Polymelkzuur, of PLA, zoals het vaak wordt genoemd, is een ander baanbrekend materiaal met toepassingen van 3D-printen tot verpakkingen. PLA wordt gemaakt van hernieuwbare bronnen zoals maïszetmeel en suikerriet, waardoor het duurzaam is in vergelijking met traditionele kunststoffen. Het is een groot voordeel wanneer milieuproblemen op de voorgrond staan. Dit artikel probeert de details van PLA uit te werken, inclusief de geschiedenis, kenmerken, toepassingen en hoe het het milieu beïnvloedt. Deze gids helpt fabrikanten, ontwerpers en andere gebruikers van dit materiaal om eenvoudig de mogelijkheden en toepassingsgebieden te begrijpen die zich richten op duurzaamheid.
Wat is PLA en hoe wordt het gemaakt?
Polymelkzuur, of PLA, is een plastic dat wordt geproduceerd uit hernieuwbare bronnen zoals maïszetmeel, suikerriet of cassave. Het is biologisch afbreekbaar en wordt geproduceerd door fermentatie van deze grondstoffen om melkzuur te creëren dat wordt gepolymeriseerd tot PLA. De lactidevorming en ringopeningspolymerisatie zijn de twee belangrijkste stappen die betrokken zijn bij de polymerisatie van PLA. Vanwege de beschikbaarheid van grondstoffen wordt de productie van dit plastic als milieuvriendelijk beschouwd in vergelijking met door olie geïnduceerde kunststoffen. Het wordt veel gebruikt vanwege zijn wereldwijde composteerbaarheid, gebruiksgemak in verschillende velden zoals verpakkingen, 3D-printen, medische apparatuur en composteerbaarheid van industriële kwaliteit.
Het begrijpen van het melkzuurmonomeer
Melkzuur, het belangrijkste monomeer bij de productie van polymelkzuur (PLA), is een organische verbinding die voornamelijk wordt verkregen door de fermentatie van koolstofbronnen zoals maïs, suikerriet en bieten. Het heeft twee stereo-isomere vormen, L-melkzuur en D-melkzuur, die van belang zijn bij het bepalen van de uiteindelijke kenmerken van PLA. De technologie voor de bioproductie van melkzuur is geavanceerd en integreert goed met het bestaande systeem vanwege het gebruik van hernieuwbare biotechnologische grondstoffen, die voldoen aan de groeiende markt voor milieuvriendelijke materialen.
Het proces van polymerisatie van lactide
Lactide wordt gewoonlijk gebruikt als grondstof voor de productie van polymelkzuur (PLA) met behulp van het ringopeningspolymerisatieproces (ROP). Polymelkzuursynthese wordt geïnitieerd door de polymerisatie van lactide, die wordt uitgevoerd met een metaalkatalysator zoals tin(II)octoaat. ROP vindt plaats onder matige hitte en druk, waardoor de lactidemonomeren hun ringstructuur kunnen openen en polymeriseren tot lange ketens van PLA. Deze techniek is bijzonder effectief en stelt u in staat om het resultaat van het moleculaire gewicht en de mechanische sterkte van PLA te beheren. Dergelijke eigenschappen zijn essentieel bij het zoeken naar beslissende toepassingsgebieden zoals verpakkingen, medische en andere wegwerpproducten.
Stappen die betrokken zijn bij PLA-productie
- Bereiding van de grondstof: Zetmeel moet uit biomassa, maïs of suikerriet worden gewonnen. Door hydrolyse wordt zetmeel omgezet in essentiële suikers.
- Fermentatie: de hierboven geproduceerde suikers worden door microbiële fermentatie omgezet in melkzuur (belangrijk monomeer voor PLA).
- Zuivering van melkzuur: melkzuur moet worden gezuiverd om een monomeer van hoge kwaliteit te verkrijgen, een belangrijke vereiste voor succesvolle herhaalde polymerisatie.
- Vorming van lactide: gezuiverd melkzuur ondergaat een condensatiereactie of andere katalytische processen om te transformeren in lactide, een cyclisch dimeer.
