Biopolymerer är naturligt förekommande polymerer som produceras av levande organismer. De skiljer sig från syntetiska biologiskt nedbrytbara polymerer.
Det har funnits en växande oro för de negativa effekterna av miljöföroreningar från fossila bränslen och avfall från petrokemiska produkter. Mycket forskning har gjorts för att utforska andra alternativ till petroleumbaserade produkter som skulle vara förnybara och biologiskt nedbrytbara och därmed utgöra en mindre risk för miljön. Biopolymerer är en sådan möjlig lösning på problemet eftersom de vanligtvis är biologiskt nedbrytbara material som framställs av förnybara råvaror. Det bör dock noteras att inte alla biologiskt nedbrytbara polymerer är biopolymerer (dvs. framställda av förnybara resurser). Som man kan förvänta sig finns det utmaningar i samband med biopolymerer, t.ex. deras begränsade produktionshastighet, produktionskostnad och lämpligheten av deras egenskaper.
Några av de första moderna biomaterialen som tillverkades av naturliga biopolymerer är gummi, linoleum, celluloid och cellofan. De två sistnämnda tillverkas av cellulosa, som är den mest naturligt förekommande biopolymeren och det mest förekommande organiska materialet på jorden, som utgör en tredjedel av allt växtmaterial. Sedan mitten av 1900-talet har dessa mänskligt framställda biopolymerer praktiskt taget alla ersatts med petrokemiskt baserade material. På grund av växande ekologisk oro har biopolymerer dock fått förnyat intresse från forskarsamhället, industrisektorn och till och med inom politiken .
I den här artikeln kommer du att lära dig mer om:
- Biopolymerers egenskaper
- Produktion och bearbetning av biopolymerer
- Användningar av biopolymerer
- Exempel på biopolymerer
- Den framtiden för biopolymerer
Biopolymerers egenskaper
Det största intresset för biopolymerer är att ersätta många av de vardagliga föremål som tillverkas av petroleumprodukter. Detta innebär att de kommer att behöva uppvisa liknande, om inte bättre, egenskaper än de material som de ersätter för att de ska vara lämpliga för de olika tillämpningar som de kommer att användas till. En stor del av mätningarna av biopolymerers egenskaper varierar på grund av faktorer som polymerisationsgrad, typ och koncentration av tillsatser och förekomst av förstärkningsmaterial. Informationen om biopolymerers egenskaper är inte lika omfattande som för traditionella polymerer, men det finns fortfarande en omfattande undersökning av deras fysikaliska, mekaniska och termiska egenskaper.
Vissa biopolymerer har identifierats ha elektronisk och jonisk ledningsförmåga och har därför benämnts elektroaktiva biopolymerer (EABP). Detta har gett dem potential att ersätta andra syntetiska material. Dessa biopolymerer, som omfattar stärkelse, cellulosa, kitosan och pektin, uppvisar en bred elektrisk ledningsförmåga mellan 10-3 och 10-14 S/cm .
Tabell 1. Fysiska, mekaniska och termiska egenskaper hos några kommersiella biopolymerer.
(Du kan också jämföra dessa material visuellt på sidan Matmatch comparison page)
|
Biopolymer |
Täthet vid 20 °C |
Tåghållfasthet vid. 20 °C |
Flexionsmodul vid 20 °C |
Smältpunkt |
Längdsättning vid 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 % |
Produktion och bearbetning av biopolymerer
Det finns många olika metoder och tekniker som används för att producera biopolymerer. Eftersom de flesta av dessa polymerer redan finns i naturen eller produceras av naturliga organismer handlar dessa processer ofta om extraktion följt av syntes. De kan omfatta en kombination av fermentering, filtrering, sammansättning/granulering, hydrolys, förestring, polykondensering, oxidering och dehydrering. Nedan följer ett exempel på en produktionsprocess för att framställa polybutylensuccinat (PBS).
Figur 1. Processväg för tillverkning av polybutylensuccinat (PBS) med biobaserad bärnstenssyra (PBS bb SCA) .
Användningar av biopolymerer
Biopolymerer används i många industriella tillämpningar samt i livsmedelsförpackningar, kosmetika och medicin . De kan ersätta traditionella petroleumbaserade plaster i många tillämpningar. Vissa biopolymerer har också tillämpats för specifika användningsområden som andra plaster inte skulle vara lämpliga för, t.ex. vid skapandet av konstgjord vävnad. Dessa tillämpningar kan kräva biokompatibla och biologiskt nedbrytbara material som är känsliga för pH-förändringar samt fysikalisk-kemiska och termiska fluktuationer.
