ظهور پلاستیک‌های‌ زیستی با‌دوام و دوست‌دار محیط زیست

منتشر شده در شنبه, 05 بهمن 1398 16:40

نسخه‌های بادوام و مهندسی‌شده از پلاستیک‌ها‌ی‌زیستی در ماشین‌ها، لوازم الکترونیکی مصرفی و هم‌چنین وسایل برقی خانگی و اسباب بازی‌ها در حال ظهور هستند. پس از گذشت چند نسل از توسعه‌ی مواد؛ پلاستیک‌ها‌ی‌زیستی در حال سبزتر شدن (از طریق افزایش محتوای زیستی پلیمرهای پایه) و بادوام‌تر شدن (از طریق فرمول‌های پیچیده‌تر نسبت به قبل) هستند.

علاوه بر کاربردهای معمولی چون بسته‌‎بندی؛ پلاستیک‌ها به طور فزاینده‌ای با رعایت استانداردهای مهندسی و به شکلی بادوام در صنعت خودرو، الکترونیک و کالاهای مصرفی استفاده می‌شوند. برخی از کاربردهای اخیر پلاستیک‌ها‌ی‌زیستی که از اهمیت بالایی نیز برخوردار است، ساخت اولین یخچال‌فریزر زیستی در جهان و عناصر گیاهی استفاده شده در قطعات لگو (LEGO) است.

غول تولیدکننده‌ی لوازم‌خانگی –Electrolux– این یخچال فریزر را ساخته است. این یخچال با تمام قطعات پلاستیکی قابل رؤیت آن که از نوع پلاستیک‌زیستی می‌باشد؛ بخشی از استراتژی این شرکت برای ساخت لوازم‌خانگی سازگارتر با محیطزیست می‌باشد. آربا کوکالاری (Arba Kokalari) -مدیر روابط عمومی و روابط رسانه‌های گروهی الکترولوکس- می‌گوید: “برای ساخت پلاستیک‌زیستی، از مواد گیاهی مانند ذرت یا نیشکر به عنوان ماده‌ی اولیه استفاده می‌شود. این پلاستیک‌زیستی در واقع، اسید پلی‌لاکتیک بوده که تحت برند Ingeo از سوی شرکت NatureWorks عرضه می‌شود.”الکترولوکس در حال حاضر تاریخ عرضه‌ی رسمی این یخچال را به بازار تعیین نکرده است.”

اثر کربن برند Ingeo بیش از ۸۰ درصد پایین‌تر از پلاستیک‌های معمولی ساخته شده از مواد نفتی است، و قابل بازیافت نیز می‌باشد. کوکالانی در بخش دیگری از مطالب خود آورده است: “این کاهش در انتشار گازهای معادل کربن‌دی‌اکسید، با توجه به مواد استاندارد به کار گرفته شده در ساخت یخچال‌ها، که عمدتاً بر پایه‌ی پلی‌استیرن می‌باشد، محاسبه شده است.” مطابق با اطلاعات موجود در وب‌سایت این شرکت، نیچرورکس در حال بررسی فناوری جدیدی است که به جای استفاده از گیاهان، از میکروارگانیسم‌ها برای تبدیل مستقیم گازهای گلخانه‌ای به اسیدلاکتیک بهره می‌گیرد.

در ماه مارس، گروه LEGO تولید اولین رده از قطعات اسباب‌بازی خود را که از مواد زیست‌سازگار تهیه شده‌اند، شروع کرد. قطعات لگو شامل برگ‌ها، بوته‌ها و درختان از پلی‌اتیلن‌ پلاستیک‌زیستی ساخته می‌شوند که دارای استاندارد Bonsucro Chain of Custody می‌باشد. گروه LEGO اعلام نموده است که قطعات پلاستیک‌زیستی، اولین گام در تعهد این شرکت برای استفاده از مواد زیست‌سازگار در محصولات اصلی و بسته‌بندی تا سال ۲۰۳۰ است. لگو هم‌چنین در نظر دارد تا موعد ذکر شده، تولید پسماند خود را به صفر کاهش دهد.

