Biopolymeerit ovat luonnossa esiintyviä polymeerejä, joita elävät organismit tuottavat. Ne eroavat synteettisistä biohajoavista polymeereistä.
Fossiilisten polttoaineiden ja petrokemian tuotteiden jätteiden aiheuttaman ympäristön pilaantumisen kielteisistä vaikutuksista ollaan yhä enemmän huolissaan. Paljon tutkimusta on tehty sellaisten vaihtoehtojen löytämiseksi öljypohjaisille tuotteille, jotka ovat uusiutuvia ja biohajoavia ja siten vähemmän riskialttiita ympäristölle. Biopolymeerit ovat yksi mahdollinen ratkaisu ongelmaan, koska ne ovat tyypillisesti biohajoavia materiaaleja, joita saadaan uusiutuvista raaka-aineista. On kuitenkin huomattava, että kaikki biohajoavat polymeerit eivät ole biopolymeerejä (eli uusiutuvista raaka-aineista valmistettuja). Kuten arvata saattaa, biopolymeereihin liittyy haasteita, kuten niiden rajallinen tuotantonopeus, tuotantokustannukset ja ominaisuuksien sopivuus.
Joitakin ensimmäisiä moderneja biomateriaaleja, jotka on valmistettu luonnollisista biopolymeereistä, ovat kumi, linoleumi, selluloidi ja sellofaani. Kaksi jälkimmäistä on valmistettu selluloosasta, joka on luonnossa runsain biopolymeeri ja maapallon runsain orgaaninen materiaali, joka muodostaa kolmanneksen kaikesta kasviaineksesta. Nämä ihmisen valmistamat biopolymeerit on 1900-luvun puolivälistä lähtien korvattu lähes kaikki petrokemiallisilla materiaaleilla. Kasvavien ekologisten huolenaiheiden vuoksi biopolymeerit ovat kuitenkin herättäneet uutta kiinnostusta tiedeyhteisössä, teollisuudessa ja jopa politiikassa.
Tässä artikkelissa opit seuraavaa:
- Biopolymeerien ominaisuudet
- Biopolymeerien valmistus ja käsittely
- Biopolymeerien sovellukset
- Esimerkkejä biopolymeereistä
- Biopolymeerien biopolymeerien tulevaisuus
Biopolymeerien ominaisuudet
Biopolymeerejä kiinnostaa ennen kaikkea se, että niillä voidaan korvata monia öljytuotteista valmistettuja päivittäistavaroita. Tämä tarkoittaa, että niillä on oltava samanlaiset tai jopa paremmat ominaisuudet kuin niillä korvattavilla materiaaleilla, jotta ne soveltuisivat erilaisiin käyttökohteisiin, joihin niitä tullaan käyttämään. Suuri osa biopolymeerien ominaisuuksien mittauksista on vaihtelevia, mikä johtuu muun muassa polymerisaatioasteesta, lisäaineiden tyypistä ja pitoisuudesta sekä lujitemateriaalien läsnäolosta. Tietoa biopolymeerien ominaisuuksista ei ole yhtä paljon kuin perinteisten polymeerien ominaisuuksista, mutta niiden fysikaalisia, mekaanisia ja lämpöominaisuuksia tutkitaan silti huomattavan perusteellisesti.
Joidenkin biopolymeerien on havaittu omaavan elektronista ja ionista johtavuutta, ja niitä on siksi kutsuttu sähköaktiivisiksi biopolymeereiksi (EABP). Tämä on antanut niille mahdollisuuden korvata muita synteettisiä materiaaleja. Näillä biopolymeereillä, joihin kuuluvat tärkkelys, selluloosa, kitosaani ja pektiini, on laaja sähkönjohtavuus, joka vaihtelee välillä 10-3 ja 10-14 S/cm .
Taulukko 1. Joidenkin kaupallisten biopolymeerien fysikaaliset, mekaaniset ja termiset ominaisuudet.
