Bioplastiset ominaisuudet, tyypit, tuotanto ja käyttö



biomuovien ne ovat muovisia polymeerimateriaaleja, jotka on valmistettu biologisesta alkuperää olevista raaka-aineista, toisin sanoen uusiutuvista luonnonvaroista, kuten tärkkelyksen, selluloosan, maitohapon, rasvojen, kasvi- ja eläinproteiinien biomassasta..

Termiä bioplastia käytetään erottamaan nämä biologisesti peräisin olevat materiaalit petroplastisista aineista, jotka syntetisoidaan petrolijohdannaisista.

Muovit ovat helposti muovattavia materiaaleja, jotka voivat deformoitua hajoamatta enemmän tai vähemmän monenlaisiin olosuhteisiin; tästä syystä ne ovat monipuolisia materiaaleja.

Useimmat muovit on valmistettu raaka-aineista, jotka on saatu öljystä. Nämä petroplastit ovat peräisin öljyn uuttamisesta ja jalostuksesta, joka on uusiutumaton, rajallinen ja poistettava luonnonvara.

Lisäksi petroplastit eivät ole biohajoavia ja aiheuttavat vakavia ympäristöongelmia, kuten ns. "Muovisaaret ja keitot" valtamerissä. Nämä aiheuttavat kalojen ja merilintujen massiivisia kuolemia, jotka johtuvat meren ja ilman saastumisesta muovisten mikropartikkeleiden suspensiossa, niiden fyysisestä hajoamisesta..

Lisäksi petroplastisten aineiden polttaminen aiheuttaa erittäin myrkyllisiä päästöjä.

Toisin kuin petroplastit, useimmat bioplastit voivat olla täysin biohajoavia ja epäpuhtauksia. Ne voivat jopa suosia ekosysteemien dynamiikkaa.

indeksi

  • 1 Bioplastien ominaisuudet
    • 1.1 Bioplastien taloudellinen ja ympäristöllinen merkitys
    • 1.2 Biologinen hajoavuus
    • 1.3 Bioplastien rajoitukset
    • 1.4 Bioplastisten materiaalien ominaisuuksien parantaminen
  • 2 tyyppiä (luokitus)
    • 2.1 Luokittelu sen valmistelun mukaan
    • 2.2 Luokitus raaka-aineen mukaan
  • 3 Bioplastien teollinen tuotanto
  • 4 Bioplastien käyttö
    • 4.1 Kertakäyttöiset tuotteet
    • 4.2 Rakentaminen ja maa- ja vesirakentaminen
    • 4.3 Farmaseuttiset sovellukset
    • 4.4 Lääketieteelliset sovellukset
    • 4.5 Lento-, meri- ja maaliikenne sekä teollisuus
    • 4.6 Maatalous
  • 5 Viitteet

Bioplastien ominaisuudet

Bioplastien taloudellinen ja ympäristöllinen merkitys

Viime aikoina on syntynyt enemmän tieteellistä ja teollista kiinnostusta uusiutuvista raaka-aineista valmistettujen muovien tuottamiseksi, jotka ovat biohajoavia.

Tämä johtuu siitä, että maailman öljyvarat ovat loppumassa ja että petroplasticsin aiheuttamat vakavat ympäristövahingot ovat tietoisia..

Muovien kysynnän kasvu maailmanmarkkinoilla kasvaa myös biohajoavien muovien kysynnän kasvaessa.

biohajoavuus

Biologisesti hajoavien bioplastisten aineiden jätteitä voidaan käsitellä orgaanisina jätteinä, jotka ovat nopeaa ja epäpuhtautta aiheuttavaa. Niitä voidaan esimerkiksi käyttää maaperän muutoksina kompostoinnissa, koska ne kierrätetään luonnollisesti biologisilla prosesseilla.

Bioplastien rajoitukset

Biologisesti hajoavien bioplastisten tuotteiden valmistuksessa on suuria haasteita, koska bioplastisilla materiaaleilla on huonompia ominaisuuksia kuin petroplastit ja sen käyttö, vaikkakin kasvaa, on rajallinen.

Bioplastisten materiaalien ominaisuuksien parantaminen

Bioplastisten aineiden ominaisuuksien parantamiseksi kehitetään biopolymeeriseoksia eri tyyppisten lisäaineiden, kuten hiilinanoputkien ja kemiallisilla menetelmillä modifioitujen luonnonkuitujen kanssa..

