Графен, двовимірна вуглецева азотропія, що складається з одного шару атомів, розташованих в шестикутній решітці, виявилася як одна з найбільш перспективних наноматеріалів 21 століття. Його надзвичайні механічні, теплові, електричні властивості мають глибокі інтенсивні дослідження по всій галузях безлічових галузей. Одним з найбільш переконливих додатків лежить розвиток високопродуктивних, екологічно чистих пакувальних матеріалів. Як глобальний попит на стійкий упаковку посилюється, графен пропонує шлях до матеріалів, які є одночасно більш міцними і більш світлими, одночасно знижуючи вплив навколишнього середовища.

Розуміння графена: структура та основні властивості

Графен часто описаний як будівельний блок графіту. У своїй найпростішій формі це лист вуглецевих атомів всього одна атомова товщина. Незважаючи на його мінімальну товщину, графен має міцність на розрив приблизно 200 разів більше, ніж сталь, що робить його одним з найсильніших матеріалів, коли-небудь вимірюється. Він також високо гнучкий, прозорий, і винятковий провідник тепла і електрики.

Ці властивості виникають з унікальної композиції вуглецевих атомів в медомварному решітці. Сильні ковальні зв’язки між атомами дають листові механічну стійкість, при цьому вільні електрони дозволяють примітивну провідність. Для упаковки, поєднання міцності, домішки і легкості особливо цінні.

Види графена, що використовуються в упаковці

Не всі графен є однаковим. Для застосування упаковки дослідники зазвичай використовують оксид графена (GO), знижений оксид графена (rGO), або нанопластири графенових (GnP). Оксид графена легше виробляти в великих кількостях і може бути диспергований в воді або полімерах, що робить його сумісним з існуючими виробничими процесами. Зменшений оксид графена пропонує більш високу електропровідність, але вимагає додаткового хімічної або термічної обробки. Нанопласти, отримані шляхом виділення графіту безпосередньо, пропонують кращі механічні і бар'єрні властивості, хоча при більш високій вартості.

Чому Graphene для екологічно чистої упаковки?

Традиційні пакувальні матеріали, що стоять на фундаментальному виробництві між продуктивністю та екологічною стійкістю. Пластикові, як поліетилен, поліпропілен пропонують відмінні бар'єрні властивості та довговічність, але виводяться з викопних палив і стійки в середовищі протягом століть. Біорозкладні альтернативи, такі як PLA (полілької кислоти) є стабільними, але часто відсутністю міцності та бар'єрної продуктивності, необхідні для багатьох продуктів.

Графен може перенести цей проміжок. За рахунок неправильної крихітної кількості графену в полімери, композити можуть досягати високої міцності, непроникності газу, а також уФ-резистентності при збереженні легковаги і потенційно перезаряджається. Це робить графен-наплавлені матеріали, ідеальні кандидати для наступної генерації сталий упаковку.

Покращена механічна міцність

При розсіяному в полімерну матрицю, нанопласти графена виступають як армуючі нано наповнювачі. Навіть при навантаженні як низько як 0,1–1% за вагою графен може істотно збільшити міцність на розрив, модуль і міцність пакувальних стрічок. Це дозволяє виробникам використовувати більш тонкі матеріали без різкої продуктивності, зменшуючи загальне споживання пластмас. Наприклад, графен-силатний фільм може бути половиною товщини звичайного плівки при збереженні однакової опорності, різання матеріалу і відходів.

Покращені властивості бар'єрів

Одним з найважливіших функцій упаковки є захист вмісту від кисню, вологи та світла. Синтезовані атомічні листи графена створюють крутий шлях, який молекули газу та пари повинні навігуватися, різко уповільнювати їх перезменування. Дослідження показали, що покриття оксиду графена можуть зменшити кисневі передачі за декількома замовленнями величини, що порівняються з гарячими полімерними плівками. Це може істотно розширити термін зберігання їжі, фармацевтів та електроніки, зменшуючи харчові відходи та споживання ресурсів.

Зволоження та захист від утилізації

Графенові покриття також забезпечують відмінні вологі бар'єри. Це критично для продуктів, чутливих до вологості, таких як сухі продукти, медикаменти, електронні компоненти. Крім того, графен може поглинати УФ-світло, захист вмісту від фотоградації. Ці комбіновані бар'єри властивості роблять графен все-в одному добавка для високопродуктивного еко-пакетування.

Легкий і знижений вуглецевий стежок

Оскільки графен-реінсиловані матеріали можуть бути тоншими і більш світлими, вони зменшують вагу упаковки на одиницю. Легка упаковка означає зниження витрат на транспортування і зниження споживання палива під час транспортування. Крім того, багато методів виробництва графена можуть використовувати відновлювані джерела вуглецю (наприклад, біомаса, цукор) а не на основі нафтопродуктів. При поєднанні з переробними або біорозкладними полімери, на основі графенової упаковки може досягти значно меншого вуглецевого сліду над життєвим циклом.

Real-World Applications and Emerging Products Інтернет-магазин нерухомості

Кілька дослідницьких груп і компаній вже розвиваються, які вже займаються виготовленням графен-навісної упаковки для комерційного використання. Нижче наведено кілька нездатних прикладів, що пропускають ключові галузі.

