خواص و ضعف های پلیمرهای زیست‌تخریب‌پذیر برای بسته بندی

به گزارش اینپیا به نقل از ویکی شیمی، زباله‌های پلاستیکی به جا مانده از بسته‌بندی محصولات غذایی همواره بعنوان معضل بزرگي برای محیط‌زیست مطرح هستند. ازاین رو، پژوهش‌هاي جدید به یافتن جایگزین‌های مناسب برای بسته‌بندی‌های متداول معطوف شده است. بایوپلیمرهای زیست‌تخریب‌پذیر و سازگار با محیط‌زیست بعنوان راه‌حل مناسب برای این موضوع پیشنهاد می‌شوند. اما استفاده از بایوپلیمرها در بسته‌بندی محصولات غذایی در برابر محدودیت‎های متعددي قرار دارد. شکنندگی، سفتی، ناپایداری گرمایی و نفوذپذیری زياد نسبت به گازها و بخارآب در زمره عوامل اصلی محدوديت استفاده از بایوپلیمرها در صنعت بسته‌بندی هستند.

بایوپليمرهاي زيست‌تخريب‌پذير مواد پلیمری هستند که دست‌كم یک مرحله از فرایند تخریب آنها در محیط‌زیست، بوسيله موجودات زنده انجام می‌پذیرد. زيست‌تخريب در شرایط مناسب از نظر رطوبت، دما و دسترسی اکسیژن و با کمک ريزاندامگان به متلاشی شدن این پلاستیک‌ها بدون باقی‌ماندن هر نوع ماده سمی یا مضر برای محیط‌زیست منجر مي‌شود(شکل زیر).

هنگامی که این بایوپلیمرها به عنوان ماده بسته‌بندی در صنايع غذايي بكار برده مي‌شوند، باید از خواص مدنظر صنعت از جمله دوام و کارایی برخوردار بوده و خواص مشابهی با پلیمرهای نفتی داشته باشند. به منظور ارزیابی کیفیت ساختاری و کارايی بایوپلیمرهای زیست‌تخریب‌پذیر مجموعه‌اي از خواص کیفی تعریف و قراردادي شده است که از مهمترين این شاخص‌ها خواص سدگري، مکانیکی و گرمایی است.

انواع بایوپلیمرها

بایوپلیمرها بر اساس منشا و فرايند تولید در سه دسته قرار می‌گيرند:

بایوپلیمرهای طبیعی یا پلیمرهایی که بطور مستقيم از استخراج زیست‌توده‌ها به دست می‌آیندکه کربوهیدرات‌های گیاهی(نشاسته، سلولوز، کیتوسان، آلژینات، آگار و کاراگينان) و پروتئین‌های گیاهی و حیوانی(پروتئین سویا، زئین ذرت، گلوتن گندم، ژلاتین، کلاژن، کازئین و پروتئین آب پنیر) از آن جمله هستند.

پلیمرهای زیست‌تخریب‌پذیر سنتزی که با به کار بردن فرایندهای شیمیایی از مونومرهای زیست‌تجدیدپذير تولید می‌شوند. از اين گروه می‌توان به پلی وينیل الکل، پلی‌گلیکولیک‌اسید، پلی‌کاپرولاکتون، پلی‌لاکتیک‌اسید، پلی‌بوتیلن‌سوکسینات اشاره کرد.

بایوپلیمرهای تولید شده از تخمیر میکروبی، پلیمرهایی هستند که بوسیله ريزاندامگان و باکتری‌های اصلاح شده ژنتیکی بدست می‌آیند. موادي مانند پلی‌هیدروکسی‌آلکانوات، پلی‌هیدروکسی‌بوتیرات، سلولوزهای باکتریایی، پلی‌ساکاریدهای میکروبی مانند زانتان، پلولان در اين دسته قرار می گيرند.