Yleensä bioplastisille aineille käytetyt lisäaineet parantavat ominaisuuksia, kuten:

  • Jäykkyys ja mekaaninen kestävyys.
  • Estä ominaisuuksia kaasuja ja vettä vastaan.
  • Lämmönkestävyys ja lämmönkestävyys.

Nämä ominaisuudet voidaan suunnitella bioplastisesti valmistus- ja käsittelymenetelmien avulla.

Tyypit (luokitus)

Luokittelu valmistelun mukaan

Bioplastit voidaan luokitella niiden valmistustavan mukaan:

  • Bioplastit, joiden synteesi on valmistettu suoraan biomassasta uutetusta polymeerisesta raaka-aineesta.
  • Biotekniikan avulla synteesillä saadut bioplastit (käyttäen natiivia tai geneettisesti muunnettuja mikro-organismeja).
  • Klassisella kemiallisella synteesillä saadut bioplastit, alkaen biologisista monomeereistä (jotka olisivat niiden rakentamiseen käytetyt tiilet).

Luokitus raaka-aineen mukaan

Myös bioplastit voidaan luokitella niiden raaka-aineen alkuperän mukaan:

Tärkkelykseen perustuvat bioplastit

Tärkkelys on biopolymeeri, joka kykenee absorboimaan vettä ja että nämä bioplastit ovat toiminnallisia, niihin lisätään pehmittimiä, jotka tarjoavat joustavuutta (kuten sorbitolia tai glyseriiniä)..

Lisäksi ne sekoitetaan biohajoavien polyestereiden, polymaitohapon, polykaprolaktonien kanssa muun muassa parantamaan niiden mekaanisia ominaisuuksia ja niiden vedenpitävyyttä..

Tärkkelyksestä, kuten taloudellisesta raaka-aineesta, runsaasta ja uusiutuvasta bioplástikosta kutsutaan termoplastista tärkkelystä..

Ne ovat deformoituvia materiaaleja huoneenlämpötilassa, sulatetaan kuumennettaessa ja kovetettaessa tilassa lasi- jäähdytettäessä. Niitä voidaan lämmittää ja muokata uudelleen, mutta niiden fysikaaliset ja kemialliset ominaisuudet muuttuvat näillä menetelmillä.

Ne ovat eniten käytetty bioplastinen tyyppi ja muodostavat 50 prosenttia markkinoilla olevista bioplastisista aineista.

Selluloosapohjaiset bioplastit

Selluloosa on maan runsain orgaaninen yhdiste, joka on kasvisolujen seinämien rakenteen rakenneosassa. Se ei liukene veteen, etanoliin ja eetteriin.

Selluloosaan perustuvat bioplastit ovat yleensä selluloosaestereitä (selluloosa-asetaatti ja nitroselluloosa) ja niiden johdannaisia ​​(selluloosia). Selluloosan kemiallisten muutosten kautta se voi tulla termoplastiseksi.

Selluloosa, joka on paljon vähemmän hydrofiilinen (kuin vesi) kuin tärkkelys, tuottaa bioplastisia aineita, joilla on parantuneet mekaanisen lujuuden, alhaisemman kaasun läpäisevyyden ja suuremman veden hajoamisen kestävyyden ominaisuudet..

Proteiinipohjaiset bioplastit

Bioplastisia materiaaleja on mahdollista valmistaa muun muassa proteiineilla, kuten maitokaseiinilla, vehnägluteenilla, soijaproteiinilla.

Erityisesti soijaproteiinin bioplastia on hyvin herkkä veden hajoamiselle ja se on taloudellisesti kallista tuottaa. Edullisempia ja kestävämpiä seoksia on tällä hetkellä haastavaa.

Lipideistä peräisin olevat bioplastit

Bioplastit (polyuretaanit, polyesterit ja epoksihartsit) on syntetisoitu kasvi- ja eläinrasvoista, joilla on samanlaiset ominaisuudet kuin petroplastit..

Kasviöljyjen ja mikrolevien edullisten öljyjen tuotanto voisi olla erittäin edullinen tekijä tämäntyyppisten bioplastisten aineiden valmistuksessa..

