatransport ning tööstus
    • 4.6 Põllumajandus
  • 5 Viited

Bioplastide omadused

Bioplastide majanduslik ja keskkonnaalane tähtsus

Hiljuti on tekkinud rohkem teaduslikku ja tööstuslikku huvi, et toota taastuvatest toormaterjalidest valmistatud ja biolagunevaid plastmasse.

See on tingitud asjaolust, et maailma naftavarud on otsa saanud ja et petrooplastist põhjustatud tõsiste keskkonnakahjustuste kohta on rohkem teadlikkust..

Tänu kasvavale nõudlusele plastide järele maailmaturul kasvab ka nõudlus biolagunevate plastide järele.

Biodegradatsioon

Biolagunevate bioplastide jäätmeid saab käsitleda orgaaniliste jäätmetena, mis on kiire ja saastamatu lagunemine. Näiteks võib neid kompostimisel kasutada pinnase muudatustena, kuna neid taaskasutatakse looduslikult bioloogiliste protsesside abil.

Bioplastide piirangud

Biolagunevate bioplastide valmistamine seisab silmitsi suurte väljakutsetega, sest bioplastmaterjalidel on petroplastikatest madalamad omadused ja selle kasutamine, kuigi kasvab, on piiratud.

Bioplastide omaduste parandamine

Bioplastide omaduste parandamiseks töötatakse biopolümeeride segusid erinevate lisanditega, nagu süsinik-nanotorud ja keemiliste protsessidega modifitseeritud looduslikud kiud.

Üldiselt parandavad bioplastide lisandid selliseid omadusi nagu:

  • Jäikus ja mehaaniline vastupidavus.
  • Tõkkeomadused gaaside ja vee vastu.
  • Soojustakistus ja termostabiilsus.

Neid omadusi saab kavandada bioplastis valmistamise ja töötlemise keemiliste meetodite abil.

Tüübid (liigitus)

Klassifikatsioon vastavalt teie ettevalmistusele

Bioplastid võib klassifitseerida vastavalt nende valmistamisviisile:

  • Bioplastid, mille süntees on valmistatud otse biomassist ekstraheeritud polümeersest toorainest.
  • Biotehnoloogia abil saadud bioplastmaterjalid (kasutades natiivseid või geneetiliselt muundatud mikroorganisme) \ t.
  • Klassikalise keemilise sünteesiga saadud bioplastid, alustades bioloogilistest monomeeridest (mis oleksid nende ehitamiseks kasutatavad tellised).

Klassifikatsioon vastavalt toorainele

Samuti võib bioplastide klassifitseerida lähtuvalt nende tooraine päritolust:

Tärklisel põhinevad bioplastid

Tärklis on biopolümeer, mis on võimeline absorbeerima vett ja nende bioplastide puhul on need lisatud plastifikaatoriteks, mis pakuvad paindlikkust (nagu sorbitool või glütseriin)..

Lisaks sellele segatakse neid biolagunevate polüestritega, polüpiimhappega, polükaprolaktoonidega, et parandada nende mehaanilisi omadusi ja nende vastupidavust veele..

Tärklisest, näiteks majanduslikust toorainest, rikkalikust ja taastuvast, välja töötatud bioplastikud nimetavad tärklise termoplastiks..

Nad on toatemperatuuril deformeeruvad materjalid, sulavad kuumutamisel ja kõvenemisel olekus klaasjas jahutamisel. Neid saab kuumutada ja ümber ehitada, kuid nende füüsikaliste ja keemiliste omaduste muutused toimuvad nende protseduuridega.

Need on kõige enam kasutatavad bioplastilised tüübid ja moodustavad 50% bioplastist turul.

Tselluloosipõhised bioplastid

Tselluloos on kõige rohkem orgaanilist ühendit, mis on taimse raku seinte struktuurne koostisosa maismaa biomassis. See on vees, etanoolis ja eetris lahustumatu.

Tselluloosil põhinevad bioplastid on tavaliselt tselluloosestrid (tselluloosatsetaat ja nitrotselluloos) ja nende derivaadid (tselluloidid). Tselluloosi keemiliste modifikatsioonide kaudu võib see muutuda termoplastiks.

Tselluloos, mis on palju vähem hüdrofiilne (sarnane veega) kui tärklis, toodab bioplastmaterjale, mille omadused on paremad mehaanilise tugevuse, madalama gaasi läbilaskvuse ja suurema vastupidavuse suhtes vee lagunemisele..