- Polymerisatie: De ringopening van lactidepolymerisatie wordt geïnitieerd met een katalysator (tin(II)octoaat) onder gecontroleerde temperatuur en druk voor PLA-polymerisatie.
- Nabewerking: Door veranderingen in het molecuulgewicht of toevoegingen kan het PLA-polymeer worden aangepast aan de specifieke behoeften voor het beoogde gebruik.
- Vormgeving van eindproduct: Afhankelijk van het industriële gebruik kan PLA in verschillende vormen worden omgezet, waaronder films, vezels of gegoten objecten.
Het onderzoeken van de eigenschappen van PLA
Mechanische en thermische eigenschappen van PLA
PLA heeft een hoge treksterkte en modulus, waardoor het gebruikt kan worden waar stijfheid en structurele integriteit nodig zijn. Het heeft echter een beperkt gebruik in omgevingen met hoge spanning vanwege de lage slagvastheid in vergelijking met andere polymeren. Thermisch gezien brengt PLA polymeerglas over naar een rubberachtige toestand bij lage temperaturen, rond de 55–60°C, en begint het zacht te worden bij ongeveer 150–180°C. Het kan dus zijn vorm verliezen bij lage temperaturen. Het belangrijkste is dat om te voldoen aan specifieke industriële behoeften, waaronder PLA-mengsels, de mechanische en thermische eigenschappen kunnen worden aangepast door te mengen met andere materialen of door bepaalde vulstoffen of additieven te gebruiken.
Biologisch afbreekbare en barrière-eigenschappen
Onder industriële composteringsomstandigheden wordt PLA gekenmerkt door uitzonderlijke biologische afbreekbaarheid en breekt het binnen enkele maanden af in water, koolstofdioxide en biomassa. Deze eigenschap maakt het zeer gewild voor milieuvriendelijke toepassingen, zoals het maken van verpakkingsmaterialen of wegwerpproducten. Aan de andere kant vertragen de ongecontroleerde temperaturen en de afwezigheid van microbiële activiteit in natuurlijke omgevingen zoals water of grond het afbraakproces van PLA vergelijkbaar. Wat betreft barrière-eigenschappen, bezit PLA een matige weerstand tegen de doorgang van zuurstof en vocht en is daarom geschikt voor kortetermijnvoedselverpakkingen. Door het te combineren met andere polymeren of coatings voor specifieke toepassingen kunnen extra barrière-eigenschappen worden geboden.
Invloed van moleculair gewicht op PLA
Moleculair gewicht is een van de meest kritische factoren die de mechanische, thermische en degradatie-eigenschappen van PLA beïnvloeden. Polylactiden met een hoog moleculair gewicht hebben doorgaans een grotere sterkte, thermische weerstand en lagere degradatiesnelheden, waardoor ze toepasbaar zijn in omstandigheden waarin duurzaamheid vereist is. Polylactiden met een laag moleculair gewicht hebben daarentegen een hogere degradatiesnelheid en zijn nuttiger in medische toepassingen zoals medicijnafgiftesystemen of biologisch afbreekbare implantaten. Om aan deze vereisten te voldoen, is het noodzakelijk om een adequaat moleculair gewicht te selecteren.
Hoe wordt PLA-plastic gebruikt in voedselverpakkingen?
Toepassingen van polymelkzuur in de voedingsmiddelenindustrie
Met betrekking tot voedselveiligheid is het vermogen om duurzaam te worden verkregen en composteerbaar te zijn, polymelkzuur (PLA) inderdaad een revolutionaire toevoeging aan de voedselverpakkingsindustrie. Het wordt uitgebreid gebruikt in containers, bekers, trays en verpakkingsmaterialen voor vers fruit, gebak en kant-en-klare voedselverpakkingen. Bovendien is PLA een concurrerende vervanging voor PET en PS, waar transparantie vereist is, omdat het zowel transparant als stijf is.
