حمض البولي لاكتيك (PLA) أصبح بوليمرًا مهمًا بشكل متزايد في العديد من المجالات كفيلم وفي التطبيقات القابلة للتحلل البيولوجي والتي تعد صديقة للبيئة أيضًا. نظرًا لأنه مصنوع من مصادر متجددة مثل نشا الذرة وسكر القصب، فإن فيلم PLA يعد بديلاً جيدًا للبلاستيك التقليدي المصنوع من النفط. ستتناول هذه الورقة المزايا والاستخدامات المختلفة لفيلم PLA وأهميته في النظر في حالة التعبئة والتغليف والزراعة، من بين مجالات أخرى. بعد خصائصه ومزاياه، بالإضافة إلى تطبيقاته المحتملة، من المتوقع أن تساعد هذه الورقة القراء على فهم كيف سيرشدنا فيلم PLA إلى مستقبل المواد المستدامة.
ما هي تفاصيل PLA بلاستيك وكيف يتم صنعه؟
فهم البلمرة عملية PLA
تُعرف عملية البلمرة بفتح الحلقة باسم العملية التي يتم بها تصنيع حمض البولي لاكتيك. وعادةً ما تبدأ هذه العملية بتخمير الكربوهيدرات لإنتاج حمض اللاكتيك، مثل نشا الذرة أو قصب السكر. يتم تحويل حمض اللاكتيك أولاً وتحويله إلى سلاسل طويلة تُعرف باسم اللاكتيد. وفي هذا الجزء من البلمرة، يحدث فتح لحلقة اللاكتيد ويتحد مع جزيئات اللاكتيد الأخرى لتكوين سلاسل حمض البولي لاكتيك طويلة الأمد، ولكن بمساعدة مواد مثل تحفيز أوكتات القصدير. لا تجعل هذه الطريقة من التخليق الصناعي للبوليمرات في الموقع من الممكن إنتاج بوليمرات ذات وزن جزيئي بصري مرتفع فحسب، بل يمكن أيضًا ضبط التوزيع المكاني للوزن الجزيئي وبلورية البوليمر وبالتالي تحسين أداء حمض البولي لاكتيك في تطبيقات محددة.
ما هي مواد خام تستخدم في إنتاج PLA؟
المواد الخام الأساسية المستخدمة في تصنيع حمض البوليكتيك (PLA) هي النشا والسكريات التي يتم الحصول عليها من مصادر كيميائية حيوية متجددة. وتشمل المواد الخام النباتية في الغالب نشا الذرة وقصب السكر ومواد أخرى تحمل الجلوكوز. في الخطوة الأولى، يتم إزالة بوليمر هذه الكربوهيدرات من خلال التحلل المائي لإنتاج الجلوكوز، والذي يتم تخميره بعد ذلك باستخدام كائن حي محدد لإنتاج حمض اللاكتيك. يمكن بعد ذلك تمييز حمض اللاكتيك هذا وتحويله إلى لاكتيد وهو وسيط رئيسي لإنتاج PLA. يتم اختبار المحاصيل الأخرى مثل الكسافا وبنجر السكر بحثًا عن إمكانيات المواد الخام من أجل توفير طرق بديلة لإنتاج PLA وهذا يعزز اقتصاديات المادة.
ما الذي يجعل PLA المستندة إلى الحيوية الفيلم؟
يمكن أيضًا تصنيف حمض البولي لاكتيك، أو PLA، كما يشار إليه عادةً، على أنه فيلم قائم على المواد الحيوية لأنه مصنوع من موارد متجددة، والتي تشمل بشكل أساسي النشويات والسكريات النباتية. الميزة الأساسية التي تحدد مصطلح المواد القائمة على المواد الحيوية هي أنها مصنوعة من الكتلة الحيوية وليس من الموارد الأحفورية. يتم إنتاج PLA من تخمير المواد الخام الكربوهيدراتية كمواد أولية لللاكتات. لا تعمل هذه العملية على تعزيز التأثير البيئي المنخفض فحسب، بل تعزز أيضًا الجهود المبذولة نحو إدارة نهاية العمر أثناء دورة الإنتاج. في الوقت نفسه، يمكن تحويل PLA إلى سماد في ظل ظروف صناعية معينة، وبالتالي توسيع نطاق PLA كبديل للبوليمر الحيوي للبلاستيك التقليدي القائم على البترول. تثبت هذه الفائدة المزدوجة المتمثلة في كونها متجددة وقابلة للتحلل البيولوجي قيمة PLA في تطوير المزيد من التعبئة والتغليف المستدام وصياغة الفيلم.
