Acid polilactic, sau PLA, așa cum este adesea numit, este un alt material care schimbă jocul, cu aplicații de la imprimarea 3D la ambalare. PLA este fabricat din resurse regenerabile, cum ar fi amidonul de porumb și trestia de zahăr, făcându-l durabil în comparație cu plasticul tradițional. Este un mare avantaj atunci când problemele de mediu sunt în prim plan. Acest articol încearcă să detalieze specificul PLA, inclusiv istoria, caracteristicile, utilizările și modul în care acesta afectează mediul. Acest ghid va ajuta producătorii, designerii și alți utilizatori ai acestui material să înțeleagă cu ușurință capacitățile sale și domeniile de aplicare care se concentrează pe durabilitate.
Ce este PLA și cum este realizat?
Acidul polilactic sau PLA este un plastic produs din resurse regenerabile, cum ar fi amidonul de porumb, trestia de zahăr sau manioc. Este biodegradabil și este produs prin fermentarea acestor materii prime pentru a crea acid lactic polimerizat în PLA. Formarea lactidei și polimerizarea cu deschidere a inelului sunt cele două etape principale implicate în polimerizarea PLA. Datorită disponibilității materiilor prime, producția acestui plastic este considerată sigură pentru mediu în comparație cu materialele plastice induse de petrol. Este utilizat pe scară largă datorită compostabilității sale globale, ușurinței de utilizare în diverse domenii, cum ar fi ambalarea, imprimarea 3D, echipamentele medicale și compostabilitatea de calitate industrială.
Înțelegerea monomerului acidului lactic
Acidul lactic, principalul monomer în producția de acid polilactic (PLA), este un compus organic obținut în principal prin fermentarea surselor de carbon precum porumbul, trestia de zahăr și sfecla. Are două forme stereoizomerice, acid L-lactic și acid D-lactic, care sunt semnificative în determinarea caracteristicilor finale ale PLA. Tehnologia de bioproducție a acidului lactic este avansată și se integrează bine cu sistemul existent datorită utilizării de materie primă biotehnologică regenerabilă, care îndeplinește piața în creștere a materialelor ecologice.
Procesul de polimerizare a lactidei
Lactida este de obicei folosită ca materie primă pentru producerea acidului polilactic (PLA) folosind procesul de polimerizare cu deschidere a inelului (ROP). Sinteza acidului polilactic este inițiată prin polimerizarea lactidei, care se realizează cu un catalizator metalic, cum ar fi octoatul de staniu (II). ROP are loc la căldură și presiune moderată, ceea ce permite monomerilor lactide să-și deschidă structura inelului și să polimerizeze în lanțuri lungi de PLA. Această tehnică este deosebit de eficientă, permițându-ne să gestioneze rezultatul greutății moleculare și rezistenței mecanice a PLA. Astfel de proprietăți sunt esențiale atunci când se caută domenii decisive de aplicații precum ambalaj, produse medicale și alte produse de unică folosință.
Etapele implicate în producția PLA
- Prepararea materiei prime: Amidonul trebuie extras din biomasă, porumb sau trestie de zahăr, iar hidroliza va transforma amidonul în zaharuri esențiale.
- Fermentație: zaharurile produse mai sus vor fi transformate în acid lactic (monomer cheie pentru PLA) prin fermentație microbiană.
- Purificarea acidului lactic: Acidul lactic trebuie purificat pentru a obține un monomer de înaltă calitate, o cerință cheie pentru polimerizarea repetată cu succes.
- Formarea lactidei: Acidul lactic purificat va suferi o reacție de condensare sau alte procese catalitice pentru a se transforma în lactid, un dimer ciclic.
- Polimerizare: Deschiderea inelului polimerizării lactidei va fi inițiată cu un catalizator (octoat de staniu(II)) la temperatură și presiune controlate pentru polimerizarea PLA.
- Post-procesare: Modificările în greutate moleculară sau aditivii pot fi amestecate pentru a modifica polimerul PLA pentru a satisface nevoile specifice pentru utilizarea prevăzută.
- Formarea produsului final: În funcție de utilizarea industrială, PLA poate fi transformat în diferite forme, inclusiv filme, fibre sau obiecte turnate.
