مواد مبتنی بر پلاستیک اغلب در صنعت بستهبندی استفاده میشوند و در جوامع توسعهیافته و در حال توسعه بهطور گسترده ای دیده میشوند.
در حال حاضر بیشتر بسته بندی های مورد استفاده تجزیه ناپذیر بوده و مشکلات زیست محیطی جدی ایجاد می کنند.
چندین ماده زیست تخریب پذیر وجود دارد که با قیمت پایین در دسترس هستند، خواص مکانیکی خوبی دارند و میتوان آنها را در خاک دفن کرد. دفن کردن زباله ها در خاک یک مزیت است زیرا تجزیه بیولوژیکی فقط دی اکسید کربن، آب و ترکیبات معدنی تولید می کند.
استفاده گسترده از پلیمرهای زیستی به جای پلاستیک به کاهش تولید زباله کمک می کند. مواد زیست تخریب پذیر در چرخه طبیعی “از طبیعت تا طبیعت” شرکت می کنند و نقش مهمی در پایداری محیط زیست دارند.
زباله های پلاستیکی، به ویژه بسته بندی مواد غذایی، به سرعت در حال ایجاد یک مشکل جدی زیست محیطی در سراسر جهان است. در سال 2014، بیش از 7.5 میلیون تن زباله پلاستیکی بازیافت شده است.
در سال 2015، صنعت پلاستیک در اروپا بالغ بر 49 میلیون تن بوده که 39.9 درصد آن را محصولات بسته بندی موادغذایی تشکیل می داده است.
اخیراً، علاقه بیشتری به استفاده از مواد بسته بندی زیست تخریب پذبر وجود دارد، زیرا آنها اغلب کاربردی و سازگار با محیط زیست هستند. این مساله منجر به افزایش سهم آنها در حجم تولید بسته بندی پلاستیکی شده است.
نگرانی های مختلف به ویژه نگرانی های زیست محیطی منجر به افزایش تقاضا برای استفاده از مواد زیست تخریب پذیر جهت بسته بندی شده است. از جمله پلیمرهای مختلفی که در حال حاضر در این راستا مورد بررسی قرار می گیرند، پلیمرهایی هستند که از منابع تجدیدپذیر زیستی (مانند آلژینات، سلولز، کیتوزان، کلاژن کاراگینان، ذرت زین، سویا، نشاسته) به دست می آیند. همچنین منافع عمومی انباشته ای در استفاده از محصولات زیست تخریب پذیر مبتنی بر منابع تجدیدپذیر زیستی در بخش بسته بندی مواد غذایی وجود دارد تا میزان ضایعات کاهش یابد.
استفاده از مواد بسته بندی کاربردی مدرن به دلیل سازگاری با محیط زیست به طور فزاینده ای محبوب می شود.
پلاستیک ها از پلیمرهایی ساخته می شوند که بسته به اجزای تشکیل دهنده خود، می توانند تحت فرآیند خاصی از تجزیه زیستی قرار گیرند.
میکروارگانیسم ها پلیمرها را به انرژی مورد نیاز برای زندگی تبدیل می کنند. پلیمرها در طی فرآیندهای شیمیایی اکسید و سپس تخریب می شوند و در این فرآیند ماده آلی به ترکیباتی مانند دی اکسید کربن تبدیل می شود.
تغییراتی که در حین تخریب رخ می دهد، مواد را خراب می کند، به عنوان مثال منجر به تکه تکه شدن می شود. این تغییرات در اثر کوتاه شدن زنجیره پلیمری ایجاد می شود. اثرات کوتاه شدن زنجیره های پلیمری شامل کوتاه شدن مواد، کشش و شکستگی است.
مواد بسته بندی بر پایه پلیمرها
اولین پلیمر مبتنی بر سلولز در سال 1856 تولید شد و سپس فنول فرمالدئید در سال 1907 تولید شد. پس از آن زمان، تولیدات متعددی وجود داشته است که منجر به تولید انبوهی از مواد بسته بندی امروزی، ساخته شده از پلیمرهای مصنوعی و طبیعی شده است.