ما هي الخصائص الفيزيائية من أفلام PLA؟
كيف يفعل ال الخواص الميكانيكية مقارنة بين PLA والبلاستيكيات الأخرى؟
يتميز حمض البولي لاكتيك (PLA) بخصائصه الفريدة، والتي قد يكون لها تأثير على نطاق المناطق التي سيتم تطبيقه فيها عند مقارنته بالبلاستيك الأكثر تقليدية؛ تشتمل معظم منتجات جاليك 6 على البولي إيثيلين (PE) والبولي بروبيلين (PP) وكلوريد البولي فينيل (PVC). تتراوح قوة الشد لحمض البولي لاكتيك عادةً بين 50 إلى 70 ميجا باسكال، وهو ما يعد ميزة كبيرة مقارنة بمعظم المواد البلاستيكية؛ على سبيل المثال، تبلغ قوة الشد لبولي إيثيلين العادي حوالي 20 ميجا باسكال بينما تتراوح قوة الشد للبولي بروبيلين بين 30 و50 ميجا باسكال.
أما بالنسبة لاستطالة الشد كنسبة مئوية تمثل أقصى تمدد للفرد حتى الكسر (تستطيل الإيلاستومرات) فإن PLA عادة ما يكون بين 2-8٪، على عكس البولي إيثيلين الذي يتراوح بين 300 إلى 700٪ والبولي بروبيلين الذي يتراوح بين 400 إلى 500٪. هذا الاختلاف في اللدونة يثير أيضًا جانب الاستخدام لمثل هذه المواد التي قد تخضع للانحناء وحمل التأثير العالي. أخيرًا، يجب ملاحظة أن معامل يونج لـ PLA يتراوح بين 3-4 جيجا باسكال، وهو مرتفع نسبيًا مقارنة بـ PE الذي يتراوح بين 0.2-0.8 جيجا باسكال و PP الذي يتراوح بين 1.0-1.5 جيجا باسكال. هذا يعني أنه مقارنة بالمواد الحاملة للحمل فإن PLA أكثر صلابة وأكثر مقاومة للتشوه الدائم عند الانحناء والضغط.
بصرف النظر عن عملية اللدائن الحرارية، فقد ثبت أن الخصائص الحرارية مهمة أيضًا للأداء الميكانيكي لـ PLA. تبلغ درجة حرارة انتقاله الزجاجي حوالي 60-65 درجة مئوية، ودرجة حرارة الانصهار حوالي 150-160 درجة مئوية. هذه العوامل هي مقاومة حرارية منخفضة نسبيًا وهذه هي العوامل التي تحد من نطاق تطبيق PLA؛ على عكس معظم المواد البلاستيكية ذات الأداء الأفضل، يمكنها تحمل درجات حرارة أعلى. في الختام، عندما يُعتبر PLA مادة لعدد من التطبيقات، يمكن توقع خصائص ميكانيكية جيدة جدًا. ومع ذلك، فإن الوضع مختلف من حيث الهشاشة والخصائص الحرارية، والتي يجب أن تكون معقولة في تصميم المنتج واختياره.
الاستقرار الحراري وخصائص الحاجز لأغشية PLA
الاستقرار الحراري لأغشية PLA معتدل ويتأثر بالتركيب وظروف المعالجة. الاستقرار الحراري لـ PLA مهم للغاية، خاصة فيما يتعلق بتطبيقات التعبئة والتغليف حيث من المهم مقاومة التشوه والتدهور. في معظم الحالات، يبدأ التدهور الحراري لـ PLA في الحدوث في مكان ما في منطقة حوالي 220 درجة مئوية والتي يجب أخذها في الاعتبار أثناء معالجة واستخدام المادة.
