رزین مبتنی بر زیست در مقابل PP+ST و PE+ST: پلاستیک های سازگار با محیط زیست توضیح داده شده است

تغییر به سمت مواد پلاستیکی پایدارتر باعث تولید سه دسته رزین مشخص شده است: رزین سازگار با محیط زیست مبتنی بر زیست، PP ST (پلی پروپیلن مخلوط با نشاسته) و PE ST (پلی اتیلن مخلوط با نشاسته). هر کدام نشان دهنده یک استراتژی متفاوت برای کاهش اثر زیست محیطی محصولات پلاستیکی است و هیچ یک جایگزین جهانی برای دیگران نیست. رزین‌های مبتنی بر زیست، منبع مواد خام تجدیدپذیر را در اولویت قرار می‌دهند و بسته به فرمولاسیون می‌توانند زیست تخریب‌پذیری واقعی را ارائه دهند. مخلوط‌های PP ST و PE ST راحتی پردازش و آشنایی مکانیکی پلی‌اولفین‌های معمولی را حفظ می‌کنند و در عین حال از نشاسته برای کاهش بخشی از محتوای فسیلی و در برخی فرمول‌ها، تسریع تخریب استفاده می‌کنند. انتخاب صحیح در میان این مواد مستلزم درک ترکیب واقعی، ویژگی‌های عملکرد، چشم‌انداز گواهینامه و رفتار پایان عمر آن‌ها است - که همه آنها به طور قابل توجهی با توضیحات بازاریابی متفاوت هستند.

معنای واقعی رزین سازگار با محیط زیست مبتنی بر زیست چیست؟

"مبتنی بر زیستی" یک توصیف کننده مواد اولیه است، نه یک ادعای زیست تخریب پذیری. رزین زیستی رزینی است که در آن بخشی یا تمام محتوای کربن از منابع بیولوژیکی - معمولاً محصولات کشاورزی مانند ذرت، نیشکر، کاساوا یا سلولز از خمیر چوب - به جای نفت بدست می آید. محتوای مبتنی بر زیستی از طریق آزمایش نسبت ایزوتوپ کربن 14 قابل اندازه‌گیری و تأیید است، که تحت استاندارد ASTM D6866 و ISO 16620 .

مهم‌ترین رزین‌های زیستی از نظر تجاری در تولید فعلی عبارتند از:

• PLA (پلی لاکتیک اسید) : از قندهای تخمیری گیاهی (عمدتاً ذرت یا نیشکر) به دست می آید. محتوای مبتنی بر زیست به طور معمول نزدیک به 100% . قابل کمپوست در شرایط صنعتی (EN 13432 / ASTM D6400). به طور گسترده در بسته بندی مواد غذایی، ظروف یکبار مصرف، و رشته چاپ سه بعدی استفاده می شود.
• Bio-PE (پلی اتیلن مبتنی بر زیست) : تولید شده از بیو اتانول مشتق شده از نیشکر، که برجسته ترین آن توسط Braskem با نام تجاری "من سبز هستم". از نظر شیمیایی با پلی اتیلن فسیلی یکسان است - زیست تخریب پذیر نیست - اما دارای یک مزیت ردپای کربن تجدید پذیر تقریباً است 2.15 کیلوگرم CO₂e صرفه جویی در هر کیلوگرم رزین تولید شده
• Bio-PP (پلی پروپیلن مبتنی بر زیست) : هنوز از نظر تجاری در حال ظهور است. برخی از مسیرها از پروپیلن زیستی از پروپانول مشتق شده از نیشکر استفاده می کنند. محتوای مبتنی بر زیست و در دسترس بودن بسته به تامین کننده متفاوت است.
• PBAT (پلی بوتیلن آدیپات ترفتالات) : یک پلیمر مبتنی بر نفت اما زیست تخریب پذیر که اغلب با PLA یا نشاسته مخلوط می شود تا انعطاف پذیری و چقرمگی را در کاربردهای فیلم کمپوست پذیر بهبود بخشد.
• TPS (نشاسته ترموپلاستیک) : نشاسته خالص یا پلاستیکی که به شکل گرمانرم فرآوری شده است. کاملاً پایه زیستی و زیست تخریب پذیر اما محدود به حساسیت رطوبت و خواص مکانیکی - معمولاً به عنوان یک جزء ترکیبی به جای رزین مستقل استفاده می شود.

