Biopolimerii sunt polimeri naturali, care sunt produși de organisme vii. Ei sunt diferiți de polimerii sintetici biodegradabili.
Acestia sunt din ce în ce mai preocupați de impactul negativ al poluării mediului de către combustibilii fosili și de deșeurile provenite din produsele petrochimice. O mulțime de cercetări au fost efectuate pentru a explora alte alternative la produsele pe bază de petrol, care ar fi regenerabile, precum și biodegradabile și, astfel, ar prezenta un risc mai mic pentru mediu. Biopolimerii reprezintă o astfel de soluție posibilă la această problemă, deoarece aceștia sunt în general materiale biodegradabile obținute din materii prime regenerabile. Cu toate acestea, trebuie remarcat faptul că nu toți polimerii biodegradabili sunt biopolimeri (adică produși din resurse regenerabile). După cum este de așteptat, există provocări legate de biopolimeri, cum ar fi rata limitată de producție, costul de producție și caracterul adecvat al proprietăților lor.
Câteva dintre primele biomateriale moderne fabricate din biopolimeri naturali includ cauciucul, linoleumul, celuloidul și celofanul. Ultimele două sunt fabricate cu ajutorul celulozei, care este cel mai abundent biopolimer natural și cel mai abundent material organic de pe Pământ, constituind o treime din toată materia vegetală. De la mijlocul secolului al XX-lea, acești biopolimeri creați de om au fost înlocuiți aproape în totalitate cu materiale de origine petrochimică. Cu toate acestea, din cauza preocupărilor ecologice din ce în ce mai mari, biopolimerii se bucură de un interes reînnoit din partea comunității științifice, a sectorului industrial și chiar în politică .
În acest articol, veți afla despre:
- Proprietățile biopolimerilor
- Producția și procesarea biopolimerilor
- Aplicații ale biopolimerilor
- Exemple de biopolimeri
- Exemple de biopolimeri
- Cuvintele viitorul biopolimerilor
Proprietăți ale biopolimerilor
Interesul principal al biopolimerilor este acela de a înlocui multe dintre obiectele de uz cotidian care sunt fabricate din produse petroliere. Aceasta înseamnă că li se va cere să prezinte proprietăți similare, dacă nu chiar mai bune, decât materialele pe care le înlocuiesc, pentru a le face potrivite pentru diferitele aplicații la care vor fi destinate. O mare parte din măsurătorile proprietăților biopolimerilor prezintă variații datorate unor factori precum gradul de polimerizare, tipul și concentrația de aditivi și prezența materialelor de întărire. Informațiile despre proprietățile biopolimerilor nu sunt la fel de extinse ca în cazul polimerilor tradiționali, dar există totuși un nivel considerabil de investigare a proprietăților fizice, mecanice, termice ale acestora.
Aceste biopolimeri au fost identificați ca posedând conductivitate electronică și ionică și, prin urmare, au fost numiți biopolimeri electro-active (EABP). Acest lucru le-a conferit potențialul de a înlocui alte materiale sintetice. Acești biopolimeri, care includ amidonul, celuloza, chitosanul și pectina, prezintă o gamă largă de conductivitate electrică între 10-3 și 10-14 S/cm.
Tabel 1. Proprietăți fizice, mecanice și termice ale unor biopolimeri comerciali.
(De asemenea, puteți compara vizual aceste materiale pe pagina de comparație Matmatch)
|
Biopolimer |
Densitate la 20 °C |
Rezistență la tracțiune la 20 °C |
Modulul de elasticitate la 20 °C |
Punctul de topire |
Alungire la 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 Filament de lemn |
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 % |
Producția și prelucrarea biopolimerilor
Există multe metode și tehnici diferite utilizate pentru producerea biopolimerilor. Deoarece majoritatea acestor polimeri există deja în natură sau sunt produși de organisme naturale, aceste procese sunt adesea o chestiune de extracție urmată de sinteză. Ele pot include o combinație între fermentație, filtrare, compunere/granulare, hidroliză, esterificare, policondensare, oxidare și deshidratare. Mai jos este prezentat un exemplu de proces de producție implicat în fabricarea succinatului de polibutilenă (PBS).
Figura 1. Traseul procesului de producere a polibutilen succinatului de butilenă (PBS) cu acid succinic pe bază biologică (PBS bb SCA) .
Aplicații ale biopolimerilor
Biopolimerii sunt utilizați în multe aplicații industriale, precum și în ambalaje alimentare, cosmetice și medicină . Ei pot înlocui materialele plastice tradiționale pe bază de petrol în multe aplicații. Unii biopolimeri au fost, de asemenea, aplicați pentru utilizări specifice pentru care alte materiale plastice nu ar fi potrivite, cum ar fi în crearea de țesuturi artificiale. Aceste aplicații pot necesita materiale biocompatibile și biodegradabile, cu sensibilitate la schimbările de pH, precum și la fluctuațiile fizico-chimice și termice .