Explorarea proprietăților PLA
Proprietățile mecanice și termice ale PLA
PLA are o rezistență și un modul ridicat la tracțiune, permițându-i să fie utilizat acolo unde sunt necesare rigiditate și integritate structurală. Cu toate acestea, are o utilizare limitată în medii cu stres ridicat din cauza rezistenței scăzute la impact în comparație cu alți polimeri. Termic, PLA tranzitează sticla polimerică într-o stare cauciucoasă la temperaturi scăzute, în jur de 55–60°C, și începe să se înmoaie la aproximativ 150–180°C. Astfel, își poate pierde forma în condiții de căldură scăzută. Cel mai important, pentru a satisface nevoile industriale specifice, inclusiv amestecurile PLA, proprietățile sale mecanice și termice pot fi modificate prin amestecarea cu alte materiale sau folosind anumite materiale de umplutură sau aditivi.
Proprietăți biodegradabile și de barieră
În condiții de compostare industrială, PLA se caracterizează printr-o biodegradabilitate excepțională și se descompune în apă, dioxid de carbon și biomasă în câteva luni. Acest atribut îl face foarte căutat pentru utilizări ecologice, cum ar fi fabricarea materialelor de ambalare sau a produselor de unică folosință. Pe de altă parte, temperaturile necontrolate și absența activității microbiene în mediile naturale precum apa sau solul încetinesc în mod comparabil procesul de degradare a PLA. În ceea ce privește proprietățile de barieră, PLA posedă rezistență moderată la trecerea oxigenului și a umezelii și, prin urmare, este potrivit pentru ambalarea alimentelor pe termen scurt. Combinarea acestuia cu alți polimeri sau acoperiri pentru aplicații specifice poate oferi proprietăți de barieră suplimentare.
Influența greutății moleculare asupra PLA
Greutatea moleculară este unul dintre cei mai critici factori care influențează proprietățile mecanice, termice și de degradare ale PLA. Polilactidele cu greutăți moleculare mari tind să aibă o rezistență mai mare, rezistență termică și rate de degradare mai mici, făcându-le aplicabile în condițiile în care este necesară durabilitate. În contrast, polilactidele cu greutăți moleculare scăzute au o rată de degradare mai mare și sunt mai utile în aplicații medicale, cum ar fi sistemele de administrare a medicamentelor sau implanturile biodegradabile. Îndeplinirea acestor cerințe necesită selectarea unei greutăți moleculare adecvate.
Cum se utilizează plasticul PLA în ambalarea alimentelor?
Aplicații ale acidului polilactic în industria alimentară
În ceea ce privește siguranța alimentară, capacitatea de a fi obținut în mod durabil și compostabil, acidul polilactic (PLA) este într-adevăr un plus revoluționar pentru industria ambalajelor alimentare. Este utilizat pe scară largă în recipiente, căni, tăvi și materiale de ambalare pentru fructe proaspete, produse de patiserie și ambalaje pentru alimente gata de consumat. În plus, PLA este un înlocuitor competitiv pentru PET și PS, unde este necesară transparența, deoarece este atât transparent, cât și rigid.
În plus, studii recente sugerează că PLA prelungește perioada de valabilitate a articolelor cu risc de a pieri. Atunci când este amestecat cu anumiți aditivi relevanți sau încorporat în structuri multistratificate, PLA poate acoperi umiditatea și oxigenul, care sunt elemente cruciale în conservarea alimentelor. Estimările industriei sugerează că capacitatea mondială de producție de PLA va crește cu peste 600,000 de tone metrice până în 2025, din cauza creșterii cererii estimate de pe piața alimentelor și a băuturilor. Această creștere indică un accent mai mare pe metodele de ambalare ecologice, deoarece guvernele și întreprinderile utilizează politici mai durabile.
PLA este, de asemenea, relevant în materialele de ambalare a alimentelor, datorită compatibilității cu principiile economiei circulare. Produsele realizate cu PLA pot fi compostate la nivel de fabrică, ceea ce ajută la scăderea deșeurilor în gropile de gunoi și la reducerea emisiilor de carbon. Eforturile în cercetare sunt concentrate pe lărgirea gamei de abilități termice și mecanice ale PLA, iar dezvoltarea de inovații pentru a crește temperatura maximă de funcționare și rezistența materialului diminuează tendința acestuia de a deveni casant. Acest lucru facilitează implementarea materialului în diverse aplicații de ambalare a alimentelor.
Beneficiile utilizării PLA biodegradabil pentru ambalare
- Durabilitatea mediului: Deoarece există trestie de zahăr sau amidon de porumb din care este fabricat PLA, acesta este un plastic biodegradabil, iar utilizarea acestuia poate reduce dependența noastră de combustibilii fosili. De asemenea, spre deosebire de materialele plastice standard, are un impact negativ mai mic asupra mediului, deoarece se poate descompune în instalațiile industriale de compostare.