تمایز مهم: مبتنی بر زیست با تجزیه پذیر نیست

این تمایز رایج ترین جنبه اشتباه رزین های پایدار است. به عنوان مثال، Bio-PE از نیشکر تجدیدپذیر تولید می شود، اما تا زمانی که پلی اتیلن مبتنی بر نفت معمولی در محیط زیست باقی می ماند. برعکس، PBAT مشتق شده از نفت است اما در شرایط کمپوست واقعاً زیست تخریب پذیر است. مشخصات محیطی پایان عمر یک ماده توسط ساختار شیمیایی آن تعیین می شود، نه منشاء اولیه آن. مشخص کننده ها و خریداران باید هر دو بعد را به طور مستقل ارزیابی کنند.

رزین پلی پروپیلن PP ST: مشخصات ترکیب و عملکرد

PP ST یک رزین پلی پروپیلن را مشخص می کند ترکیب شده با نشاسته - معمولاً نشاسته ذرت یا کاساوا - به عنوان یک افزودنی کاربردی یا پرکننده. محتوای نشاسته در گریدهای تجاری PP ST معمولاً در محدوده ای متفاوت است 10 تا 50 درصد وزنی ، با فرمولاسیون بالای 30 درصد نشاسته در کاربردهایی که محتوای فسیلی کاهش یافته یا ادعاهای تخریب سریع را هدف قرار می دهند، رایج تر است.

چگونه نشاسته خواص پلی پروپیلن را اصلاح می کند

نشاسته و پلی پروپیلن از نظر ترمودینامیکی بدون شیمی سازگاری ناسازگار هستند - نشاسته آبدوست (جذب آب) است در حالی که PP آبگریز است (آب دفع کننده). استفاده از ترکیبات PP ST با فرمول مناسب PP پیوند شده با انیدرید مالئیک (PP-g-MAH) یا عوامل جفت کننده مشابه برای بهبود چسبندگی سطحی بین دانه های نشاسته و ماتریس پلیمری. بدون سازگاری کافی، نشاسته به عنوان یک متمرکز کننده تنش عمل می کند و استحکام کششی و ازدیاد طول در هنگام شکست را کاهش می دهد.

اثرات معمول ادغام نشاسته به PP در بارگذاری 20 تا 30 درصد:

• کاهش استحکام کششی از 10-25٪ در مقایسه با PP تمیز، بسته به بارگذاری سازگار
• کاهش شاخص جریان مذاب - نشاسته ویسکوزیته مذاب را افزایش می دهد و نیاز به تنظیمات دمای پردازش دارد.
• افزایش سفتی (مدول) در بارگذاری نشاسته متوسط به دلیل اثر پرکننده نشاسته سفت و سخت
• بهبود قابلیت چاپ و انرژی سطح در برخی از فرمول ها، مفید برای برچسب زدن و چسبندگی جوهر
• جذب رطوبت با محتوای نشاسته افزایش می یابد - یک ملاحظات مرتبط برای کاربردهای بسته بندی با قرار گرفتن در معرض رطوبت

رفتار تخریبی PP ST

یک ادعای بازاریابی رایج برای مواد PP ST "زیست تخریب پذیر" یا "oxo-degradable" است. واقعیت ظریف تر است. بخش نشاسته در PP ST واقعاً زیست تخریب پذیر است - میکروارگانیسم ها می توانند آن را متابولیزه کنند. با این حال، هنگامی که نشاسته تجزیه می شود، ماتریس PP باقیمانده به قطعات کوچکتر تقسیم می شود بیشتر زیست تخریب نمی شود توسط مسیرهای میکروبی استاندارد این به جای کانی سازی کامل، قطعات میکروپلاستیک تولید می کند. به همین دلیل، دستورالعمل پلاستیک های یکبار مصرف اتحادیه اروپا به طور خاص پلاستیک های تجزیه پذیر oxo را محدود کرده است. PP ST نباید کاملاً زیست تخریب پذیر توصیف شود مگر اینکه توسط داده های آزمایش کمپوست تایید شده تحت ISO 14855 یا ASTM D5338 پشتیبانی شود.

