Charakterystyki, rodzaje, produkcja i zastosowania biotworzyw



The bioplastiki są to plastikowe materiały polimerowe, otrzymywane z surowców pochodzenia biologicznego, czyli z odnawialnych zasobów naturalnych, takich jak biomasa skrobi, celuloza, kwas mlekowy, tłuszcze, białka roślinne i zwierzęce, między innymi.

Termin bioplastik jest używany do odróżnienia tych materiałów pochodzenia biologicznego od materiałów petroplastycznych, które są syntetyzowane z pochodnych ropy naftowej.

Tworzywa sztuczne są łatwo formowalnymi materiałami, które mogą odkształcać się bez włamania w bardziej lub mniej szeroki zakres warunków; z tego powodu są to materiały o wielkiej wszechstronności.

Większość tworzyw sztucznych jest wytwarzana z surowców pochodzących z ropy naftowej. Te petroplastyki pochodzą z wydobycia i rafinacji ropy naftowej, która jest nieodnawialnym, skończonym i wyczerpującym zasobem naturalnym.

Ponadto petroplastyka nie ulega biodegradacji i powoduje poważne problemy środowiskowe, takie jak tzw. „Plastikowe wyspy i zupy” w oceanach. Powoduje to masową śmierć ryb i ptaków morskich z powodu zanieczyszczenia morza i powietrza mikrocząstkami z tworzywa sztucznego w zawiesinie, z powodu ich fizycznej degradacji.

Ponadto spalanie petroplastycznych substancji wytwarza wysoce toksyczne emisje.

W przeciwieństwie do petroplastyki, większość biotworzyw może być całkowicie biodegradowalna i nie zanieczyszczająca środowiska. Mogą nawet sprzyjać dynamice ekosystemów.

Indeks

  • 1 Charakterystyka bioplastików
    • 1.1 Ekonomiczne i środowiskowe znaczenie bioplastików
    • 1.2 Biodegradowalność
    • 1.3 Ograniczenia bioplastików
    • 1.4 Poprawa właściwości bioplastików
  • 2 typy (klasyfikacja)
    • 2.1 Klasyfikacja zgodnie z jej przygotowaniem
    • 2.2 Klasyfikacja według surowca
  • 3 Przemysłowa produkcja bioplastików
  • 4 Zastosowania bioplastików
    • 4.1 Artykuły jednorazowego użytku
    • 4.2 Budownictwo i inżynieria lądowa
    • 4.3 Zastosowania farmaceutyczne
    • 4.4 Zastosowania medyczne
    • 4.5 Transport lotniczy, morski i lądowy oraz przemysł
    • 4.6 Rolnictwo
  • 5 referencji

Charakterystyka bioplastików

Ekonomiczne i środowiskowe znaczenie bioplastików

Ostatnio wzrosło zainteresowanie nauki i przemysłu produkcją tworzyw sztucznych z surowców odnawialnych, które ulegają biodegradacji.

Wynika to z faktu, że światowe rezerwy ropy naftowej wyczerpują się i że istnieje większa świadomość poważnych szkód środowiskowych spowodowanych przez petroplasty..

Wraz z rosnącym popytem na tworzywa sztuczne na rynku światowym wzrasta również zapotrzebowanie na biodegradowalne tworzywa sztuczne.

Biodegradowalność

Odpady biodegradowalnych bioplastików mogą być traktowane jako odpady organiczne, szybkiej i niezanieczyszczającej degradacji. Na przykład mogą być stosowane jako uzupełnienia gleby w kompostowaniu, ponieważ są one naturalnie przetwarzane w procesach biologicznych.

Ograniczenia bioplastików

Produkcja biodegradowalnych biotworzyw stoi przed ogromnymi wyzwaniami, ponieważ bioplastiki mają gorsze właściwości niż petroplastyka, a ich zastosowanie, choć rośnie, jest ograniczone.