أما بالنسبة لخصائص حاجز الغاز، فإن أفلام PLA فعالة للغاية ضد نفاذية الأكسجين وثاني أكسيد الكربون وبالتالي يمكن استخدامها في تغليف المواد الغذائية. ومع ذلك، من حيث خصائص حاجز الرطوبة، فهي ليست جيدة مثل حواجز الرطوبة التقليدية مثل البولي إيثيلين مما يؤدي إلى معدلات أعلى لنقل بخار الماء. يمكن أن تضيق هذه الحالة استخدام PLA بسبب بعض الاستخدامات النهائية مثل التغليف التي تتطلب حواجز رطوبة عالية. باختصار، على الرغم من أن أفلام PLA لها خصائص حرارية وحاجز مفيدة لبعض التطبيقات، فيجب استخدامها لتصميم واختيار المواد للمنتجات بناءً على أدائها في الظروف والبيئات المتغيرة.
كيف فيلم جيش التحرير الشعبى الصينى تساهم في سماد حلول؟
ما الذي يجعل أفلام PLA قابلة للتحلل الحيوي والتحويل إلى سماد؟
يتم الحصول على حمض البولي لاكتيك من مواد متجددة وقابلة للتحلل مثل نشا الذرة أو قصب السكر، لذلك يُشار إليه باسم أفلام PLA. يمكن للجسم استقلاب التركيب البنيوي لحمض البولي لاكتيك وتحويله إلى منتجات ثانوية مثل ثاني أكسيد الكربون والماء والسماد. تبدأ هذه العملية بالتحلل المائي حيث تقطع جزيئات الماء الروابط الإسترية الموجودة في سلاسل بوليمر PLA. بعد التحلل المائي، تعمل الميكروبات أيضًا على الأوليغومرات والجزيئات حتى يتم تحقيق التحلل الكامل.
دور PLA في التسميد الصناعي
- التحلل السريع: تتحلل أفلام PLA في مرافق التسميد الصناعي. ويحدث التحلل بشكل كبير في ظل درجات حرارة ورطوبة ووجود الكائنات الحية الدقيقة المناسبة. وفي ظل عمليات التسميد الصناعي، يتم الحفاظ على درجة الحرارة مرتفعة بما يكفي (حوالي 55 درجة مئوية)، مقارنة بأغلب طرق التسميد لتسريع عملية التحلل.
- تأثير بيئي منخفض: مع استخدام PLA بدلاً من المواد البلاستيكية العادية أو المواد القائمة على البترول، يتم تقليل عامل النفايات. نظرًا لأن المركب غير مخصص للاستخدامات التي تؤدي إلى تراكم نفايات البوليمر، فلن يضيف إلى النفايات البلاستيكية طويلة الأمد.
- المساهمة في المغذيات: يتم إعادة المنتجات الثانوية مثل المواد العضوية والكربون المفيدة للكائنات الحية إلى التربة بعد تحلل PLA وبالتالي تحسين جودة التربة وتعزيز عمليات النظام البيئي الصحية.
- التوافق مع المواد العضوية الأخرى: يمكن أيضًا تحويل الأغشية الحيوية المصنوعة من PLA إلى سماد مشترك مع النفايات العضوية مثل بقايا الطعام أو حطام الفناء، وتساعد المجتمعات الميكروبية الأكثر تنوعًا في عمليات التسميد النشطة.
- تسهيل إدارة النفايات: عندما يتم دمج PLA مع أنظمة إدارة النفايات، يمكن إنشاء تيارات التسميد الصناعي المناسبة وبالتالي تخفيف الضغوط و/أو الوزن على المرتفعات.
