Biokunststofkenmerken, typen, productie en toepassingen

de bioplastics het zijn plastic polymere materialen, verkregen uit grondstoffen van biologische oorsprong, dat wil zeggen uit hernieuwbare natuurlijke bronnen, zoals de biomassa van zetmeel, cellulose, melkzuur, vetten, plantaardige en dierlijke eiwitten, onder andere.

De term bioplastic wordt gebruikt om deze materialen van biologische oorsprong te onderscheiden van petroplastics, die worden gesynthetiseerd uit aardoliederivaten.

Kunststoffen zijn gemakkelijk vormbare materialen die kunnen vervormen zonder in meer of minder uiteenlopende omstandigheden te breken; het is om deze reden dat het materialen van grote veelzijdigheid zijn.

De meeste kunststoffen zijn vervaardigd van grondstoffen afgeleid van aardolie. Deze petroplastics zijn afkomstig van de winning en raffinage van olie, een niet-hernieuwbare, eindige en uitputbare natuurlijke hulpbron.

Bovendien zijn petroplastics niet biologisch afbreekbaar en veroorzaken ze ernstige milieuproblemen zoals de zogenaamde "plastic eilanden en soepen" in de oceanen. Deze veroorzaken massale sterfgevallen van vissen en zeevogels, als gevolg van de vervuiling van de zee en de lucht door plastic microdeeltjes in suspensie, van hun fysieke degradatie.

Bovendien produceert de verbranding van petroplastics zeer giftige emissies.

In tegenstelling tot petroplastics, kunnen de meeste bioplastics volledig biologisch afbreekbaar en niet-vervuilend zijn. Ze kunnen zelfs de dynamiek van ecosystemen begunstigen.

index

• 1 Kenmerken van bioplastics
  • 1.1 Economisch en ecologisch belang van biokunststoffen
  • 1.2 Biologische afbreekbaarheid
  • 1.3 Beperkingen van biokunststoffen
  • 1.4 Verbetering van de eigenschappen van biokunststoffen
• 2 soorten (classificatie)
  • 2.1 Classificatie volgens de bereiding
  • 2.2 Indeling op basis van de grondstof
• 3 Industriële productie van biokunststoffen
• 4 Gebruik van biokunststoffen
  • 4.1 Wegwerpartikelen
  • 4.2 Bouw en civiele techniek
  • 4.3 Farmaceutische toepassingen
  • 4.4 Medische toepassingen
  • 4.5 Lucht-, zee- en wegtransport en industrie
  • 4.6 Landbouw
• 5 Referenties

Kenmerken van bioplastics

Economisch en ecologisch belang van biokunststoffen

Onlangs is meer wetenschappelijk en industrieel belang ontstaan ​​om kunststoffen uit hernieuwbare grondstoffen te produceren en die biologisch afbreekbaar zijn.

Dit is te wijten aan het feit dat de wereldolievoorraden opraken en dat er een groter bewustzijn bestaat met betrekking tot de ernstige milieuschade veroorzaakt door de petroplastics..

Met een groeiende vraag naar kunststoffen op de wereldmarkt neemt ook de vraag naar biologisch afbreekbare kunststoffen toe.

biologische afbreekbaarheid

Het afval van biologisch afbreekbare biokunststoffen kan worden behandeld als organisch afval, van snelle en niet-vervuilende afbraak. Ze kunnen bijvoorbeeld worden gebruikt als bodemveranderingen bij compostering, omdat ze op natuurlijke wijze worden gerecycled door biologische processen.

Beperkingen van biokunststoffen

De productie van biologisch afbreekbare biokunststoffen staat voor grote uitdagingen, omdat biokunststoffen inferieure eigenschappen hebben voor petroplastics en de toepassing ervan, hoewel ze groeit, beperkt is.

