گرافن، یک آلتروفیل کربن دو بعدی متشکل از یک لایه واحد از اتم های تنظیم شده در یک شبکه هیکساگونال، به عنوان یکی از امیدوار کننده ترین نانو مواد نانوی قرن 21 ظهور کرده است، در حالی که خواص مکانیکی، حرارتی و الکتریکی تحقیقات شدید در سراسر صنایع بی شماری را تحریک کرده اند. یکی از جذاب ترین کاربردهای در توسعه مواد با عملکرد بالا، مواد زیست محیطی قوی تر، به عنوان کاهش مواد زیست محیطی پایدار و همچنین کاهش تقاضا برای بسته بندی مواد پایدار است.

درک گرافن: ساختار و املاک کلیدی

گرافن اغلب به عنوان بلوک ساختمانی گرافیت توصیف می شود، در ساده ترین شکل آن، یک ورق اتم کربن فقط یک اتم ضخامت است. علی رغم ضخامت حداقل آن، گرافن دارای قدرت کششی تقریبا 200 برابر بیشتر از فولاد است، و آن را یکی از قوی ترین مواد اندازه گیری شده است.

این خواص از آرایش منحصر به فرد اتم های کربن در یک شبکه ی عسل بوجود می آیند. پیوندهای قوی بین اتم ها انعطاف پذیری مکانیکی آن را می دهند، در حالی که الکترون های متحرک اجازه می دهند هدایت قابل توجه برای بسته بندی، ترکیب قدرت، ناتوانی و نور به ویژه ارزشمند است.

انواع گرافن مورد استفاده در بسته بندی

همه گرافن یکسان نیست برای برنامه های بسته بندی، محققان به طور معمول از اکسید گرافن (GO)، کاهش اکسید گرافن (rGO)، یا نانوپلکس گرافن گرافن (GnP) استفاده می کنند، اما اکسید گرافن آسان تر است برای تولید در مقادیر بزرگ و می تواند در آب یا پلیمر پراکنده شود، و آن را سازگار با فرآیندهای تولید موجود است.

چرا گرافن برای بسته بندی سازگار با محیط زیست؟

مواد بسته بندی سنتی با یک تجارت اساسی بین عملکرد و پایداری محیط زیست مواجه هستند. پلاستیک هایی مانند پلی اتیلن و پلی پروپیلن ویژگی های سد عالی و دوام را ارائه می دهند اما از سوخت های فسیلی گرفته شده و برای قرن ها در محیط زیست باقی می مانند جایگزین های قابل تجزیه و تحلیل مانند PLA (polylactic acid) قابل تنظیم هستند اما اغلب فاقد قدرت و عملکرد مانع مورد نیاز برای بسیاری از محصولات هستند.

گرافن می تواند این شکاف را پل بزند.با ترکیب مقدار کمی گرافن به پلیمرها، کامپوزیت ها می توانند به قدرت برتر، ناتوانی گاز و مقاومت UV در حالی که باقی مانده سبک و به طور بالقوه قابل بازیافت است، این باعث می شود که کاندید مواد ایده آل گرافن برای بسته بندی های پایدار نسل بعدی.

افزایش قدرت مکانیکی

هنگامی که به یک ماتریس پلیمری پراکنده می شود، نانوپلکس گرافن به عنوان تقویت نانوکارگران عمل می کند، حتی در بارگیری به عنوان کم 0.1-1% با وزن، گرافن می تواند به طور قابل توجهی افزایش قدرت کششی، modulus و سخت بودن فیلم های بسته بندی، این اجازه می دهد تا تولید کنندگان برای استفاده از مواد نازک بدون قربانی عملکرد، کاهش مصرف کلی پلاستیک استفاده کنند.