- الوعي والقبول من جانب المستهلك: إن الترويج لـ PLA باعتباره مادة نفايات نظيفة مناسبة، فضلاً عن تشجيع ممارسة استخدام السماد، من شأنه أيضًا أن يحسن المعرفة باستراتيجيات التخلص من النفايات المناسبة.
- التقدم في أبحاث تطوير المواد: يشجع هذا الطلب على المواد القابلة للتحلل مثل PLA ويعزز البحث والتطوير الإضافي للبوليمرات القابلة للتحلل البيولوجي الجديدة ذات خصائص الأداء الأفضل لأغراض مختلفة.
معدلات تحلل أفلام PLA في السماد
تظهر النتائج أن فقدان الوزن، باعتباره مؤشرًا جيدًا للوقت المستغرق للتحلل، يمكن استخدامه لتقييم معدل تحلل أفلام PLA في مرافق التسميد الصناعي. وبشكل خاص لأفلام PLA، أشارت أعمال البحث إلى أنه يمكن تحقيق فقدان الوزن بنسبة 90٪ تقريبًا في أقل من 90 يومًا وهو أفضل بكثير من مرافق التسميد المنزلية حيث قد يستغرق الأمر أكثر من عام للوصول إلى فقدان الكتلة الكلية في ظل ظروف أقل من المواتية. علاوة على ذلك، يمكن للدراسات حول تفتيت أفلام PLA استخدام تقنيات مثل التحليل الطيفي بالأشعة تحت الحمراء أو تحليل حجم الجسيمات الخشنة وتحديد الوزن الجزيئي لقياس عملية التحلل، وبالتالي تطور الجسيمات القابلة للتحلل.
ما هي تطبيقات فيلم جيش التحرير الشعبى الصينى in تغليف الطعام?
كيف يستخدم PLA في تغليف الأغذية النشطة؟
نظرًا لطبيعتها المتوافقة حيويًا والقابلة للتحلل البيولوجي، أثبتت PLA أنها مادة فعالة لتغليف الأغذية وبوليمر مستدام يمكن أن يحل محل البلاستيك القائم على البترول. يتكون PLA المعدل من المادة المضافة المكونة النشطة بيولوجيًا، مثل مضادات الميكروبات أو مضادات الأكسدة، وقد تتسرب هذه المادة المعدلة إلى الطعام وتحسن من حفظه. يمكن لهذه العوامل تمديد ثبات المنتجات الغذائية على الرف من خلال التحكم في الاستعمار الميكروبي والعدوى وكذلك عمليات الأكسدة وبالتالي تمنع التلف وبالتالي تعزز سلامة الغذاء.
فوائد استخدام PLA في تطبيقات تغليف المواد الغذائية
- التحلل البيولوجي: نظرًا لأن PLA عبارة عن بلاستيك حيوي، فإن المواد الخام المستخدمة في إنتاج PLA قابلة للتجديد وصديقة للبيئة لأنها قابلة للتحلل وتؤدي إلى القليل من النفايات حيث يمكن أن تتحلل إلى مكونات غير ضارة.
- بصمة كربونية منخفضة: بالمقارنة مع بلاستومر البولي إيثيلين الماليك أنهيدريد البديل، فإن العمليات المستخدمة لإنتاج PLA تؤدي إلى انبعاث أقل للغازات المسببة للغازات المسببة للاحتباس الحراري مما يساعد بدوره في توفير مواد تغليف صديقة للبيئة.
- خصائص قابلة للتخصيص: يمكن تلبية المتطلبات المختلفة لتغليف الأغذية دون المساس بأداء PLA عن طريق تعديل تركيبة PLA لتوفير، على سبيل المثال، الخصائص الميكانيكية والحرارية المطلوبة.
- تعزيز السلامة: نظرًا لأن PLA لا يحتوي على مكونات سامة، فيمكن استخدامه بأمان في تطبيقات ملامسة الأغذية دون التسبب في انتقال المواد الكيميائية إلى الأغذية.