Bovendien suggereren recente studies dat PLA de houdbaarheid van producten met een risico op bederf verlengt. Wanneer PLA wordt gemengd met bepaalde relevante additieven of wordt ingebouwd in meerlaagse structuren, kan PLA vocht en zuurstof afdekken, wat cruciale elementen zijn bij het conserveren van voedsel. Schattingen van de industrie suggereren dat de wereldwijde PLA-productiecapaciteit tegen 600,000 met meer dan 2025 metrische ton zal toenemen vanwege de vraagstijging die wordt geschat op basis van de markt voor voedingsmiddelen en dranken. Deze toename duidt op een grotere focus op milieuvriendelijke verpakkingsmethoden, aangezien overheden en bedrijven duurzamere beleidsmaatregelen hanteren.
PLA is ook relevant in voedselverpakkingsmaterialen vanwege de compatibiliteit met de principes van de circulaire economie. Producten die met PLA zijn gemaakt, kunnen op fabrieksniveau worden gecomposteerd, wat helpt om afval op stortplaatsen te verminderen en de koolstofuitstoot te verlagen. Onderzoeksinspanningen zijn gericht op het verbreden van het bereik van PLA's thermische en mechanische mogelijkheden, en de ontwikkeling van innovaties om de maximale bedrijfstemperatuur en sterkte van het materiaal te verhogen, vermindert de neiging om broos te worden. Dit maakt het implementeren van het materiaal in verschillende toepassingen voor voedselverpakkingen eenvoudiger.
Voordelen van het gebruik van biologisch afbreekbaar PLA voor verpakkingen
- Milieuduurzaamheid: Omdat PLA gemaakt wordt van suikerriet of maïszetmeel, is het een biologisch afbreekbaar plastic en kan het gebruik ervan onze afhankelijkheid van fossiele brandstoffen verminderen. Bovendien heeft het, in tegenstelling tot standaardplastic, een lagere negatieve impact op het milieu omdat het kan ontbinden in industriële composteerinstallaties.
- Verminderde CO2-voetafdruk: PLA's productie en gebruik op industriële schaal verminderen de uitstoot van schadelijke broeikasgassen aanzienlijk vergeleken met de productie en het gebruik van op aardolie gebaseerde kunststoffen. Om deze reden is het een betere keuze gebleken.
- Composteerbaarheid: Het organische materiaal in PLA-verpakkingen kan onder gecontroleerde composteringsomstandigheden worden afgebroken. Hierdoor wordt de hoeveelheid organisch afval die op stortplaatsen terechtkomt tot een minimum beperkt en wordt de hoeveelheid organisch materiaal in de bodem vergroot.
- Veelzijdigheid: Hoewel het gebruikt wordt voor het maken van bakjes voor hamburgers, verse groenten, vlees, bakverpakkingen en wikkels voor andere dranken, valt de praktische toepasbaarheid ervan binnen de milieudoelstellingen van voedselverpakkingen.
Vergelijking tussen PLA en traditioneel plastic
- Bron van het materiaal: PLA wordt gemaakt van maïszetmeel of suikerriet, in tegenstelling tot traditioneel plastic, dat wordt gemaakt van fossiele brandstoffen zoals benzine.
- Biologisch afbreekbaar: PLA wordt in industriële composteringsinstallaties afgebroken tot organisch materiaal, terwijl alledaags plastic jaren nodig heeft om af te breken en bijdraagt aan vervuiling.
- Milieueffecten: Vergeleken met traditionele kunststoffen genereert PLA-productie minder broeikasgasemissies, waardoor de totale CO2-voetafdruk wordt verkleind.
- Prestaties: PLA presteert buitengewoon goed in veel toepassingen. Vergeleken met bepaalde industriële kunststoffen die goed presteren bij hoge temperaturen, beperken de hittebestendigheid en duurzaamheid het gebruik ervan echter.
- Recycling: Omdat ze algemener zijn, hebben traditionele kunststoffen een grotere kans om te worden geaccepteerd in recyclingprogramma's. PLA heeft echter geen andere manier van afvoer dan industriële compostering.
Alles bij elkaar genomen is het duidelijk dat PLA zijn tekortkomingen heeft, vooral op het gebied van prestaties, maar het heeft ook zijn voordelen op het gebied van duurzaamheid.
