グラフェンは、六角形の格子で配置された原子の単層から成る2次元カーボンallotropeで、21世紀の最も有望なナノ材料の1つとして出現しました。その非特異的な機械的、熱的、電気的特性は、無数の業界にわたって厳しい研究を浄化しています。最も魅力的なアプリケーションの一つは、高性能、環境に優しい包装材料の開発にあります。持続可能な包装のための世界的な需要として、グラファイトは、同時により強い環境に影響を与え、両方の材料を低減します。

グラフェンの理解:構造とキーのプロパティ

グラフェンは、多くの場合、グラファイトのビルディングブロックとして記述されています。最も単純な形で、それはわずか1原子厚の炭素原子のシートです。その最小厚さにもかかわらず、グラフェンは、鋼よりも約200倍の張力強さを持ち、それはこれまで最も強い材料の1つを作る。それはまた、非常に柔軟で、透明で、熱と電気の例外的な導体です。

これらの特性は、ハニカム格子の炭素原子のユニークな配置から生じる。原子間の強い同等な結束は、シートに機械的弾性を与えます。そして、電子を除去する場合には、驚くべき導電性を与えます。包装のために、強度、不浸透性、および軽度の組合せは特に価値があります。

包装で使用されるグラフェンの種類

すべてのグラフェンは同じではありません。 パッケージングアプリケーションでは、研究者は通常、グラフェン酸化物(GO)、還元グラフェン酸化物(rGO)、またはプリスイングラフェンナノプレート(GnP)を使用します。 グラフェン酸化物は、大量に生成しやすく、既存の製造プロセスと互換性のある水やポリマーに分散することができます。 還元グラフェン酸化物は、より高い電気伝導性を提供していますが、追加の化学または熱処理が必要です。 プリスチングラファイトは、直接、バリア性を提供し、最高の機械的特性を発揮し、より高価を保証します。

なぜ環境に優しい包装のためのグラフェン?

従来の包装材料は性能と環境の持続可能性の間の基本的な貿易オフに直面します。ポリエチレンやポリプロピレンのようなプラスチックは、優れたバリア特性と耐久性を提供しますが、何世紀にも渡って、化石燃料や環境の持続性から派生しています。PLA(ポリ乳酸)などの生分解性代替品は、多くの場合、多くの製品に必要な強度と障壁の性能が欠けています。

グラフェンはこのギャップを埋めることができます。 ポリマーに小さな量のグラフェンを組み込むことにより、複合体は、軽量で潜在的に再生可能なまま、優れた強度、ガス透過性、UV抵抗を達成することができます。 これは、次世代の持続可能なパッケージングのためのグラファイト注入材料の理想的な候補になります。

高められた機械強さ

ポリマーマトリックスに分散すると、グラフェンナノプレートはナノフィラーの補強として機能します。 体重で0.1〜1%の低い負荷でも、グラフェンは、包装フィルムの引張強さ、弾性率、靭性を大幅に増加させることができます。 これにより、製造業者は、犠牲な性能なしで薄く材料を使用することができ、全体的なプラスチック消費量を減らすことができます。 例えば、グラフェン強化フィルムは、同じパンクの抵抗を維持しながら、従来のフィルムの半分の厚さになることができます。

優れたバリア特性

包装の最も重要な機能の1つは、酸素、湿気およびライトから内容を保護することです。 グラフェンの原子thickシートは、ガスおよび蒸気分子が移動し、劇的に浸透を遅くする必要がある、トルトルートなパスを作成します。 調査は、酸化物のコーティングがベアポリマーフィルムと比較して、いくつかの注文によって酸素透過率を減らすことができることを示しました。 これは、食品、医薬品、および電子機器の保存寿命を大幅に延ばすことができ、食品廃棄物や資源消費量を減らすことができます。

湿気および紫外線保護

グラフェンベースのコーティングは、優れた湿気の障壁も提供します。これは、乾燥食品、医薬品、電子部品などの湿気に敏感な製品にとって重要です。さらに、グラフェンはUVライトを吸収し、光分解からコンテンツを保護することができます。これらの複合バリア特性は、高性能なエコパッケージングのためのオールインワン添加剤です。

軽量でカーボンフットプリントを削減

グラフェン強化材料は、薄く、軽量化できるため、ユニットごとにパッケージの重量を削減します。 軽量化は、輸送中の輸送コストを削減し、燃料消費量を削減します。 さらに、多くのグラフェン製造方法は、石油ベースのフィードストックではなく、再生可能なカーボンソース(バイオマス、砂糖など)を使用できます。 再生可能または生分解可能なポリマーと組み合わせると、グラフェンベースのパッケージングは、そのライフサイクルにわたって大幅に低いカーボンフットプリントを達成することができます。

