شکل 1 : مصرف جهانی بیوپلمیرهای مختلف در سال 2013

اخبار و مطالب روز نساجی

بیوپلیمرها در صنعت نساجی

Biopolymers in Textile Processing Industry

چکیده

مواد اولیه ی پارچه ها و  الیاف در صنعت نساجی، اساساً تجزیه پذیر نیستند. هرچند این مواد قابل برگشت به طبیعت اند، اما پلیمرهای زیست تخریب پذیرتر را می توان با روش های بیولوژیکی ساخت. بیوپلیمرها اغلب ساختار مشخصی دارند و در مقابل، بیشتر پلیمرهای مصنوعی ساختار بسیار ساده‌تر و پراکنده‌تر (یا تصادفی تری) دارند.

بیوپلیمرهای تجزیه پذیر در سال های اخیر به طور عمده برای کاربردهای زیست پزشکی مورد توجه قرار گرفته اند. این مواد در محیط های فیزیولوژیکی با بریدن زنجیره ماکرومولکولی به قطعات کوچکتر و در نهایت به محصولات نهایی پایدار ساده تجزیه می شوند. استفاده از بیوپلیمرها ، یعنی الیاف و پلاستیک های ساخته شده از ذرت، شکر، نشاسته و سایر مواد خام تجدیدپذیر، طی سال های اخیر گسترش یافته است.

1. مقدمه

با پیشرفت در شیمی، تکنولوژی و علم مواد، دسته جدیدی از مواد مصنوعی یا ساختگی به نام پلیمرها یا پلاستیک ها معرفی شدند. پلیمرها یا پلاستیک ها به دلیل عملکرد قابل توجه خود در همه جای جهان گسترش یافتند و در زندگی روزمره در طیف گسترده ای از کاربردها مانند نساجی، بسته بندی مواد غذایی، خودرو، الکترونیک، مصالح ساختمانی و مبلمان مورد استفاده قرار گرفتند . از نظر خواص، پلیمرها به طور کلی سبک تر از شیشه، فلزات یا سرامیک هستند و می توانند صلب یا انعطاف پذیر و مات یا کاملا شفاف باشند. بیشتر پلاستیک های مورد استفاده در سراسر جهان هنوز از نفت ساخته می شوند. منبع تجدید ناپذیر این پلیمرهای نفتی در برابر تجزیه طبیعی بسیار مقاوم هستند. در نتیجه و پس از استفاده ، به محیط زیست و اکوسیستم آسیب می رسانند. فقدان زیست تخریب پذیری، نگرانی های زیست محیطی و کاهش نفت، تحقیقات جهانی را برای توسعه بیو پلیمرهای طبیعی، پلیمرهای زیست تخریب پذیر و  برگشت پذیر، به عنوان جایگزینی برای پلاستیک های نفتی، سوق داد .

بیوپلیمرها در دهه 1940 مورد توجه قرار گرفتند و هنری فورد از پلاستیک سویا برای ساخت قطعات مختلف خودرو برای نشان دادن اعتقاد خود مبنی بر اینکه مزارع کارخانه‌های آینده هستند استفاده کرد. بیوپلیمرها توسط سیستم‌های بیولوژیکی (یعنی میکروارگانیسم‌ها، گیاهان و حیوانات) تولید می‌شوند یا به‌طور شیمیایی از مواد اولیه بیولوژیکی (مانند قندها، نشاسته، چربی‌ها یا روغن‌های طبیعی و غیره) سنتز می‌شوند. بیوپلیمرها تا سال 2015 کمی بیش از 1 درصد از پلیمرها را به خود اختصاص دادند (Doug، 2010). با این حال، رشد مورد انتظار 3-4 برابر در 7-8 سال آینده خواهد بود .

