Nhu cầu về polymer phân hủy sinh học đang là xu hướng phát triển quan trọng liên quan đến môi trường. Ngày nay người tiêu dùng luôn quan tâm đến sự phát triển công nghiệp, lượng khí CO2 thải ra và bảo tồn nguồn nhiên liệu hóa thạch. Một số thương hiệu lớn của thế giới như Wal Mart đang chuyển hướng sử dụng nhựa từ dầu khí sang nhựa phân hủy sinh học. Xu hướng sử dụng polymer phân hủy sinh học đang được hưởng lợi từ sự thu hẹp khoảng cách về giá giữa polymer từ dầu mỏ và polymer phân hủy sinh học trong vài năm trở lại đây.
Polymer phân hủy sinh học đã được nghiên cứu cách đây hơn 1 thập kỷ, tuy nhiên sản phẩm mới được đưa ra thương mại trong vòng 5-7 năm trở lại đây. Polymer phân hủy sinh học được ưu tiên sử dụng trong một số lĩnh vực như bao bì thực phẩm, túi xách và bao tải, màng phủ nông nghiệp và một số ứng dụng thích hợp. Các nhà cung cấp lớn đang tấn công vào thị trường có thể kể đến như NatureWorks LLC, Novamont và BASF.
Có thể bạn quan tâm:
- Ưu và nhược điểm của bao bì phân hủy sinh học
- Lập kế hoạch kinh doanh sản phẩm nhựa sinh học với 4 bước
- Nhựa sinh học được làm từ gì? Các cách làm ra nhựa sinh học
1. Định nghĩa polymer phân hủy sinh học
Theo ASTM, chất dẻo phân huỷ sinh học là một chất dẻo phân huỷ, trong đó kết quả suy thoái từ tác động của tự nhiên vi sinh vật như vi khuẩn, nấm và tảo.
Tiêu chuẩn hóa các tổ chức như CEN, Tổ chức tiêu chuẩn quốc tế (ISO) và tiêu chuẩn Mỹ (ASTM), tiêu chuẩn của Châu U EN 13432 khuyến khích phát triển các xét nghiệm tiêu chuẩn để phân huỷ sinh học này có thể được xác định. Nhu cầu trên thế giới ngày càng tăng về tiêu chuẩn cho việc đánh giá sự phù hợp của vật liệu trùng hợp để xử lý chất thải cụ thể trong dòng nhựa phân rã hoặc phân rã kỵ khí.
2. Cơ chế của sự phân hủy polymer
Phân huỷ sinh học thường được định nghĩa là sự thoái hóa gây ra bởi hoạt động sinh học, nó thường sẽ xảy ra đồng thời với, và đôi khi được khởi xướng bởi, sự thoái hóa không phải sinh học như quá trình quang hóa và thủy phân.
Nhiều polymer khác nhau có thể thủy phân, các cơ chế khác nhau của thủy phân thường hiện diện trong hầu hết các môi trường.
Sự thoái hóa sinh học diễn ra thông qua các hoạt động của các enzym hoặc bởi các sản phẩm (chẳng hạn như axit và peroxit) tiết ra bởi các vi sinh vật (vi khuẩn, nấm men). Ngoài ra, các vi sinh vật có thể ăn, và đôi khi tiêu hóa polyme, và một số nguyên nhân tác động bởi cơ học, hóa chất và lão hóa enzymic.
3. Phương pháp xác định sự phân hủy sinh học
Do các cơ chế khác nhau về sự phân huỷ sinh học của polymer, sự phân huỷ sinh học không chỉ phụ thuộc vào hóa học polymer, mà còn có sự hiện diện của hệ thống sinh học tham gia vào quá trình này. Khi nghiên cứu sự phân hủy sinh học của vật liệu, ảnh hưởng của môi trường là yếu tố không thể bỏ qua. Vi khuẩn hoạt động và sự phân hủy sinh học chịu ảnh hưởng bởi:
- Sự hiện diện của vi sinh vật
- Tình trạng sẵn có của oxi
- Lượng nước sẵn
- Nhiệt độ
- Hóa chất môi trường (pH, điện, vv)
Bốn phương pháp tiếp cận thông thường có sẵn để nghiên cứu các quá trình phân huỷ sinh học được sử dụng.