- التوافق مع العوامل النشطة بيولوجيًا: نظرًا لأن PLA لديه القدرة على حبس المركبات النشطة بيولوجيًا وإطلاقها، يمكن تحسين العمر الافتراضي للمواد الغذائية وزيادة قابليتها للاستخدام.
- تفضيلات المستهلك: استجابة للقلق المتزايد على البيئة، يطلب المزيد والمزيد من المستهلكين تغليف منتجاتهم باستخدام مواد صديقة للبيئة مثل PLA مما يحسن صورة الشركة بالإضافة إلى الوصول إلى أسواق جديدة.
اعتبارات مدة صلاحية عبوات المواد الغذائية المصنوعة من مادة PLA
من حيث العمر الافتراضي لأنظمة تغليف الأغذية باستخدام PLA كمادة، هناك عدد كبير من المتغيرات التي تدخل في الصورة، مثل درجة الحرارة والرطوبة، من بين أمور أخرى ونوع الطعام الذي يتم تعبئته. تُظهر الأبحاث أن خصائص PLA الحاجزة، وخاصة الأكسجين وفعالية حاجز الرطوبة، هي عوامل مهمة في جودة حفظ الأغذية. على سبيل المثال، أظهرت إحدى الدراسات أن فيلم PLA يمتلك OTR عاليًا يبلغ حوالي 400 سم³ / (م² · يوم) عند تحليله عند 23 درجة مئوية و 50٪ رطوبة نسبية مما كان من المرجح أن يقصر من العمر الافتراضي للمنتجات الحساسة للأكسجين. لذلك، يجب التحقيق في مثل هذه المعلمات وتحسينها وفقًا لمنتج غذائي معين وظروف الحفظ المتوقعة ووقت الدوران.
هل هناك أي فوائد بيئية لاستخدام فيلم جيش التحرير الشعبى الصينى?
كيف يتم الحصول على PLA من الموارد المتجددة؟
يتم إنشاء حمض البولي لاكتيك أو PLA من حمض اللاكتيك، والذي يأتي من تخمير الكربوهيدرات والنشويات بشكل أساسي من الموارد المتجددة مثل نشا الذرة أو قصب السكر أو التابيوكا. في أنظمة التخمير هذه، تقوم البكتيريا بتحويل السكريات إلى حمض اللاكتيك. ثم يتم بلمرة حمض اللاكتيك إلى PLA. لا يستخدم هذا البوليمر الحيوي مواد متجددة فحسب، بل يوفر أيضًا القدرة على تقليل الاعتماد على البتروكيماويات للمواد الخام في تصنيع البلاستيك التقليدي.
لماذا يعتبر PLA خيارًا صديقًا للبيئة؟
يُنظر إلى حمض البوليكتيك (PLA) على أنه بديل أكثر ملاءمة للبيئة من البلاستيك التقليدي لأنه يتحلل بسهولة وله بصمة كربونية أقل أثناء عملية تصنيعه. وقد ثبت أن انبعاثات غازات الاحتباس الحراري (GHG) من حمض البوليكتيك خلال دورة حياة PLA أقل بنسبة 50-70% على الأقل من انبعاثات البلاستيك القائم على البترول. وعلاوة على ذلك، فيما يتعلق بالتخلص منه، يجب تحويل حمض البوليكتيك إلى سماد أو التخلص منه عن طريق التسميد الصناعي حيث تتحلل العناصر بشكل طبيعي إلى مكوناتها المقبولة، وبالتالي تقليل الآثار السلبية المرتبطة بالنفايات البلاستيكية.
