תכונות של חומרים ביופומריים פתרונות הנדסה ידידותיים לסביבה

חומרים ביופומריים צוברים תשומת לב מוגברת בתחום ההנדסה ידידותית לסביבה בשל האופי המתחדש שלהם ואת הביודידה.חומרים אלה נגזרים ממקורות טבעיים כגון צמחים, בעלי חיים ומיקרואורגניזמים, מה שהופך אותם חלופות בר קיימא לפלסטיקים מסורתיים ופולימרים סינתטיים. כמו הביקוש הגלובלי לייצור אחראי סביבתי, ביופוחיות מציעים כדי להפחית את התלות על דלקים מאובניים, פחמן נמוך יותר, ולהפחית את תפקודם פונקציונלי ייחודי.

תכונות מפתח של biopolymer Materials

הבנת המאפיינים של ביופוחיות חיוני ליישום יעיל שלהם פתרונות הנדסיים.הנכסים העיקריים כוללים כוח מכני, ביודידות, יציבות תרמית, יעילות תהליכים, ביצועים מחסום, ומאפיינים אופטיים.כל נכס משפיע על התאמתו של ביופוימר לשימושים מסוימים ולסיים יש להעריך בקפידה במהלך בחירת החומר.

כוח מכני

ביופוחיות רבות מציגות תכונות מכניות טובות, כגון חוזק רבילי, מודלוס וגמישות, מתאים יישומים מבניים ואריזות שונים.לדוגמה, חומצה פולילאקטית (PLA) יש כוח רביר דומה לפוליסטירין ופולי (אתלן terephthalate) בתנאים מסוימים, עם זאת, כמה ביו-פוחיות עשויות לדרוש חיזוק או תערובת עם חומרים אחרים, כגון עומסים מגנטיים, כמו גם תכונות מגנטיות, כדי לשפר את התנהגותם אופטית, או חומרים מגנטיות, כגון, כגון, או חומרים מגנטיות, כגון, או חומרים מזיקים, כדי לשפר את יעילות, כגון שימושים, או חומרים מזיקים, כדי לשפר את שיטות תחזוקה אופטיים, כדי לשפר את יעילות, כגון, כדי לשפר את שיטות תחזוקה אופטיים, או חומרים מזיקים, או חומרים מגנטיים, או חומרים מזיקים, כדי לשפר את יעילות, כדי לשפר את יעילות, כגון, כדי לשפר את יעילות, כדי לשפר את יעילות, כגון, כגון, כגון, כדי לשפר את שיטות תחזוקה אופטימחדשניים, כדי לשפר את שיטות תחזוקה אופטית, כדי לשפר את שיטות תחזוקה אופטימחדשניים, כגון, כגון, כגון, כדי לשפר את שיטות תחזוקה מכנית, כדי לשפר את שיטות תחזוקה אופטימדומים, כגון, כגון שימושים, כגון

Biodegradability

סימן ההיכר של חומרים ביו-פומריים הוא היכולת שלהם להיפטר באופן טבעי באמצעות פעולה מיקרוביאלית בתנאים סביבתיים מתאימים (למשל, קומפוסט תעשייתי, קבורה אדמה, סביבות ימיות) רכוש זה מפחית השפעה סביבתית על ידי צמצום פסולת מתמשכת במזומנים ואוקיאנוסים.השיעור והיקף של הביומדן מבוסס על גורמים כגון מבנה כימי, גבישי, טמפרטורה, לחות, ורווחה מיקרו-פולנית עבור כל מינידנציה רפואית, אשר אינה יעילה, כלומר, כמו חומרים ביולוגיים, אשר נועדו בסופו של חומרים ביולוגיים, אשר נועדו בסופו של דבר, אשר נועדו בסופו של דבר, אך ורקמותיים, כלומר, אך ורק חומרים ביולוגיים, כלומר, אשר נועדו באופן קבוע, כלומר, אך ורק על בסיס קבוע, עם זאת, עם זאת, עם זאת, עם זאת, עם זאת, עם זאת, עם זאת, עם זאת, במידה מסוימת, עם זאת, עם זאת, עם זאת, עם זאת, עם זאת, במידה מסוימת, עם זאת, עם זאת, במידה מסוימת, עם זאת, עם זאת, עם זאת, במידה מסוימת, חומרים ביולוגיים המבוססים על בסיס קבוע, במידה מסוימת, עם זאת, עם זאת, כלומר, במידה מסוימת, חומרים ביולוגיים, אשר נועדו במידה מסוימת, אשר נועדו במידה מסוימת, אשר הם חומרים ביולוגיים, עם זאת,