رشد پیوسته‌ی صنعت پلاستیک‌زیستی

صنعت پلاستیک‌زیستی در جهان به طور پیوسته در حال رشد می‌باشد. پیش‌بینی شده است تا سال ۲۰۲۲، رشد صنعت پلاستیک‌زیستی تا ۲۰ درصد نیز افزایش یابد. این گزارش از سوی European Bioplastics، که یک سازمان صنعتی است، منتشر شده است. اگرچه بسته‌بندی هم‌چنان به عنوان بزرگ‌ترین حوزه‌ی کاربرد پابرجا مانده است، ولی پلاستیک‌های زیستی در چندین بخش دیگر مانند خودرو، کالاهای مصرفی و الکترونیک نیز مورد استفاده قرار می‌گیرند.

مطابق با گزارش فوق، ۵۶ درصد از تولید جهانی پلاستیک‌های‌زیستی غیر زیست‌تخریب‌پذیر، شامل پلی‌اتیلن، پلی‌اتیلن‌ترفتالات و پلی‌آمید می‌باشد. اگرچه تولید پلی‌اتیلن و پلی‌آمید تا سال ۲۰۲۲ توسعه خواهد یافت، اما تولید پلی‌اتیلن‌ترفتالات ثابت نگه داشته خواهد شد.

انتظار می‌رود پلاستیک‌زیستی جدیدی -پلی‌اتیلن‌فورانات- در سال ۲۰۲۰ به منظور جایگزینی پلی‌اتیلن‌ترفتالات وارد بازار شود. پلی‌اتیلن‌فورانات، صد درصد زیستی بوده و دارای خواص مکانیکی مشابه است. علاوه بر آن، پلی‌اتیلن‌فورانات مشخصه‌های حرارتی و حفاظتی بهتری نیز برای بسته‌بندی دارد. انتظار می‌رود تولید پلی‌پروپیلن زیستی نیز در مقیاس تجاری، تقریباً به طور هم‌زمان، برای طیف گسترده‌ای از کاربردها آغاز شود.

سال گذشته، Eastman Chemical Company نوع جدیدی از پلاستیک‌زیستی مهندسی بر پایه‌ی مواد سلولزی را معرفی کرد که TREVA نام داشت. TREVA از آن زمان تا کنون، موفق به کسب نشان USDA Certified BioBased Product از برنامه‌ی BioPreferred وزرات کشاورزی امریکا شده است که نشان می‌دهد دو نوع معرفی شده از این ماده، به ترتیب دارای ۴۵ و ۴۲ درصد محتوای زیستی است.

هالی الکساندر -مدیر بخش نوآوری‌های استراتژیکی زیست‌سازگاری جهانی در شرکت ایستمن- در گفت‌وگویی با Design News اذعان داشت: “در مقایسه با بسیاری از پلاستیک‌های‌زیستی دیگر، TREVA کارایی و دوامی را ارائه می‌دهد که به طور معمول به فرآیند آلیاژسازی و یا ترکیب نمودن مواد مختلف به منظور دستیابی به چنین سطحی نیاز است.”

کریس اسکارازو -مدیر بازار در حال توسعه‌ی شرکت ایستمن- در گفت‌وگو با Design News عنوان کرد: “ماده‌ی جدید یکی از اولین پلیمرهای‌زیستی است که عملکرد پلیمر حاصل از نفت را با قیمت مناسب در مقایسه با سایر رزین‌های مهندسی ارائه می‌دهد.”

به عنوان مثال، TREVA دارای عملکرد خوبی در برابر ضربه و فرسودگی ناشی از گرما و رطوبت می‌باشد. این محصول هم‌چنین در برابر پرتو فرابنفش مقاوم است و سرعت جریان و ثبات ابعادی خوبی دارد. TREVA از نظر عملکرد با پلی‌کربنات و PC/ABS (استریل بوتادین آکریلونیتریل/PC) مطابقت نسبتاً خوبی دارد، ولی از مقاومت شیمیایی بهتری برخوردار است.