- Amprenta de carbon redusă: producția și utilizarea PLA la scară industrială reduc considerabil emisiile de gaze nocive cu efect de seră în comparație cu producția și utilizarea materialelor plastice pe bază de petrol. Din acest motiv, se stabilește ca o alegere mai bună.
- Compostabilitate: Materia organică din ambalajul PLA se poate descompune în condiții controlate de compostare, ajutând la minimizarea deșeurilor organice care ajung la gropile de gunoi, sporind în același timp materia organică a solului.
- Versatilitate: Deși este folosit pentru a face recipiente pentru chifle, legume proaspete, carne, ambalaje coapte și ambalaje pentru alte băuturi, caracterul său practic se încadrează în obiectivele de mediu ale ambalajelor alimentare.
Comparație între PLA și plasticul tradițional
- Sursa materialului: PLA este fabricat din amidon de porumb sau trestie de zahăr, spre deosebire de plasticul tradițional, care este fabricat din combustibili fosili precum benzina.
- Biodegradabilitate: PLA se descompune în materie organică în instalațiile de compostare industrială, în timp ce plasticul de zi cu zi durează ani să se descompună și să contribuie la poluare.
- Impactul asupra mediului: în comparație cu materialele plastice tradiționale, producția de PLA generează emisii mai mici cu efect de seră, reducând amprenta totală de carbon.
- Performanță: PLA funcționează extrem de bine în multe aplicații; totuși, în comparație cu anumite materiale plastice industriale care funcționează la temperaturi ridicate, rezistența la căldură și durabilitatea îi limitează utilizarea.
- Reciclare: Deoarece sunt mai comune, plasticele tradiționale au șanse mai mari de a fi acceptate în programele de reciclare. Cu toate acestea, PLA nu are alte mijloace de eliminare în afară de compostarea industrială.
Luând în considerare totul, este evident că PLA are deficiențele sale, în principal în ceea ce privește performanța, dar are și avantajele sale în ceea ce privește durabilitatea.
Sinteza PLA: tehnici și metode
Condensarea directă a acidului lactic
În producția de PLA, condensarea directă a acidului lactic este o metodă care implică îndepărtarea apei pe măsură ce monomerii acidului lactic sunt legați împreună. Tehnica necesită de obicei temperaturi ridicate și niveluri scăzute de presiune pentru a împinge reacția către un progres eficient. Cu toate acestea, una dintre problemele semnificative ale acestei metode este că este dificil să se obțină polimeri cu greutate moleculară mare din cauza naturii de echilibru a reacției, ceea ce o face ineficientă pentru scopuri la scară mare sau de înaltă performanță.
Tehnici de polimerizare cu deschidere a inelului
Polimerizarea cu deschidere a inelului (ROP) rămâne una dintre cele mai comune metode pentru sinteza PLA. Este, de asemenea, una dintre cele mai eficiente atunci când se dorește greutate moleculară mare și caracteristici specifice polimerului. În acest caz, lactida, dimerul ciclic al acidului lactic, este polimerizată cu catalizatori pe bază de metal în condiții controlate. Cel mai frecvent utilizat catalizator pentru polimerizarea eficientă este octanoatul de staniu(II); cu toate acestea, se fac eforturi recente pentru a cerceta înlocuitori netoxici, cum ar fi catalizatorii organici, pentru o durabilitate și biocompatibilitate îmbunătățite.
Datorită clivajului structurilor lactide ciclice, monomerii se pot lega pentru a forma lanțuri lungi de polimeri. ROP este ușor de adaptat pentru a atinge anumite greutăți moleculare și polidispersități, așa că este frecvent utilizat pentru mai multe aplicații legate de PLA în dispozitive medicale, materiale de ambalare și textile. Studiile preliminare sugerează că ROP poate atinge greutăți moleculare de peste 100,000 g/mol, în funcție de condițiile de reacție și de natura catalizatorilor, ceea ce la rândul său sporește rezistența mecanică și durabilitatea polimerului.
De asemenea, dezvoltarea de noi tehnici ROP, cum ar fi sistemele de catalizator fără solvenți și ecologice, îmbunătățește randamentul producției de acid lactic și sporește eco-compatibilitatea procesului. Aceste inovații corespund ofertei în creștere de PLA-uri fabricate durabil, contribuind la o economie circulară. Profitând de aceste inovații, ROP continuă să fie printre cele mai de încredere și ușor de realizat metode de producție a PLA.