יציבות

יציבות תרמית משתנה בין biopolymers. חלקם, כמו PLA, יכול לעמוד חום מתון (טמפרטורת מעבר משקפיים סביב 55-65 מעלות צלזיוס, נקודת התכה סביב 170-180 מעלות צלזיוס), מה שהופך אותם מתאימים לאריזות ופריטים חד פעמיים. אחרים, כגון פוליhydroxyalkanoates (PHAs), יש יציבות תרמית נמוכה וחלונות עיבוד צר, הדורשים בקרת טמפרטורה זהירה במהלך עיבוד חום.

יכולת תהליכים

ביופוחיות לעתים קרובות יכול להיות מעובד באמצעות טכניקות ייצור קונבנציונליות כגון extrusion, הזרקת עובש, מפוצץ עובש, טיוק הסרט ותרמוגציה. תאימות זו מאפשרת שילוב שלהם לתוך קווי ייצור קיימים ללא השקעה הון גדול בציוד חדש. עם זאת, ביופוחיות עשוי להציג הבדלים ב rheology מומס, מול רגישות, לחות בהשוואה לפלסטיק קונבנציונלי.

נכסים של גדר ההפרדה

תכונות גדר נגד גזים (oxygen, פחמן דו חמצני) ולחות הם קריטיים עבור יישומי אריזה מזון. ביופוחיות רבות, כולל סרטים מבוססי PLA ו-starch, להציג בינוני לביצועי מחסום נמוך בהשוואה לפלסטיקים קונבנציונליים כגון PET או EVOH. כדי להתגבר על הגבלה זו, מחקר התמקד על חומרים מרוב שכבות, ננוספוטטים עם גרפן או גרפן, וציפויים המבוססים על חומרים ביו-רפואיים כמו צ'ין או להרחיב את התכונות של מזון.

תכונות אופטיות

Transparency and Color רלוונטיים לאריזות, עדשות אופטיות ורכיבי תצוגה.מספר ביופוחיות, כגון PLA ו- cellulose acetate, מציעים בהירות מצוינת דומה זכוכית או פלסטיקים ברורים שמן. הנכס הזה מועיל יישומים שבהם חשיפה המוצר חשוב, כגון אריזה טרייה או תקליטורים.

סוגים של ביופוחיות ואופייהם

פולילאקטי Acid (PLA)

PLA הוא אחד הביו-פוחיות בשימוש נרחב ביותר, הנגזר מכוכב צמחי מותס (בדרך כלל תירס, קזאווה, או סוכרקניה) הוא מציע כוח מכני טוב, בהירות, ו biodegradability בתנאים של ייצוג תעשייתי.PLA משמש באריזה נוקשה, 3D הדפסה filaments, חיתוך חד פעמי, ותלות רפואיות.

Polyhydroxyalkanoates (PHAS)

PHAs מיוצרים באופן טבעי על ידי חיידקים כמו אחסון אנרגיה בתוך תאי והם מאוד biodegradable בסביבות שונות, כולל תנאים ימיים.הם יש התנגדות לחות טובה ויכול להיות מכוונן באמצעות הרכב מונומר כדי להשיג תכונות מכניות שונות (מ גבישים קשים לגומי אלסטיים). יישומים כוללים פלסטיק לשימוש יחיד, מגרד סרטים, ונושאי סמים.

Starch-based Biopolymers

Starch, שמקורו תירס, תפוחי אדמה או Tapioca, הוא ביופומרי בשפע וזול.זה לעתים קרובות מוקרן עם הפלסטיקנים (למשל, גליגליקול, sorbitol) כדי ליצור עמילן תרמופלסטי (TPS), המשמש בסרטים, מגשים, קצף.

סלקציה ודריביות

צלולוז הוא פולימר טבעי בשפע ביותר על פני כדור הארץ, מפירות עץ וצמחים.זה לא מתמוסס לעיבוד אבל יכול להיות שונה כימית לייצר תאופאן, צלולוז acetate, ו nanocrystals. Cellulose ננופיברים משמשים כמו סוכני גלגול מחדש במפרקים, שיפור כוח מכני ותכונות תוך שמירה על מגוון ביורדיות.