اسکارازو افزود: “در حال حاضر، این ماده تحت ارزیابی در بازارهایی است که مسئله‌ی زیست در آن‌ها از اهمیت برخوردار باشد، اما عملکرد و هزینه‌ی رقابتی نیز یک ضرورت است.” این بازارها شامل قطعات داخلی خودرو، کالاهای مصرفی با دوام طولانی‌مدت، لوازم الکترونیکی مصرفی، مبلمان اداری و اسباب‌بازی‌ها می‌باشد. سری Kalix 1000 HPPA، محصول شرکت Solvay، یکی دیگر از پلاستیک‌های‌زیستی جدید مهندسی‌شده می‌باشد که به طور ۱۰۰ درصدی از مواد زیستی در ساخت پلیمر پایه‌ی آن استفاده شده است.

توماس کوهنرت -مدیر تولید دو محصول Ixef PARA و Kalix Omnix HPPA به Design News گفت: “خط تولید Kalix HPPA در درجه‌ی اول در بازار لوازم الکترونیکی مصرفی تلفن همراه برای قطعات ساختاری درون دستگاه‌های مختلف مورد استفاده قرار خواهد گرفت.” این یک ترکیب اصلاح‌شده با مواد غیر زیستی، مانند پرکننده‌های معدنی و الیاف شیشه برای دستیابی به ویژگی‌های مورد نیاز است، که دارای استحکام و سختی بالا، پردازش بهبود یافته و پرداخت سطح با کیفیت بالا می‌باشد. اولین سری زیستی در این خط مهندسی، مدل ۲۰۰۰ بود که در سال ۲۰۱۳ معرفی گردید. این محصول تقریباً ۳۰ درصد مبتنی بر زیست بود.

کوهنرت ادامه می‌دهد: “پس از توسعه‌ی بیشتر مواد زیستی خام از زمان عرضه‌ی اولین سری محصولات، پروفایل ویژگی‌هایی که درحال حاضر برای قطعات ساختاری قابل دستیابی می‌باشد، در مقایسه با چند سال قبل در وضعیت بسیار بهتری قرار دارد. در عین حال، مشتریان درصد بیشتری از مواد زیستی را تقاضا کرده‌اند و صنعت در حال تلاش برای پیش‌روی به سمت موادی است که ۱۰۰ درصد زیستی باشند. نتیجه‌ی کار، ترکیبات Kalix 1000 نسل بعدی ما است. مواد ۱۰۰ درصد زیستی در پلیمر پایه‌، موادی هستند که پلیمر پایه در آن‌ها با پلیمرهای نفتی ترکیب نشده و یا با مونومرهای نفتی پلیمریزه نمی‌گردد.”

خودروسازی مبتنی بر پلاستیک‌های زیستی

طراحی یک خودروی برقی با استفاده از پلاستیک‌های‌زیستی قابل بازیافت، هدف بلند مدت یک تیم دانشجویی در دانشگاه فنی آیندهوون هلند بوده است. طرح آن‌ها توسط بنیاد Ellen MacArthur حمایت شده است. این تیم دانشجویی که TU/ecomotive نام دارد، اخیراً از Noah رونمایی کرده است. Noah جدیدترین ماشین آن‌هاست که از مواد زیستی ساخته شده است.

شاسی، بدنه و بخش داخلی Noah نیز همانند مدل قبلی ارائه شده توسط این گروه که Lina نام داشت، به طور کامل از کامپوزیت‌های‌زیستی مبتنی بر کتان ساخته شده است. اما در حالی که کامپوزیت‌های استفاده شده در Lina ترکیبی از کتان با زیرساخت PP بود، زیرساخت نوآ از PLA بر پایه‌ی نیشکر ساخته شده است. این باعث می‌شود قطعات آن به طورکامل قابل بازیافت باشد.