ویژگی های برتر

یکی از مهمترین عملکردهای بسته بندی محافظت از محتویات از اکسیژن، رطوبت و نور است. ورق های اتمی گرافن یک مسیر بی نظیر ایجاد می کنند که مولکول های گاز و بخار باید حرکت کنند، به طور چشمگیری کاهش مصرف مواد غذایی و کاهش منابع مواد غذایی، و کاهش مصرف مواد غذایی، و کاهش مصرف مواد غذایی، و کاهش مصرف مواد غذایی، و کاهش میزان انتقال اکسیژن توسط چندین سفارش از اندازه به فیلم های پلیمری غیر مستقیم، می تواند به طور قابل توجهی افزایش یابد.

رطوبت و حفاظت از UV

پوشش های مبتنی بر گرافن همچنین موانع رطوبت عالی را فراهم می کنند، این برای محصولات حساس به رطوبت، مانند غذاهای خشک، داروها و اجزای الکترونیکی حیاتی است. علاوه بر این، گرافن می تواند نور UV را جذب کند، محافظت از محتویات از فتوdegradation این خواص ترکیبی باعث می شود گرافن یک افزودنی همه جانبه برای بالا نصب محیط زیست.

کاهش و کاهش کربن فوت

از آنجا که مواد گرافن-درون می توانند نازک تر و سبک تر باشند، وزن بسته بندی را در هر واحد کاهش می دهند. بسته بندی لایتر به معنای هزینه های حمل و نقل پایین تر و کاهش مصرف سوخت در طول حمل و نقل است. علاوه بر این، بسیاری از روش های تولید گرافن می توانند از منابع کربن تجدید پذیر (به عنوان مثال، بیوmass، شکر) استفاده کنند تا مواد غذایی مبتنی بر نفت.

برنامه های کاربردی دنیای واقعی و محصولات نوظهور

چندین گروه تحقیقاتی و شرکت ها در حال حاضر در حال توسعه بسته بندی گرافن-ننس برای استفاده تجاری هستند.در زیر برخی از نمونه های قابل توجه است که بخش های کلیدی را پوشش می دهند.

بسته بندی غذا

تولید تازه، گوشت، لبنیات و کالاهای پخته شده همگی از موادی که تازه نگه می دارند بهره مند می شوند.[۱] فیلم های PLA با گرافن برای بسته بندی میوه توسعه می یابند: فیلم اجازه می دهد تبادل گاز کنترل شده در حالی که رطوبت را حفظ می کند، به طور مشابه، پوشش های اکسید گرافن بر روی سینی های کاغذی می تواند مانع از چربی و نفوذ آب شود، جایگزین یک مطالعه منتشر شده در (FLT: ۱)

بسته بندی های حفاظت و حمل و نقل

تجارت الکترونیک تقاضای زیادی برای بسته بندی سبک و با این حال محافظ ایجاد کرده است.پی.آر.پی.ان با نانوپلکس های گرافن تزریق می تواند قدرت فشرده و مقاومت را به خرد کردن افزایش دهد، اجازه می دهد دیوارهای نازک تر و مواد کمتری تولید کنند. برخی از شرکت ها همچنین کیسه های ارسال کننده گرافن را توسعه می دهند که قابل بازیافت هستند و انتشار کمتری نسبت به ایمیل های سنتی پلاستیکی دارند.

بسته بندی های انعطاف پذیر و بسته بندی پزشکی

برای کالاهای مصرفی، بسته بندی های گرافن-ننسد، مقاومت و یکپارچگی سوراخ کننده بهتری را ارائه می دهند.در بسته بندی پزشکی، که در آن انعطاف پذیری باید حفظ شود، خواص مانع گرافن می تواند جایگزین لایه های متعدد فویل و پلاستیک با یک فیلم کامپوزیت منفرد، خواص ضد میکروبی آن (graphene می تواند غشای سلولی را مختل کند) اضافه کردن یک لایه ایمنی برای بسته بندی زخم و پانسمان.