Biopolimerii, în general, prezintă adesea proprietăți mecanice, rezistență chimică și prelucrabilitate slabe în comparație cu polimerii sintetici. Pentru a-i face mai potriviți pentru aplicații specifice, ei pot fi întăriți cu materiale de umplutură care îmbunătățesc drastic aceste proprietăți. Biopolimerii care au fost întăriți în acest mod se numesc compozite de biopolimeri. Tabelul de mai jos este un rezumat al unor compozite biopolimerice comune, proprietățile acestora și industriile în care sunt deja utilizate pe scară largă.
Tabelul 2. Rezumat al metodelor de producție, proprietăților și aplicațiilor compozitelor biopolimerice .
|
Matrix/Filler |
Metoda de producție |
Proprietăți |
Proprietăți |
Aplicații |
|
PLA/PEG/Chit |
Extrusion |
Rigiditate scăzută/ . Flexibilitate ridicată |
Bone & implanturi dentare ambalaje alimentare |
|
|
PLA/Celuloză |
Extruziune/injecție |
Rigiditate îmbunătățită & biodegradabilitate |
ambalaje, auto |
|
|
PLA/pastă de cartof |
Extruziune/injecție |
Rigiditate redusă &Ductibilitate, prelucrabilitate bună |
Ambalaje alimentare |
|
|
PLA/MgO |
Fundare în soluție |
Stabilitate și bioactivitate îmbunătățite |
Implanturi medicale, inginerie tisulară, dispozitive ortopedice |
|
|
PHB/fibre de rumeguș de lemn |
Extruziune |
Degradare îmbunătățită în sol |
Agricultura sau pepiniera de plante |
|
|
PHBV/TPU/celuloză |
Extruziune/injecție |
Rezistență termică echilibrată, rigiditate, și tenacitate |
Inginerie tisulară pentru ambalaje alimentare |
|
|
Nanoceluloză/CNT |
Modelare prin turnare |
Conductivitate electrică bună |
Supercapacitor, senzori |
|
|
Cauciuc/amidon de cartof |
Mixare pe role |
Îmbătrânire termică accelerată |
Autovechire termică accelerată |
Azolatoare de vibrații, suporturi de șocuri, componente electrice |
|
Ambidon de cartof/gluten de grâu |
Modelare prin compresie |
Extensibilitate maximă îmbunătățită & |
Dezvoltarea de bio-pe bază de materiale plastice |
|
|
Alginat/ulei de scorțișoară |
Fundare în soluție |
Bună activitate antibacteriană |
Materiale active de ambalare |
|
|
PVA/Chitosan |
Electro-filare |
Stabilitate chimică bună |
Ambalaje alimentare pentru medicamente |
|
|
PPC/TPU |
Compunere în stare topită |
Stabilitate termică bună &. rigiditate |
Aplicații pentru ambalaje electronice |
Exemple de biopolimeri
Biopolimerii pot fi clasificați în linii mari în trei categorii, pe baza unităților monomerice și a structurii lor:
- Polinucleotide: ADN (acid dezoxiribonucleic) și ARN (acid ribonucleic)
- Polizaharide: celuloză, chitosan, chitină etc.
- Polipeptide: colagen, gelatină, gluten, zer etc.
Biopolimerii pot fi clasificați și în funcție de alte criterii, cum ar fi materialele de bază (animale, vegetale sau microbiene), biodegradabilitatea lor, calea de sinteză, aplicațiile sau proprietățile lor.
Exemple de unii biopolimeri produși în comerț includ :
- Poliesterii pe bază de biopoliester, cum ar fi acidul polilactic (PLA), polihidroxibutiratul (PHB), polibutilen succinatul (PBS), adipatul de polibutilen succinat (PBSA), politrimetilen tereftalat (PTT)
- Poliolefine pe bază de bio, cum ar fi polietilena (Bio-PE)
- Poliamide pe bază de bio (Bio-PA), cum ar fi homopoliamidele (Bio-PA 6, Bio-PA 11) și copoliamidele (Bio-PA 4.10 – Bio-PA 5.10 – Bio-PA 5.10 – Bio-PA 6.10, Bio-PA 10.10)
- Poliuretanii, cum ar fi Bio-PUR
- Polizaharidele, cum ar fi polimerii pe bază de celuloză (celuloză regenerată, diacetat de celuloză) și polimerii pe bază de amidon (amidon termoplastic, amestecuri de amidon)
Viitorul biopolimerilor
Figura de mai jos arată creșterea producției de polimeri pe bază de biopolimeri între 2017 și ceea ce se estimează că va fi cazul în 2022. În plus, se estimează că biopolimerii biodegradabili vor constitui un procent mai mare din producția de biopolimeri în anii următori. Este clar că producția de biopolimeri se află pe o traiectorie ascendentă. Deși mai are un drum lung de parcurs, pentru a lua locul produselor petroliere, se preconizează că producția va crește de la 2,27 milioane de tone în 2017 la 4,31 milioane de tone în 2022. Acest lucru este, cel puțin parțial, un rezultat al cererii publice și al reglementărilor guvernamentale, care vor continua să aibă un impact semnificativ.
Figura 2. Capacități de producție a bioplasticelor din Noua Economie, pe tipuri de materiale .