Esimerkiksi bioplastinen polyamidi 410 (PA 410), se on valmistettu 70%: n öljystä, joka on peräisin risiini- \ tRicinus comunis). Tällä bioplastilla on korkea sulamispiste (250 ° C)taiC), alhainen veden imeytyminen ja resistenssi erilaisille kemiallisille aineille.

Toinen esimerkki on polyamidi 11 (PA 11), joka on tuotettu kasviöljyistä, mutta ei ole biohajoava.

Polyhydroksialkanoaatit (PHA: t)

Laaja valikoima bakteerilajeja fermentoi sokereita ja lipidejä, jotka tuottavat sivutuotteita, joita kutsutaan yhdisteiksi polyhydroksialkanoaatteja (PHA), jotka säilyttävät hiilen ja energian lähteenä.

PHA: t ovat veteen liukenemattomia, biohajoavia ja myrkyttömiä.

PHA-tyyppiset bioplastit tuottavat melko jäykkiä muovikuituja, jotka ovat biohajoavia. Ne ovat erittäin lupaava vaihtoehto petropolymeerien käytössä lääkinnällisten laitteiden valmistuksessa.

Polylaktic acid (PLA)

Polylaktic acid (PLA) on läpinäkyvä bioplast, joka on valmistettu maissista tai dekstroosista raaka-aineena.

Tuotantoaan varten tärkkelys on ensin erotettava maissista tai muusta kasvilähteestä; tästä seuraa maitohappo mikro-organismien vaikutuksen ansiosta, ja lopuksi kemiallinen prosessi (maitohapon polymerointi) käytetään bioplastisen aineen saamiseksi..

PLA: n bioplastiset materiaalit ovat läpinäkyviä, niillä on alhainen iskunkestävyys, niissä on lämpö- ja sulkuominaisuudet, jotka estävät ilman pääsyn. Lisäksi ne ovat biohajoavia.

Bioplastit, jotka perustuvat poly-3-hydroksibutyraattiin (PHB)

Poly-3-hydroksibutyraatti (PHB) on polyesterityyppinen kemiallinen yhdiste, jota tuottavat jotkut bakteerit, jotka metaboloituvat glukoosin ja maissitärkkelyksen \ t.

PHB: llä on samanlaisia ​​ominaisuuksia kuin petroplastinen polypropeeni (kaupallisesti laajalti käytetty), mutta sen tuotantokustannukset ovat yhdeksän kertaa korkeammat, koska se käsittää biomassan tuottamisen kalliilla hiililähteillä.

Tämä bioplastinen voi tuottaa läpinäkyviä kalvoja, jonka sulamispiste on 130 ° CtaiC on täysin biohajoava.

Bio-johdettu polyeteeni

Polyeteenissä on rakenneyksikkönä eteenimonomeeri; joka voidaan saada kemiallisella synteesillä etanolista raaka-aineena.

Etanoli tuotetaan alkoholijuomien fermentoinnissa sokeriruo'on, maissin tai muun metaboloivan mikro-organismin avulla.

Näin yhdistetään alkoholipitoinen fermentointi ja etyleenin ja polyeteenin kemiallinen synteesi, jolloin saadaan bioplastinen biotuotepolyeteeni.

Tämä bioplastinen polyeteeni on kemiallisesti ja fysikaalisesti identtinen petroplastisen kanssa. Se ei ole biohajoava, mutta se voidaan kierrättää.

Polyhydroksi-uretaanit

Äskettäin on ollut paljon kiinnostusta bioplastisten polyuretaanien valmistukseen, joissa ei ole erittäin myrkyllistä yhdistettä, jota kutsutaan isosyanaattia.

Isosyanaattia käytetään laajalti synteettisten polymeerien teollisissa tuotantoprosesseissa (polyuretaanit, joita käytetään mm. Huokoisille muoveille, jäykille vaahtoille, lakoille, hyönteismyrkkyille, liimoille, räjähteille) sekä maataloudessa että lääketieteessä.

On olemassa kemiallinen menetelmä, jota kutsutaan Polyhydroksiuretaanien ristipolymerointi, joka tuottaa täysin kierrätettäviä ja vapaita bioplastisia aineita isosyanaattia.