اصطلاح "بیوپلیمرها" کم و بیش به عنوان مواد پلیمری که حداقل بخش قابل توجهی از اجزای بیولوژیکی را تشکیل می دهند، تعریف می شود. جایی که "بیولوژیکی" به معنای تازه تولید شده توسط موجودات زنده است، یعنی از نفت تولید نشده باشد . بیوپلیمرها می توانند ترموپلاستیک یا ترموست ، کامپوزیت یا همگن  و تجزیه پذیر یا غیر قابل تجزیه باشند .

تعریفی که برای بیوپلیمرها در ادبیات یافت می‌شود، بر اساس مقدار کربن مدرن یا بیو کربن است که باید در یک بیوپلیمر وجود داشته باشد. "کربن مدرن" در استاندارد ASTM D6866 تعریف شده است و در واقع کربنی است که حاوی حداقل مقدار خاصی از ایزوتوپ C14 باشد . به این ترتیب می توان ثابت کرد که کربن موجود در مواد منشا فسیلی ندارد (Bleys, 2015).

بیو پلیمرها از آغاز تمدن شناخته شده اند: چرم، پنبه، پشم، لاستیک طبیعی و چوب پنبه همه بیوپلیمرها ی طبیعی هستند. این مواد هنوز برای کاربردهای خاص بکار می روند و بیشتر مواد پلیمری که امروزه مورد استفاده قرار می‌گیرند مصنوعی و بر اساس منابع نفتی هستند.

در سال‌های اخیر، تحقیق و توسعه بیوپلیمرها با عنوان «شیمی سبز» و اصول پایداری که به صورت روزافزون در صنعت استفاده می‌شوند، شتاب قابل توجهی به دست آورد. گسترش منابع انرژی تجدید پذیر، به ویژه سوخت های زیستی مانند بیو اتانول که از غلات یا زیست توده تولید می شود و بیودیزل که از روغن های گیاهی تولید می شود، توسعه بیوپلیمرها را بیشتر کرد . به عنوان مثال، بیودیزل از واکنش روغن‌های گیاهی با متانول تولید می‌شود و در نتیجه متیل‌استرهای اسید چرب( که همان بیودیزل واقعی است) و مقادیر زیادی گلیسرول به عنوان یک محصول جانبی تولید میکند. گلیسرول را می توان به ترکیبات دو عملکردی تبدیل کرد که به نوبه خود می تواند به عنوان مونومر در تولید بیوپلیمر استفاده شود.

در حالی که برخی از بیوپلیمرها مانند پلی لاکتیک اسید( PLA) در حال حاضر به عنوان مواد سبز و زیست تخریب پذیر رایج شده اند، بیوپلیمرهای دیگری نیز وجود دارند که تخصصی تر ساخته می شوند. به عنوان مثال  BioSteel™ که ساخته شده از الیاف پروتئینی تولید شده از شیر بز است که با ژن‌های تار های عنکبوت اصلاح‌شده ژنتیکی شده‌اند. طبق گزارش ها، پلیمرها تا 10 برابر قوی تر از فولادی با همان وزن عمل می کنند (Bleys, 2015).

2. مزایا و معایب

بیوپلیمرها کم کم  وارد بازار پلیمر های مختلف از جمله نساجی، پلاستیک و غیره می‌شوند. مزایای آن‌ها گاهی در کنار معایب آن‌ها، حداقل در وضعیت فعلی توسعه، قرار می‌گیرد. قبل از انتخاب یک بیوپلیمر برای استفاده ی خاص، همزمان باید مزایا و معایب آن به دقت در نظر گرفته شود.

 2.1 مزایای بیوپلیمرها:

• آنها کاملاً طبیعی هستند.
•  نفت بسیار کمتری برای تولید مورد نیاز است
• مقدار کمتری گازهای گلخانه ای در طول فرآیند تولید آنها منتشر می شود. Ingeo®  اسید پلی لاکتیک یا PLA از Natureworks  نسبت به سایر پلیمرها به 60٪ گازهای گلخانه ای کمتر و 50٪ انرژی تجدید ناپذیر کمتر نیاز دارد (Ditty، 2013).