Харчова упаковка

Свіжі продукти, м'ясо, молочні та хлібобулочні товари, всі переваги від матеріалів, які підтримують свіжість. Плівки з пластику розроблені для упаковки фруктів: плівка дозволяє контролювати обмін газом при збереженні вологи, затримуючи зволоження, затримку псування. Аналогічно, на картонних лотках графенові оксидні покриття можуть запобігти змащенню та проникнення води, замінюючи пластикові вкладники. Дослідження опубліковано в Наукові звіти показали, що на основі графенових плівок можна було подвійно термін зберігання полуниці порівняно з звичайною упаковкою.

захисна та доставка упаковка

Компанія E-commerce створила величезний попит на легкий, але захисний упаковку. Корусний картон, що закривається наноплатниками графена, може збільшити міцність компресора і стійкість до подрібнення, що дозволяє більш тонким стінам і меншим матеріалом. Деякі компанії також розвиваються, графен-реінфіковані сумки, які є посиленими і виробляють менше викидів, ніж традиційні пластикові поштові вироби.

Гнучка упаковка та медична упаковка

Для товарів споживача, на основі графен-навісного обгортання пропонують краще стійкість до проколів і цілісність ущільнення. У медичній упаковці, де необхідно підтримувати стерильність, властивості бар’єру графена можуть замінити кілька шарів фольги і пластику з однотонним композитним плівкою. Крім того, його антимікробні властивості (графен може порушити бактеріальні мембрани клітин) додають шар безпеки для засмічення ран і пакування імплантів.

Методи виробництва та виклики масштабності

Незважаючи на свою обіцянку, масштабування на основі графена є проблемою. Виробництво високоякісного графена все ще дорого, часто вимагає хімічного випару (CVD) або трудово-інтенсивного відшарування. Оксид графена дешевше, але вимагає ретельного скорочення процесів, щоб відновити повну продуктивність.

Ще один випуск є рівномірною дисперсія. Графен прагне агломерувати в полімерному розплаві, зменшуючи його ефективність. Дослідники досліджують функціональну здатність поверхні і розчинник-розчинний змішування для поліпшення дисперсії. На щастя, останні досягнення в Рідини-фазні відшарування] мають знижені витрати і ввімкнули промислово-масштабне виробництво графенових дисперсій.

Цикли життя та екологічні характеристики

Під час графена може підвищити стійкість, власні екологічні витрати повинні бути розглянуті. Енергія, яка необхідна для виготовлення графена і хімічних речовин, що використовуються в окисленні, є значною. Однак оцінка життєвого циклу свідчать, що коли графен використовується при низьких навантаженнях і поєднується з полімерами на основі біомаси, вплив чистого середовища нижче звичайної упаковки. Рециклінг графенових композитів є ще одним джерелом, але дослідження свідчать про те, що механічне рециркування може зберігати багато корисних властивостей графена.

Нормативно-правові аспекти

Перед тим як на основі графена можна досягти широкого використання, нормативні затвердження з органів, таких як FDA та EFSA, повинні бути отримані, зокрема для контакту з харчовими продуктами. Поточні дослідження на токсичність графена свідчать про те, що добре диспергований, акадпсульований графен в полімерних матрицях позує мінімальний ризик, доки не існує відмивання. Однак тривалі дослідження проводяться. Виробники повинні дотримуватися суворих протоколів, щоб переконатися, що графен залишається межою в матеріалі.

Майбутнє Outlook: Шлях до масового застосування

Інтеграція графена в екологічно чисту упаковку не є далекою сниною; вона вже відбувається в пілотних заводах і ранньому комерційному продукті. Як виробничі витрати продовжують падіння – випереджають падіння нижче $100 за кілограм для певних сортів протягом наступного десятиліття—вартість цін зі звичайними пластмасами стане добірною. Інновації в в situ полімеризація і оволодіння з'єднанням спрощують засвоєння графена в існуючі технологічні лінії.

Ми можемо очікувати, що графен для того, щоб забезпечити абсолютно нові концепції упаковки, такі як смарт-пакування, яка відстежує свіжість через провідні схеми графенів, або активна упаковка, яка поглинає етилен для подальшого продовження терміну зберігання. Ці розробки не тільки покращать безпеку продукту і зменшують відходи, але також допомагають задовольняти амбітні цілі сталого розвитку, встановлені урядами і корпораціями по всьому світу.

Висновок

Графен пропонує трансформаційний підхід до створення упаковки, яка є більш міцним, більш легким і більш стійким. За рахунок подолання поточних бар’єрів для виробництва і масштабування, графен-інфіковані матеріали можуть замінити звичайні пластмаси в багатьох додатках, забезпечуючи високу продуктивність. Екологічні переваги — безматеріальний матеріал, довший термін зберігання, нижній вуглецевий друк і рециклабельність — вирівняти тісно з метою кругової економіки. Як дослідження продовжується і комерційне прийняття зростає, графен поінформований стати основною складовою в наступному генеруванні екологічно чистої упаковки.