علیرغم دسترسی بیشتر به مواد مصنوعی، اکثر صنایع از جمله صنایع غذایی و بسته بندی ، تولید مواد بسته بندی از منابع تجدیدپذیر زیستی را در نظر دارند زیرا این مواد زیست تخریب پذیر هستند.
نشاسته نمونه ای از هیدروکربن های پلیمری نشاسته ای است . نشاسته در درجه اول از دو نوع پلیمر گلوکز تشکیل شده است: آمیلاز خطی و آمیلوپکتین شاخه ای و برای تشکیل پوشش های نشاسته ای زیست تخریب پذیر استفاده می شود. چنین تولیدی با هزینه کم و خواص مکانیکی خوب به صرفه و مورد توجه است.
نشاسته ذرت نیز منبع خوبی برای ساخت فیلم است. این نشاسته از 25% آمیلاز و 75% میلوپکتین تشکیل شده است. نشاسته یک ماده بسیار دردسترس که در بسیاری از گیاهان وجود دارد. این ماده در خاک و آب کاملاً قابل تجزیه است.
برای تبدیل نشاسته به ماده ترموپلاستیک ، با استفاده از انرژی حرارتی مکانیکی،آن را در یک اکسترودر تصفیه می کنند.. در این حالت پیوندهای هیدروژنی را در سطح مولکولی کاهش می دهند تا از پایداری خواص محصول اطمینان حاصل شود.
مواد تشکیل دهنده فیلم زیست تخریب پذیر
در سال 2011، تولید جهانی پلاستیک به حدود 280 میلیون تن رسید. استفاده زیاد از پلاستیک برای مواد غذایی به شدت بر محیط زیست تأثیر می گذارد. به همین دلیل، صنعت بسته بندی در تلاش است تا مواد بسته بندی زیست تخریب پذیر را توسعه دهد.
اکثر پلی استرهای زیست تخریب پذیر پتانسیل بالایی برای استفاده در بسته بندی دارند زیرا دارای خواص ترموپلاستیک، مدول بالا و خواص پردازش خوب هستند.
نانوالیاف مواد سلولزی به طور گسترده در دسترس و ارزان است. آنها سازگار با محیط زیست هستند ، به راحتی بازیافت می شوند و نیاز به انرژی کمی برای تولید دارند.
در طی چند دهه گذشته ، استفاده از پلاستیک های مصنوعی افزایش قابل توجهی داشته است. (به عنوان مثال پلی وینیل کلرید ، پلی استایرن ، پلی اتیلن ترفتالات ، پلی اتیلن ، پلی پروپیلن ، پلی آمید و غیره)
این پلیمرهای مصنوعی با قیمت پایین در دسترس میباشند و دارای خواص مکانیکی خوبی هستند. با این حال،نگرانی زیست محیطی زیادی برای استفاده گسترده از این پلیمرها ،بدلیل عدم تجزیه پذیر بودن آنها وجود دارد.
از طرف دیگر ، در مورد بیوپلیمرها ، توانایی کمپوست یک ویژگی مهم است که امکان دفع بسته بندی در خاک را فراهم می کند. طبق گفته های بیوپلاستیک اروپا ، بیوپلیمرها باید به ویژه از نظر کمپوست ، تخریب پذیر باشند تا بتوانند به عنوان کود و تهویه مطبوع عمل کنند.
