حمض البوليلاكتيك مفضل للغاية بسبب قابليته للتحلل البيولوجي وأدائه الممتاز وتطبيقه على نطاق واسع. تقدم هذه الورقة آلية تحلل PLA، بما في ذلك الوضع الحالي لتطبيقه كبلاستيك قابل للتحلل، بالإضافة إلى طرق التحسين واتجاه التطوير المستقبلي.
ما هو ملف عديد حمض اللبنيك?
يحتوي جزيء حمض اللبنيك الواحد على مجموعة هيدروكسيل ومجموعة كربوكسيل. عندما تجتمع جزيئات حمض اللاكتيك المتعددة معًا، يتم تجفيف -OH وتكثيفه مع -COOH للجزيئات الأخرى، ويتم تجفيف -COOH وتكثيفه مع -OH للجزيئات الأخرى. وبهذه الطريقة، يعملان جنبًا إلى جنب لتكوين بوليمر يسمى حمض البوليلاكتيك. يُعرف حمض البوليلاكتيك أيضًا باسم بولي (بروبيلين جليكول) وينتمي إلى عائلة البوليستر. يتم الحصول على PLA عن طريق بلمرة حمض اللاكتيك باعتباره المادة الخام الرئيسية، وهي ذات مصادر جيدة ومتجددة. عملية إنتاج PLA خالية من التلوث. والمنتج قابل للتحلل وإعادة التدوير، مما يجعله مادة بوليمر خضراء مثالية.
آلية تدهور جيش التحرير الشعبى الصينى
PLA هو "بلاستيك أخضر" نموذجي. وهي واحدة من أكثر المواد قيمة في مجال المواد القابلة للتحلل الحيوي نظرًا لتوافقها الحيوي الجيد وقابليتها للتحلل الكامل وقابلية الامتصاص الحيوي. ويتم وصف آلية تحلل PLA أدناه.
PLA هو بوليستر أليفاتي صناعي. ويمكن تقسيم تحلله إلى تحلل مائي بسيط (محفز بقاعدة حمضية) وتحلل مائي محفز بالإنزيم. من الناحية الفيزيائية، هناك تدهور متجانس وغير متجانس. التحلل غير المتجانس يعني أن تفاعل التحلل يحدث على سطح البوليمر، بينما يحدث التحلل المتجانس داخل البوليمر. من وجهة النظر الكيميائية، هناك ثلاث طرق رئيسية للتحلل.
أولاً، تحلل السلسلة الرئيسية إلى الأوليجومرات والمونومرات.
ثانياً، التحلل المائي للسلاسل الجانبية لإنتاج بوليمرات السلسلة الرئيسية القابلة للذوبان؛،.
ثالثًا، انقسام نقطة السلسلة المتقاطعة لتوليد جزيئات كبيرة خطية قابلة للذوبان. تشير آلية التآكل الجيني إلى أن الطريقة الرئيسية لتدهور PLA هي التآكل الجيني، والسبب الأساسي هو التحلل المائي لروابط الإستر في السلسلة الجزيئية PLA. تلعب مجموعات الكربوكسيل النهائية لبوليمرات PLA دورًا تحفيزيًا في تحللها المائي. مع استمرار التحلل، تزداد كمية مجموعات الكربوكسيل النهائية، ويتسارع معدل التحلل، مما يؤدي إلى التحفيز الذاتي.
نظرًا لأن PLA يأتي من موارد متجددة، فإنه يتم بلمره وتعديله ومعالجته إلى منتجات. عندما يتم التخلص من المنتجات، يمكن أن يمتصها جسم الإنسان بالكامل أو تتحلل بواسطة الكائنات البيئية إلى ثاني أكسيد الكربون والماء، وبالتالي يستفيد الإنسان ويعود إلى الطبيعة دون تلوث. عملية إنتاج PLA خالية من التلوث. والمنتجات قابلة للتحلل الحيوي وإعادة التدوير بطبيعتها، لذا فهي مادة بوليمر خضراء مثالية. يوضح الرسم البياني أدناه عملية إعادة تدوير PLA في الطبيعة.
3 ، تحضير حمض عديد حمض اللبنيك
حاليًا، يشتمل التركيب الكيميائي لـ PLA على طريقتين: بلمرة فتح حلقة البروبيلين غليكول إستر (المعروفة أيضًا باسم طريقة الخطوتين) وتكثيف حمض اللاكتيك المباشر (المعروف أيضًا باسم طريقة الخطوة الواحدة). من بينها، تحتوي طريقة بلمرة فتح حلقة البروبيلين جليسريد على معدات بسيطة ويمكنها الحصول على PLA بوزن جزيئي كبير. العيب هو أن التكلفة أعلى، والعملية برمتها معقدة، والطريق طويل. تحتوي طريقة تكثيف حمض اللاكتيك المباشر على مصادر كافية من حامض اللاكتيك الخام، ورخيصة الثمن، ومعدل تحويل مونومر مرتفع، وعملية بسيطة. ولا يحتاج إلى تطهير الوسطيات. وبالتالي فإن التكلفة أقل. العيب هو أنه من الصعب الحصول على بوليمر عالي الوزن الجزيئي.