ما هو تأثير PLA على الحد من النفايات البلاستيكية؟
يمكن أن يساعد استخدام PLA إلى حد كبير في الحد من النفايات البلاستيكية. وبالتالي، فإن هذه المادة قادرة على أن تُعامل على أنها قابلة للتحلل البيولوجي وبالتالي فهي تشكل راحة كبيرة في مواجهة آفة النفايات البلاستيكية في جميع أنحاء العالم. ووفقًا لتقرير صادر عن منظمة البلاستيك الحيوي الأوروبية، فإن PLA والبلاستيك الحيوي الآخر من شأنه أن يوفر بديلاً سنويًا لحوالي 7.6 مليون طن من العبوات البلاستيكية التقليدية بحلول عام 2030 مما من شأنه أن يخفف بعض الضغوط على مكبات النفايات والبيئة. بالإضافة إلى ذلك، فإن التحول إلى عبوات PLA لا يقلل فقط من كمية النفايات البلاستيكية ولكنه يتضمن أيضًا ممارسات الاقتصاد الدائري من خلال تحفيز استخدام الموارد المتجددة جنبًا إلى جنب مع طرق أنظف وأكثر خضرة لإنتاج العبوات والتخلص منها.
ما هي التحديات والقيود أفلام PLA?
كيف يؤثر الاستطالة عند الكسر على أداء PLA؟
الاستطالة عند الكسر هي إحدى الخصائص الميكانيكية التي تميز قدرة البلاستيك على الاستطالة قبل الكسر. بالنسبة لأفلام PLA، تتراوح العوامل المؤثرة على الاستطالة عند الكسر من 4 إلى حوالي 6% اعتمادًا على ظروف التركيب والمعالجة. ترتبط الاستطالة الأعلى عند الكسر عادةً بمرونة أفضل ومقاومة للصدمات، وبالتالي تحسين الأداء التطبيقي في عمليات التعبئة والتغليف. من ناحية أخرى، يؤدي زيادة هذه المعلمة كثيرًا إلى انخفاض قوة الشد، وبالتالي يجب أن يكون هناك ما يكفي من العناية لتكون قادرًا على تحسين خصائص العرض لاستخدام نهائي معين.
ما هي الحدود التركيبية لأفلام PLA؟
كما يوحي الاسم، فإن أفلام PLA مصنوعة في المقام الأول من حمض البوليكتيك الذي يمكن الحصول عليه من وسائل صديقة للبيئة مثل نشا الذرة أو قصب السكر. يمكن تغيير التركيبة باستخدام مواد مضافة مختلفة مثل الملدنات والمثبتات والحشوات، والتي تخدم غرض تحسين خصائص أو خصائص معينة للأفلام البوليمرية. على سبيل المثال، يمكن أن يؤدي استخدام البلاستيك عالي "القوة" إلى تعزيز المرونة، ولكن الإفراط في الاستخدام قد يؤدي إلى مشاكل مثل الهشاشة أو ضعف مقاومة الحرارة في حالة البوليمرات. في مكان آخر، يؤدي إضافة مواد مضافة مثل الملدنات إلى تحسين المرونة، إلا أن الاستخدام المفرط يضر بالخصائص الحرارية، فضلاً عن قابلية أفلام PLA للتحلل.
هل يمكن لأفلام PLA أن تتعرض للتدهور في بيئات معينة؟
تتوفر أفلام PLA أيضًا، ولها عيوب. جميع البوليمرات عرضة للتدهور في ظل الظروف المناسبة. مع ارتفاع محتوى الرطوبة وارتفاع درجة الحرارة، يخضع PLA للانقسام المائي. وهذا صحيح بشكل خاص في حالة التسميد حيث غالبًا ما يتم تجربة الرطوبة ودرجات الحرارة التي تصل إلى 58 درجة مئوية (136 درجة فهرنهايت) وما فوق. في ظل مثل هذه الظروف، فقد ثبت أنه في غضون أسابيع من إنتاج أفلام PLA، تنخفض قوى الشد الجوهرية بشكل كبير، ويصل التدهور الكامل في غضون 90 إلى 180 يومًا. وهذا يعني أنه، مثل معظم المواد البلاستيكية، من الضروري أيضًا توخي الحذر عند تحقيق هياكل PLA حتى لا تؤثر البيئات القلوية على تطبيقاتها البنيوية. أيضًا، يجب إبعاد مواد PLA عن الأشعة فوق البنفسجية القوية حيث قد يؤدي ذلك إلى تدهور بوليمرات PLA بالضوء مما يقلل من قيمة واستخدام الاستراتيجيات.