Verbetering van de eigenschappen van bioplastics

Om de eigenschappen van bioplastics te verbeteren, worden mengsels van biopolymeren ontwikkeld met verschillende soorten additieven, zoals koolstofnanobuizen en natuurlijke vezels gemodificeerd door chemische processen.

Over het algemeen verbeteren de additieven die worden toegepast op biokunststoffen eigenschappen zoals:

• Stijfheid en mechanische weerstand.
• Barrière-eigenschappen tegen gassen en water.
• Thermoweerstand en thermostabiliteit.

Deze eigenschappen kunnen in de biokunststof worden ontworpen door middel van chemische bereidings- en verwerkingsmethoden.

Typen (classificatie)

Classificatie volgens uw voorbereiding

Bioplastics kunnen worden ingedeeld op basis van hun bereidingswijze in:

• Bioplastics waarvan de synthese is gemaakt van polymere grondstoffen die rechtstreeks uit biomassa worden gewonnen.
• Bioplastics verkregen door synthese op biotechnologische routes (met behulp van inheemse of genetisch gemodificeerde micro-organismen).
• Bioplastics verkregen door klassieke chemische synthese, uitgaande van biologische monomeren (wat de bakstenen zouden zijn die gebruikt werden voor hun constructie).

Indeling volgens de grondstof

Ook bioplastics kunnen worden ingedeeld op basis van de herkomst van hun grondstof:

Bioplastics op basis van zetmeel

Zetmeel is een biopolymeer dat in staat is water te absorberen en omdat deze bioplastics functioneel zijn, worden er weekmakers aan toegevoegd die voor flexibiliteit zorgen (zoals sorbitol of glycerine).

Bovendien worden ze gemengd met onder andere biologisch afbreekbare polyesters, polymelkzuur, polycaprolactonen om hun mechanische eigenschappen en hun weerstand tegen afbraak door water te verbeteren..

De bioplásticos uitgewerkt uit zetmeelachtige economische grondstoffen, overvloedig en hernieuwbaar, noemen "thermoplastisch van zetmeel".

Het zijn vervormbare materialen bij kamertemperatuur, smelt bij verhitting en verhard in een staat glasachtig bij koeling. Ze kunnen worden opgewarmd en opnieuw gemodelleerd, maar ondergaan met deze procedures veranderingen in hun fysische en chemische eigenschappen.

Ze zijn het meest gebruikte biokunststof en vormen 50% van de biokunststoffen op de markt.

Op cellulose gebaseerde biokunststoffen

Cellulose is de meest voorkomende organische verbinding binnen de terrestrische biomassa, het structurele bestanddeel van de wanden van plantencellen. Het is onoplosbaar in water, ethanol en ether.

Bioplastics op basis van cellulose zijn in het algemeen de cellulose-esters (celluloseacetaat en nitrocellulose) en hun derivaten (celluloïden). Door chemische modificaties van cellulose kan het een thermoplast worden.

Cellulose, dat veel minder hydrofiel (verwant aan water) is dan zetmeel, produceert biokunststoffen met verbeterde eigenschappen van mechanische sterkte, lagere gasdoorlaatbaarheid en grotere weerstand tegen waterafbraak..

Bioplastics op basis van proteïnen

Het is mogelijk om bioplastics te maken met behulp van eiwitten zoals melkcaseïne, tarwegluten, soja-eiwit, onder anderen.

In het bijzonder is het bioplastic uit soja-eiwit zeer gevoelig voor afbraak door water en is het economisch duur om te produceren. Het uitwerken van mengsels die goedkoper en resistenter zijn, betekent op dit moment een uitdaging.

Bioplasten afgeleid van lipiden

Bioplastics (polyurethanen, polyesters en epoxyharsen) zijn gesynthetiseerd uit plantaardige en dierlijke vetten, met eigenschappen die vergelijkbaar zijn met die van petroplastics.

De productie van plantaardige oliën en goedkope oliën uit microalgen zou een zeer gunstige factor kunnen zijn voor de productie van dit type bioplastics.