رزین پلی اتیلن PE ST: مشخصات ترکیب و عملکرد

PE ST معادل پلی اتیلن PP ST است - ترکیبی از پلی اتیلن (معمولاً LDPE یا LLDPE برای کاربردهای فیلم، HDPE برای کاربردهای سفت و سخت) با نشاسته به عنوان جزء مشتق شده زیستی. همان چالش‌های سازگاری اساسی اعمال می‌شود و از همان استراتژی‌های سازگاری - پیوند MAH، نشاسته تیمار شده با سطح - برای دستیابی به خواص مکانیکی قابل قبول استفاده می‌شود.

چرا PE ST در کاربردهای فیلم بیشتر از PP ST رایج است

پلی اتیلن - به ویژه LDPE و LLDPE - بستر غالب برای تولید فیلم دمیده و ریخته‌گری است. ترکیب نشاسته در فرمولاسیون فیلم پلی اتیلن به تولیدکنندگان این امکان را می دهد که تا حدی محتوای فسیلی را جایگزین کنند و در عین حال فرآیند دمیدن فیلم را که پلی اتیلن به آن معروف است حفظ کنند. نمرات فیلم PE ST تجاری در محتوای نشاسته 15 تا 30 درصد را می توان بر روی تجهیزات استاندارد فیلم دمیده با سرعت پیچ و تنظیمات دما متوسط پردازش کرد، و آنها را بدون سرمایه گذاری سرمایه در ماشین آلات جدید برای مبدل ها در دسترس قرار داد.

کاربردهای متداول PE ST عبارتند از:

• کیسه‌های حامل و کیسه‌های خرید به‌عنوان جایگزین‌های «جزئی مبتنی بر زیستی» یا «مخلوط نشاسته‌ای» به بازار عرضه می‌شوند.
• فیلم‌های مالچ کشاورزی که در آن محتوای نشاسته می‌تواند از تکه تکه شدن سریع‌تر مزرعه پشتیبانی کند (اگرچه ادعای تخریب کامل زیستی نیاز به گواهی جداگانه دارد)
• کیسه های زباله و کیسه های زباله که در آنها کاهش محتوای فسیلی یک معیار خرید است
• روکش بسته بندی نرم در کاربردهایی که مانع رطوبت متوسط و کاهش هزینه در اولویت هستند

مبادلات مکانیکی در فیلم های PE ST

در بارگیری‌های نشاسته‌ای بالای 20 درصد، فیلم‌های PE ST کاهش قابل‌اندازه‌گیری در استحکام ضربه دارت و مقاومت در برابر پارگی را در مقایسه با PE پر نشده نشان می‌دهند - ویژگی‌هایی که برای کیسه‌ها و کیسه‌ها حیاتی هستند. تاثیر قطره دارت می تواند کاهش یابد 30-50٪ در بارگیری نشاسته 30٪ بدون سازگاری بهینه. برای کاربردهایی که مقاومت در برابر سوراخ شدن و پارگی الزامات عملکردی هستند، گریدهای PE ST باید به طور خاص مطابق با مشخصات مکانیکی برنامه کاربردی باشند، نه اینکه فرض بر این باشد که عملکردی برابر با فیلم PE تمیز داشته باشند.

مقایسه کنار هم هر سه دسته رزین

گواهی و برچسب گذاری: قبل از مشخص کردن چه چیزی باید تأیید شود

بازار پلاستیک های پایدار دارای خطر قابل توجهی برای شستشوی سبز است. توضیحات مواد مانند "دوستانه محیط زیست"، "پلاستیک سبز"، یا "ترکیب زیست تخریب پذیر" بدون پشتیبانی از داده های گواهی باید با شک و تردید برخورد شود. استانداردهای زیر معیارهای قابل تأیید و ارزیابی شده توسط شخص ثالث را ارائه می دهند:

استانداردهای زیست تخریب پذیری و کمپوست پذیری

• EN 13432 (اروپا) : استاندارد اولیه برای کمپوست پذیری صنعتی بسته بندی. نیاز به تخریب زیستی ≥90% در عرض 6 ماه، تجزیه کامل به قطعات ≤2 میلی متری در عرض 12 هفته و عدم ایجاد سمیت زیست محیطی برای کمپوست دارد. PLA دارای گواهینامه EN 13432 الزامات بسته بندی قابل کمپوست واقعی را در کشورهای عضو اتحادیه اروپا برآورده می کند.
• ASTM D6400 (ایالات متحده آمریکا) : معادل آمریکای شمالی برای پلاستیک های صنعتی قابل کمپوست. الزامات کلی مشابه EN 13432 اما با تفاوت هایی در شرایط آزمون و آستانه قبولی.
• ISO 14855 : روش آزمایش آزمایشگاهی برای تعیین تجزیه بیولوژیکی هوازی نهایی مواد پلاستیکی تحت شرایط کمپوست کنترل شده - اغلب به عنوان آزمایش اساسی در گواهینامه EN 13432 و ASTM D6400 ذکر شده است.
• TÜV Austria OK compost INDUSTRIAL / OK compost HOME : برنامه های صدور گواهینامه شخص ثالث به طور گسترده در اروپا شناخته شده است. نوع "HOME" قابلیت کمپوست‌پذیری را در دماهای پایین‌تر (شرایط کمپوست باغی) تأیید می‌کند - استانداردی به‌طور معناداری سخت‌گیرانه‌تر از گواهینامه کمپوست صنعتی.

استانداردهای محتوای زیستی

• ASTM D6866 : کسر کربن را در ماده ای که منشأ بیوژنیک (تجدیدپذیر) دارد با استفاده از تجزیه و تحلیل رادیوکربن (14C) اندازه گیری می کند. نتایج به عنوان درصد کربن مبتنی بر زیستی بیان شد. این آزمایش فقط منشاء مواد اولیه را تأیید می کند - چیزی در مورد تجزیه پذیری زیستی نمی گوید.
• ISO 16620 : چارچوب بین المللی معادل برای تعیین محتوای زیستی، با بخش های متعددی که روش های بیان مختلف را پوشش می دهد (محتوای کربن مبتنی بر زیست، محتوای جرمی مبتنی بر زیست).
• DIN CERTCO / TÜV اتریش علائم "نهال" و "مبتنی بر زیستی". : برنامه‌های صدور گواهینامه در سطح محصول که آزمایش ASTM D6866 را با تأیید زنجیره نگهداری ترکیب می‌کند و برچسب‌های بازار را ارائه می‌کند که درصد محتوای تأیید شده مبتنی بر زیست را نشان می‌دهد.

برای مواد PP ST و PE ST، تنها ادعای جهانی قابل تأیید بدون گواهی کامل کمپوست است. محتوای کربن مبتنی بر زیستی بر اساس ASTM D6866. ادعاهای زیست تخریب پذیری و کمپوست‌پذیری به داده‌هایی تحت استانداردهای ISO 14855، EN 13432 یا ASTM D6400 نیاز دارند - و برای این ترکیب‌ها، این داده‌ها به ندرت در دسترس هستند زیرا ماتریس پلی اولفین باقی‌مانده از گذراندن معیارهای گواهی کامل کمپوست جلوگیری می‌کند.

ملاحظات پردازش برای هر نوع رزین

هر سه ماده را می توان بر روی تجهیزات گرمانرم معمولی پردازش کرد، اما هر کدام دارای الزامات خاصی هستند که بر راندمان تولید و کیفیت قطعه تأثیر می گذارد.

پردازش رزین های زیستی

• PLA : نیاز به خشک کردن کامل تا زیر دارد رطوبت 250ppm قبل از پردازش برای جلوگیری از تخریب هیدرولیکی. محدوده دمای مذاب باریک است (معمولا 170-210 درجه سانتیگراد ) در مقایسه با PP یا PE و زمان اقامت در بشکه باید به حداقل برسد. PLA به گرمای برشی حساس است - سیستم‌های دونده داغ نیاز به مدیریت دقیق دما دارند. با جریان های بازیافت PE یا PP معمولی سازگار نیست و باید از هم جدا شوند.
• Bio-PE : فرآیندهای یکسان با HDPE یا LDPE فسیلی - پروفیل‌های دما، طرح‌های پیچ و ابزارآلات مشابه اعمال می‌شوند. این سازگاری حذفی یکی از مزایای تجاری اولیه Bio-PE است.