Biopolymerer uppvisar i allmänhet ofta dåliga mekaniska egenskaper, kemisk beständighet och bearbetningsbarhet i jämförelse med syntetiska polymerer. För att göra dem mer lämpliga för specifika tillämpningar kan de förstärkas med fyllmedel som drastiskt förbättrar dessa egenskaper. Biopolymerer som har förstärkts på detta sätt kallas biopolymerkompositer. Tabellen nedan är en sammanfattning av några vanliga biopolymerkompositer, deras egenskaper och de industrier där de redan används i stor utsträckning.
Tabell 2. Sammanfattning av produktionsmetoder, egenskaper och användningsområden för biopolymerkompositer .
|
Matrix/Fyllmedel |
Produktionsmetod |
Egenskaper |
Användningar |
|
PLA/PEG/Chit |
Extrusion |
Låg styvhet/ Hög flexibilitet |
Benen & tandimplantat livsmedelsförpackningar |
|
PLA/Cellulosa |
Extrusion/injektion |
förbättrad styvhet &biologisk nedbrytbarhet |
förpackning, fordonsindustrin |
|
PLA/Potatismassa |
Extrusion/injektion |
Låg styvhet & duktilitet, god bearbetbarhet |
Livsmedelsförpackningar |
|
PLA/MgO |
Lösningsgjutning |
Förbättrad stabilitet och bioaktivitet |
Medicinska implantat, vävnadsteknik, ortopedisk utrustning |
|
PHB/fibrer av träsågspån |
Extrusion |
Förbättrad nedbrytning i jord |
Lantbruk eller plantskola |
|
PHBV/TPU/cellulosa |
Extrudering/injektion |
Balanserad värmebeständighet, styvhet, och seghet |
Matförpackningar, vävnadsteknik |
|
Nanocellulosa/CNT |
Gjutning |
God elektrisk ledningsförmåga |
Superkondensator, sensorer |
|
Gummi/potatisstärkelse |
Rullblandning |
Accelererad termisk åldrandeprocess |
Vibrationsisolerare, stötfästen, elektriska komponenter |
|
Potatistärkelse/vetegluten |
Kompressionsgjutning |
Förbättrad maximal spänning &utvidgbarhet |
Utveckling av bio-baserad plast |
|
Alginat/cinnamonolja |
Lösningsgjutning |
Bra antibakteriell aktivitet |
Aktiva förpackningsmaterial |
|
PVA/Chitosan |
Elektro-spinning |
God kemisk stabilitet |
Läkemedelsförpackningar för livsmedel |
|
PPC/TPU |
Smältning |
God termisk stabilitet & styvhet |
Elektroniska förpackningstillämpningar |
Exempel på biopolymerer
Biopolymerer kan grovt sett delas in i tre kategorier baserat på deras monomera enheter och struktur:
- Polynukleotider: DNA (desoxyribonukleinsyra) och RNA (ribonukleinsyra)
- Polysackarider: cellulosa, kitosan, kitin etc.
- Polypeptider: kollagen, gelatin, gluten, vassle etc.
Biopolymerer kan också kategoriseras efter andra kriterier, t.ex. deras basmaterial (animaliskt, vegetabiliskt eller mikrobiellt), deras biologiska nedbrytbarhet, deras syntesväg, deras användningsområden eller deras egenskaper.
Exempel på några kommersiellt framställda biopolymerer är :
- Biobaserade polyestrar som t.ex. polymjölksyra (PLA), polyhydroxibutyrat (PHB), polybutylensuccinat (PBS), polybutylensuccinatadipat (PBSA), polytrimetylentereftalat (PTT)
- Biobaserade polyolefiner som polyeten (Bio-PE)
- Biobaserade polyamider (Bio-PA) som homopolyamider (Bio-PA 6, Bio-PA 11) och sampolyamider (Bio-PA 4).10 – Bio-PA 5.10 – Bio-PA 6.10, Bio-PA 10.10)
- Polyuretaner som Bio-PUR
- Polysackaridpolymerer som cellulosabaserade polymerer (regenererad cellulosa, cellulosidiacetat) och stärkelsebaserade polymerer (termoplastisk stärkelse, stärkelseblandningar)
Framtiden för biopolymerer
Figuren nedan visar ökningen av produktionen av biobaserade polymerer mellan 2017 och vad som beräknas vara fallet 2022. Vidare beräknas att biologiskt nedbrytbara biopolymerer kommer att utgöra en större andel av biopolymerproduktionen under de kommande åren. Det är tydligt att se att produktionen av biopolymerer är på väg uppåt. Även om den har en lång väg att gå om den ska ta över från oljeprodukterna, beräknas produktionen öka från 2,27 miljoner ton 2017 till 4,31 miljoner ton 2022. Detta är åtminstone delvis ett resultat av allmänhetens efterfrågan och statliga regleringar, som kommer att fortsätta att ha en betydande inverkan.
Figur 2. Produktionskapacitet för bioplaster i den nya ekonomin per materialtyp.