به آموزش کامل مکانیسم تخریب PLA و پاسخ به این سوال که چرا رشته PLA شکننده می شود خوش آمدید. در این وبلاگ، اولین جنبه ای که به آن پرداخته می شود، تاریخچه مختصری از پلی لاکتیک اسید (PLA) و عواملی است که در تخریب آن مؤثر بوده است، سپس به جزئیات مکانیسم تجزیه می پردازیم. بسیاری از جنبه های ناشناخته پیرامون این ماده وجود دارد. ما پاسخ‌هایی را به سؤالاتی خواهیم داد، مانند اینکه چرا PLA از نظر ساختار ضعیف است، چرا این همه محصولات شکسته دارد و چقدر فرآیند تخریب درجات مختلف رشته‌های PLA را تغییر می‌دهد. برای قدم گذاشتن در دنیای تخریب PLA، کاربردهای آن و موارد دیگر در تجربه‌ای هیجان‌انگیز و آموزنده که علم پشت PLA را آشکار می‌کند، آماده شوید. با این گفته بیایید شروع کنیم!
PLA چیست و چگونه تخریب می شود؟
مروری بر پلی لاکتیک اسید و کاربردهای شناخته شده آن
PLA (اسید پلی لاکتیک) یک ترموپلاستیک زیست تخریب پذیر است که از منابع تجدیدپذیر مانند نشاسته ذرت یا نیشکر به دست می آید. به دلیل رشد سریع اقتصادها، بازار بالقوه آن از چاپ سه بعدی و چهار بعدی، بسته بندی و ایمپلنت های پزشکی در میان بسیاری دیگر انجام می شود. روش اولیه ای که در آن PLA تجزیه می شود، هیدرولیز است، یک فرآیند بیوشیمیایی که شامل تجزیه یک ترکیب با افزودن آب است. هیدرولیز، در این مورد، زمانی که عوامل خاصی افزایش می‌یابد، می‌تواند سریع‌تر اتفاق بیفتد، به عنوان مثال دما، رطوبت و نور UV که در نهایت باعث می‌شود مواد در طول زمان شکننده‌تر شوند.
مکانیسم تخریب اساسی PLA
هیدرولیز فرآیندی است که از طریق آن PLA شکسته می‌شود، جایی که پیوندهای استری با مولکول‌های آب شکسته می‌شوند و زنجیره‌های پلیمری بلند را به تکه‌های کوتاه‌تر برش می‌دهند. تخریب می تواند به دلیل قرار گرفتن طولانی مدت در معرض گرما، رطوبت و اشعه ماوراء بنفش رخ دهد که می تواند ساختار مواد را در طول زمان ضعیف کند و در نتیجه آن را شکننده کند.
عوامل موثر بر میزان تخریب PLA
به نظر من، علاوه بر ساختار شیمیایی اولیه مواد، تعدادی از عوامل نیز وجود دارد که بر تخریب PLA تأثیر می‌گذارد که مهمترین آنها دما است. برای شروع، اگر دما افزایش یابد، سرعت هیدرولیز نیز افزایش می یابد که منجر به شکافتن زنجیره های پلیمری می شود. همچنین اشاره کرده ام که مناطق مرطوب تمایل به افزایش سرعت تخریب دارند زیرا مولکول های آب در فرآیند هیدرولیز حیاتی هستند. نواحی با رطوبت بالا یا حتی تماس با آب، روند تخریب را تسریع می‌کنند، علاوه بر این، تخریب PLA با قرار گرفتن در معرض اشعه ماوراء بنفش که ساختار پیوند مواد را تغییر می‌دهد تحریک می‌شود و این بیشتر زمانی است که PLA در خارج از منزل یا مکان‌هایی با بالا استفاده می‌شود. روشنایی همه این عوامل در نشان دادن اینکه چگونه برخی شرایط محیطی یا استفاده از مواد ممکن است به طور چشمگیری بر طول عمر PLA تأثیر بگذارد، به هم مرتبط هستند.
چرا PLA در طول زمان شکننده می شود؟
سهم تخریب هیدرولیتیک در کامپوزیت های ترد PLA
با گذشت زمان، مولکول های آب باعث کوتاه شدن زنجیره های پلیمری PLA می شوند که منجر به از دست دادن انعطاف پذیری و استحکام مکانیکی می شود که به شکنندگی کمک می کند. علاوه بر این، قرار گرفتن در معرض گرما، رطوبت و اشعه ماوراء بنفش، از هم پاشیدگی ساختاری را بدتر می کند و باعث می شود دوام کمتر و شکننده تر شود.