(Voit vertailla näitä materiaaleja myös visuaalisesti Matmatch-vertailusivulla)
|
Biopolymeeri |
Tiheys 20 °C:n lämpötilassa |
Vetolujuus 20 °C:ssa. 20 °C |
Fleksuurimoduuli 20 °C:ssa |
Sulamispiste |
Pidennys 20 °C:ssa |
|
PLA Luminy® LX530 |
1.24 g/cm³ |
50 MPa |
N/A |
165 °C |
5 % |
|
TYÜP BMF 990 |
1.26 – 1.3 g/cm³ |
40 MPa |
N/A |
110 – 120 °C |
300 % |
|
NuPlastiQ®BC 27240 |
1.3 g/cm³ |
12MPa |
0.24 GPa |
140 – 160 °C |
272 % |
|
Extrudr Wood Filament |
1.23 g/cm³ |
40 MPa |
3.2 GPa |
150 – 170 °C |
N/A |
|
EVO 719 |
1.3 g/cm³ |
40 MPa |
2 GPa |
140 °C |
30 % |
|
Injicera CHX 0113 |
1.11 g/cm³ |
14 MPa |
0.48 GPa |
165 °C |
59 % |
|
CR1 1013 |
1. 1,1 g/cm³ |
9 MPa |
4.43 GPa |
132 °C |
89 % |
Biopolymeerien valmistus ja prosessointi
Biopolymeerien valmistuksessa käytetään monia erilaisia menetelmiä ja tekniikoita. Koska useimmat näistä polymeereistä ovat jo olemassa luonnossa tai niitä tuottavat luonnolliset organismit, kyse on usein uuttamisesta, jota seuraa synteesi. Ne voivat sisältää minkä tahansa fermentoinnin, suodatuksen, yhdistämisen/granulaation, hydrolyysin, esteröinnin, polykondensaation, hapetuksen ja dehydraation yhdistelmän. Alla on esimerkki polybuteenisukkinaatin (PBS) valmistukseen liittyvästä tuotantoprosessista.
Kuva 1. Prosessireitti polybuteenisukkinaatin (PBS) valmistamiseksi biopohjaisella meripihkahapolla (PBS bb SCA) .
Biopolymeerien sovellukset
Biopolymeerejä käytetään monissa teollisissa sovelluksissa sekä elintarvikepakkauksissa, kosmetiikassa ja lääketieteessä . Ne voivat korvata perinteiset öljypohjaiset muovit monissa sovelluksissa. Joitakin biopolymeerejä on myös sovellettu erityisiin käyttötarkoituksiin, joihin muut muovit eivät soveltuisi, kuten tekokudoksen luomiseen. Näissä sovelluksissa saatetaan tarvita bioyhteensopivia ja biohajoavia materiaaleja, jotka ovat herkkiä pH:n muutoksille sekä fysikaalis-kemiallisille ja termisille vaihteluille .
Biopolymeereillä on yleisesti ottaen usein huonot mekaaniset ominaisuudet, kemiallinen kestävyys ja prosessoitavuus verrattuna synteettisiin polymeereihin. Jotta ne soveltuisivat paremmin tiettyihin sovelluksiin, niitä voidaan vahvistaa täyteaineilla, jotka parantavat näitä ominaisuuksia huomattavasti. Tällä tavoin vahvistettuja biopolymeerejä kutsutaan biopolymeerikomposiiteiksi. Alla olevassa taulukossa on yhteenveto joistakin yleisimmistä biopolymeerikomposiiteista, niiden ominaisuuksista ja teollisuudenaloista, joilla niitä jo käytetään laajalti.
Taulukko 2. Biopolymeerikomposiitit. Yhteenveto biopolymeerikomposiittien valmistusmenetelmistä, ominaisuuksista ja sovelluksista .