روش های تولید و چالش های مقیاس پذیری

علی رغم وعده های آن، بسته بندی مبتنی بر گرافن همچنان یک چالش است.تولید گرافن با کیفیت بالا هنوز گران است، اغلب نیاز به رسوب بخار شیمیایی (CVD) یا لایه برداری نیروی کار فشرده است. گرافن اکسید ارزان تر است، اما نیاز به فرآیندهای کاهش دقیق برای به دست آوردن عملکرد کامل دارد.

مسئله دیگر پراکندگی یکنواخت است. گرافن تمایل به جذب شدن در ذوب پلیمر دارد، کاهش اثربخشی آن. محققان در حال بررسی عملکرد سطح و مخلوط شدن با کمک حلال برای بهبود پراکندگی هستند، خوشبختانه پیشرفت های اخیر در لایه برداری غیر مایع هزینه ها را کاهش داده و تولید صنعتی گرافن را فعال کرده اند.

چرخه زندگی و محیط زیست

در حالی که گرافن می تواند پایداری را بهبود بخشد، هزینه های زیست محیطی خود را باید در نظر گرفت.انرژی مورد نیاز برای تولید گرافن و مواد شیمیایی مورد استفاده در اکسیداسیون قابل توجه است، اما ارزیابی چرخه عمر نشان می دهد که هنگامی که گرافن در بارگیری کم استفاده می شود و همراه با پلیمر های مبتنی بر زیست محیطی زیستی ترکیب می تواند کمتر از بسته بندی های معمولی باشد.

تنظیم مقررات و جنبه های ایمنی

قبل از اینکه بسته بندی مبتنی بر گرافن بتواند به استفاده گسترده برسد، تایید قانونی از بدن هایی مانند FDA و EFSA باید به دست آید، به ویژه برای تماس غذایی، تحقیقات فعلی در مورد سمیت گرافن نشان می دهد که گرافن به خوبی پراکنده شده، کپسوله شده در ماtrics پلیمر حداقل خطر را به عنوان تا زمانی که هیچ پلنگ وجود ندارد، مطالعات طولانی مدت در حال انجام است که به دنبال گرافت دقیق است که مواد باقی مانده است.

چشم انداز آینده: مسیر برای پذیرش جمعی

ادغام گرافن در بسته بندی سازگار با محیط زیست یک رویای دور نیست؛ در حال حاضر در گیاهان خلبان و محصولات تجاری اولیه اتفاق می افتد.همانطور که هزینه های تولید همچنان کاهش می یابد - پیش بینی می شود که برای برخی از نمرات در دهه آینده زیر 100 دلار کاهش یابد - قیمت با پلاستیک های معمولی قابل دستیابی خواهد شد نوآوری در in نشستن و پلیمرینگ ترکیب بندی موجود در ساده سازی خطوط پردازش ترکیب بندی در ساده سازی ترکیب بندی های موجود در ساده سازی.

با نگاهی به آینده، می توانیم انتظار داشته باشیم که گرافن بتواند مفاهیم بسته بندی کاملا جدید مانند بسته بندی هوشمند را که از طریق مدارهای گرافن هدایت کننده، یا بسته بندی فعال که اتیلن را جذب می کند تا زندگی قفسه را گسترش دهد، این پیشرفت ها نه تنها امنیت محصول را بهبود می بخشد و زباله ها را کاهش می دهد، بلکه به اهداف بلند پروازانه پایداری که توسط دولت ها و شرکت های سراسر جهان تعیین می شود، کمک می کند.

نتیجه گیری

گرافن یک رویکرد تحول آمیز برای ایجاد بسته بندی است که قوی تر، سبک تر و پایدارتر است.با غلبه بر موانع فعلی تولید و مقیاس، مواد گرافن-ined می توانند جایگزین پلاستیک های معمولی در بسیاری از برنامه ها شوند در حالی که ارائه مزایای زیست محیطی - مواد بی نظیر، عمر قفسه، پایین کربن، و قابلیت بازیافت - نزدیک با اهداف اقتصاد دایره ای سازگار است، زیرا ادامه می دهد تا یک جزء اصلی و آماده سازی بعدی شود.