Valgupõhised bioplastid

Muuhulgas on võimalik valmistada bioplastmaterjale, kasutades selliseid valke nagu piima kaseiin, nisu gluteen, sojavalk.

Eriti on sojavalgu bioplast väga tundlik vee lagunemise suhtes ja on majanduslikult kulukas toota. Odavamate ja vastupidavamate segude väljatöötamine tähendab praegu väljakutset.

Lipiididest saadud bioplastid

Bioplastid (polüuretaanid, polüestrid ja epoksüvaigud) on sünteesitud taimsetest ja loomsetest rasvadest, mille omadused sarnanevad petroplastika omadustele..

Taimeõlide ja mikrovetikate odavate õlide tootmine võib olla väga soodne tegur seda tüüpi bioplastide tootmisel..

Näiteks bioplast polüamiid 410 (PA 410), see on toodetud 70% õliga, mis saadakse kastooritaimede \ tRicinus comunis). Sellel bioplastil on kõrge sulamistemperatuur (250 ° C)oC) vähene veeimavus ja resistentsus erinevate keemiliste ainete suhtes.

Teine näide on polüamiid 11 (PA 11), mis on toodetud taimeõlidest, kuid ei ole biolagunev.

Polühüdroksüalkanoaadid (PHA-d)

Suur hulk bakteriliike fermenteerib suhkruid ja lipiide, mis tekivad kõrvalsaadustena, mida nimetatakse ühenditeks polühüdroksüalkanoaadid (PHA), mis säilitavad süsiniku ja energia allika.

PHA-d on vees lahustumatud, biolagunevad ja mittetoksilised.

PHA-tüüpi bioplastmaterjalid toodavad üsna jäigaid biolagunevaid plastkiude. Nad kujutavad endast väga paljutõotavat alternatiivi petropolümeeride kasutamisel meditsiiniseadmete tootmisel.

Polümaatiline hape (PLA)

Polümaatiline hape (PLA) on läbipaistev bioplast, mida toodetakse toorainena maisist või dekstroosist..

Selle tootmiseks tuleb tärklis esmalt ekstraheerida maisist või muust taimsest allikast; seejärel saadakse sellest piimhape tänu mikroorganismide toimele ja lõpuks kasutatakse bioplastilise materjali saamiseks keemilist protsessi (piimhappe polümerisatsioon)..

PLA bioplastmaterjalid on läbipaistvad, neil on väike vastupidavus löögile, neil on termo-vastupidavus ja tõkkeomadused, mis takistavad õhu sisenemist. Lisaks on need biolagunevad.

Polü-3-hüdroksübutüraadil põhinevad bioplastid (PHB)

Polü-3-hüdroksübutüraat (PHB) on keemilise ühendi polüestritüüp, mida toodavad mõned bakterid, mis metaboliseerivad glükoosi ja maisitärklist.

PHB omab sarnaseid omadusi petroplastilise polüpropüleeniga (kaubanduslikult laialdaselt kasutatav), kuid selle tootmiskulud on üheksa korda kõrgemad, kuna see hõlmab biomassi tootmist kallite süsinikuallikatega.

See bioplast võib toota läbipaistvaid kilesid, mille sulamistemperatuur on 130 ° CoC on täielikult biolagunev.

Bioloogiliselt saadud polüetüleen

Polüetüleenil on struktuuriüksusena etüleenmonomeer; mida võib saada keemilise sünteesi teel, lähtudes etanoolist toorainena.

Etanooli toodetakse alkohoolses kääritamises mikroorganismidega, mis metaboliseerivad suhkruroo, maisi või muud.

Nii kombineerides alkohoolse kääritamise ja etüleeni ja polüetüleeni keemilise sünteesi, on võimalik saada bioplastist polüetüleeni..

See bioplastiline polüetüleen on keemiliselt ja füüsiliselt identne petroplastiga. See ei ole biolagunev, kuid seda saab taaskasutada.

Polühüdroksü-uretaanid

Hiljuti on olnud palju huvi bioplastiliste polüuretaanide tootmise vastu, mis ei sisalda väga mürgist ühendit isotsüanaat.

Isotsüanaati kasutatakse laialdaselt sünteetiliste polümeeride tööstuslikes tootmisprotsessides (polüuretaanid, mis on kantud muuhulgas pihustatud plastidele, jäigadele vahudele, lakkidele, insektitsiididele, liimidele, lõhkeainetele) nii põllumajanduses kui ka meditsiinis..