Bijvoorbeeld de bioplastic polyamide 410 (PA 410), wordt het geproduceerd met 70% olie uit de vrucht van de wondermachine (Ricinus comunis). Deze biokunststof heeft een hoog smeltpunt (250^ofC), lage wateropname en weerstand tegen verschillende chemische middelen.

Een ander voorbeeld is de polyamide 11 (PA 11), dat wordt geproduceerd uit plantaardige oliën, maar niet biologisch afbreekbaar is.

Polyhydroxyalkanoaten (PHA's)

Een uitgebreide variëteit aan bacteriesoorten fermenteert suikers en lipiden en produceert als bijproducten, verbindingen genaamd polyhydroxyalkanoaten (PHA's), die opslaan als een bron van koolstof en energie.

PHA's zijn onoplosbaar in water, biologisch afbreekbaar en niet-toxisch.

Bioplastics van het PHA-type produceren vrij stijve plastic vezels die biologisch afbreekbaar zijn. Ze vormen een veelbelovend alternatief, met betrekking tot het gebruik van petropolymeren, voor de productie van medische hulpmiddelen.

Polymelkzuur (PLA)

Polylactic acid (PLA) is een transparante biokunststof die wordt geproduceerd uit maïs of dextrose als grondstof.

Voor de productie ervan moet het zetmeel eerst worden geëxtraheerd uit maïs of een andere plantaardige bron; vervolgens wordt melkzuur verkregen, dankzij de werking van micro-organismen, en tenslotte wordt een chemisch proces (polymerisatie van melkzuur) toegepast om de bioplastic te verkrijgen.

PLA-bioplastics zijn transparant, hebben een lage weerstand tegen inslagen, bezitten thermoweerstand en barrière-eigenschappen en blokkeren de invoer van lucht. Bovendien zijn ze biologisch afbreekbaar.

Bioplastics op basis van poly-3-hydroxybutyraat (PHB)

Poly-3-hydroxybutyraat (PHB) is een chemisch samengesteld polyester type, geproduceerd door enkele bacteriën die glucose en maïszetmeel metaboliseren.

De PHB heeft eigenschappen die lijken op petroplastisch polypropyleen (commercieel veel gebruikt), maar de productiekosten zijn negen keer hoger, omdat het gaat om de productie van biomassa met dure koolstofbronnen..

Deze biokunststof kan transparante films produceren en heeft een smeltpunt van 130^ofC en is volledig biologisch afbreekbaar.

Bio-derived polyethyleen

Het polyethyleen heeft ethyleenmonomeer als een structurele eenheid; die kan worden verkregen door chemische synthese uitgaande van ethanol als grondstof.

Ethanol wordt geproduceerd in alcoholische fermentatie door micro-organismen die suikerriet, maïs of andere metaboliseren.

Dit is hoe, door alcoholische fermentatie en chemische synthese van ethyleen en polyethyleen te combineren, bioplastic genaamd bio-derived polyethyleen kan worden verkregen.

Dit bioplastic polyethyleen is chemisch en fysisch identiek aan petroplastisch. Het is niet biologisch afbreekbaar maar kan worden gerecycled.

Polyhydroxyurethanen

Onlangs is er veel belangstelling geweest voor de productie van bioplastische polyurethanen, vrij van een zeer toxische verbinding genaamd isocyanaat.

Isocyanaat wordt veel gebruikt in industriële productieprocessen van synthetische polymeren (polyurethanen aangebracht op sponsachtige kunststoffen, harde schuimen, lakken, insecticiden, lijmen, explosieven, onder andere), zowel in de landbouw als in de geneeskunde.

Er is een chemische methode genaamd Cross-polymerisatie van polyhydroxyurethanen, dat produceert volledig recyclebare en gratis biokunststoffen isocyanaat.

