تولید پلاستیک‌های زیستی قابل بازیافت با سلولز
یک مقاله جدید در مجله ACS Applied Polymer Materials یک تکنیک آماده‌سازی ساده و مقیاس بزرگ برای تولید فیلم‌های زیست‌پلاستیک سلولزی با کارایی بالا که از الیاف سلولز کربوکسی متیله شده دارای اتصالات عرضی دوگانه (dual-crosslinked) ازلحاظ شیمیایی سازگار (CMFs) (carboxymethylated cellulose fibers) ساخته‌شده‌اند، توصیف می‌کند.
تجمع پلی‌استر مصنوعی در این سیاره خطری برای محیط‌زیست به همراه داشته است. به دلیل مزایایش قابلیت بازیافت، شفافیت نوری و در دسترس بودن منابع، فیلم سلولزی اخیراً به یکی از جذاب‌ترین جایگزین‌ها برای جایگزینی پلیمرهای مبتنی بر نفت تبدیل‌شده است.
روش‌های معمولی برای ساخت فیلم‌های سلولزی، مانند فیلتر خلأ و ریخته‌گری محلولی، اما برای صنعتی شدن زمان‌بر و گران‌قیمت هستند. علاوه بر این، این فیلم‌ها هنوز مقاومت به آب و خواص مکانیکی پایینی در رطوبت بالا دارند درحالی‌که آن‌ها را برای کاربردهای دنیای واقعی نامناسب می‌کند.
سلولز یک پلاستیک زیستی مهم
پلاستیک‌ها که از ترکیبات نفتی بی‌شماری ساخته‌شده‌اند، نقش اساسی در حیات انسان و صنعت بازی می‌کنند. اما به دلیل تجزیه‌ناپذیری زیستی و دفع پیچیده فاضلابشان، آلاینده‌های روزافزونی در سیاره ما جمع‌آوری‌شده و به‌تدریج به ذخیره غذایی نفوذ می‌کنند درحالی‌که عواقب جدی برای سلامتی و زیست‌محیطی ایجاد می‌کنند.محققان برای غلبه بر چنین معضلی، مفهوم "زیست‌پلاستیک" را برای جایگزینی کامل پلیمرهای مبتنی بر پتروشیمی پیشنهاد کرده‌اند.
پلاستیک‌های زیستی مشتق شده از مواد زیست‌توده می‌توانند وابستگی به سوخت را کاهش دهند، پایداری انرژی را افزایش دهند، و دی‌اکسید کربن و آلاینده‌های ذرات پلاستیک را کاهش دهند.
علاوه بر این، سلولز، رایج‌ترین زیست‌توده تولیدشده از درختان و گیاهان روی این سیاره، به‌طور گسترده برای ساخت محصولات کاغذی و نوشت‌افزارهای سنتی، و همچنین بسته‌بندی کالاها و مواد غذایی به‌کاربرده شده است.
سلولز یک کربوهیدرات پیچیده است که از صدها یا حتی هزاران واحد گلوکز تشکیل‌شده است که هنگامی‌که آن‌ها متصل می‌شوند، یک زنجیره طولانی ایجاد می‌کند.
مزایا و کاربردهای مشتقات سلولزی
ترکیبات سلولزی سنتز شده به لحاظ شیمیایی، مانند نانوالیاف سلولز (CNF) ، نانوکریستال سلولز (CNC) و... می‌توانند از طریق واکنش گروه‌های هیدروکسیل سلولز با مواد شیمیایی مختلف، به‌طور جزئی یا کامل، ساخته شوند.
این ترکیبات سلولزی برای جایگزینی پلاستیک مبتنی بر پتروشیمی در کاربردهای بسته‌بندی، عناصر ساختمانی و رابط‌های الکتریکی به دلیل ویژگی‌های قابل بازیافت‌شان، یک‌بارمصرف و ویژگی‌های بی‌خطر ازنظر محیط‌زیست، انتخاب‌های خوبی بوده‌اند.