Poprawa właściwości bioplastików

Aby poprawić właściwości bioplastików, opracowywane są mieszaniny biopolimerów z różnymi rodzajami dodatków, takich jak nanorurki węglowe i włókna naturalne modyfikowane procesami chemicznymi.

Ogólnie dodatki stosowane do bioplastików poprawiają właściwości, takie jak:

  • Sztywność i odporność mechaniczna.
  • Właściwości barierowe wobec gazów i wody.
  • Odporność termiczna i termostabilność.

Właściwości te można zaprojektować w bioplastiku poprzez chemiczne metody przygotowania i przetwarzania.

Typy (klasyfikacja)

Klasyfikacja według twojego przygotowania

Biotworzywa można sklasyfikować według sposobu przygotowania w:

  • Biotworzywa, których synteza jest wykonana z polimerowego surowca wydobywanego bezpośrednio z biomasy.
  • Biotworzywa otrzymane w drodze syntezy drogą biotechnologiczną (przy użyciu mikroorganizmów natywnych lub genetycznie zmodyfikowanych).
  • Biotworzywa otrzymane przez klasyczną syntezę chemiczną, począwszy od monomerów biologicznych (które byłyby cegłami używanymi do ich budowy).

Klasyfikacja według surowca

Również biotworzywa można klasyfikować według pochodzenia ich surowca:

Bioplastiki na bazie skrobi

Skrobia jest biopolimerem zdolnym do absorpcji wody i dla tych bioplastików jest funkcjonalna, dodaje się plastyfikatory zapewniające elastyczność (takie jak sorbitol lub gliceryna).

Ponadto są one mieszane z biodegradowalnymi poliestrami, kwasem polimlekowym, polikaprolaktonami, między innymi, w celu poprawy ich właściwości mechanicznych i odporności na degradację przez wodę..

Bioplásticos opracowane ze skrobi, takie jak ekonomiczny surowiec, obfite i odnawialne, nazywane „termoplastami skrobi”.

Są to materiały odkształcalne w temperaturze pokojowej, topią się po podgrzaniu i twardnieją w stanie szklisty podczas chłodzenia. Mogą być ponownie podgrzewane i przebudowywane, ale podlegają tym zmianom w swoich właściwościach fizycznych i chemicznych.

Są najczęściej używanym typem bioplastiku i stanowią 50% biotworzyw na rynku.

Bioplastiki na bazie celulozy

Celuloza jest najobficiej występującym związkiem organicznym w biomasie lądowej, strukturalnym składniku ścian komórek roślinnych. Jest nierozpuszczalny w wodzie, etanolu i eterze.

Biotworzywami na bazie celulozy są na ogół estry celulozy (octan celulozy i nitroceluloza) i ich pochodne (celuloidy). Dzięki chemicznym modyfikacjom celulozy może stać się termoplastem.

Celuloza, będąc znacznie mniej hydrofilowa (podobna do wody) niż skrobia, wytwarza bioplastiki o ulepszonych właściwościach wytrzymałości mechanicznej, niższej przepuszczalności gazu i większej odporności na degradację wody..

Bioplastiki na bazie białek

Możliwe jest wytwarzanie bioplastików przy użyciu białek, takich jak między innymi kazeina mleczna, gluten pszenny, białko sojowe.

W szczególności bioplastik z białka sojowego jest bardzo podatny na degradację przez wodę i jest ekonomicznie drogi w produkcji. Opracowywanie mieszanin, które są tańsze i bardziej odporne, wymaga obecnie wyzwania.

Bioplasty pochodzące z lipidów

Biotworzywa (poliuretany, poliestry i żywice epoksydowe) zostały zsyntetyzowane z tłuszczów roślinnych i zwierzęcych o właściwościach podobnych do właściwości petroplastycznych.

Produkcja olejów roślinnych i tanich olejów z mikroalg może być bardzo korzystnym czynnikiem dla produkcji tego typu bioplastików.