De synthese van PLA: technieken en methoden
Directe condensatie van melkzuur
Bij de productie van PLA is directe condensatie van melkzuur een methode die het verwijderen van water inhoudt wanneer de monomeren van melkzuur aan elkaar worden gebonden. De techniek vereist doorgaans hogere temperaturen en lagere drukniveaus om de reactie naar een doeltreffende voortgang te duwen. Een van de belangrijke problemen met deze methode is echter dat het een uitdaging is om polymeren met een hoog moleculair gewicht te verkrijgen vanwege de evenwichtsaard van de reactie, waardoor deze inefficiënt is voor grootschalige of hoogwaardige doeleinden.
Ring-Opening Polymerisatie Technieken
Ringopeningspolymerisatie (ROP) blijft een van de meest voorkomende methoden voor de synthese van PLA. Het is ook een van de meest effectieve methoden wanneer een hoog moleculair gewicht en specifieke polymeereigenschappen gewenst zijn. In dit geval wordt lactide, het cyclische dimeer van melkzuur, gepolymeriseerd met op metaal gebaseerde katalysatoren onder gecontroleerde omstandigheden. De meest gebruikte katalysator voor effectieve polymerisatie is tin(II)octanoaat; er worden echter recente inspanningen geleverd om niet-toxische vervangers te onderzoeken, zoals organische katalysatoren, voor verbeterde duurzaamheid en biocompatibiliteit.
Vanwege de splitsing van de cyclische lactidestructuren kunnen monomeren zich binden om lange ketens van polymeren te vormen. ROP is eenvoudig aan te passen om bepaalde moleculaire gewichten en polydispersiteiten te bereiken, dus het wordt vaak gebruikt voor meerdere PLA-gerelateerde toepassingen in medische apparaten, verpakkingsmaterialen en textiel. Voorlopige studies suggereren dat ROP moleculaire gewichten boven de 100,000 g/mol kan bereiken, afhankelijk van de omstandigheden van de reactie en de aard van de katalysatoren, wat op zijn beurt de mechanische sterkte en duurzaamheid van het polymeer verbetert.
Ook de ontwikkeling van nieuwe ROP-technieken, zoals oplosmiddelvrije en groene katalysatorsystemen, verbetert de opbrengst van melkzuurproductie en verbetert de eco-vriendelijkheid van het proces. Deze innovaties komen overeen met het groeiende aanbod van duurzaam geproduceerde PLA's, wat bijdraagt aan een circulaire economie. Door gebruik te maken van deze innovaties blijft ROP een van de meest betrouwbare en gemakkelijk te realiseren methoden voor PLA-productie.
Innovaties in PLA-synthese
De vervanging van klassieke katalysatorsystemen door enzymatische polymerisatie is niet de meest opwindende innovatie in de synthese van PLA, maar eerder een verfrissende. Enzymatische processen zijn een milieuvriendelijker alternatief voor gekatalyseerde polymerisatie, omdat ze gebruikmaken van natuurlijk voorkomende enzymen om het proces te katalyseren, waardoor giftig afval wordt verminderd en lagere reactietemperaturen mogelijk zijn. Bovendien heeft de ontwikkeling van stereocomplex-PLA-synthese uit enantiomeer zuivere polymeren de thermische en mechanische eigenschappen van materialen verbeterd. Dergelijke innovaties verbeteren de prestaties van materialen en dragen bij aan de duurzaamheid van de productieprocessen van PLA, wat een voorwaarde is voor de bredere acceptatie van PLA-gebruik.
Wat zijn de milieueffecten van PLA?
PLA als biologisch afbreekbaar polymeer
Polymelkzuur (PLA) wordt beschouwd als een groen materiaal vanwege het vermogen om af te breken in industriële composteringsomgevingen. Naar mijn mening is PLA, omdat het kan worden afgebroken tot zijn natuurlijke componenten zoals koolstofdioxide en water, die in overvloed aanwezig zijn in een overvloed aan omgevingen, een plastic alternatief dat het potentieel heeft om plastic afval te verminderen. Tegelijkertijd begrijp ik dat het potentieel van PLA's altijd wordt gebotteld, tenzij er een adequaat afvalbeheersysteem wordt geïmplementeerd. Verder ben ik het ermee eens dat PLA NE net zo efficiënt afbreekt in onbehandelde omgevingen zoals de bodem of de oceaan. Daarom is er een systeem nodig waarin sleutelfactoren worden gemonitord.