- Giám sát sự phát triển của vi khuẩn
- Giám sát sự suy giảm của nền
- Giám sát phản ứng sản phẩm
- Giám sát sự thay đổi trong tính chất nền
4. Các yếu tố ảnh hưởng đến sự phân hủy sinh học
Có 3 yếu tố tác động đến quá trình phân hủy sinh học:
- Môi trường là một yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến tỷ lệ và mức độ phân huỷ sinh học của các chất nền polymer.
- Hóa học polymer điều chỉnh các tính chất vật lý và hóa học của vật liệu và tương tác của nó với môi trường , do đó ảnh hưởng đến sự phân rã của vật liệu với các cơ chế thoái hóa cụ thể.
- Khả năng tiếp cận của polymer với các enzym là cực kỳ quan trọng bởi vì bước đầu tiên trong sự xuống cấp của chất dẻo thường liên quan đến các hành động của các enzym ngoại bào.
5. Phân loại polymer phân hủy sinh học
Có ba loại polyme phân huỷ sinh học thương mại:- Polyme không biến tính có nguồn gốc từ tự nhiên dễ bị vi khuẩn –enzyme tấn công.- Polyme tổng hợp, chủ yếu là polyester.- Polyme phân huỷ sinh học tự nhiên đã được biến tính với các chất phụ gia và chất độn.
6. Một số polymer phân hủy sinh học trên thị trường
Naturally Biodegradable Polymers
Polyme tự nhiên được sản xuất trong tự nhiên của tất cả các sinh vật sống. Phản ứng phân huỷ sinh học thường được enzym làm xúc tác và xuất hiện trong dung dịch nước. Phân tử tự nhiên có chứa liên kết hydrolysable, chẳng hạn như protein, cellulose, và tinh bột, nói chung là dễ bị phân huỷ sinh học bởi các enzym thủy phân của vi sinh vật. Do đó, tính đặc trưng kỵ nước/ưa nước của polymer ảnh hưởng lớn đến sự phân hủy sinh học của chúng. Nó cũng có tác động lớn đến hiệu suất và độ bền trong điều kiện ẩm ướt.
Polysaccharides như tinh bột phổ biến nhất trong tự nhiên. Polyester béo như polyhydroxyalkanoates (PHA) cũng là một dòng polymer phân huỷ sinh học trong tự nhiên đang bắt đầu được ứng dụng thương mại.
Synthetic Biodegradable Polymers
Trong khi các polyme tự nhiên được sản xuất bởi sinh vật sống, polymer phân huỷ sinh học tổng hợp chỉ được sản xuất bởi con người.
Các loại chính của các polyme phân huỷ sinh học tổng hợp bao gồm các polyeste béo với một liên kết hydrolysable cùng chuỗi polymer như axit polylactic (PLA).
Modified Naturally Biodegradable Polymers
Trong những năm qua, nhiều nỗ lực đã được thực hiện để cải thiện loại polyme phân hủy sinh học tổng hợp bằng cách kết hợp các vật liệu có nguồn gốc từ polysaccharide.
Vật liệu polymer phân huỷ sinh học tự nhiên nổi bật nhất được sử dụng thương mại được sản xuất bởi Novamont dưới tên thương mại Mater-Bi. Công nghệ này dựa trên nguyên liệu chủ yếu là tinh bột. Novamont sản xuất một vài loại Mater-Bi khác nhau, tất cả có chứa tinh bột với thành phần tổng hợp khác nhau như Polycaprolactone (PCL). Các tài liệu thu được phù hợp cho sản xuất màng film và tấm, ép phun.
