Как изготавливается биоразлагаемый пластик: процесс, материалы и использование

Текущие инновации, устраняющие разрыв в производительности между биоразлагаемыми пластиками и техническими нейлоновыми пластиками

Значительная часть текущих исследований полимеров посвящена улучшению характеристик биоразлагаемых пластиков, чтобы они могли использоваться в более востребованных сферах. В то же время предпринимаются усилия по созданию инженерного нейлонового пластика, частично полученного из биоматериалов, сохраняя при этом его инженерные преимущества.

Стереокомплекс PLA: преодолевая барьер теплоотклонения

Стандартный PLA имеет температуру теплового отклонения 55–65°C, что не позволяет использовать его в упаковке для горячего розлива, в контейнерах, которые можно мыть в посудомоечной машине, и во многих автомобильных приложениях. Стереокомплекс PLA (sc-PLA), образованный путем смешивания PLLA (поли-L-лактида) и PDLA (поли-D-лактида) в соотношении 1:1, образует сокристаллизованную структуру с температурой плавления 220–230°С - значительно выше, чем у любого гомополимера по отдельности. Исследования компаний Mitsui Chemicals и Toyota продемонстрировали, что детали, полученные литьем под давлением sc-PLA, выдерживают температуру непрерывного использования до 100°C, что делает их пригодными для некоторых компонентов салона автомобиля, в которых в настоящее время используется инженерный нейлоновый пластик.

Сополимеры и смеси PHA для повышения прочности

Присущая PHB хрупкость исторически ограничивала коммерческий успех PHA. Текущие стратегии повышения прочности включают: (1) биосинтетическое введение более длинных боковых цепей (3-гидроксивалерата, 3-гидроксигексаноата) для нарушения кристалличности и улучшения пластичности; (2) реакционное смешивание с PLA или PBAT с использованием пероксида или дикумилпероксида в качестве агентов, улучшающих совместимость; и (3) пластификация эпоксидированными растительными маслами. Эти подходы позволили получить материалы на основе ПГА с удлинением при разрыве, превышающим 200% сохраняя при этом полную биоразлагаемость — приближаясь к гибкости полиэтилена низкой плотности, но еще не достигая характеристик инженерного нейлонового пластика.

Биокомпозитное армирование: натуральные волокна в биоразлагаемых матрицах

Добавление натуральных волокон — льна, конопли, джута, кенафа или бамбука — к матрицам PLA или PHA создает полностью компостируемые биокомпозиты со значительно улучшенной жесткостью и прочностью. Композиты льняное волокно/PLA с содержанием волокна 30% достигли модуля растяжения 8–12 ГПа , приближаясь к армированному стекловолокном инженерному нейлоновому пластику по жесткости, но предлагая гораздо меньшую плотность (1,2–1,3 г/см3 против 1,5 г/см3 для 30% GF PA66). Такие компании, как Bcomp (Швейцария) и Trifilon (Швеция), коммерциализировали эти биокомпозитные системы для использования в автомобильных внутренних панелях, спортивном оборудовании и корпусах бытовой электроники.

Биологический нейлон: преодоление разрыва

Различие между «биоразлагаемым» и «биологическим» часто путают, но инженерный нейлоновый пластик на биологической основе представляет собой важную промежуточную территорию. PA11 (Рилсан, Аркема) на 100% получен из касторового масла и не поддается биологическому разложению, но обладает На 50–60 % меньше выбросов углекислого газа чем PA12, на основе «от колыбели до ворот» (источник: Оценка жизненного цикла Arkema, 2021 г.). PA410 (EcoPaXX, DSM/Covestro) на 70% состоит из касторового масла и имеет механические характеристики PA66 с Tg 30°C и температурой плавления 250°C. Эти материалы сохраняют структурные преимущества инженерного нейлонового пластика, одновременно снижая зависимость от нефтехимического сырья — прагматичный шаг в промышленной декарбонизации, где полностью биоразлагаемых альтернатив пока недостаточно.

Ферментативная переработка: связь окончания срока службы с производством

Революционная технология от Carbios (Франция) использует термофильные ферменты кутиназы для деполимеризации ПЭТ (и, как следствие, PLA и других полиэфиров) обратно в чистые мономеры при 72°C в течение 10 часов, достигая выход деполимеризации более 97% . Этот метод ферментативной переработки, проверенный в пилотном масштабе и лицензированный для партнеров, включая L'Oreal и Nestle, означает, что биоразлагаемые полиэфиры в конечном итоге могут быть химически переработаны в мономеры первичного качества, а не компостированы, замыкая материальный цикл гораздо эффективнее. Это позиционирует биоразлагаемые полиэфиры не только как компостируемые материалы с истекшим сроком эксплуатации, но и как перерабатываемую платформу в экономике замкнутого цикла – идея, которая более непосредственно конкурирует с показателями пригодности к вторичной переработке инженерного нейлонового пластика.