محدودیت اصلی

استفاده از بایوپلیمرها به عنوان ماده بسته‌بندی غذایی با محدودیت‌های مختلفی همراه است که کاربرد اين فیلم‌ها را محدود می‌کند. شکنندگی، ناپایداری گرمایی، استحکام مذاب کم، قابلیت دوخت حرارتی دشوار، تراوايی زياد بخار آب و اکسیژن از عوامل محدودكننده در استفاده از این فیلم‌ها برای کاربردهای بسته‌بندی غذایی هستند. به دلیل ماهيت آبدوست بایوپلیمرهایی مانند نشاسته و سلولز، مواد بر پایه این تركیبات خاصیت سدكنندگي ضعيفي در برابر بخار آب دارند. اين موضوع سبب محدودشدن پایداری بلندمدت و تضعيف خواص مکانیکی فيلم‌های بایوپلیمری)حساسيت به مقدار رطوبت( می‌شود. از دیگر معایب فيلم‌هاي یاد شده فرایندپذیری ضعیف، تردی و آسیب‌پذیر بودن در برابر تجزیه است. در نهایت شکنندگی، سفتی، مقاومت کم به ضربه و ناپایداری گرمایی عواملی هستند که استفاده از بایوپلیمرها را به عنوان ماده بسته‌بندی محدود می‌کنند. بطور کلی، بسته‌بندی‌های بر پایه پروتئین و کربوهیدرات‌ها در رطوبت نسبی متوسط سدگرهاي مناسبي براي گاز اکسیژن بوده و از خواص مکانیکی مطلوب برخوردارند. اما خاصیت سدگري آنها براي بخار آب بدلیل ماهيت آبدوستي ضعیف است. بنابراین پژوهش‌هاي گسترده‌اي برای بهبود عملکرد بایوپلیمرها انجام یافته است. در ادامه روش‌های بهبود خواص بایوپلیمرها توضیح داده می‌شود.

روش‌های بهبود خواص بایوپلیمرها:

پوشش‌دهی

بطورکلی، پوشش‌دهی فیلم‌های زیستی روش مناسبي برای بهبود خواص این فیلم‌هاست. پوشش‌دهی عبارت از به کار بردن لایه نازک اضافی از مواد دیگر روی فیلم‌های زیستی است. بدين ترتيب، می‌توان خواص سدگري مانند تراوايي اکسیژن، بخار آب و روغن و خواص مکانیکی از جمله مقاومت به کشش و کشسانی را بهبود داد. برای این كار، مي‌توان از انواع مختلف پوشش‌هاي زیستی و غیرزیستی بهره برد. از این جمله می‌توان به پوشش‌دهی با SiOx و AlOx اشاره کرد.

نانوفناوری

نانوپرکننده به ماده‌ای گفته می‌شود که ابعادی بین nm 1-100 داشته باشد. اولین اثر کاهش اندازه مواد، افزایش سطح است. افزایش نسبت سطح به حجم نانوپرکننده‌ها موجب می‌شود اتم‌های واقع در سطح نسبت به اتم‌های درون حجم، اثر بسیار بیشتری بر خواص فیزیکی آنها داشته باشد. این ویژگی، واکنش‌پذیری نانوپرکننده‌ها را به شدت افزایش مي‌دهد. افزون براین، افزایش سطح نانوپرکننده‌ها فشار سطحی را تغییر ميدهد و به تغییر فاصله بین نانوپرکننده‌ها یا ميان اتم‌های آنها منجر می‌شود. تغییر در فاصله بین اتم‌ها و نسبت سطح به حجم زیاد در پرکننده‌ها اثر متقابلی را بر خواص ماده به جا مي‌گذارد. بمنظور دستیابی به اصلاحات با كمک نانوذرات، لازم است واکنش مطلوبي ميان ماده زمینه پلیمری(فاز پیوسته) و نانوپرکننده(فاز ناپیوسته) اتفاق افتد. درحقيقت، هنگامی که ذرات یا الیاف در ماده زمینه توزیع می‌شوند، نیروی اعمال شده به ماده زمینه بطور یکنواخت به ذرات یا الیاف منتقل می‌شود و خواصی مانند استحکام، سختی، خواص تريبولوژي و تخلخل تغییر می‌کند. افزون براين، اجزاي نانوکامپوزیت‌ها به سبب برهمکنش سطحی ميان ماده زمینه و مواد پرکننده از خواص بهتری برخوردار می‌شوند. نوع و مقدار این برهمکنش‌ها نقش مهمی بر خواص مختلف نانوکامپوزیت‌ها از جمله خواص فيز یكي مانند پايداري گرمايي، شفافيت، انحلال‌پذيري و خواص نوری، الکتریکی و مکانیکی آنها دارد.

اصلاح فیزیکی و شیمیایی

روش دیگر بهبود عملکرد بایوپلیمرها، اصلاح فیزیکی و شیمیایی است. اصلاح می‌تواند افزون بر داشتن اثر مثبت بر خواص مکانیکی و تراوايي بخار آب، ابزاري برای افزایش سازگاری بین دو پلیمر نیز باشد. بعنوان مثال، فیلم‌های نشاسته با هدف بهبود ويژگي آبگریزی و سازگاري با مواد آبگريز اصلاح مي‌شوند؛ تراوايي بخار آب در فیلم‌های نشاسته با افزودن سیتریک اسید کاهش می‌یابد به‌گونه‌اي كه 10درصد وزنی سیتریک اسید، بیشترین کاهش را در مقدار تراوايي نشان مي‌دهد.