Biopolymeren zijn in de natuur voorkomende polymeren, die door levende organismen worden geproduceerd. Zij onderscheiden zich van synthetische, biologisch afbreekbare polymeren.
Er is toenemende bezorgdheid over de negatieve gevolgen van de milieuvervuiling door fossiele brandstoffen en het afval van petrochemische producten. Er is veel onderzoek verricht naar andere alternatieven voor aardolieproducten, die zowel hernieuwbaar als biologisch afbreekbaar zijn en dus een kleiner risico voor het milieu inhouden. Biopolymeren zijn zo’n mogelijke oplossing voor het probleem, omdat het meestal om biologisch afbreekbare materialen gaat die uit hernieuwbare grondstoffen worden verkregen. Er zij echter op gewezen dat niet alle biologisch afbreekbare polymeren biopolymeren zijn (d.w.z. geproduceerd uit hernieuwbare grondstoffen). Zoals te verwachten zijn er uitdagingen in verband met biopolymeren, zoals hun beperkte productiesnelheid, de productiekosten en de geschiktheid van hun eigenschappen.
Enkele van de eerste moderne biomaterialen gemaakt van natuurlijke biopolymeren zijn rubber, linoleum, celluloid en cellofaan. De laatste twee worden gemaakt van cellulose, het meest voorkomende biopolymeer in de natuur en het meest voorkomende organische materiaal op aarde, dat een derde van alle plantenmaterie uitmaakt. Sinds het midden van de 20e eeuw werden deze door de mens gemaakte biopolymeren vrijwel allemaal vervangen door materialen op petrochemische basis. Echter, als gevolg van de groeiende ecologische bezorgdheid, biopolymeren genieten van hernieuwde belangstelling van de wetenschappelijke gemeenschap, de industriële sector en zelfs in de politiek .
In dit artikel, leert u over:
- De eigenschappen van biopolymeren
- De productie en verwerking van biopolymeren
- Toepassingen van biopolymeren
- Voorbeelden van biopolymeren
- De toekomst van biopolymeren
Eigenschappen van biopolymeren
Het grootste belang bij biopolymeren is de vervanging van veel van de alledaagse voorwerpen die van aardolieproducten zijn gemaakt. Dit betekent dat zij soortgelijke, zo niet betere eigenschappen moeten vertonen dan de materialen die zij vervangen, zodat zij geschikt zijn voor de verschillende toepassingen waarvoor zij zullen worden gebruikt. Veel van de metingen van de eigenschappen van biopolymeren zijn variabel als gevolg van factoren zoals de polymerisatiegraad, het type en de concentratie van de additieven, en de aanwezigheid van versterkingsmaterialen. De informatie over de eigenschappen van biopolymeren is niet zo uitgebreid als voor traditionele polymeren, maar er wordt nog steeds veel onderzoek gedaan naar hun fysische, mechanische en thermische eigenschappen.
Van sommige biopolymeren is vastgesteld dat zij elektronische en ionische geleidbaarheid bezitten en daarom worden zij elektro-actieve biopolymeren (EABP) genoemd. Dit heeft hen het potentieel gegeven om andere synthetische materialen te vervangen. Deze biopolymeren, waartoe zetmeel, cellulose, chitosan en pectine behoren, vertonen een sterk uiteenlopend elektrisch geleidingsvermogen tussen 10-3 en 10-14 S/cm .
Tabel 1. Fysische, mechanische en thermische eigenschappen van enkele commerciële biopolymeren.
(U kunt deze materialen ook visueel vergelijken op de vergelijkingspagina van Matmatch)
|
Biopolymeer |
Dichtheid bij 20 °C |
Treksterkte bij 20 °C |
Flexibele modulus bij 20 °C |
Smeltpunt |
Verlenging bij 20 °C |
|
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 g/cm³ |
9 MPa |
4.43 GPa |
132 °C |
89 % |
De productie en verwerking van biopolymeren
Er zijn veel verschillende methoden en technieken die worden gebruikt om biopolymeren te produceren. Aangezien de meeste van deze polymeren reeds in de natuur bestaan of door natuurlijke organismen worden geproduceerd, zijn deze processen vaak een kwestie van extractie gevolgd door synthese. Zij kunnen een combinatie omvatten van fermentatie, filtratie, samenstelling/granulatie, hydrolyse, verestering, polycondensatie, oxidatie en dehydratie. Hieronder wordt een voorbeeld gegeven van het productieproces voor de vervaardiging van polybutyleensuccinaat (PBS).
Figuur 1. Procesroute voor de productie van polybutyleensuccinaat (PBS) met biobarnsteenzuur (PBS bb SCA).
Toepassingen van biopolymeren
Biopolymeren worden gebruikt in veel industriële toepassingen, maar ook in voedselverpakkingen, cosmetica en medicijnen . Zij kunnen in veel toepassingen de traditionele op aardolie gebaseerde kunststoffen vervangen. Sommige biopolymeren zijn ook toegepast voor specifieke toepassingen waarvoor andere kunststoffen niet geschikt zouden zijn, zoals bij het maken van kunstweefsel. Voor deze toepassingen zijn biocompatibele en biologisch afbreekbare materialen nodig die gevoelig zijn voor veranderingen in pH en voor fysisch-chemische en thermische schommelingen.