Bioplastisten tuotteiden teollinen tuotanto

Bioplastisten tuotteiden teollinen tuotanto käsittää neljä perusvaihetta:

  1. Raaka-aineen hankkiminen (biomassa).
  2. Polymeerisynteesi.
  3. Polymeerin modifiointi toiminnassa, jolla on halutut ominaisuudet valmistettavan lopputuotteen mukaan.
  4. Muodostetaan bioplastista korkean tai matalan paineen menetelmillä lopullisen muodon saamiseksi.

Bioplastien käyttö

Tällä hetkellä bioplastisten tuotteiden kaupallisia sovelluksia on vähän, koska niiden tuotannon taloudelliset kustannukset ja niiden ominaisuuksien parantaminen aiheuttavat edelleen ongelmia ratkaistaessa.

Kertakäyttöiset tuotteet

Bioplastisia aineita käytetään kuitenkin jo useiden kertakäyttötuotteiden, kuten muovipusseiden, pakkauskonttien ja elintarvikekääreiden, ruokailuvälineiden, lasien ja syötävien muovisten astioiden valmistuksessa..

Rakentaminen ja maa- ja vesirakentaminen

Tärkkelysbioplastisia materiaaleja on käytetty rakennusmateriaaleina ja bioplastisina materiaaleina, jotka on vahvistettu nanokuidulla sähköasennuksissa.

Lisäksi niitä on käytetty valmistettaessa bioplastiset metsät huonekaluille, joita xylofagiset hyönteiset eivät hyökkää ja jotka eivät ryösty kosteudella.

Farmaseuttiset sovellukset

Ne on valmistettu bioplastisilla kapseleilla, jotka sisältävät lääkkeitä ja huumeita vapauttavia aineita, jotka vapautuvat hitaasti. Siten lääkkeiden hyötyosuutta säännellään ajan mittaan (potilaan tietyn ajan kuluessa saama annos).

Lääketieteelliset sovellukset

Implantteihin, kudostekniikkaan, kitiinibioplastisiin ja kitosaaneihin soveltuvia selluloosa-bioplastisia aineita on valmistettu haavojen, luukudoksen suunnittelun ja ihmisen ihon regeneroinnin suojaamiseksi..

Selluloosa-bioplastit on myös valmistettu biosensoreille, seoksille hydroksipatiitin kanssa hammasimplanttien valmistuksessa, bioplastiset kuidut katetreissa..

Lento-, meri- ja maaliikenne sekä teollisuus

Kasviöljyihin (bioplastisiin aineisiin) perustuvia jäykkiä vaahtoja on käytetty sekä teollisuus- että kuljetusvälineissä; auto-osat ja ilmailu-osat.

Matkapuhelinten, tietokoneiden, ääni- ja videolaitteiden elektroniset komponentit on myös tuotettu bioplastisista materiaaleista.

maatalous

Bioplastiset hydrogeelit, jotka absorboivat ja säilyttävät vettä ja voivat vapauttaa sen hitaasti, ovat käyttökelpoisia viljeltyjen maa-alueiden suojapinnoitteina, säilyttämällä sen kosteuden ja suosimalla viljelysviljelmien kasvua kuivilla alueilla ja niukasti sateisina vuodenaikoina.

viittaukset

  1. Chen, G. ja Patel, M. (2012). Biologisista resursseista saadut muovit: Nykyinen ja tulevaisuus. Tekninen ja ympäristöarviointi. Kemialliset arviot. 112 (4): 2082-2099. doi: 10.1021 / cr.20162d
  2. Bioplastien ja biokomposiittien käsikirja. (2011). Srikanth Pilla Editor. Salem, USA: Scrivener Publishing LLC. John Wileyn ja poikien julkaisemat.
  3. Lampinen, J. (2010). Bioplastisten ja biokomposiittien trendit. VTT Research Notes. Suomen tekninen tutkimuskeskus. 2558: 12-20.
  4. Shogren, R.L., Fanta, G. ja Doane, W. (1993). Tärkkelyspohjaisten muovien kehittäminen: Valittujen polymeerijärjestelmien uudelleentarkastelu historiallisessa näkökulmassa. Tärkkelystä. 45 (8): 276-280. doi: 10.1002 / star.19930450806
  5. Vert, M. (2012). Biorelatoitujen polymeerien ja sovellusten terminologia (IUPAC-suositukset). Pure and Applied Chemistry. 84 (2): 377-410. doi: 10.1351 / PAC-REC-10-12-04