Na przykład bioplastik poliamid 410 (PA 410), jest produkowany z 70% oleju z owoców rośliny rycynowej (Ricinus comunis). Ten bioplastik ma wysoką temperaturę topnienia (250oC), niska absorpcja wody i odporność na różne czynniki chemiczne.

Innym przykładem jest poliamid 11 (PA 11), który jest produkowany z olejów roślinnych, ale nie ulega biodegradacji.

Polihydroksyalkaniany (PHA)

Szeroka gama gatunków bakterii fermentuje cukry i lipidy, tworząc produkty uboczne zwane związkami polihydroksyalkaniany (PHA), które przechowują jako źródło węgla i energii.

PHA są nierozpuszczalne w wodzie, biodegradowalne i nietoksyczne.

Biotworzywa typu PHA wytwarzają dość sztywne włókna z tworzyw sztucznych, które ulegają biodegradacji. Stanowią bardzo obiecującą alternatywę, jeśli chodzi o stosowanie petropolimerów do produkcji wyrobów medycznych.

Kwas polimlekowy (PLA)

Kwas polimlekowy (PLA) to przezroczysty bioplastik wytwarzany z kukurydzy lub dekstrozy jako surowca.

W celu produkcji skrobię należy najpierw wyekstrahować z kukurydzy lub innego źródła roślinnego; Później ten kwas mlekowy uzyskuje się dzięki działaniu mikroorganizmów, a na koniec stosuje się proces chemiczny (polimeryzacja kwasu mlekowego) w celu uzyskania bioplastiku.

Bioplastiki PLA są przezroczyste, mają niską odporność na uderzenia, posiadają odporność termiczną i właściwości barierowe, blokując przedostawanie się powietrza. Ponadto są biodegradowalne.

Bioplastiki na bazie poli-3-hydroksymaślanu (PHB)

Poli-3-hydroksymaślan (PHB) to poliestrowy związek chemiczny wytwarzany przez niektóre bakterie metabolizujące glukozę i skrobię kukurydzianą.

PHB ma właściwości podobne do polipropylenu petroplastycznego (powszechnie stosowanego w handlu), ale jego koszt produkcji jest dziewięć razy wyższy, ponieważ obejmuje produkcję biomasy z drogimi źródłami węgla.

Ten bioplastik może wytwarzać przezroczyste folie, ma temperaturę topnienia 130 ° CoC i jest całkowicie biodegradowalny.

Polietylen pochodzenia biologicznego

Polietylen ma monomer etylenowy jako jednostkę strukturalną; który można otrzymać przez syntezę chemiczną wychodząc z etanolu jako surowca.

Etanol jest wytwarzany w fermentacji alkoholowej przez mikroorganizmy, które metabolizują trzcinę cukrową, kukurydzę lub inne.

W ten sposób, łącząc fermentację alkoholową i chemiczną syntezę etylenu i polietylenu, można uzyskać bioplastik zwany polietylenem pochodzenia biologicznego.

Ten bioplastyczny polietylen jest chemicznie i fizycznie identyczny z petroplastycznym. Nie ulega biodegradacji, ale można go poddać recyklingowi.

Polihydroksy uretany

Ostatnio pojawiło się duże zainteresowanie produkcją bioplastycznych poliuretanów, wolnych od wysoce toksycznego związku zwanego izocyjanian.

Izocyjanian jest szeroko stosowany w przemysłowych procesach produkcyjnych polimerów syntetycznych (poliuretany stosowane do gąbczastych tworzyw sztucznych, sztywnych pianek, lakierów, insektycydów, klejów, materiałów wybuchowych, między innymi), zarówno w rolnictwie, jak iw medycynie.

Istnieje metoda chemiczna zwana Polimeryzacja krzyżowa polihydroksyuretanów, który wytwarza całkowicie nadające się do recyklingu i wolne bioplastiki izocyjanian.