On olemas keemiline meetod Polühüdroksüuretaanide ristpolümerisatsioon, mis toodab täielikult ringlussevõetavaid ja tasuta bioplastseid materjale isotsüanaat.

Bioplastide tööstuslik tootmine

Bioplastide tööstuslik tootmine hõlmab nelja põhilist sammu:

  1. Tooraine saamine (biomass).
  2. Polümeeride süntees.
  3. Polümeeri modifitseerimine, mille eesmärgiks on soovitud omadused vastavalt valmistatavale lõpptootele.
  4. Bioplastist valatud kõrge või madala rõhu meetoditega, et saada nõutav lõplik vorm.

Bioplastide kasutamine

Praegu on bioplastide kaubanduslikke rakendusi vähe, kuna nende tootmise majanduslikud kulud ja nende omaduste parandamine kujutavad endiselt probleeme lahendada.

Ühekordsed esemed

Kuid bioplastmaterjale kasutatakse juba paljude ühekordselt kasutatavate esemete, nagu kilekotid, pakkemahutid ja toidu pakendid, söögiriistad, klaasid ja söödavad plasttooted, valmistamiseks..

Ehitus- ja tsiviilehitus

Tärklise bioplastmaterjale on kasutatud ehitusmaterjalidena ja bioplastmaterjalidena, mis on tugevdatud nanokiududega elektripaigaldistes.

Lisaks on neid kasutatud bioplastsed metsad mööbli puhul, mida ksenofoobsed putukad ei rünnata ja mis ei mäda niiskusega.

Farmatseutilised rakendused

Need on valmistatud bioplastist kapslitega, mis sisaldavad aeglaselt vabanevaid ravimeid ja raviaineid. Seega reguleeritakse ravimite biosaadavust aja jooksul (patsiendi poolt teatud aja jooksul saadud annus).

Meditsiinilised rakendused

Implantaatides, koetehnoloogias, kitiini bioplastides ja kitosaanis kasutatavaid tselluloosi bioplastmaterjale on toodetud haavade, luukoe inseneri ja inimese naha regenereerimiseks..

Tselluloosi bioplastmaterjale on toodetud ka biosensoriteks, hüdroksüapatiidiga segudeks hambaravi implantaatide valmistamiseks, bioplastilised kiud kateetrites..

Õhu-, mere- ja maismaatransport ning tööstus

Taimeõlidel (bioplastidel) põhinevaid jäikaid vahusid on kasutatud nii tööstus- kui ka transpordiseadmetes; autoosad ja kosmosesõidukite osad.

Mobiiltelefonide, arvutite, audio- ja videoseadmete elektroonilisi komponente on toodetud ka bioplastist.

Põllumajandus

Bioplastilised hüdrogeelid, mis absorbeerivad ja säilitavad vett ning võivad seda aeglaselt vabastada, on kasulikud kultiveeritud pinnase kaitsekattena, säilitades selle niiskuse ja soodustades põllumajanduslike istandike kasvu kuivades piirkondades ja vähesel vihmaperioodil.

Viited

  1. Chen, G. ja Patel, M. (2012). Bioloogilistest ressurssidest saadud plastid: praegune ja tulevik. Tehniline ja keskkonnaülevaade. Keemilised ülevaated. 112 (4): 2082-2099. doi: 10.1021 / cr.20162d
  2. Bioplastide ja biokomposiitide käsiraamat. (2011). Srikanth Pilla Editor. Salem, USA: Scrivener Publishing LLC. Toetudes John Wiley ja poegade poolt.
  3. Lampinen, J. (2010). Bioplastide ja biokomposiitide suundumused. VTT Teadusuuringud. Soome Tehnilise Uuringute Keskus. 2558: 12-20.
  4. Shogren, R.L., Fanta, G. ja Doane, W. (1993). Tärklise baasil valmistatud plastide arendamine: valitud polümeerisüsteemide ümberkontroll ajaloolises perspektiivis. Tärklis 45 (8): 276-280. doi: 10.1002 / star.19930450806
  5. Vert, M. (2012). Biorelateeritud polümeeride ja rakenduste terminoloogia (IUPACi soovitused). Pure ja Applied Chemistry. 84 (2): 377-410. doi: 10.1351 / PAC-REC-10-12-04