این اجزاء نیز به گونه‌ای طراحی شده‌اند که بتوانند به راحتی در صورت بازیافت جدا شوند. شاسی از یک ساندویچ ساخته شده که ترکیبی از کامپوزیت‌زیستی با یک هسته‌ی لانه زنبوری از جنس PLA مبتنی بر نیشکر می‌باشد. خودروی برقی Noah با گنجایش دو سرنشین و یک موتور ۱۵ کیلو واتی، تنها 350 کیلوگرم وزن داشته و می‌تواند به سرعت  ۱۰۰ کیلومتر در ساعت با بردی بالغ بر ۲۴۰ کیلومتر دست یابد. این تیم دانشجویی از تابستان امسال شروع به کار خواهد نمود.

پلاستیک‌های‌زیستی زیست‌تخریب‌پذیر جدید

بر اساس گزارش European Bioplastics  محرکان اصلی رشد در پلاستیک‌های زیست‌تخریب‌پذیر تا سال ۲۰۲۲، PLA  همراه با گروهی از ترکیبات تازه وارد به نام PHAها خواهد بود. PHAها یا پلی‌هیدروکسی‌آلکانیاها، برای چندین سال در دست توسعه بوده‌اند. تولید PLA تا سال ۲۰۲۲ بالغ بر ۵۰ درصد افزایش پیدا خواهد کرد؛ اما برای PHAها که در حال حاضر در مقیاس تجاری وارد بازار می‌شوند، انتظار می‌رود که ظرفیت تولید تا سال ۲۰۲۲ سه برابر گردد. این ترکیبات ۱۰۰ درصد زیستی بوده و برای طیف گسترده‌ای از خواص مکانیکی و فیزیکی قابل طراحی می‌باشند.

پس از ارزیابی طیف وسیعی از پلیمرهای‌زیستی زیست‌تخریب‌پذیر –شامل PLA، PHA، PBS و ترکیبات نشاسته– شرکت طراحی و مهندسی Cambridge Consultants، طیف گسترده‌ای از محصولات پلاستیکی زیست‌تخریب‌پذیر را برای خدمات مواد غذایی طراحی نمود. کاترین جوس -سرپرست اقتصاد مدور و بخش زیست‌سازگاری این شرکت- گفت: “تمامی این اقلام را می‌توان از انواع مختلف PHA تولید نمود.”

تا به حال، استفاده از پلاستیک‌ها‌زیستی در خدمات مواد غذایی به دلیل عملکرد ضعیف در دماهای بالا، هزینه و عرضه‌ی محدود، با دشواری مواجه شده است. برای نمونه، استفاده از PLA مشتق شده از نشاسته‌ی ذرت برای لیوان‌های مخصوص نوشیدنی سرد رواج دارد، اما همان مواد را نمی‌توان در ساخت لیوان مخصوص نوشیدنی گرم مورد استفاده قرار داد.

این شرکت یک سینی پذیرایی، نگه‌دارنده‌ی یکبار مصرف قهوه، سینی ماکروویو، نی‌ نوشیدنی و یک فنجان را طراحی کرده که همه‌ی آن‌ها نیاز به مشخصه‌های مختلفی دارند. جوس چنین می‌نویسد: “سینی باید محکم و بادوام باشد، نگه‌دارنده‌ی قهوه نیاز به مقاومت در برابر درجه حرارت بالا دارد، نی باید انعطاف‌پذیر باشد و ظرف ماکروویو نیز باید در دماهای بالا بادوام باشد. نکته‌ی اصلی این است که شما می‌توانید خواص PHAها را تنظیم نمایید.” این اولین فاز اجرایی از استراتژی گسترده‌تر شرکت در زمینه‌ی یکپارچه‌سازی پلاستیک‌ها‌زیستی با ابزار طراحی محصول در طیف وسیعی از صنایع است. این شرکت در ادامه‌ی سال جاری به توسعه‌ی نمونه‌های محصولات، مشغول خواهد بود.

مجله زیست فن

• محیط زیست
• پلاستیک زیستی