4 ، حالة التطبيق
التعبئة والتغليف والألياف والطبية هي المجالات الشائعة لتطبيقات سوق PLA. في سوق التعبئة والتغليف، يمثل استهلاكها حوالي 70% من إجمالي استهلاك PLA. على المدى المتوسط والطويل، سترتفع نسبة الألياف والمنسوجات إلى 50%، لتصبح أكبر سوق استهلاكي لجيش التحرير الشعبى الصينى. كمية PLA في المجال الطبي صغيرة نسبيًا، ولكن العتبة أعلى، والربح أكثر ربحية. في هذا التقرير، نركز على استخدام PLA في مواد التعبئة والتغليف.
4.1 فيلم حمض عديد حمض اللبنيك
فيلم حمض عديد حمض اللبنيك يشير إلى المواد الخام من المواد المتجددة، التي لها وظائف وخصائص المواد البلاستيكية التقليدية، ولكن يمكن أيضًا أن تتحلل وتتقلص في البيئة الطبيعية بفعل الكائنات الحية الدقيقة في التربة والمياه، وكذلك من خلال عمل الضوء فوق البنفسجي في ضوء الشمس. . وسوف يتحولون في النهاية إلى ثاني أكسيد الكربون والماء، ويعودون إلى البيئة البيئية بشكل غير سام، لذلك يُعرف أيضًا باسم “البلاستيك الأخضر”. لذلك يطلق عليه أيضًا اسم "البلاستيك الأخضر".
حاليًا ، يتوفر PLA والبوليمرات المشتركة لحمض السكسينيك والبلاستيك النشا المعدل في السوق. ومع ذلك ، لم يتم استخدامها على نطاق واسع بسبب السعر المرتفع (3-8 مرات أعلى من البلاستيك العام). وهي تقتصر على الحالات التي يصعب فيها إعادة التدوير أو تكون تكلفة إعادة التدوير مرتفعة للغاية ، مثل المسامير العظمية والخيوط الجراحية والأعضاء الاصطناعية والمواد الصيدلانية بطيئة الإطلاق.
4.2 فيلم تغليف حمض عديد حمض اللبنيك
في أبريل 2004، تم تعبئة حلوى العلامة التجارية للمزرعة الجامعية الأمريكية في غلاف تغليف المواد الطبيعية من مادة الراتنج القابلة للتحلل من حمض البوليلاكتيك (PLA). مظهر هذا الفيلم وأدائه وفيلم تغليف الحلوى التقليدي (السيلوفان أو فيلم البولي بروبيلين الموجه ثنائي المحور) متماثلان، مع شفافية بلورية، واحتفاظ ممتاز بالالتواء، وقابلية الطباعة والقوة، وحاجز أعلى، ويمكن أن يحتفظ بنكهة الحلوى بشكل أفضل.
نجحت شركة ألمانية تستخدم حمض polylactic كمواد خام في تطوير كوب طعام أخضر مع وظيفة تحلل طبيعي سريع لحل المشكلة السابقة المتمثلة في تدهور العبوات البلاستيكية التي يمكن التخلص منها ، مما يفتح طريقة جديدة للتطبيق العملي. تنتمي المواد القابلة للتحلل التي طورتها الشركة إلى بوليمر البوليستر. يمكن استخلاص حمض اللاكتيك من سائل تخمير بنجر السكر ويخضع لتفاعل بلمرة فتح الحلقة لإنتاج حمض polylactic.
في ديسمبر 2002 ، قدمت الحكومة اليابانية "مخطط إستراتيجية الهندسة الحيوية" ومبادرات أخرى لاستبدال الطاقة المستندة إلى الأحافير أو المنتجات بمواد بيولوجية لمنع الاحترار العالمي. كما شجع وعي المستهلك المتزايد بشأن حماية البيئة الشركات على استخدام البلاستيك المصنوع من مواد نباتية بالكامل.
4.3 أدوات المائدة التي تستخدم لمرة واحدة بحمض عديد حمض اللبنيك
وبينما تتوسع قدرة إنتاج جيش التحرير الشعبى الصينى واستهلاكه، فإن تطبيقات جيش التحرير الشعبى الصينى تنضج بشكل متزايد. في عام 2010، بلغ الاستهلاك العالمي لـ PLA من صناديق الغداء البلاستيكية القابلة للتصرف (PLA) حوالي 120.000 طن (راتنج نقي)، مع هيمنة أوروبا الغربية وأمريكا الشمالية على الطلب، ويتزايد الاستهلاك في آسيا. حاليًا، مجال الاستهلاك الرئيسي لـ PLA هو مواد التعبئة والتغليف، وهو ما يمثل حوالي 65% من إجمالي الاستهلاك، يليه مجال الطب الحيوي، وهو ما يمثل حوالي 26% من إجمالي الاستهلاك.