Industriële productie van biokunststoffen

De industriële productie van biokunststoffen omvat 4 fundamentele stappen:

1. Verkrijgen van de grondstof (biomassa).
2. Polymeersynthese.
3. Modificatie van het polymeer in functie van het hebben van de gewenste eigenschappen volgens het eindproduct dat moet worden uitgewerkt.
4. Gegoten van de biokunststof door hoge of lage druk methoden, om de uiteindelijke vereiste vorm te verkrijgen.

Gebruik van biokunststoffen

Momenteel zijn er weinig commerciële toepassingen van bioplastics, omdat de economische kosten van hun productie en de verbetering van hun eigenschappen nog steeds problemen zijn om op te lossen.

Wegwerp artikelen

Bioplastics worden echter al gebruikt bij de vervaardiging van veel wegwerpartikelen zoals plastic zakken, verpakkingscontainers en voedselverpakkingen, bestek, glazen en eetbare plastic schotels..

Bouw en civiele techniek

Zetmeelbioplastics zijn gebruikt als bouwmaterialen en bioplastics versterkt met nanovezels in elektrische installaties.

Bovendien zijn ze gebruikt bij de voorbereiding van bioplastic hout voor meubels, die niet worden aangetast door xylophagous insecten en niet rotten met vocht.

Farmaceutische toepassingen

Ze zijn gemaakt met bioplastics-capsules die geneesmiddelen bevatten en drugsverslaafden die langzaam worden vrijgegeven. Zo wordt de biologische beschikbaarheid van de geneesmiddelen in de loop van de tijd gereguleerd (de dosis die de patiënt binnen een bepaalde tijd ontvangt).

Medische toepassingen

Cellulose-bioplastics die toepasbaar zijn in implantaten, weefselmanipulatie, chitine-bioplastics en chitosan zijn vervaardigd voor de bescherming van wonden, botweefsel-engineering en regeneratie van menselijke huid..

Cellulosebioplastics zijn ook vervaardigd voor biosensoren, mengsels met hydroxyapatiet voor de vervaardiging van tandheelkundige implantaten, bioplastische vezels in katheters, onder andere..

Lucht-, zee- en wegtransport en industrie

Harde schuimen op basis van plantaardige oliën (biokunststoffen) zijn gebruikt, zowel in industriële als in transportinrichtingen; auto-onderdelen en ruimtevaartonderdelen.

Elektronische componenten van mobiele telefoons, computers, audio- en video-apparaten zijn ook gemaakt van biokunststoffen.

landbouw

Bioplastische hydrogels, die water absorberen en vasthouden en langzaam kunnen vrijkomen, zijn nuttig als beschermende omhulsels van gecultiveerde grond, handhaven de vochtigheid ervan en begunstigen de groei van landbouwplantages in droge gebieden en in zeldzame regenachtige seizoenen.

referenties

1. Chen, G. en Patel, M. (2012). Kunststoffen die zijn afgeleid van biologische hulpbronnen: heden en toekomst. Een technische en milieuanalyse. Chemische beoordelingen. 112 (4): 2082-2099. doi: 10.1021 / cr.20162d
2. Handboek van bioplastics en biocomposieten. (2011). Srikanth Pilla Editor. Salem, VS: Scrivener Publishing LLC. Copoted door John Wiley en zonen.
3. Lampinen, J. (2010). Trends in bioplastic en biocomposieten. VTT Research Notes. Technisch Onderzoekscentrum van Finland. 2558: 12-20.
4. Shogren, R.L., Fanta, G. en Doane, W. (1993). Ontwikkeling van op zetmeel gebaseerde kunststoffen: een heronderzoek van geselecteerde polymeersystemen in historisch perspectief. Zetmeel. 45 (8): 276-280. doi: 10.1002 / star.19930450806
5. Vert, M. (2012). Terminologie voor biorelated polymeren en toepassingen (IUPAC-aanbevelingen). Pure en toegepaste chemie. 84 (2): 377-410. doi: 10.1351 / PAC-REC-10-12-04