צ'יטוסאן ואלג'ינאטה

צ'יטוסאן, שמקורן כיטין (פגזים קיסריים), ואלג'ינאטה, מ- Seaweed, הם ביופוחיות יון / רפואיות המשמשות בהנדסה ביו-רפואית, ציפוי מזון וטיפול במים.הם יוצרים ג'לים בתנאים קלים ויש להם תכונות אנטימיקרוביאליות.חומרים אלה מעובדים על ידי ליכו, קפואים, או אלקטרוספנינגים ליישומים כגון רקמות, וסרטים, תרופות מחוסנים.

חלבון מבוסס Biopolymers

חלבונים כגון קולגן, ג'לטין, חלבון סויה, וחלבון whey ניתן לעבד לתוך סרטים, סיבים, קצף. הם מציעים רגישות לחות והשפלה מבוקרת, שימושי עבור אריזה אכילה וסרטים חקלאיים. כמוסות גלטין ו casingn קסרינגס עבור מזון הם דוגמאות מבוססות היטב.

יישומים בהנדסת Eco-Friendly Engineering

חבילות דיגיטציה

מגזר השוק הגדול ביותר עבור ביופוחיות הוא אריזה, שבו היכולת שלהם לדרג את הפסולת לאחר-consumer. PLA משמש בכוסים קרים, clamshells, ובקבוקים עבור מוצרים קצר-חיים. סרטים מבוססי Starch משמשים עבור עטיפות תוצרת טרייה, ו ציפוי PHA לספק מחסומים עבור כוסות נייר.

סרטים חקלאיים ומאלש

סרטי ביופומרימר משמשים כמגפיים אדמה כדי לשלוט עשבים, לשמור על לחות, ולסדיר טמפרטורה. biodegradable mulches לחסל את הצורך של retrieval ולסילוק של סרטי פוליאתילן, לחסוך עבודה וצמצום זיהום הקרקע. .Banch מבוסס ו- PHA סרטים degrade באדמה במשך שבועות עד חודשים, שחרור פחמן דו חמצני ומים, כגון אדמה, ואפקטים קינטיים, כדי להיות לקוייקאיים, כדי להיות לקוייקאיים מקומיים.

מכשירים רפואיים ו- Implants

ביו-קומופטיות והשפלה מבוקרת הופכות את האידיאל של יישומים רפואיים.PLA, חומצה פוליגליקולית (PGA), ואת copolymers שלהם משמשים בצורות סופגניות, מברגי תיקון העצם, וספיצינורות של אספקת תרופות. Chitosan hydrogels לשמש כמו תלבושות פצע כי לקדם ריפוי.

ידידותי לסביבה

ביופוחיות משמשות כמרכיבים טבעיים של סיבים טבעיים (למשל, flax, Jute, hemp) אלה מורכבים מציעים חלופות קלות משקל, מתחדשות לשומן מחזק פלסטיק בפנים רכב, רהיטים וציוד ספורט.המטריקס הביופומרימר מבטיח כי כל מורכב הוא biodegradable או reclable, עם עקרונות עיצוב מעגלי.

3D הדפסה ותוספת ייצור

PLA הוא החומר הדומיננטי בדפוסי הצריכה והתעשייתיים של 3D בשל קלות השימוש, דף מלחמה נמוך, ו biodegradability. PHA תערובות ו filaments המבוססים על lignin מתעוררים עבור יישומים הדורשים גמישות גבוהה יותר או קיימות. biopolymer filaments מציעים חלופה ירוקה יותר ל- acrylonile אך אסתטיקה (S) ופולימילוליים (premultipilas) ב-Fre) פונקציונליות.

יתרונות סביבתיים וכלכליים

היתרונות הסביבתיים של ביופוחיות נגזרים בעיקר מן הזין המתחדש שלהם ואת סוף החיים ביודידות מחזור חיים (LCAs) מצביעים על כך שייצור ביופוחיות מגידולים חקלאיים לעתים קרובות תוצאות פליטות גזי חממה נמוכות בהשוואה לפולימרים המבוססים על נפט, במיוחד כאשר שינוי בשימוש הקרקע הוא אחראי על כך.

Biodegradation בסביבות מנוהלות (למשל, אינטגרציה תעשייתית) מסיט פסולת מן הקרקע ומפחית את פליטות מתאן.בסביבות לא מאומתות, כגון אוקיינוסים, ביו-פוחיות עם ביודות ימית (למשל, PHA) מציעים פתרון מבטיח לזיהום כלכלי.