Impact van PLA-productie op het milieu
De milieueffecten van melkzuurproductie zijn gunstig en schadelijk voor de PLA-levenscyclus. Bovendien kunnen bronmaterialen voor PLA, zoals maïszetmeel of suikerriet, worden verbouwd, waardoor de afhankelijkheid van fossiele brandstoffen wordt verlaagd en zelfs de uitstoot van broeikasgassen wordt verminderd. Aan de andere kant is het productieproces zeer energie-intensief; niet-hernieuwbare energiebronnen kunnen de ecologische voetafdruk verergeren. Bovendien gaat de productie van grondstoffengewassen gepaard met veranderingen in landgebruik, watergebruik en bemesting die schadelijk zijn voor het milieu. Deze aspecten suggereren dat er moeite moet worden gedaan om milieuvriendelijke praktijken te implementeren om maximale ecologische voordelen uit PLA te halen.
De rol van PLA bij het verminderen van plastic afval
PLA is essentieel bij het verminderen van milieuvervuiling omdat het een biologisch afbreekbaar alternatief biedt voor traditionele, niet-hernieuwbare op aardolie gebaseerde kunststoffen. Problemen met plastic afval en vervuiling zullen aanzienlijk verbeteren als we PLA industrieel composteren, maar om het effectief te laten zijn, moeten er eerst goede afvalscheidings- en geschikte composteringsinfrastructuren worden opgezet. Hoewel deze systemen noodzakelijk zijn om de voordelen van compostering van PLA te plukken, begrijp ik dat ze enorme implicaties hebben voor onze effectieve strijd tegen plastic afval.
Veelgestelde vragen (FAQ's)
V: Wat is polymelkzuur (PLA) en hoe wordt het geproduceerd?
A: Polymelkzuur (PLA) is een biologisch afbreekbaar plastic gemaakt van hernieuwbare materialen zoals maïszetmeel of suikerriet. PLA wordt geproduceerd tijdens de fermentatie van zetmeel tot melkzuur, en vervolgens wordt het zuur gepolymeriseerd tot een PLA-polymeer. De vorming van ruw PLA omvat condensatie van melkzuurmonomeren of polymerisatie van melkzuur of lactide om het uiteindelijke polymeer te verkrijgen.
V: Welke mechanische eigenschappen heeft PLA?
A: De mechanische eigenschappen van PLA omvatten een hoge treksterkte en lage rek bij breuk, wat een hogere stijfheid en brosheid impliceert dan andere polymeren. Deze eigenschappen, met name de treksterkte en trekmodulus, maken de toepassing ervan mogelijk in 3D-printen, spuitgieten en de productie van andere biologisch afbreekbare items.
V: Wat moet je verstaan onder de term PLA als biologisch afbreekbaar plastic?
A: De term impliceert dat PLA kan ontbinden in elementen zoals koolstofdioxide en water met industriële compostering. De afbraak van PLA wordt gefaciliteerd door micro-organismen die het polymeer verteren. Als gevolg hiervan is het een veel groenere optie dan traditionele kunststoffen.
V: Waarom is het smeltpunt van PLA van 150 – 160 graden Celsius belangrijk?
A: PLA wordt optimaal gebruikt voor het extrusieproces bij een lage temperatuur van 150 – 160 graden Celsius. Bij deze temperatuur smelt PLA snel, waardoor het geschikt is voor extrusie door nozzles voor 3D-printen. Dit maakt de productie van ingewikkelde en geavanceerde PLA 3D-geprinte objecten mogelijk.
V: Waarvoor worden PLA-producten gebruikt in het dagelijks leven?
A: PLA kan voor verschillende doeleinden worden gebruikt, zoals medische implantaten, 3D-printen en verpakkingen, en het is zelfs geweldig voor wegwerpbestek. PLA is ook aanpasbaar, omdat het kan worden spuitgegoten of 3D-geprint, wat het nuttig maakt voor veel commerciële en consumententoepassingen.
V: Is het mogelijk om PLA te combineren met andere kunststoffen?
