Biopolimery są naturalnie występującymi polimerami, które są wytwarzane przez organizmy żywe. Różnią się one od syntetycznych polimerów biodegradowalnych.
Rosną obawy związane z negatywnym wpływem zanieczyszczenia środowiska przez paliwa kopalne i odpady z produktów petrochemicznych. Wiele badań poświęcono na poszukiwanie innych alternatyw dla produktów ropopochodnych, które byłyby odnawialne, jak również biodegradowalne, a tym samym stanowiłyby mniejsze zagrożenie dla środowiska. Biopolimery są jednym z takich możliwych rozwiązań problemu, ponieważ są to zazwyczaj materiały ulegające biodegradacji, otrzymywane z surowców odnawialnych. Należy jednak zauważyć, że nie wszystkie polimery biodegradowalne są biopolimerami (tzn. są produkowane z surowców odnawialnych). Jak można się spodziewać, istnieją wyzwania związane z biopolimerami, takie jak ograniczone tempo ich produkcji, koszt produkcji i odpowiedniość ich właściwości.
Niektóre z pierwszych nowoczesnych biomateriałów wykonanych z naturalnych biopolimerów obejmują gumę, linoleum, celuloid i celofan. Te dwa ostatnie są wykonane z celulozy, która jest najobficiej występującym biopolimerem i najobficiej występującym materiałem organicznym na Ziemi, stanowiącym jedną trzecią całej materii roślinnej. Od połowy XX wieku te wytworzone przez człowieka biopolimery zostały praktycznie w całości zastąpione materiałami pochodzenia petrochemicznego. Jednak ze względu na rosnące obawy ekologiczne, biopolimery cieszą się ponownym zainteresowaniem ze strony społeczności naukowej, sektora przemysłowego, a nawet w polityce .
W tym artykule dowiesz się o:
- Właściwościach biopolimerów
- Produkcji i przetwarzaniu biopolimerów
- Zastosowaniach biopolimerów
- Przykładach biopolimerów
- Przyszłości przyszłość biopolimerów
Właściwości biopolimerów
Głównym zainteresowaniem biopolimerów jest zastąpienie wielu przedmiotów codziennego użytku, które są wykonane z produktów naftowych. Oznacza to, że będą one musiały wykazywać podobne, jeśli nie lepsze właściwości niż materiały, które zastępują, aby nadawały się do różnych zastosowań, w których będą wykorzystywane. Wiele pomiarów właściwości biopolimerów różni się ze względu na takie czynniki jak stopień polimeryzacji, rodzaj i stężenie dodatków oraz obecność materiałów wzmacniających. Informacje na temat właściwości biopolimerów nie są tak obszerne jak w przypadku tradycyjnych polimerów, ale nadal istnieje znaczny zakres badań nad ich właściwościami fizycznymi, mechanicznymi i termicznymi.
Niektóre biopolimery zostały zidentyfikowane jako posiadające przewodnictwo elektroniczne i jonowe i dlatego zostały nazwane biopolimerami elektroaktywnymi (EABP). Daje im to potencjał do zastąpienia innych materiałów syntetycznych. Biopolimery te, do których należą skrobia, celuloza, chitozan i pektyny, wykazują szerokie spektrum przewodnictwa elektrycznego w zakresie od 10-3 do 10-14 S/cm .
Tabela 1. Właściwości fizyczne, mechaniczne i termiczne niektórych komercyjnych biopolimerów.
(Możesz również porównać te materiały wizualnie na stronie porównania Matmatch)
|
Biopolimer |
Gęstość w temp. 20 °C |
Wytrzymałość na rozciąganie w temp. 20 °C |
Moduł sprężystości w 20 °C |
Temperatura topnienia |
Wydłużenie w 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 % |
Produkcja i przetwarzanie biopolimerów
Istnieje wiele różnych metod i technik stosowanych do produkcji biopolimerów. Ponieważ większość z tych polimerów już istnieje w przyrodzie lub jest wytwarzana przez organizmy naturalne, procesy te są często kwestią ekstrakcji, po której następuje synteza. Mogą one obejmować kombinację fermentacji, filtracji, łączenia/granulacji, hydrolizy, estryfikacji, polikondensacji, utleniania i dehydratacji. Poniżej przedstawiono przykład procesu produkcyjnego związanego z wytwarzaniem bursztynianu polibutylenu (PBS).
Figura 1. Ścieżka technologiczna wytwarzania bursztynianu polibutylenu (PBS) z udziałem kwasu bursztynowego pochodzenia biologicznego (PBS bb SCA) .
Zastosowanie biopolimerów
Biopolimery są wykorzystywane w wielu zastosowaniach przemysłowych, jak również w opakowaniach żywności, kosmetykach i medycynie . W wielu zastosowaniach mogą one zastąpić tradycyjne tworzywa sztuczne na bazie ropy naftowej. Niektóre biopolimery zostały również zastosowane do specyficznych zastosowań, do których inne tworzywa sztuczne nie nadawałyby się, np. do tworzenia sztucznych tkanek. Zastosowania te mogą wymagać materiałów biokompatybilnych i biodegradowalnych, wrażliwych na zmiany pH, jak również wahania fizykochemiczne i termiczne .