Przemysłowa produkcja bioplastików

Przemysłowa produkcja bioplastików obejmuje 4 podstawowe kroki:

  1. Uzyskanie surowca (biomasy).
  2. Synteza polimeru.
  3. Modyfikacja polimeru w funkcji posiadania pożądanych właściwości w zależności od końcowego produktu, który ma być opracowany.
  4. Uformowane z bioplastiku metodą wysokociśnieniową lub niskociśnieniową, aby uzyskać wymaganą ostateczną formę.

Zastosowania bioplastików

Obecnie istnieje niewiele komercyjnych zastosowań bioplastików, ponieważ koszty ekonomiczne ich produkcji i poprawa ich właściwości nadal stanowią problemy do rozwiązania.

Artykuły jednorazowego użytku

Jednak biotworzywa są już wykorzystywane w produkcji wielu artykułów jednorazowego użytku, takich jak plastikowe torby, pojemniki do pakowania i opakowania do żywności, sztućce, szklanki i jadalne plastikowe naczynia.

Budownictwo i inżynieria lądowa

Bioplastiki skrobiowe są stosowane jako materiały budowlane i bioplastiki wzmacniane nanowłóknami w instalacjach elektrycznych.

Ponadto zostały wykorzystane w przygotowaniu bioplastyczne drewno do mebli, które nie są atakowane przez owady ksylofagiczne i nie gniją z wilgocią.

Zastosowania farmaceutyczne

Zostały wykonane z kapsułek z biotworzyw zawierających leki i pojazdy lekowe, które są uwalniane powoli. Zatem biodostępność leków jest regulowana w czasie (dawka otrzymywana przez pacjenta w określonym czasie).

Zastosowania medyczne

Bioplastiki celulozowe stosowane w implantach, inżynierii tkankowej, biotworzywach chitynowych i chitozanie zostały wyprodukowane w celu ochrony ran, inżynierii tkanki kostnej i regeneracji ludzkiej skóry..

Wytworzono również bioplastiki celulozowe do bioczujników, mieszanin z hydroksyapatytem do wytwarzania implantów dentystycznych, włókien bioplastycznych w cewnikach, między innymi..

Transport lotniczy, morski i lądowy oraz przemysł

Stosowano sztywne pianki na bazie olejów roślinnych (bioplastiki), zarówno w urządzeniach przemysłowych, jak i transportowych; części samochodowe i części lotnicze.

Elektroniczne elementy telefonów komórkowych, komputerów, urządzeń audio i wideo zostały również wyprodukowane z biotworzyw.

Rolnictwo

Hydrożele bioplastyczne, które absorbują i zatrzymują wodę i mogą ją powoli uwalniać, są użyteczne jako pokrycia ochronne uprawianej gleby, utrzymujące jej wilgotność i sprzyjające rozwojowi plantacji rolniczych w suchych regionach iw rzadkich porach deszczowych.

Referencje

  1. Chen, G. i Patel, M. (2012). Tworzywa sztuczne pochodzące z zasobów biologicznych: teraźniejszość i przyszłość. Przegląd techniczny i środowiskowy. Recenzje chemiczne. 112 (4): 2082-2099. doi: 10.1021 / cr.20162d
  2. Podręcznik biotworzyw i biokompozytów. (2011). Srikanth Pilla Editor. Salem, USA: Scrivener Publishing LLC. Wydany przez Johna Wileya i synów.
  3. Lampinen, J. (2010). Trendy w bioplastiku i biokompozytach. Notatki badawcze VTT. Fińskie Centrum Badań Technicznych. 2558: 12-20.
  4. Shogren, R.L., Fanta, G. i Doane, W. (1993). Rozwój tworzyw sztucznych na bazie skrobi: ponowne badanie wybranych układów polimerowych w perspektywie historycznej. Skrobia 45 (8): 276-280. doi: 10.1002 / star.19930450806
  5. Vert, M. (2012). Terminologia dotycząca polimerów i zastosowań biorelowanych (zalecenia IUPAC). Chemia czysta i stosowana. 84 (2): 377-410. doi: 10.1351 / PAC-REC-10-12-04