Biopolymeren vertonen in het algemeen vaak slechte mechanische eigenschappen, chemische resistentie en verwerkbaarheid in vergelijking met synthetische polymeren. Om ze meer geschikt te maken voor specifieke toepassingen kunnen ze worden versterkt met vulstoffen die deze eigenschappen drastisch verbeteren. Biopolymeren die op deze manier zijn versterkt, worden biopolymeercomposieten genoemd. Onderstaande tabel is een samenvatting van enkele veel voorkomende biopolymeercomposieten, hun eigenschappen en de industrieën waarin ze al op grote schaal worden toegepast.
Tabel 2. Samenvatting van biopolymeercomposieten productiemethoden, eigenschappen, en toepassingen .
|
Matrix/vulstof |
Productiemethode |
Eigenschappen |
Toepassingen |
|
PLA/PEG/Chit |
Extrusie |
Lage stijfheid/ hoge flexibiliteit |
Bot & tandheelkundige implantaten voedselverpakking |
|
PLA/Cellulose |
Extrusie/injectie |
Betere stijfheid &biologische afbreekbaarheid |
Verpakking, automotive |
|
PLA/aardappelpulp |
Extrusie/injectie |
Lage stijfheid &vervormbaarheid, goede verwerkbaarheid |
Voedselverpakking |
|
PLA/MgO |
Solutiegieten |
Betere stabiliteit en bioactiviteit |
Medische implantaten, weefselmanipulatie, orthopedische hulpmiddelen |
|
PHB/houtzaagselvezels |
Extrusie |
Betere afbraak in de bodem |
Landbouw of plantenkwekerij |
|
PHBV/TPU/cellulose |
Extrusie/injectie |
Gebalanceerde hittebestendigheid, stijfheid, en taaiheid |
Voedselverpakking tissue engineering |
|
Nanocellulose/CNT |
Gietvormen |
Goede elektrische geleidbaarheid |
Super-capacitor, sensoren |
|
Rubber/aardappelzetmeel |
Rollenmixen |
Versnelde thermische veroudering |
Trillingsisolatoren, schokdempers, elektrische componenten |
|
aardappelzetmeel/ tarwegluten |
Compressievormen |
Betere maximale spanning &uitrekbaarheid |
Ontwikkeling van bio-gebaseerde kunststoffen |
|
Alginaat/kaneelolie |
Oplossingsgieten |
Goede antibacteriële activiteit |
Actieve verpakkingsmaterialen |
|
PVA/Chitosan |
Elektro-spinning |
Goede chemische stabiliteit |
Drug delivery food packaging |
|
PPC/TPU |
Melt compounding |
Goede thermische stabiliteit & stijfheid |
Elektronische verpakkingstoepassingen |
Voorbeelden van biopolymeren
Biopolymeren kunnen grofweg in drie categorieën worden ingedeeld op basis van hun monomere eenheden en structuur:
- Polynucleotiden: DNA (desoxyribonucleïnezuur) en RNA (ribonucleïnezuur)
- Polysacchariden: cellulose, chitosan, chitine, enz.
- Polypeptiden: collageen, gelatine, gluten, wei, enz.
Biopolymeren kunnen ook worden ingedeeld aan de hand van andere criteria, zoals hun basismateriaal (dierlijk, plantaardig of microbieel), hun biologische afbreekbaarheid, hun syntheseroute, hun toepassingen of hun eigenschappen.
Voorbeelden van enkele commercieel geproduceerde biopolymeren zijn onder meer :
- Bio-gebaseerde polyesters zoals polymelkzuur (PLA), polyhydroxybutyraat (PHB), polybutyleensuccinaat (PBS), polybutyleensuccinaat adipaat (PBSA), polytrimethyleentereftalaat (PTT)
- Bio-gebaseerde polyolefinen zoals polyethyleen (Bio-PE)
- Bio-gebaseerde polyamiden (Bio-PA) zoals homopolyamiden (Bio-PA 6, Bio-PA 11) en copolyamiden (Bio-PA 4..10 – Bio-PA 5.10 – Bio-PA 6.10, Bio-PA 10.10)
- Polyurethanen zoals Bio-PUR
- Polysaccharidepolymeren zoals polymeren op basis van cellulose (geregenereerde cellulose, cellulosediacetaat) en polymeren op basis van zetmeel (thermoplastisch zetmeel, zetmeelmengsels)
De toekomst van biopolymeren
De onderstaande figuur toont de toename van de productie van polymeren op biobasis tussen 2017 en wat naar schatting het geval zal zijn in 2022. Bovendien wordt verwacht dat biologisch afbreekbare biopolymeren de komende jaren een groter percentage van de biopolymeerproductie zullen uitmaken. Het is duidelijk dat de biopolymeerproductie in een opwaartse spiraal zit. Hoewel zij nog een lange weg te gaan heeft, wil zij de plaats van aardolieproducten innemen, zal de productie naar verwachting stijgen van 2,27 miljoen ton in 2017 tot 4,31 miljoen ton in 2022. Dit is ten minste gedeeltelijk het gevolg van de vraag van het publiek en de regelgeving van de overheid, die een aanzienlijke invloed zal blijven hebben.
Figuur 2. New Economy bioplastic productiecapaciteit per materiaalsoort.