אמצעים מדיניות כגון איסורים על פלסטיק לשימוש יחיד, אחריות מפיק מורחבת (EPR) תוכניות, ורכישת ציבור ירוקה מאיצה אימוץ.לדוגמה, הנחיות האיחוד האירופי להגביל את השימוש בתיקים פלסטיק הגבירו את הביקוש ל חלופות ביו-מדרגתיות.מחקר לתוך ביו-רפיות וייצור משולב של ביו-פוחיות לצד דלקים ביולוגיים יכול לשפר עוד את היעילות הכלכלית והמשאבים.

אתגרים וכיוונים עתידיים

עלויות הייצור ו-Salability

עלויות ייצור ביופומרימר בדרך כלל עולה על אלה של מוצרי פלסטיק סחורות, בעיקר בשל מחירי הזנה, התשואות המרה, וצעדי טיהור.כלכלה של קנה מידה והתקדמות ב bioprocessing (למשל, תסיסה מתמשכת, אופטימיזציה אנזימים) סוגרים את הפער.השקעה ב העיכול האנירובי ותשתיות קומפוסטינג נחוץ כדי להתמודד עם סוף החיים כראוי ולהגיע לתועלת סביבתית מלאה.

הגבלות ביצועים

כוח מכני, יציבות תרמית ותכונות מחסום של biopolymers רבים עדיין ליפול קצר של ביצועים גבוהים הנדסה פלסטיק גישות היברידית - כגון מיזוג, ננוקום חיזוק, וטיפולים על פני השטח - הם מבטיחים אבל יכול להוסיף מורכבות ועלות. ניסוחים ספציפיים יישומים חייב לאזן ביצועים, ביודות, ועלות. דרישות Durability עבור מוצרים ארוכים (למשל, רכב, חלקי דיור אלקטרוניים) עשויים לדרוש ביצועים גמישים למדי.

סוף-סוף של תשתיות והסמכת חיים

תביעות ביו-דידנטיות דורשות סטנדרטים ברורים ונתיבי רשות מתאימים. Mislabeling יכול להוביל בלבול צרכני וזיהום של זרמי מחזור (למשל, תוכניות הסמכה EN 13432 עבור תאימות) הם הכרחיים אך לא מזיקה בעולם במתקנים מגובשים, לעיכולות אנרובית, וקמפיינים מתויגמים הכרחיים כדי לכוון ביו-פוחיות לטיפולים כדי לתקן את הטיפולים.

מחקרים ופיתוח עדיפויות

מחקר עתידי מתמקד: (1) חידוש ביופוחיות עם תכונות משופרות של מיקרואורגניזמים מהונדסים גנטית; (2) פיתוח פולימרים ביו-דידיים המידרדרים לביקוש או תחת גורמים ספציפיים (למשל, UV, אנזימים); (3) שילוב של ביופוחיות עם חיישנים חכמים עבור אריזה חכמה; (4) שיפור עמידות של ביו-פוחיות עמידות; (5) ו-משאבים באמצעות זרמי ייצור שאינם יעילים ופסולת.

שיתוף פעולה בין מדענים חומריים, מהנדסים, קובעי מדיניות ובעלי עניין בתעשייה הוא מאיץ את הכדאיות המסחרית.עבור מידע נוסף, מתייחס לביקורת בכתבי עת כגון FLT:0gress in Polymer ScienceBuildFLT:1 ודיווחים בתעשייה מ-FLT:2 European BioplasticsFLT 3: 3.

מסקנה

חומרים ביופומריים מייצגים מעמד של חומרים הנדסיים ידידותיים לסביבה, אשר נישאים פונקציונליות עם אחריות סביבתית.תכונותיהם הטבועות - מיקור חדש, צדדיות מכנית, ביו-דידה של סוף החיים, ויציבות תהליכים - דלתות פתוחות לאריזות בר-קיימא, סרטים חקלאיים, מכשירים רפואיים, מסובבים, וייצור תוספים. בעוד אתגרים כגון עלות, פערים, תשתיות, מחקר מתמשך ומסגרות חיוביות הן קידום מהיר יותר ויותר של צרכנים בעלי יכולת גבוהה יותר ויותר.

על ידי אימוץ היתרונות הייחודיים של חומרים ביו-פומריים והשקעה במערכות ניהול פסולת משלימים, מהנדסים יכולים להניע התקדמות משמעותית לקראת מחזורי חומרים סגורים-פרלופ.המעבר לכלכלה המבוססת על ביולוגית אינו רק הכרחי סביבתי אלא גם הזדמנות תחרותית עבור ממציאים ברחבי העולם.