پلیمرهای تخریب پذیر بر اساس منبع منشأ آنها طبقه بندی می شوند:
- پلیمرهای ساخته شده از زیست توده: پلی ساکاریدها ، پروتئین ها ، پلی پپتیدها ، پلینوکلئوتیدها
- محصولات شیمیایی سنتز شده از مونومرهای تجدید پذیر یا حاصل از منابع طبیعی زیست توده و روغن :اسید لاکتیک یا بیو پلی استر
- پلیمرهای تولید شده توسط فعالیت میکروارگانیسم ها ، از جمله باکتری های اصلاح شده ژنتیکی :کوردی ، زانتان ، پلی هیدروکسی بوتیرات ، سلولز باکتریایی ، پولولان
اگرچه پلیمرهای طبیعی این روزها بیشتر مورد توجه قرار گرفته اند، اما مشکلات متعددی مانند کارایی، فرآوری و هزینه در ارتباط با آنها وجود دارد. به ویژه، شکنندگی و بخار آب و نفوذپذیری گاز بالا، مقاومت ضعیف در برابر عملیات پردازش طولانی مدت باعث محدودیت در استفاده از آنها می شود.
استفاده از فناوری نانو برای این پلیمرها ممکن است فرصتهای جدیدی را برای بهبود خواص و ویژگیهای آنها مانند هزینه، عملکرد و .. ایجاد کند.
نانوکامپوزیت ها ممکن است در مقایسه با پلیمرهای دست نخورده پیشرفت قابل توجهی از لحاظ مکانیکی، حرارتی ، فیزیکی و شیمیایی داشته باشند . بهویژه، نانوکامپوزیتهای مبتنی بر خاک رس که به دلیل وجود لایهی رس فرآیند پیچیدهتری را ایجاد و ویژگیهای عالی ای را ارائه میکنند.
پلاستیک های زیستی باید از چرخه حیات زیست توده که شامل حفاظت از منابع فسیلی، آب و تولید دی اکسید کربن است، تقلید کنند. سرعت تجزیه پذیری به دما، رطوبت، کمیت و نوع میکروارگانیسم ها بستگی دارد. وقتی همه این شرایط وجود داشته باشد، فرآیند تخریب سریع اتفاق می افتد. در فرآیند کمپوست سازی صنعتی، اکثر بیوپلاستیک ها در حدود 6 تا 12 هفته به زیست توده، آب و دی اکسید کربن تبدیل می شوند.
محصولات پلیمری باید به روشی کنترل شده تجزیه بیولوژیکی شوند: پلیمرهای طبیعی مانند لاستیک، هوموس، لیگنین و پلیمرهای مصنوعی (مانند پلی اولفین ها) باید از مکانیسم تجزیه زیستی اکسو پیروی کنند.
در طی تجزیه مولکولهای اکسوکربوکسیلیک اسید، آلدئیدها، کتونها و الکلهای با جرم مولکولی کم توسط فرآیند پراکسیداسیون که توسط گرما یا نور آغاز میشود، تولید میشوند که عامل اصلی از بین رفتن خواص مکانیکی پلیمرهای کربوهیدراتی هستند. سپس باکتریها، قارچها، آنزیمها جذب زیستی را آغاز میکنند و باعث افزایش زیست توده و CO2 میشوند که حفرهها را تشکیل میدهند.
زباله های بسته بندی پلاستیکی گروه بزرگی را تشکیل می دهند و حجم و مقدار مواد بازیافتی کم است.
یکی از بزرگترین موانع در بازیافت زباله های پلاستیکی معمولی، نبود عرضه پایدار و قابل اعتماد از مواد طبقه بندی شده با کیفیت است.
مشکلات عملی در بازیافت پلاستیک های مصرف شده را میتوان، مشکلات در جداسازی و شناسایی پلاستیک ها، فناوری های بازیافت محدود، تخریب پس از پردازش مکرر، چگالی جرمی کمتر پلیمر، زمان مصرف بالا و هزینه برشمرد.
به طور کلی پلاستیک های زیست تخریب پذیر به اجزای طبیعی مانند آب، دی اکسید کربن و زیست توده تجزیه می شوند.
برخی از پلاستیک های زیست تخریب پذیر می توانند جزء منابع انرژی تجدیدپذیر باشند. از طریق استفاده گسترده از مواد زیست تخریب پذیر، می توانیم میزان زباله را کاهش دهیم، انتشار گازهای گلخانه ای را کاهش دهیم و استفاده پایدار از منابع زیست محیطی را تضمین کنیم.