Inovații în sinteza PLA
Înlocuirea sistemelor catalizatoare clasice cu polimerizare enzimatică nu este cea mai interesantă inovație în sinteza PLA, ci mai degrabă una revigorantă. Procesele enzimatice sunt o alternativă mai ecologică pentru polimerizarea catalizată, deoarece folosesc enzime naturale pentru a cataliza procesul, scăzând astfel deșeurile toxice și permițând temperaturi de reacție mai scăzute. În plus, dezvoltarea sintezei PLA stereo complexă din polimeri puri din punct de vedere enantiomeric a îmbunătățit proprietățile termice și mecanice ale materialelor. Astfel de inovații sporesc performanța materialelor și contribuie la durabilitatea proceselor de fabricație a PLA, care este o condiție prealabilă pentru acceptarea mai largă a utilizării PLA.
Care sunt impacturile asupra mediului ale PLA?
PLA ca polimer biodegradabil
Acidul polilactic (PLA) este considerat un material verde datorită capacității sale de a se degrada în mediile de compostare industrială. În opinia mea, deoarece PLA poate fi descompus în componentele sale naturale, cum ar fi dioxidul de carbon și apa, care sunt abundente într-o multitudine de împrejurimi, este o alternativă de plastic care are potențialul de a reduce deșeurile de plastic. În același timp, înțeleg că potențialul PLA este întotdeauna îmbuteliat, cu excepția cazului în care este implementat un sistem adecvat de gestionare a deșeurilor. În plus, sunt de acord că PLA NE se degradează la fel de eficient în medii netratate, cum ar fi solul sau oceanul. Prin urmare, este necesar un sistem în care factorii cheie să fie monitorizați.
Impactul producției de PLA asupra mediului
Impactul asupra mediului al producției de acid lactic este benefic și dăunează ciclului de viață al PLA. În plus, materialele sursă pentru PLA, cum ar fi amidonul de porumb sau trestia de zahăr, pot fi cultivate, reducând dependența de combustibilii fosili și chiar reducând emisiile de gaze cu efect de seră. Pe de altă parte, procesul de producție este foarte consumator de energie; sursele de energie neregenerabile pot agrava amprenta ecologică. În plus, producția de culturi de materii prime implică schimbarea utilizării terenului, utilizarea apei și fertilizare care dăunează mediului. Aceste aspecte sugerează că trebuie depus efort pentru a implementa practici prietenoase cu mediul pentru a obține beneficii ecologice maxime din PLA.
Rolul PLA în reducerea deșeurilor de plastic
PLA este esențial în atenuarea poluării mediului, deoarece oferă un înlocuitor biodegradabil pentru plasticul tradițional, neregenerabil, pe bază de petrol. Deșeurile de plastic și problemele de poluare se vor îmbunătăți foarte mult dacă compostăm PLA în mod industrial, însă pentru ca acesta să fie eficient, trebuie înființate mai întâi infrastructuri adecvate de sortare a deșeurilor și de compostare. Deși aceste sisteme sunt necesare pentru a beneficia de beneficiile compostării PLA, înțeleg că au implicații masive pentru lupta noastră eficientă în abordarea deșeurilor de plastic.
Întrebări frecvente (FAQ)
Î: Ce este acidul polilactic (PLA) și cum este produs?
R: Acidul polilactic (PLA) este un plastic biodegradabil realizat din materiale regenerabile, cum ar fi amidonul de porumb sau trestia de zahăr. PLA este produs în timpul fermentației amidonului în acid lactic și, ulterior, acidul este polimerizat într-un polimer PLA. Formarea PLA brută implică condensarea monomerilor acidului lactic sau polimerizarea acidului lactic sau a lactidei pentru a obține polimerul final.
Î: Ce proprietăți mecanice posedă PLA?
R: Caracteristicile mecanice ale PLA cuprind rezistență ridicată la tracțiune și alungire scăzută la rupere, implicând o rigiditate și fragilitate mai mari decât alți polimeri. Aceste caracteristici, în special rezistența la tracțiune și modulul de tracțiune, permit aplicarea acestuia în imprimarea 3D, turnarea prin injecție și producerea altor articole biodegradabile.
Î: Ce ar trebui să se înțeleagă prin PLA ca fiind un plastic biodegradabil?
R: Termenul implică faptul că PLA se poate descompune în elemente precum dioxid de carbon și apă cu compostare industrială. Descompunerea PLA este facilitată de microorganismele care digeră polimerul. Drept urmare, este o opțiune mult mai ecologică decât plasticul tradițional.
Î: De ce este semnificativ punctul de topire al PLA de 150 – 160 de grade Celsius?