در سال‌های اخیر، دو استراتژی اولیه برای تولید پلاستیک‌های زیستی مبتنی بر سلولز بسیار موردتوجه قرارگرفته است: (1) قرار دادن CNF یا CNC به عنوان تقویت‌کننده در ماتریس‌های پلیمری برای بهبود ویژگی‌های ترمومکانیکی کامپوزیت‌ها.(2) ساخت فیلم‌های مبتنی بر نانوسلولز به‌طور مستقیم با استفاده از قالب‌گیری محلولی، فیلتر مکش، نشاندن بخار و روش‌های دیگر.
محدودیت‌های فیلم‌های مبتنی بر نانو سلولز
اما، جذابیت قابل‌توجه نانوسلولز برای قطرات آب ممکن است منجر به کم‌آبی محدود و اثربخشی خشک‌کردن و همچنین ویژگی‌های مکانیکی ناکافی در رطوبت بالا شود. ساخت یک فیلم مبتنی بر نانوسلولز چند ساعت یا بیش‌تر طول می‌کشد که زمان‌بر و پرهزینه است.
علی‌رغم علاقه روزافزون به نانو و/یا سلولز مولکولی یک‌بارمصرف درحالی‌که بازده عملیاتی، خواص مکانیکی و پایداری آبی در حوزه مواد زیستی دوستدار به لحاظ زیست‌محیطی را بهبود می‌دهند، یک چالش باقی می‌ماند.
درنتیجه، ایجاد یک تکنیک ساده، سریع و در مقیاس بزرگ مربوط به ساخت مواد زیستی از منابع طبیعی تجدید پذیر فراوان، که در آن نسخه نهایی باید ازنظر ساختاری قوی و قابل‌اعتماد در رطوبت بالا باشد درحالی‌که کاملاً شفاف و ازنظر محیطی بی‌خطر باشد و درنتیجه رشد صنعتی پلاستیک‌های زیستی را ارتقا دهد بسیار مهم است.
فرآیندی جدید برای ساخت فیلم‌های پلاستیکی زیستی
محققان یک تکنیک مؤثر و سنتی تولید کاغذ ارائه کردند که می‌تواند یک ورق زیست پلاستیکی مستحکم، شفاف و مقاوم در برابر آب تولید کند تا این معیارها را برآورده کند. آن‌ها بر روی الیاف سلولز میکرونی که اغلب نادیده گرفته می‌شوند، تمرکز کردند که نوید بیش‌تری را برای تولید صنعتی در مقیاس بزرگ ارائه می‌دهد.
این روش مستلزم تولید سریع CMFها و چسبندگی نیروهای الکترواستاتیکی یون‌های Al3+ و مونومرهای PAE بر روی الیاف CMF است درحالی‌که منجر به یک محلول همگن می‌شود که می‌تواند به‌راحتی با استفاده از تکنیک‌های تولید کاغذ سنتی به یک فیلم تبدیل شود. در طی مراحل پرس گرم و خشک‌کردن، پلاستیک‌های خم شونده PAE، هر دو اتصال عرضی کووالانسی با الیاف سلولزی و فرآیند خود اتصال عرضی را در بین اجزای PAE تجربه می‌کنند.
یافته‌ها و نتیجه‌گیری تحقیق
ورق بیوپلاستیک به دست آمده دارای استحکام کششی خوب (158.2 مگاپاسکال)، دوام عالی در آب، افزایش چقرمگی مرطوب، راندمان نوری بهتر و قابلیت اطمینان حرارتی فوق‌العاده ازجمله خواص دیگر است. به‌طور قابل‌توجهی، فیلم زیست‌پلاستیک مبتنی بر CMF می‌تواند به‌صورت مکانیکی تجزیه و بازیافت شود و درحالی‌که این ماده قادر است تا در طول چرخه تولید بازیافت شود.
علاوه بر این، ویژگی‌های مکانیکی فیلم مبتنی بر CMF دوباره آماده‌شده درحالی‌که لجن بازیابی شده را به کار می‌گیرند تا 9/145 مگاپاسکال بود که در مقایسه با فیلم‌های اولیه به‌سختی کاهش یافت.
این رویکرد تولید ساده، در مقیاس بزرگ و دوستدار محیط‌زیست می‌تواند منجر به ایجاد ورق پلاستیکی زیستی برای صنایع ساختمانی و تولیدی شود.
لینک خبر
https://www.azonano.com/news.aspx?newsID=38609