2.2 معایب بیوپلیمرها:

رقابت برای منابع بیولوژیکی برای استفاده به عنوان غذا و سوخت
• نیاز به دسته بندی بیشتر در طول بازیافت برای جلوگیری از آلودگی.
• عملکرد پایین تر از پلیمرهای روغنی و مقاومت کمتر در برابر حرارت و رطوبت ضعیف تر.

3.کاربرد بیوپلیمرها

به دلیل آگاهی زیست محیطی در طول سال های گذشته و سازگاری محیط زیست با بیوپلیمرها ، روند افزایشی تولید و کاربرد آنها مشاهده می شود. در صنعت نساجی، بیوپلیمرها به دلیل خواص مکانیکی ناکافی در مقایسه با پلیمرهای معمولی، مشکلات موجود در فرآوری پلیمر و قیمت بالاتر، سهم بازار نسبتاً کمی را به خود اختصاص می‌دهند. تولید پلیمرهای زیستی (معمولاً بیوپلاستیک ها) به طور مداوم در حال افزایش است و به میزان 1.5 میلیون تن در سال 2012 ثبت شده است که انتظار می رود این رقم در سال 2018 به 6.7 میلیون تن برسد (Endres, 2009).

استفاده از محصولات تجزیه پذیر در دهه گذشته با سرعت ثابتی رشد کرده است. در سال 2005، آنها 7 درصد از فروش جهانی و حدود 77 میلیارد دلار (49 میلیارد پوند) فروش در بخش مواد شیمیایی را به خود اختصاص دادند. پیش بینی می شود تا سال 2020، بازار جهانی محصولات تجزیه پذیر به 250 میلیارد دلار آمریکا (158 میلیارد پوند) افزایش یابد و تا سال 2030، یک سوم مواد شیمیایی و مواد بیولوژیکی، از بیوپلیمرها و بیو پلاستیک ها تولید شوند.

عوامل مختلفی بر تولید، رشد و استفاده از بیوپلیمرها در سراسر جهان تأثیر می‌گذارند، مانند سهولت در فرایند تولید و فرآوری آنها، خواص، هزینه، زیست سازگاری و وابستگی آنها به مواد اولیه مواد غذایی. این عوامل بر علاقه و پذیرش مشتریان به محصولات بیوپلیمری و در نتیجه تصمیم تولیدکنندگان برای معرفی فعال بیوپلیمرها در بازار تأثیر می گذارد. شکل 1 و 2 به ترتیب درصد مصرف جهانی بیوپلیمرهای مختلف در سال 2013 و مصرف (در 1000 تن) بیوپلیمرها در کاربردهای مختلف در سال 2011 را نشان می دهد( Anonymous, 2015).
بیوپلیمرها کاربردهای مختلفی در تمامی زمینه ها دارند. در زیر به چند مورد اشاره می شود:

سیستم های دارورسانی (حوزه پزشکی)،
محصولات ترمیم و بستن زخم (حوزه پزشکی)
دستگاه های ایمپلنت جراحی (حوزه پزشکی).
اتصالات قابل جذب تجزیه پذیر برای مهندسی بافت.
ظروف غذا، صفحات نگهدارنده خاک، پوشش های پلاستیکی در گلخانه ها ، کیسه های زباله و مواد بسته بندی. به طور کلی بیوپلیمرهای بی بافت را می توان در کشاورزی، فیلتراسیون، بهداشت و ... استفاده کرد.