Biopolimery, ogólnie rzecz biorąc, często wykazują słabe właściwości mechaniczne, odporność chemiczną i przetwarzalność w porównaniu z polimerami syntetycznymi. Aby uczynić je bardziej odpowiednimi do określonych zastosowań, można je wzmocnić napełniaczami, które drastycznie poprawiają te właściwości. Biopolimery, które zostały wzmocnione w ten sposób, nazywane są kompozytami biopolimerowymi. W poniższej tabeli przedstawiono zestawienie niektórych powszechnie stosowanych kompozytów biopolimerowych, ich właściwości oraz gałęzi przemysłu, w których są już szeroko stosowane.
Tabela 2. Podsumowanie metod produkcji, właściwości i zastosowań kompozytów biopolimerowych .
|
Matrix/Filler |
Metoda produkcji |
Właściwości |
Zastosowania |
|
PLA/PEG/Chit |
Ekstruzja |
Niska sztywność/ . Wysoka elastyczność |
Kość &implanty dentystyczne opakowania do żywności |
|
PLA/Celuloza |
Extruzja/wtrysk |
Większa sztywność & biodegradowalność |
Opakowania, motoryzacyjne |
|
PLA/Potato pulpa |
Ekstruzja/wtrysk |
Niska sztywność & ciągliwość, dobra przetwarzalność |
Pakowanie żywności |
|
PLA/MgO |
Odlewanie roztworu |
Większa stabilność i bioaktywność |
Implanty medyczne, inżynieria tkankowa, wyroby ortopedyczne |
|
WłóknaPHB/trociny drzewne |
Ekstruzja |
Ulepszona degradacja w glebie |
Rolnictwo lub szkółkarstwo roślin |
|
PHBV/TPU/celuloza |
Ekstruzja/wtrysk |
Zrównoważona odporność na temp, sztywność, i wytrzymałość |
Inżynieria tkankowa opakowań żywności |
|
Nanoceluloza/CNT |
Odlewanie |
Dobra przewodność elektryczna |
Superkondensator, czujniki |
|
Gumka/skrobia ziemniaczana |
Mieszanie na walcach |
Przyspieszone starzenie termiczne |
Wibroizolatory, uchwyty przeciwwstrząsowe, komponenty elektryczne |
|
Skrobia ziemniaczana/gluten pszenny |
Formowanie tłoczne |
Zwiększona odporność na maksymalne naprężenia&rozciągliwość |
Rozwój tworzyw biotworzyw sztucznych na bazie bio |
|
Alginian/olej cynamonowy |
Odlewanie rozpuszczalnikowe |
Dobra aktywność antybakteryjna |
Aktywne materiały opakowaniowe |
|
PVA/Chitosan |
Elektro-przędzenie |
Dobra stabilność chemiczna |
Opakowania żywności |
|
PPC/TPU |
Mieszanie stopów |
Dobra stabilność termiczna & sztywność |
Zastosowanie w opakowaniach elektronicznych |
Przykłady biopolimerów
Biopolimery można zaklasyfikować ogólnie do trzech kategorii na podstawie ich jednostek monomerycznych i struktury:
- Polinukleotydy: DNA (kwas dezoksyrybonukleinowy) i RNA (kwas rybonukleinowy)
- Polisacharydy: celuloza, chitozan, chityna, itp.
- Polipeptydy: kolagen, żelatyna, gluten, serwatka, itp.
Biopolimery mogą być również skategoryzowane według innych kryteriów, takich jak ich materiały bazowe (zwierzęce, roślinne lub mikrobiologiczne), ich biodegradowalność, droga syntezy, zastosowania lub właściwości.
Przykłady niektórych komercyjnie wytwarzanych biopolimerów obejmują :
- Bio-poliestry, takie jak kwas polimlekowy (PLA), polihydroksymaślan (PHB), bursztynian polibutylenu (PBS), adypinian bursztynianu polibutylenu (PBSA), politereftalan metylenu (PTT)
- Poliolefiny pochodzenia biologicznego, takie jak polietylen (Bio-PE)
- Poliamidy pochodzenia biologicznego (Bio-PA), takie jak homopoliamidy (Bio-PA 6, Bio-PA 11) i kopoliamidy (Bio-PA 4.10 – Bio-PA 5.10 – Bio-PA 6.10, Bio-PA 10.10)
- Poliuretany, takie jak Bio-PUR
- Polimery polisacharydowe, takie jak polimery na bazie celulozy (celuloza regenerowana, dioctan celulozy) i polimery na bazie skrobi (skrobia termoplastyczna, mieszanki skrobi)
Przyszłość biopolimerów
Niżej przedstawiony rysunek pokazuje wzrost produkcji polimerów na bazie biopaliw pomiędzy rokiem 2017 a tym, co szacuje się na rok 2022. Co więcej, przewiduje się, że biopolimery biodegradowalne będą stanowiły większy procent produkcji biopolimerów w nadchodzących latach. Widać wyraźnie, że produkcja biopolimerów ma tendencję wzrostową. Wprawdzie przed nią jeszcze długa droga, ale jeśli ma zastąpić produkty ropopochodne, prognozuje się wzrost produkcji z 2,27 mln ton w 2017 roku do 4,31 mln ton w 2022 roku. Jest to przynajmniej częściowo wynikiem popytu publicznego i regulacji rządowych, które nadal będą miały znaczący wpływ.
Figura 2. Zdolności produkcyjne bioplastików Nowej Gospodarki według rodzaju materiału .