A: Absoluut, de mechanische en fysieke eigenschappen van PLA kunnen verder worden verbeterd door het te mengen met andere polymeren. Het toevoegen van andere bioplastics of additieven verhoogt de flexibiliteit, slagvastheid en thermische weerstand van het polymeer, waardoor het toepassingsgebied wordt vergroot.
V: Wat is de glasovergangstemperatuur van PLA?
A: De glasovergangstemperatuur van PLA is bijna 60 graden Celsius. Bij deze temperatuur verandert het polymeer van een harde en glasachtige toestand naar een rubberachtige en soepele toestand, wat de mechanische eigenschappen en stabiliteit bij verschillende temperatuurbereiken beïnvloedt.
V: Hoe draagt de productie van PLA bij aan duurzaamheid?
A: PLA-productie is milieuvriendelijk. Het wordt gemaakt van hernieuwbare grondstoffen zoals maïszetmeel en suikerriet, wat de afhankelijkheid van niet-hernieuwbare fossiele brandstoffen vermindert. Bovendien minimaliseert PLA, omdat het biologisch afbreekbaar is, de hoeveelheid plastic afval die wordt gegenereerd en vermindert het de algehele negatieve impact op het milieu, mits het op de juiste manier wordt afgevoerd.
V: Wat zijn enkele uitdagingen die gepaard gaan met het gebruik van PLA?
A: Breuk en degradatie bij een lagere temperatuur, samen met broosheid, zijn enkele van de problemen die momenteel verband houden met de toepassing van PLA; daarom is het gebruik ervan beperkt in gebieden met hoge temperaturen. Bovendien, hoewel het toegestane gebruik van industriële faciliteiten er is, moet worden vermeld dat er specifieke omstandigheden zijn om het op maat te maken voor de afbraak van PLA.
Referentiebronnen
1. Polymeermembraan vervaardigd door polymelkzuur en babassu-olie voor wondgenezing
- Auteurs: D. Fernandes et al.
- Publicatiedatum: 2021-02-21
- Belangrijkste bevindingen:
- Het PLA/babassu elektrogesponnen membraan vertoonde gunstige eigenschappen voor de constructie van wondverbanden. Deze omvatten de aanbevolen waterdamptransmissiesnelheid (WVTR), het handhaven van een vochtige omgeving, niet-cytotoxiciteit, stimulatie van keratinocytcellijnen en remming van de groei van Pseudomonas aeruginosa.
- Methodologie:
- Het polymere membraan, gemaakt van PLA en babassu-olie, werd elektrogesponnen, gevolgd door een reeks testen om de effectiviteit ervan als wondverband te meten (Fernandes et al. 2021, blz. 102173).
2. De technische, fysieke en schurende eigenschappen van 3D gepubliceerde polymelkzuurmaterialen
- Auteur: A. Almajid
- Publicatiedatum: 2020-03-01
- Belangrijkste bevindingen:
- Het onderzoek richtte zich op de depositiemodellering van PLA-materialen en ontdekte dat de treksterkte, modulus en ductiliteit sterk afhankelijk zijn van het infillpercentage en de printrichting.
- Methodologie:
- Er werden trek-, hardheids- en slijtagetests uitgevoerd op de PLA-monsters met verschillende percentages vullingen om de mechanische eigenschappen te bepalen (Almajid, 2020, blz. 118–125).
3. Kenmerken en effecten van PLA-mengsels, met name vernetwerkte zetmeel- en polymelkzuurmengsels.
- Auteur: Ying Wang
- Publicatiedatum: 07 juli 2018
- Belangrijkste bevindingen:
- Volgens het onderzoek verbeterde de combinatie van PLA met zetmeel en trimethylchlorosilane PLA-composieten de mechanische eigenschappen, optische analyse en waterabsorptie van de composieten. Een toename van het zetmeelgehalte zou de mechanische eigenschappen verlagen.
- Methodologie:
- In deze casestudy werden zeven experimentele primaire monsters geproduceerd door het mechanisch mengen van PLA en zetmeel in verschillende verhoudingen, gevolgd door mechanische testen en FTIR-analyse.Wang, 2018).