وابستگی نرخ هیدرولیز به عوامل محیطی در طی تجزیه PLA و پیامدهای آنها
هنگام در نظر گرفتن پیچیدگی تخریب PLA، عوامل محیطی حیاتی هستند. افزایش دما باعث افزایش هیدرولیز می شود و تجزیه زنجیره های پلیمری را افزایش می دهد. رطوبت نیز این واکنش را کاتالیز می کند در حالی که وقتی گیاه بالغ برای مدت طولانی در معرض اشعه ماوراء بنفش قرار می گیرد، به ساختار در سطح مولکولی آسیب می رساند. اینها در مجموع منجر به بدتر شدن خواص مکانیکی و انعطاف پذیری PLA می شود و آن را سریع ترد می کند.
نقش ساختار زنجیره پلیمری بر خواص شکننده
به نظر من، شکنندگی مواد PLA به ساختار زنجیره پلیمری آن بستگی دارد. فرآیند تخریب مواد باعث کوتاه شدن زنجیره‌های پلیمری می‌شود که در نتیجه انعطاف‌پذیری کمتری باعث شکننده‌تر شدن مواد می‌شود. این یک اثر متداول است که من در موارد مختلف دیده‌ام، برای مثال زمانی که رطوبت، گرما یا عوامل دیگر باعث می‌شوند فرآیند شکست داخلی با سرعت بیشتری شروع شود. هنگام انتخاب یا استفاده از PLA، من همیشه به خواص مکانیکی مواد و همچنین شرایطی که خطر شکنندگی و افزایش طول عمر مواد را کاهش می‌دهد، توجه می‌کنم.
کاوش در محصولات تخریب PLA
محصولات فرعی اصلی و پیامدهای آنها
متداول ترین محصولات جانبی مشاهده شده از تخریب پلی لاکتید الیگومرها و لاکتیدها هستند. آنها در نتیجه هیدرولیز زنجیره پلیمری به مونومرهای آن رخ می دهند. بهترین بخش در مورد اسید لاکتیک دوستدار محیط زیست آن است زیرا سمی نیست و به راحتی در سیستم های طبیعی جذب می شود. تنها مشکل روغن لاکتید این است که به طور فرضی می تواند در سیستم های بسته متمرکز شود که سپس می تواند دسترسی سیستم های اطراف را قطع کند و به طور بالقوه کاربرد و اکوسیستم را در این فرآیند از بین ببرد.
نحوه ارتباط اسید لاکتیک با تخریب PLA
به طور کلی، اسید لاکتیک بر تخریب PLA تأثیر می گذارد زیرا در درجه اول محصول جانبی تولید شده توسط هیدرولیز است. هنگامی که هیدرولیز اتفاق می افتد، لاکتید باقی مانده ای است که باقی می ماند. فقط زمان زیادی است که مقدار بیشتر اسید لاکتیک واکنشی را در ناحیه محلی ایجاد کند که سطح pH را کاهش دهد و در نتیجه هیدرولیز در حالت تعادل کاهش یابد.
از بین بردن ماتریس PLA: یک توضیح.
در تجربه من، هیدرولیز اولین مرحله انحلال ماتریس PLA است. این شامل مولکول‌های آب است که به پلیمرها نفوذ می‌کنند و پیوندهای استری را در زنجیره‌های پلیمری می‌شکنند. متوجه شدم که وقتی این اتفاق می افتد، ماده شروع به از دست دادن یکپارچگی ساختاری خود می کند و با گذشت زمان ضعیف تر و شکننده تر می شود. از دیگر مواردی که در این فرآیندها اهمیت دارد، رطوبت و دما است. به عنوان مثال، فشار مرطوب بیشتر ورودی آب را محکم می کند، در حالی که دمای بالاتر در برش پیوند مفید است. چنین موقعیت هایی اغلب در کار با PLA وجود دارد، جایی که مواد ویسکوالاستیک به راحتی تجزیه نمی شود و بنابراین نیاز به ذخیره سازی سرد و خشک دارد. با این حال، اگر قصد استفاده از PLA در محیط هایی با خرابی غالب باشد، دانستن این مکانیسم به من در بهبود عملکرد آن مکانیسم تغییر خاص کمک می کند.
فرآیند تخریب چگونه بر رشته PLA تأثیر می گذارد؟
چگونه تغییرات در خواص مکانیکی PLA تحت تأثیر تخریب قرار می گیرد
فیلامنت PLA به قدری تخریب شده است که اکنون کاربرد آن را محدود می کند. این برای بیشتر پلیمرهای گوشتخوار یکسان است. با گذشت زمان، هیدرولیز همچنان اتفاق می افتد که زنجیره های پلیمری را کوتاه می کند و مواد را شکننده تر می کند و استحکام کششی آن را کوتاه می کند. در نتیجه، فیلامنت انعطاف‌پذیری و همچنین توانایی تحمل بار را از دست می‌دهد و در کاربردهای مکانیکی کمتر کاربرد دارد، مگر اینکه برای یک مورد استفاده خاص وارد تخریب شود.