في الوقت الحاضر، تم استخدام المواد القابلة للتحلل الحيوي PLA لصنع جميع أنواع أدوات المائدة التي تستخدم لمرة واحدة، مثل الشوكة القابلة للتحلل والسكين وكوب المشروبات الباردة وما إلى ذلك.
5. مساوئ جيش التحرير الشعبى الصينى
من خلال طريقة التكثيف المباشر لحمض اللاكتيك، لا يمكن تصنيع PLA ذو الوزن الجزيئي الأعلى. وهناك بعض العيوب في مواد PLA، مثل الخواص الميكانيكية الضعيفة، ودرجة الحرارة المنخفضة جدًا لمقاومة الحرارة. كما أنها مكلفة ويصعب التحكم في وقت التدهور. كل هذا يحد من نطاق تطبيق PLA.
6 ، تحسين حمض polylactic
6.1 التعديل المادي
6.1.1 تعديل المزج
يشير تعديل المزج إلى ذوبان مزج اثنين أو أكثر من البوليمرات معًا. ثم لتحقيق غرض التعديل من خلال مضاعفة خصائص مكونات البوليمر. تعديل مزيج البوليمر هو تعديل فيزيائي، لا يغير بنية سلسلة البوليمر الجزيئية، مع الاحتفاظ بمزايا البوليمر الأصلي مع إضافة مواد جديدة. وتغيير بنية حالة التجميع، وبالتالي إعطاء البوليمر بعض الخصائص الجديدة. تعديل المزج يمكن أن يحسن خصائص البوليمر، ويقلل التكاليف، ويصنع مواد غير مكلفة ومتعددة الاستخدامات. يعد مزج البوليمرات إحدى طرق تحسين صلابة البوليمرات.
6.1.2 تعديل الملدنات
من خلال إضافة مواد بلاستيكية متوافقة حيوياً إلى مصفوفة PLA ، يتضح من دراسة التغيرات في درجة حرارة التحول الزجاجي ودرجة حرارة التبلور ونقطة الانصهار والتبلور ومعامل المرونة والاستطالة عند كسر PLA بعد البلاستيك أن إضافة الملدنات تزيد من مرونة سلاسل PLA الجزيئية ، تقلل درجة حرارة التزجج بشكل كبير ، وتقلل من معامل المرونة ، وتزيد من الاستطالة عند الكسر ، أي تزداد المتانة إلى حد ما. تظهر مقارنة خصائص التشوه والمرونة أن هذه الملدنات يمكن أن تحسن مرونة PLA ومقاومة التأثير.
6.2 التعديل الكيميائي
6.2.1 تعديل البلمرة المشتركة
يؤدي تعديل البلمرة المشتركة لـ PLA إلى تغيير خصائص البوليمر المشترك PLA عن طريق ضبط نسبة حمض اللاكتيك ومونومرات البوليمرات المشتركة الأخرى. إن PLA المبلمر هو مادة كارهة للماء، ومن الصعب التحكم في دورة التحلل. من خلال البلمرة المشتركة مع المونومرات الأخرى، يمكن تحسين الكارهة للماء وبلورة المادة. ويمكن التحكم في معدل تحلل البوليمر وفقًا للوزن الجزيئي للبوليمر المشترك، ونوع ونسبة مونومرات البوليمر المشترك، وما إلى ذلك.
6.2.2 تعديل الربط المتبادل
يشير الارتباط المتقاطع إلى عملية التفاعل الكيميائي بين سلاسل جزيئات البوليمر، مما يؤدي إلى تكوين روابط كيميائية. تتمثل العملية العامة للربط المتقاطع لـ PLA في تحسين خصائص PLA عن طريق إضافة مونومرات أخرى للارتباط المتقاطع مع PLA لتشكيل بوليمر شبكة تحت تأثير عوامل الارتباط المتقاطع أو الإشعاع. عادة ما يكون عامل التشابك عبارة عن مادة متعددة الوظائف، مثل أنهيدريد متعدد الوظائف أو بولي إيزوسيانات. ستختلف طريقة الارتباط المتبادل ودرجة الارتباط المتبادل تبعًا للحالة.
6.3 التعديل المركب
هناك طريقة أخرى لتحقيق تعديل PLA وهي تركيب PLA باستخدام تقنية التركيب. بعد التركيب ، تتمتع معظم مركبات PLA بأداء ممتاز وميزات خاصة مع توافق حيوي ممتاز وقوة ميكانيكية أفضل ومعامل مرن وقابلية للتشكيل الحراري.
خاتمة.
إن بلاستيك PLA القابل للتحلل الحيوي هو مادة خضراء مع تطوير تطبيقات متعددة الأوجه وآفاق تطوير كبيرة. وموقعها المهم في المواد القابلة للتحلل البيولوجي اليوم لا يمكن الاستغناء عنه. باعتباره أهم منتج للبوليمر الحيوي، يتمتع PLA بآفاق تطوير واسعة وسيكون محور الاهتمام في المجال الكيميائي في السنوات القادمة. ومن المتوقع أن تكون قادرة على المنافسة في بناء المنشآت الصناعية وسوق التطبيقات وتطوير الطلب والسعر والأداء.
مصادر:
