پلیمرهای سبز: تعریف و تولید

چکیده

پلیمرهای سبز دسته ای از مواد پایدار و سازگار با محیط زیست هستند که به عنوان جایگزینی برای پلاستیک های سنتی بر پایه نفت توجه روزافزونی را به خود جلب کرده اند. این پلیمرها از منابع طبیعی و تجدیدپذیر مانند مواد گیاهی، ضایعات کشاورزی یا مواد اولیه زیست تخریب پذیر به دست می آیند.

1. مقدمه

استفاده از پلاستیک‌ها و پلیمرهای معمول، در جامعه مدرن با کاربردهای مختلف از بسته‌بندی و کالاهای مصرفی گرفته تا خودرو و لوازم الکترونیکی اجتناب ماپذی است. با این حال، وابستگی شدید این مواد به منابع سوخت فسیلی محدود و تأثیر زیست محیطی قابل توجه آنها باعث تقاضای فزاینده برای جایگزین های پایدارتر شده است. پلیمرهای سبز که به عنوان پلیمرهای زیستی یا زیست‌تخریب‌پذیر نیز شناخته می‌شوند، راه‌حل امیدوارکننده‌ای را با استفاده از مواد خام طبیعی و تجدیدپذیر برای ایجاد مواد پلیمری با کاهش ردپای کربن (شکل 1) و بهبود مدیریت پایان عمر ارائه می‌دهند.

این پلیمرهای سازگار با محیط زیست از انواع منابع تجدیدپذیر از جمله نشاسته گیاهی، سلولز، لیگنین، روغن های گیاهی و تخمیر میکروبی به دست می آیند. آنها می توانند به گونه ای طراحی شوند که خواص عملکردی مشابهی با پلاستیک های بر پایه نفت نشان دهند، در حالی که علاوه بر این، مزایایی مانند تجزیه پذیری زیستی، کمپوست پذیری و پتانسیل بازیافت حلقه بسته را ارائه می دهند (شکل 1). توسعه پلیمرهای سبز با افزایش مقررات زیست محیطی، آگاهی مصرف کنندگان و نیاز به گذار به سمت یک اقتصاد چرخه ای، که در آن ضایعات به حداقل می رسد و منابع، استفاده مجدد می شوند، در حال رشد است.

2. زیست تخریب پذیر و زیست کمپوست پذیر

اصطلاحات زیست تخریب پذیر و زیست کمپوست پذیر به فرآیندها و نتایج مختلف مربوط به تجزیه مواد، به ویژه در زمینه های محیطی اشاره دارد (شکل 3).

زیست تخریب پذیر : یک ماده زیست تخریب پذیر قادر است از طریق عملکرد میکروارگانیسم هایی مانند باکتری ها و قارچ ها به مواد ساده تر و غیر سمی تجزیه شود. این فرآیند می تواند تحت شرایط محیطی مختلف، هم با اکسیژن (هوازی) و هم بدون اکسیژن (بی هوازی) رخ دهد. بازه زمانی برای تجزیه زیستی می تواند به طور گسترده ای متفاوت باشد، از روز تا سال، بسته به شرایط مواد و محیط. طبقه بندی هایی مانند “به آسانی قابل تجزیه زیستی” وجود دارد که معمولاً به موادی اشاره دارد که در عرض 28 روز تجزیه می شوند. محصولات نهایی تجزیه زیستی عموماً دی اکسید کربن، آب و زیست توده هستند که می توانند بدون ایجاد آسیب طولانی مدت در اکوسیستم دوباره ادغام شوند (شکل 4).

زیست کمپوست پذیر: مواد زیست‌کمپوست‌پذیر زیرمجموعه‌ای از مواد زیست تخریب‌پذیر هستند که نه تنها به اجزای غیر سمی تجزیه می‌شوند، بلکه این کار را به‌طور خاص در محیط کمپوست انجام می‌دهند. این فرآیند معمولاً توسط انسان مدیریت می شود و تحت شرایط کنترل شده ای رخ می دهد که تجزیه را بهینه می کند. انتظار می رود که مواد قابل کمپوست سریعتر از مواد زیست تخریب پذیر عمومی، اغلب در عرض چند ماه، به دلیل شرایط ایده آل ارائه شده در سیستم های کمپوست (مانند دما، رطوبت و هوادهی مطلوب) تجزیه شوند. محصولات نهایی کمپوست شامل هوموس – یک ماده آلی غنی از مواد مغذی است که سلامت خاک را افزایش می دهد – به همراه دی اکسید کربن و آب است. کمپوست همچنین میکروارگانیسم های مفیدی تولید می کند که کیفیت خاک را بهبود می بخشد (شکل 5).

تفاوت های زیست تخریب پذیر و زیست کامپوست پذیر در جدول زیر ارئه شده است:

در اصل، در حالی که همه مواد زیست کمپوست پذیر، زیست تخریب پذیر هستند، همه مواد زیست تخریب پذیر لزوما برای محیط های کمپوست مناسب نیستند.

3. روش های تولید پلیمرهای سبز

پلیمرهای سبز را می توان از راه های مختلفی از جمله سنتز شیمیایی، کاتالیست آنزیمی و تخمیر میکروبی تولید کرد. برخی از رایج ترین روش های تولید عبارتند از:
1. پلی لاکتیک اسید (PLA): PLA یک پلیمر زیست تخریب پذیر و کمپوست پذیر است که از منابع تجدیدپذیر مانند ذرت، نیشکر یا کاساوا به دست می آید. معمولاً از طریق پلیمریزاسیون اسید لاکتیک تولید می شود که از طریق تخمیر کربوهیدرات ها به دست می آید (شکل 6). PLA را می توان به گونه ای طراحی کرد که دارای طیف گسترده ای از خواص فیزیکی و مکانیکی باشد، که آن را به یک ماده همه کاره برای کاربردهای مختلف تبدیل می کند.

2. پلی هیدروکسی آلکانوات ها (PHAs): PHA ها خانواده ای از پلی استرهای زیست تخریب پذیر هستند که توسط میکروارگانیسم های خاصی به عنوان ترکیبات ذخیره کربن و انرژی تولید می شوند. آنها را می توان از طریق تخمیر باکتریایی قندها یا لیپیدها با استفاده از میکروب هایی مانند Cupriavidus necator یا گونه Pseudomonas سنتز کرد. PHA ها خواصی شبیه به پلاستیک های معمولی دارند، اما با مزیت اضافه این که کاملا زیست تخریب پذیر هستند (شکل 7).

3. پلیمرهای بر پایه سلولز: سلولز، فراوان ترین پلیمر طبیعی روی زمین، می تواند برای تولید انواع پلیمرهای سبز رنگ از جمله استات سلولز، نیترات سلولز و اترهای سلولز استفاده شود. این مواد را می توان از منابعی مانند خمیر چوب، بقایای کشاورزی یا کاغذ بازیافتی به دست آورد. پلیمرهای بر پایه سلولز دارای خواص مکانیکی عالی و تجزیه پذیری زیستی هستند. همچنین پتانسیل تغییرات شیمیایی برای تنظیم کردن ویژگی های آنها نیز وجود دارد.

4. پلیمرهای بر پایه نشاسته: نشاسته که از منابعی مانند ذرت، گندم یا سیب زمینی به دست می آید، می تواند از نظر شیمیایی یا آنزیمی اصلاح شود تا پلیمرهای زیست تخریب پذیر با طیف وسیعی از کاربردها ایجاد شود. مواد بر پایه نشاسته اغلب با سایر پلیمرهای زیستی یا افزودنی های مصنوعی ترکیب می شوند تا خواص مکانیکی و حرارتی و همچنین قابلیت پردازش آنها را بهبود بخشند (شکل 9).

5. پلیمرهای بر پایه لیگنین: لیگنین، یک پلیمر معطر پیچیده است که در دیواره سلولی گیاهان یافت می شود، می تواند به عنوان ماده اولیه تجدیدپذیر برای تولید پلیمرهای سبز مختلف استفاده شود. لیگنین را می توان از منابع زیست توده مانند چوب، ضایعات کشاورزی یا محصولات جانبی صنعت خمیر و کاغذ استخراج کرد و سپس به صورت شیمیایی یا آنزیمی برای ایجاد مواد پلیمری پردازش کرد (شکل 10). پلیمرهای بر پایه لیگنین خواص منحصر به فردی از جمله پایداری حرارتی، فعالیت آنتی اکسیدانی و پتانسیل تولید فیبر کربن را نشان می دهند.

جمع بندی:

پلیمرهای سبز راه حلی امیدوارکننده برای چالش های زیست محیطی ناشی از پلاستیک های مبتنی بر نفت معمولی هستند. این مواد با استفاده از مواد اولیه تجدیدپذیر و زیست تخریب پذیر، مسیر پایدارتری را با پتانسیل کاهش ضایعات، انتشار گازهای گلخانه ای و وابستگی به منابع سوخت فسیلی محدود ارائه می دهند. با ادامه پیشرفت تحقیق و توسعه در این زمینه، انتظار می‌رود که پذیرش پلیمرهای سبز تسریع شود که منجر به آینده‌ای آگاه‌تر از محیط زیست برای صنعت پلیمر می‌شود.

با این حال، پذیرش گسترده پلیمرهای سبز هنوز با چالش هایی مانند نیاز به بهینه سازی بیشتر فرآیندهای تولید، رقابت هزینه با پلاستیک های سنتی و توسعه زیرساخت های بازیافت و دفع موثر مواجه است. تلاش‌های تحقیقاتی در حال انجام بر روی پرداختن به این چالش‌ها، کاوش در منابع جدید خوراک، بهبود عملکرد پلیمرهای سبز، و توسعه فرآیندهای نوآورانه و استراتژی‌های مدیریت پایان عمر متمرکز است.

References

Babu, R. P., O’Connor, K., & Seeram, R. (2013). Current progress on bio-based polymers and their future trends. Progress in Biomaterials, 2(1), 8.

Gandini, A. (2008). Polymers from renewable resources: a challenge for the future of macromolecular materials. Macromolecules, 41(24), 9491-9504.

Jem, K. J., & Tan, B. (2020). The development and challenges of poly (lactic acid) and poly (glycolic acid). Advanced Industrial and Engineering Polymer Research, 3(2), 60-70.

Narancic, T., Cerrone, F., Beagan, N., & O’Connor, K. E. (2020). Recent advances in bioplastics: application and biodegradation. Biochemical Society Transactions, 48(4), 1279-1288.

Storz, H., & Vorlop, K. D. (2013). Bio-based plastics: status, challenges and trends. Landbauforschung, 63(4), 321-332.

Gupta, A. P., & Kumar, V. (2007). New emerging trends in synthetic biodegradable polymers–Polylactide: A critique. European Polymer Journal, 43(10), 4053-4074.

Kalia, S., Dufresne, A., Cherian, B. M., Kaith, B. S., Avérous, L., Njuguna, J., & Nassiopoulos, E. (2011). Cellulose-based bio-and nanocomposites: a review. International journal of polymer science, 2011.

Satyanarayana, K. G., Arizaga, G. G., & Wypych, F. (2009). Biodegradable composites based on lignocellulosic fibers—An overview. Progress in Polymer Science, 34(9), 982-1021.

گرداورنده مطالب: دکتر مهرناز بهادری