世界で初めてのアプリケーションと製品

複数の研究グループや企業は、既に商業用途向けのグラフェン強化パッケージを開発しています。以下は、主要な分野に及ぶいくつかの注目すべき例です。

食品包装

新鮮な農産物、肉、酪農場および焼き菓子は、新鮮さを維持する材料からすべての利点を生成します。グラフェン注入PLAフィルムは、水分を保ちながら、制御されたガス交換を可能にし、腐敗を遅らせる。同様に、板皿のグラフェン酸化コーティングは、グリースや水浸透を防ぐことができ、プラスチックライナーを交換します。 で公表された研究は、科学的なレポートは、従来のストローベリーの寿命を延ばすことができることを実証しました。

保護および船積みの包装

Eコマースは、軽量で保護されたパッケージングに大きな需要を築きました。 グラフェンナノプレートでコーティングされた段ボールは、圧縮強度と耐圧性を高め、より薄い壁や材料を粉砕することができます。 一部の企業は、従来のプラスチックメーラーよりも少ない排出物を再生可能かつ生産するグラファイト強化メーラーバッグを開発しています。

適用範囲が広い覆いおよび医学の包装

消費者向け商品の場合、グラフェン強化ラップは、より良いパンク抵抗とシールの完全性を提供します。 治療パッケージでは、滅菌が維持されなければならない、グラフェンの障壁特性は、単一の複合フィルムで箔とプラスチックの複数の層を交換することができます。 さらに、その抗菌特性(グラフェンは細菌細胞膜を破壊することができます)は、傷ドレッシングやインプラント包装のための安全性の層を追加します。

生産方法とスケーラビリティの課題

約束にもかかわらず、グラフェンベースのパッケージングをスケーリングすることは挑戦的です。高品質のグラフェンの生産はまだ高価であり、しばしば化学蒸気沈着(CVD)または労働集中的な剥離を必要とする。グラフェン酸化物は安くても、フルパフォーマンスを回復するために慎重に削減プロセスが必要です。

もう一つの問題は、均一分散です。グラフェンはポリマー溶解で凝集剤になり、その有効性を低下させます。研究者は、表面機能化と溶媒を主張し、分散を改善します。幸いにも、最近の進歩は[]]の液相剥離]]の低減コストと、グラフェン分散の産業スケールの生産を可能にしました。

ライフサイクルと環境の配慮

グラフェンは、持続可能性を向上させることができる一方で、独自の環境コストを考慮する必要があります。 グラフェンを生成するために必要なエネルギーと酸化で使用される化学物質は重要です。 しかし、ライフサイクルアセスメントは、グラフェンが低負荷で使用され、バイオベースのポリマーと組み合わせるときに、従来のパッケージングよりも、純環境への影響が低くることを示唆しています。 リサイクルグラファイトコンポジットは、まだ新興分野ですが、機械的リサイクルがグラフェンの有益特性の多くを維持できるという研究が示されています。

規制と安全面

グラフェンベースのパッケージングは、FDAやEFSAなどの身体からの規制当局の承認が得られる前に、特に食品接触のために取得する必要があります。 グラフェン毒性に関する現在の研究では、分散、ポリマーマトリックス内のカプセル化されたグラフェンが、漂白がない限り、最小限のリスクを占めることが示唆されています。 しかし、長期的研究は進行中です。 製造業者は、材料内のグラフェンが残っていることを確認するために、厳しいプロトコルに従う必要があります。

未来の展望:質量の採用への道

グラフェンのエコパッケージへの統合は、遠い夢ではありません。それはすでにパイロットプラントや初期の商用製品で起こっています。 生産コストが落ちるにつれて、次の10年以内に一定のグレードのために1キログラムあたり100ドル未満を落とすことが予測されるため、従来のプラスチックとの価格の相性が達成できます。 のイノベーション]のinsitu]]]]]の多重化とマスターバッチの化合物は、既存のラインにグラファイトの組み込まれる簡素化です。

今後、導電性グラフェン回路による鮮度を監視するスマートパッケージや、エチレンを吸収するアクティブパッケージなど、まったく新しいパッケージングコンセプトを有効化できる見込みです。これらの開発は、製品安全を改善し、廃棄物を削減するだけでなく、世界中の政府や法人が定める野心的な持続可能性目標を達成するのにも役立ちます。

コンテンツ

グラフェンは、より強力で軽量で、より持続可能なパッケージングを作成するための変革的なアプローチを提供しています。現在の障壁を生産とスケーリングに克服することにより、グラフェン注入材料は、優れた性能を発揮しながら、多くのアプリケーションで従来のプラスチックを交換することができます。環境上の利点 - 優れた材料、長い棚寿命、低炭素のフットプリントを下げ、再生性 - 円経済の目標と密接に整列します。研究が継続し、商用導入が成長するにつれて、グラフェンは次世代のエコパッケージの次の世代に主要なコンポーネントになるように気化されます。