Starch-Based Biodegradable Polymers
Trong tự nhiên, ngoài tinh bột có sẵn thì loại thứ hai kể đến là cellulose. Các nguồn công nghiệp quan trọng nhất là tinh bột bắp, lúa mì, khoai tây, khoai mì và gạo.
Tinh bột hoàn toàn phân huỷ sinh học trong nhiều môi trường và do đó cho phép phát triển các sản phẩm phân hủy hoàn toàn cho nhu cầu thị trường cụ thể. Sự thoái hóa hoặc thiêu đốt các sản phẩm tinh bột tái trong quá trình tái chế không làm cho trái đất nóng lên.
Polyhydroxyalkanoates
Polyhydroxyalkonates (PHA) là một thuật ngữ thuộc họ polyester béo được sản xuất bởi các vi sinh vật có khả năng phân huỷ sinh học. Chúng cung cấp một dãy rộng các tính chất vật lý của nhựa từ cứng và giòn đến đàn hồi.
Ứng dụng của PHA
– Thực phẩm đóng gói
– Đồ gia dụng
– Thiết bị Điện và điện tử gia dụng
– Màng phủ nông nghiệp
– Một số sản phẩm trong Y tế (các tấm xương và khâu vết thương phẫu thuật)
Polylactic Acid Polyesters
Acid polylactic (PLA) là một polymer phân hủy sinh học có nguồn gốc từ acid lactic. Nó là một vật liệu đa năng và được làm từ 100% nguồn tài nguyên tái tạo như bắp, củ cải đường, lúa mì và các sản phẩm starchrich khác. Polylactic acid nhiều tính năng mà tương đương hoặc tốt hơn so với nhiều chất dẻo dựa trên dầu khí, mà làm cho nó thích hợp cho nhiều ứng dụng.
Vật liệu này có thấp hơn độ bền kéo đứt, kéo dài cao hơn, và một thời gian thoái hóa nhanh chóng hơn nhiều. PLA là khoảng 37% tinh thể, với điểm nóng chảy của 175-178 ° C và nhiệt độ chuyển hóa thủy tinh 60-65 ° C. process.
PLA cũng so sánh với nhựa hóa dầu dựa vào ứng dụng cho bao bì. Độ trong và bóng như polystyrene, đó là khả năng chịu độ ẩm và dầu mỡ, nó có tính cản mùi tương tự như polyethylene terephthalate (PET). Độ bền kéo và độ giãn dài, độ đàn hồi của PLA cũng được so sánh với PET.
Polycaprolactone (PCL)
Các polyme mạch vòng ε-caprolactone là một loại polymer bán kết tinh với điểm nóng chảy là 59-64 ° C và nhiệt độ chuyển hóa thủy tinh -60 ° C. polymer này có khả năng tương thích cao và ban đầu được sử dụng trong lĩnh vực y tế như là vật liệu khâu vá phân huỷ sinh học ở châu Âu.
Lợi ích khi pha trộn với năng lượng tái tạo:
- Chống ẩm và độ bền trong hỗn hợp tinh bột và tinh bột nhiệt dẻo (TPS)
- Tăng cường tính linh hoạt và độ bền va đập trong hỗn hợp với polylactide (PLA)
- Chất hỗ trợ gia công và cải thiện tính chất cơ học cùng với polyhydroxyalkanoat (PHA/PHB)
Lợi ích trong hỗn hợp với nguyên liệu hóa thạch:
- Chất trợ xử lý thúc đẩy quá trình phân hủy sinh học
- Liên hệ thực phẩm đã được phê duyệt
Các ứng dụng:
- Thành phần chính
- Phụ gia
- Pha trộn với nhựa sinh học khác
- Thích hợp cho các ứng dụng tủ lạnh và tủ đông
- Màng ứng dụng cho thực phẩm
- Thiết bị điện tử – điện thoại di động, vỏ máy
- Phụ tùng ô tô
- Đồ dùng một lần – túi ni lông, túi ủ phân, đồ sử dụng một lần
- Màng nông nghiệp, kẹp chậu, kẹp cây trồng
- Dao kéo, khay tái chế