|
Matriisi/täyteaine |
Tuotantomenetelmä |
Ominaisuudet |
Sovellukset |
|
|
PLA/PEG/Chit |
Extruusio |
Matalan jäykkyyden/ korkea joustavuus |
Luu & hammasimplantit elintarvikepakkaukset |
|
|
PLA/Celluloosa |
Extruusio/injektio |
parannettu jäykkyys & biohajoavuus |
pakkaus, autoteollisuus |
|
|
PLA/perunamassa |
Extruusiopuristus/ruiskupuristus |
Matalampi jäykkyys & sitkeys, hyvä prosessoitavuus |
elintarvikepakkaukset |
|
|
PLA/MgO |
Liuosvalu |
parannettu stabiilisuus ja bioaktiivisuus |
lääketieteelliset implantit, kudostekniikka, ortopediset laitteet | |
|
PHB/puun sahanpurukuidut |
Extruusio |
parempi hajoaminen maaperässä |
Viljely tai taimitarha |
|
|
PHBV/TPU/selluloosa |
Extruusio/injektio |
Tasapainotettu lämmönkesto, jäykkyys, ja sitkeys |
Elintarvikepakkausten kudostekniikka |
|
|
Nanoselluloosa/CNT |
Valumuovaus |
Hyvä sähkönjohtavuus |
Superkondensaattori, anturit |
|
|
Kumi/perunatärkkelys |
Rullasekoitus |
Kiihdytetty lämpövanheneminen |
Värinäneristimet, iskunvaimentimet, sähkökomponentit |
|
|
perunatärkkelys/vehnägluteeni |
puristusvalu |
parannettu maksimijännitys & venyvyys |
bio- ja biokompressiivisten materiaalien kehittäminen |
.perustuvat muovit |
|
Alginaatti/kaneliöljy |
Liuosvalu |
Hyvä antibakteerinen aktiivisuus |
Aktiiviset pakkausmateriaalit |
|
|
PVA/Chitosan |
Electro-kehruu |
Hyvä kemiallinen stabiilisuus |
Lääkkeiden toimittaminen elintarvikepakkaukset |
|
|
PPC/TPU |
Sulan sekoittaminen |
Hyvä terminen stabiilisuus & jäykkyys |
Elektroniset pakkaussovellukset |
Esimerkkejä biopolymeereistä
Biopolymeerit voidaan luokitella karkeasti kolmeen luokkaan niiden monomeeriyksiköiden ja rakenteen perusteella:
- Polynukleotidit:
- Polysakkaridit: selluloosa, kitosaani, kitiini jne.
- Polypeptidit: kollageeni, gelatiini, gluteeni, hera jne.
Biopolymeerit voidaan luokitella myös muilla kriteereillä, kuten niiden perusmateriaalien (eläin-, kasvi- tai mikrobiperäiset), biohajoavuuden, synteesireitin, sovellusten tai ominaisuuksien perusteella.
Esimerkkejä joistakin kaupallisesti tuotetuista biopolymeereistä ovat mm:
- Biopohjaiset polyesterit, kuten polymaitohappo (PLA), polyhydroksibutyraatti (PHB), polybuteenisukkinaatti (PBS), polybuteenisukkinaattiadipaatti (PBSA), polytrimetyleenitereftalaatti (PTT)
- Biopohjaiset polyolefiinit, kuten polyeteeni (Bio-PE)
- Biopohjaiset polyamidit (Bio-PA), kuten homopolyamidit (Bio-PA 6, Bio-PA 11) ja kopolyamidit (Bio-PA 4.10 – Bio-PA 5.10 – Bio-PA 6.10, Bio-PA 10.10)
- Polyuretaanit, kuten Bio-PUR
- Polysakkaridipolymeerit, kuten selluloosapohjaiset polymeerit (regeneroitu selluloosa, selluloosadiasetaatti) ja tärkkelyspohjaiset polymeerit (lämpömuovautuva tärkkelys, tärkkelyssekoitukset)
Biopolymeerien tulevaisuus
Oheinen kuvio osoittaa biopohjaisten polymeerien tuotannon lisääntymisen vuodesta 2017 siihen, mikä on arvioitu olevan vuonna 2022. Lisäksi ennustetaan, että biohajoavien biopolymeerien osuus biopolymeerien tuotannosta kasvaa tulevina vuosina. On selvää, että biopolymeerien tuotanto on nousussa. Vaikka sillä on vielä pitkä matka edessään, jos se aikoo syrjäyttää öljytuotteet, tuotannon ennustetaan kasvavan 2,27 miljoonasta tonnista vuonna 2017 4,31 miljoonaan tonniin vuonna 2022. Tämä on ainakin osittain seurausta julkisesta kysynnästä ja hallituksen määräyksistä, joilla on jatkossakin merkittävä vaikutus.
Kuvio 2. Jalostustuotteiden tuotanto. Uuden talouden biomuovien tuotantokapasiteetti materiaalityypeittäin .