شکل دو. مصرف جهانی (1000تن) پلیمرهای زیستی در کاربرد های مختلف در سال 2011

بیوپلیمرهای زیر دارای پتانسیل بالایی برای کاربردهای مختلف هستند:
پلیمرهای نشاسته ای ( در بسته بندی)
پلی لاکتید - PLA
(پلی هیدروکسی آلکانوات ها PHA) / ) پلی هیدروکسی بوتیرات PHB)
((co)PA    ساخته شده با روغن کرچک PA11)
(سوکسینات پلی بوتیلن PBS) و کوپلیمرهای ساخته شده از بیوپلی استر
(پلی اتیلن فورانوات PEF) -  جایگزینی برای PET و ساخته شده از دو ماده ی اسید (فوراندی کربوکسیلیک FDCA) و( مونو اتیلن گلیکول MEG)
بیومواد ساخته شده از پروتئین ها، به پلی ساکاریدها و بیوپلیمرهای مصنوعی ترجیح داده می شوند اما فاقد خواص مکانیکی و پایداری در محیط های آبی لازم برای کاربردهای پزشکی هستند.
اتصالات عرضی، موجب بهبود خواص بیو مواد می شوند ، اما اکثر این اتصالات یا باعث تغییرات نامطلوب در عملکرد بیوپلیمرها یا منجر به سمیت سلولی می شوند. گلوتارآلدئید که پرکاربردترین عامل اتصالات عرضی است، کنترل و مهار آن دشوار است و نظرات متناقضی در مورد سمیت سلولی آن ارائه شده است. اخیراً، پلی (کربوکسیلیک اسیدها) که می توانند در هر دو شرایط خشک و مرطوب واکنش دهند ، خواص کششی مطلوب، افزایش پایداری در شرایط مرطوب و همچنین اتصال و تکثیر سلولی قوی دارند . مواد شیمیایی بیو و رویکردهای جدیدتر اتصالات عرضی برای به دست آوردن مواد بیوپلیمری با خواص مطلوب برای کاربردهای پزشکی ضروری هستند (ردی و همکاران، 2015).

یک از کاربرد های ویژه این مواد کامپوزیت های بیو هستند. این مواد اکثراً کامپوزیت های تقویت شده با الیاف هستند. بدیهی است که "محصولات چوبی کامپوزیت" معروف مانند صفحات رشته ای آرایش یافته OSB یا صفحات فیبر با چگالی متوسط (MDF)  همگی کامپوزیت های بیو هستند. در بسیاری از موارد تحقیقات در مورد این محصولات بر بهبود خواص زیست محیطی بایندر، به ویژه در کاهش انتشار فرمالدئید متمرکز است. برای تولید کامپوزیت های بیو تقویت شده با الیاف می توان از انواع الیاف طبیعی مانند کتان، بامبو، پشم طبیعی و بسیاری دیگر که می توانند به یکدیگر متصل شوند و کامپوزیت های مفیدی را تشکیل دهند، استفاده کرد.

4. روش های ساخت بیوپلیمرها

به طور کلی سه راه برای تولید بیوپلیمرها وجود دارد که در منابع ثبت اختراع ارائه شده است:
• پلیمرهایی که مستقیماً از زیست توده استخراج یا برداشت می شوند مانند برخی پلی ساکاریدها و پروتئین ها. ممکن است اصلاح جزئی در پلیمرهای زیست طبیعی (به عنوان مثال نشاسته) وجود داشته باشد.
• پلیمرهای تولید شده توسط میکروارگانیسم ها (تخمیر) یا باکتری های اصلاح شده ژنتیکی مانند پلیمریزاسیون یا فرآیندهای تخمیر مستقیم باکتریایی (به عنوان مثال، پلی هیدروکسی آلکانوات ها).
• پلیمرهای تولید شده توسط سنتز شیمیایی کلاسیک با شروع از مونومرهای بیو تجدیدپذیر مانند اسید پلی لاکتیک( PLA).