R: PLA este utilizat în mod optim pentru procesul de extrudare la o temperatură scăzută de 150 – 160 de grade Celsius. La această temperatură, PLA se topește rapid, făcându-l potrivit pentru extrudare prin duze pentru imprimarea 3D. Acest lucru permite producerea de obiecte complexe și sofisticate imprimate 3D PLA.
Î: Care sunt utilizările produselor PLA în activitățile de zi cu zi?
R: PLA poate fi folosit în diverse scopuri, cum ar fi implanturi medicale, imprimare 3D și pachete, și este chiar grozav pentru tacâmurile de unică folosință. PLA este, de asemenea, adaptabil, deoarece poate fi turnat prin injecție sau imprimat 3D, ceea ce îl face util pentru multe utilizări comerciale și de consum.
Î: Este posibil să combinați PLA cu alte materiale plastice?
R: Absolut, caracteristicile mecanice și fizice ale PLA pot fi îmbunătățite în continuare prin amestecarea acestuia cu alți polimeri. Adăugarea altor bioplastice sau aditivi crește flexibilitatea polimerului, rezistența la impact și rezistența termică, lărgind domeniul de aplicare al acestuia.
Î: Care este temperatura de tranziție sticloasă a PLA?
R: Temperatura de tranziție sticloasă a PLA este de aproape 60 de grade Celsius. La această temperatură, polimerul trece dintr-o stare dură și sticloasă într-o stare cauciucoasă și suplă, ceea ce îi afectează proprietățile mecanice și stabilitatea la diferite intervale de temperatură.
Î: Cum contribuie producția de PLA la sustenabilitate?
R: Producția PLA este ecologică. Este fabricat din materii prime regenerabile, cum ar fi amidonul de porumb și trestia de zahăr, ceea ce reduce dependența de combustibilii fosili neregenerabili. În plus, deoarece PLA este biodegradabil, minimizează cantitatea de deșeuri de plastic generate și atenuează impactul negativ general asupra mediului, cu condiția să fie eliminat corect.
Î: Care sunt unele provocări asociate cu utilizarea PLA?
R: Ruperea și degradarea la o temperatură mai scăzută, împreună cu fragilitatea, sunt câteva dintre problemele legate în prezent de aplicarea PLA; prin urmare, utilizarea sa este restricționată în regiunile cu temperaturi ridicate. În plus, deși utilizarea acceptată a instalațiilor industriale este în jur, trebuie menționat că există condiții specifice pentru ca acestea să fie adaptate pentru defalcarea PLA.
Surse de referință
1. Membrană polimerică fabricată cu acid polilactic și ulei de babasu pentru vindecarea rănilor
- Autori: D. Fernandes et al.
- Data publicării: 2021-02-21
- Descoperiri cheie:
- Membrana electrofilată PLA/babassu a demonstrat proprietăți favorabile pentru construcția pansamentului. Acestea includ viteza recomandată de transmitere a vaporilor de apă (WVTR), menținerea unui mediu umed, non-citotoxicitatea, stimularea liniilor celulare de keratinocite și inhibarea creșterii Pseudomonas aeruginosa.
- Metodologie:
- Membrana polimerică realizată din PLA și ulei de babassu a fost electrofilată, urmată de o serie de teste pentru a măsura eficacitatea acesteia ca pansament pentru răni (Fernandes et al. 2021, p. 102173).
2. Proprietățile tehnice, fizice și abrazive ale materialelor cu acid polilactic publicate în 3D
- Autor: A. Almajid
- Data publicării: 2020-03-01
- Descoperiri cheie:
- Studiul sa concentrat pe modelarea depunerii materialelor PLA și a descoperit că performanța la tracțiune, modul și ductilitate depind în mare măsură de procentul de umplere și de direcția de imprimare.
- Metodologie:
- Testele de tracțiune, duritate și uzură au fost efectuate pe probele de PLA cu procente diferite de umpluturi pentru a determina proprietățile mecanice (Almajid, 2020, p. 118–125).
3. Caracteristicile și efectele amestecului de PLA, în special amidonul reticulat și amestecurile compozite de acid polilactic.
- Autor: Ying Wang
- Data publicării: 07 iulie 2018
- Descoperiri cheie:
- Potrivit cercetării, combinarea PLA cu amidon și compozite cu trimetilclorosilan PLA a îmbunătățit proprietățile mecanice ale compozitelor, analiza optică și absorbția de apă. O creștere a conținutului de amidon ar reduce proprietățile mecanice.
- Metodologie:
- În acest studiu de caz, șapte probe primare experimentale au fost produse prin amestecarea mecanică a PLA și amidon în mai multe proporții, urmată de testare mecanică și analiză FTIR (Wang, 2018).