تجزیه و تحلیل رفتار تخریب کامپوزیت های تمیز PLA و PLA مبتنی بر PLA
به نظر من چندین روند قابل توجه هستند زیرا PLA منظم با کامپوزیت های مبتنی بر PLA مقایسه می شود، به ویژه رفتار آن در مورد تخریب. PLA منظم یک ماده سازنده یک جهته با خواص مکانیکی ثابت است که در شرایط محیطی یکسان قرار می گیرد، بنابراین انتظار می رود تخریب آن یکنواخت و با سرعت ثابتی باشد. در همین حال، کامپوزیت‌های مبتنی بر PLA به لطف ترکیب‌ها یا تقویت‌کننده‌های مختلف، بسیار متنوع‌تر هستند، که منجر به رفتار تخریب متنوعی می‌شود، به عنوان مثال کامپوزیت‌های با پرکننده‌های آلی، الیاف چوب ممکن است مستعد جذب رطوبت باشند که بیشتر اتفاق می‌افتد، ممکن است باعث شود یک منطقه تحت هیدرولیز قرار گیرد. از طرف دیگر، نفوذ رطوبت ممکن است در کامپوزیت های تقویت شده با شیشه پرکننده معدنی یا الیاف کربن که تخریب را کمی محدود می کند، محدود شود. از تجربه من، این سطح از جزئیات بسیار مهم است، به ویژه در هنگام برخورد با موادی که احتمالاً در معرض جنبه‌های مختلف محیطی قرار می‌گیرند/در نهایت خواص آنها را تغییر می‌دهند و آنها را برای سناریوهای خاص مناسب‌تر می‌کند.
آیا PLA واقعا زیست تخریب پذیر است؟
بررسی تخریب طبیعی PLA در شرایط مختلف
شرایطی که PLA در آن قرار می گیرد، زیست تخریب پذیری آن را تعیین می کند. به عنوان مثال، اگر دما، رطوبت و فعالیت میکروبی در کمپوست صنعتی کافی باشد، PLA می تواند در مدت 3 ماه یا کمتر به دی اکسید کربن، آب و زیست توده زیست تخریب شود. برعکس، اگر PLA در معرض شرایط و تنظیمات طبیعی مانند اقیانوس قرار گیرد، تخریب کاملاً برعکس است زیرا شرایط فسیلی است که منجر به تاخیر طولانی در فرآیند می شود زیرا هیچ میکروارگانیسمی وجود ندارد که بتواند PLA را مصرف کند. بنابراین می‌توان گفت که PLA زیست تخریب‌پذیر است، اما مانعی وجود دارد، در بسیاری از محیط‌ها بدون شرایط مناسب در یک زمان کارآمد حل نمی‌شود.
مشکلات مرتبط با تجزیه کامل PLA
یکی از مشکلات عمده ای که افراد را از تجزیه کامل PLA باز می دارد، کمبود امکانات برای ایجاد شرایط بهینه است. شرایطی مانند دمای بالا، خاک مرطوب و سایر شرایط مختلف در تأسیسات کمپوست یافت می شود که اگر در محیط های دیگر ایده آل شود PLA نیز کاملاً از بین می رود. فقدان دما، رطوبت و کلنی های میکروبی کافی باعث می شود که PLA به طور ناکارآمد تجزیه شود که تنها از طریق روش های دفع مناسب زباله و روش های کمپوست سازی امکان پذیر است.
فرصت های آینده برای PLA در استفاده پایدار
به نظر من، PLA ممکن است به عنوان زیست تخریب پذیر طبقه بندی شود، اگرچه لازم است آن را واجد شرایط دانست. فقط در شرایط خاصی مانند کمپوست های صنعتی به راحتی تجزیه می شود. در اکوسیستم‌های طبیعی، چه خاک یا اقیانوس، دمای لازم برای از بین رفتن و میکروارگانیسم‌ها وجود ندارد و از این رو PLA برای تجزیه زیستی در این اکوسیستم‌ها بسیار زمان می‌برد. برای حذف کامل آن، سیستم های مدیریت آلودگی پلاژیک باید وجود داشته باشد، از این رو تجزیه زیستی آن بسیار به نحوه مدیریت و درمان زباله های PLA بستگی دارد.