پردازش PP ST

ترکیبات PP ST معمولاً می توانند بر روی تجهیزات قالب گیری تزریقی یا اکستروژن PP استاندارد با تنظیمات متوسط پردازش شوند. نکات کلیدی پردازش:

• دمای مذاب باید در داخل نگه داشته شود 180-210 درجه سانتیگراد برای جلوگیری از تخریب حرارتی نشاسته که باعث تغییر رنگ و بو می شود
• برای کاهش عیوب سطحی ناشی از بخار، برای گریدهای غنی از نشاسته، پیش خشک کردن توصیه می شود
• فشار برگشتی و سرعت پیچ باید تعدیل شود تا گرمایش برشی کسر نشاسته به حداقل برسد

پردازش PE ST

گریدهای فیلم PE ST به اقدامات احتیاطی مشابه PP ST نیاز دارند اما در محدوده دمای پردازش پایین تر PE ( 150-190 درجه سانتیگراد برای فیلم دمیده LDPE/LLDPE). محتوای نشاسته بالای 25 درصد ممکن است نیاز به تنظیم شکاف قالب و افزایش فشار دمیدن برای حفظ تشکیل حباب پایدار داشته باشد. کیفیت و براقیت سطح ممکن است در مقایسه با فیلم پلی اتیلن پر نشده کاهش یابد، که بر مناسب بودن برای کاربردهایی که به خواص نوری ممتاز نیاز دارند، تأثیر می گذارد.

تطبیق کاربرد: کدام رزین برای کدام استفاده نهایی

تصمیم بین رزین های مبتنی بر زیست، PP ST و PE ST در نهایت توسط الزامات عملکرد خاص و مسیر پایان عمر برنامه مورد نظر هدایت می شود. چارچوب زیر به همسو کردن انتخاب مواد با نیازهای دنیای واقعی کمک می کند:

مسیرهای پایان عمر: بازیافت، کمپوست سازی و واقعیت دفن زباله

کار با پایان عمر جایی است که تفاوت عملی محیطی بین این رزین‌ها مهم‌تر می‌شود - و اغلب به اشتباه ارائه می‌شود.

• Bio-PE : قابل بازیافت در جریان زباله پلی اتیلن موجود. از نظر شیمیایی با PE فسیلی یکسان است و با تجهیزات مرتب سازی معمولی قابل تشخیص نیست. این یک مزیت عملی بزرگ است - بسته‌بندی Bio-PE را می‌توان از طریق زیرساخت‌های بازیافت شهری ایجاد شده جمع‌آوری، دسته‌بندی و بازیافت کرد، بدون اینکه تغییری در فناوری مرتب‌سازی یا پردازش ایجاد شود.
• PLA : برای نگهداری مناسب در پایان عمر نیاز به جداسازی از پلاستیک های معمولی دارد. جریان های بازیافت پلی اتیلن یا PP آلوده کننده PLA کیفیت بازیافت را کاهش می دهد. کمپوست پذیری واقعی مستلزم دسترسی به تاسیسات کمپوست صنعتی است که در آن کار می کنند 55-60 درجه سانتیگراد - زیرساخت هایی که در بسیاری از مناطق محدود است. کمپوست خانگی PLA تنها با گریدهای تایید شده مخصوص کمپوست خانگی امکان پذیر است و به طور قابل توجهی کندتر از کمپوست صنعتی است.
• PP ST و PE ST : این ترکیبات هم در جریان بازیافت و هم در جریان کمپوست مشکل ساز هستند. هنگامی که این مواد وارد جریان های بازیافت PP یا PE می شوند، محتوای نشاسته کیفیت بازیافت را کاهش می دهد. در عین حال، ماتریس پلی اولفین باقیمانده به این معنی است که آنها نمی توانند به گواهی کمپوست دست یابند. در عمل، بیشتر محصولات PP ST و PE ST به محل دفن زباله ختم می شوند، جایی که بخش نشاسته ممکن است به صورت بی هوازی تجزیه شود (تولید متان) در حالی که کسر پلیمری باقی می ماند. ارتباط صادقانه با خریداران در مورد این محدودیت پایان عمر ضروری است.

بنابراین قابل دفاع ترین موقعیت محیطی برای مواد PP ST و PE ST است کاهش محتوای کربن فسیلی در واحد وزن - یک ادعای قابل اندازه گیری و قابل تایید - به جای ادعای زیست تخریب پذیری یا کمپوست پذیری که شیمی مواد نمی تواند از طریق صدور گواهینامه کامل پشتیبانی کند.