منابع مرجع
برترین تولیدکنندگان اکسترودر راکتیو در چین
پرسش های متداول (پرسش و پاسخ)
س: PLA چیست و چرا به عنوان زیست کمپوست پذیر طبقه بندی می شود؟
A: PLA، همچنین به عنوان اسید پلی لاکتیک شناخته می شود، نوعی پلاستیک است که از منابع تجدید پذیر مانند نشاسته ذرت یا نیشکر ساخته می شود. این ماده به عنوان زیست کمپوست‌پذیر طبقه‌بندی می‌شود، زیرا تحت شرایط محیطی خاص، می‌توان آن را به اسید l-لاکتیک هیدرولیز کرد و در نتیجه آن را به عنوان یکی از پلیمرهای زیست تخریب‌پذیر طبقه‌بندی کرد.
س: چه عواملی بر تخریب پلیمرهای PLA تأثیر می گذارد؟
پاسخ: تخریب PLA عملاً به شرایط تخریب دما، رطوبت و pH بستگی دارد. هیدرولیز PLA در محدوده دمایی مرطوب و گرم با سرعت بیشتری انجام می شود.
س: آیا وزن مولکولی PLA بر فرآیندهای تجزیه زیستی آن تأثیر می گذارد؟ اگر بله، چگونه؟
پاسخ: مشاهده شده است که PLA با وزن مولکولی بالا نسبت به PLA با وزن مولکولی کم در برابر تخریب سریع مقاومت بیشتری دارد. این به این دلیل است که مولکول‌های اسید d-لاکتیک و اسید l-لاکتیک موجود در زنجیره pla کوتاه به زمان کوتاه‌تری نسبت به مولکول‌های زنجیره بلند pla برای تجزیه در طول فرآیند نیاز دارند.
س: آیا بازیافت PLA امکان پذیر است و چگونه می توان این کار را انجام داد؟
پاسخ: درست است، PLA ممکن است بازیافت شود، اما روش مربوط به سایر پلاستیک‌ها یکسان نیست. این نیاز به جمع‌آوری و مرتب‌سازی محصولات PLA دارد و به دنبال آن فرآیندی که در آن PLA در یک محیط کنترل‌شده به مونومر تجزیه می‌شود و سپس می‌تواند به محصولات جدید PLA تولید شود.
س: تکنیک های مختلف تخریب به کار رفته در PLA چیست؟
A: تخریب هیدرولیتیک، تخریب حرارتی و تجزیه زیستی تکنیک های مختلف تخریب توسعه یافته برای PLA هستند. هر تقریب از مجموعه ای از شرایط منحصر به فرد برای تجزیه ساختار PLA استفاده می کند.
س: چه مدت باید منتظر ماند تا PLA تجزیه شود؟
A: واریانس در چارچوب زمانی تخریب برای PLA توسط عوامل محیطی و پارامترهای تخریب تحریک می شود. به عنوان مثال، در تاسیسات کمپوست صنعتی ممکن است تجزیه این ماده حدود 6 ماه طول بکشد در حالی که در شرایط طبیعی ممکن است سالها طول بکشد.
س: آیا منطقه ای در پزشکی وجود دارد که بتوان از PLA استفاده کرد؟
A: PLA در زمینه پزشکی از جمله بخیه ها و پیچ ها و صفحات استفاده می شود زیرا زیست سازگار و ایمن برای جذب توسط بدن است. سرعت سینتیک تخریب بسیار مهم است تا بتوان PLA را به روشی یکنواخت متابولیزه کرد.
س: چگونه کریستالیزاسیون بر تخریب PLA تأثیر می گذارد؟
A: سرعت تبلور PLA بر خواص مکانیکی و سرعت تخریب آن تأثیر می گذارد. شکل کریستالی PLA سرعت تخریب کمتری در حضور آب دارد در حالی که شکل آمورف سرعت تخریب بالاتری را نشان می دهد.
س: آیا می‌توانید تفاوت‌هایی را که بین انجام آزمایشگاهی در آزمایشگاه و در داخل بدن انجام می‌شود توضیح دهید.
پاسخ: محققانی که آزمایش آزمایشگاهی را انجام دادند بیان کردند که این واقعیت که این آزمایش در یک محیط آزمایشگاهی کنترل شده انجام می شود ممکن است بر میزان تخریب PLA نسبت به آزمایش in vivo که روی انسان انجام می شود تأثیر بگذارد. در شرایط آزمایشگاهی بله، ممکن است چیزهای زیادی در مورد محیط مانند دما، pH و آنزیم هایی که می توانند بر تخریب PLA تأثیر بگذارند، تغییر دهید.