زمینه کاربرد پلیمرها و عملکرد آنها در منسوجات فنی به خواص مکانیکی آنها بستگی دارد. بنابراین عامل مهم دیگری که بر ارزش بازار این مواد تأثیر می گذارد، استحکام کششی است. پلی اتیلن فورانوات (PEF) خواص مکانیکی بهتری در بین بیوپلیمرها دارد. اسید پلی لاکتیک  از نظر استحکام کششی در جایگاه دوم قرار دارد. PEF در حال حاضر برای تولید بطری استفاده می شود و کاربرد آن به دلیل تولید محدود PEF کمتر شده است. تولید PLA در حال حاضر به مقیاس صنعتی رسیده است و پتانسیل عظیمی را در بسیاری از زمینه های کاربردی نشان می دهد. در یک آزمایش ریسندگی مذاب PLA در دمای اکستروژن 230 درجه سانتیگراد و سپس سرد شدن آنی با هوا: 0.55 متر بر ثانیه و دمای 18 درجه سانتیگراد در نسبت کشش 1.95 و سرعت 2500 متر در دقیقه انجام شد تا نخ با نمره "POY" 165 dtex به دست آید. نخ در دمای 205 درجه سانتیگراد قبل از تبدیل به تی شرت PLA ، تکسچره (پیچش کاذب) شد . اکستروژن رشته با موفقیت انجام گرفت ، ولی مرحله بوبین پیچی دچار مشکلات و چالش هایی بود . خواص مکانیکی نخ PLA ریسیده شده با نخ پلی استر اصلی مقایسه شد. استحکام نخ PLA بسیار کمتر از نخ PET است در حالی که ازدیاد طول در همان محدوده دیده می شود Anonymous), 2015).

5. طبقه بندی بیوپلیمرها

بیوپلیمرها را می توان به طور کلی به سه گروه طبقه بندی کرد:
• پلی نوکلئوتیدها  RNA و DNA ، که پلیمرهای بلندی هستند که از 13 عدد مونومر نوکلئوتیدی یا بیشتر تشکیل شده اند.
• پلی پپتیدها که پلیمرهای کوتاه اسیدهای آمینه هستند؛
• پلی ساکاریدها که اغلب کربوهیدرات پلیمری خطی هستند. این گروه شامل آلژینات ها، سلولز میکروبی (MC)، کیتین و کیتوزان

6. بیوپلیمرهای مهم

تعداد زیادی از بیوپلیمرها به صورت طبیعی یا ساخته شده در دسترس هستند. با این حال، تنها تعداد کمی از آنها به صورت تجاری مورد استفاده قرار گرفته اند. در اینجا چند بیوپلیمر مهم مورد بحث قرار می گیرد.

 6.1 لیف سویا

لیف سویا یک لیف پروتئینی بازیافت شده توسط انسان از پروتئین سویا است که با PVA ترکیب شده است. این ماده زیست تخریب پذیر، غیر آلرژیک و ضد میکروبی است. لباس های ساخته شده از الیاف سویا دوام کمتری دارند اما الیافی نرم و الاستیک دارند. پروتئین سویا یک پروتئین کروی است و باید توسط قلیایی یا حرارت یا آنزیم دناتوره شده و تجزیه شود تا محلول پروتئین را به ماده قابل ریسندگی تبدیل کند.

6.2 پلی استرهای پلی (آلکیلن دی کربوکسیلات) APDS)

مونومرهای APD آلیفاتیک می توانند مشتق گرفته از نفت (یعنی غیر قابل تجدید) یا مشتق گرفته از زیست توده (یعنی قابل تجدید) باشند، که مورد اولی بیشتر مورد استفاده قرار می گیرد. هر دو را می توان با درجه خلوص یکسانی تهیه کرد، اما دومی گران تر است.

مونومرهای متداول دی کربوکسیلیک و دیول موجود در APDها در شکل 3 نشان داده شده است. آنها شامل (اسید سوکسینیک SA)، (اسید آدیپیک AA)،( اتیلن گلیکول EG) و 1،4 بوتاندیول (1،4BD ) هستند.( سوکسینات پلی بوتیلن PBS)  پلی استر آلیفاتیک خواصی مشابه PET دارد .

شکل 3. مونومرهای دی کربوکسیلیک و دیول موجود در APD ها

PBSاز تراکم اسید سوکسینیک و 1،4-بوتاندیول تولید می شود.  PBS یک پلی استر نیمه کریستالی با نقطه ذوب بالاتر از PLA است. خواص مکانیکی و حرارتی آن به ساختار کریستالی و درجه بلورینگی آن بستگی دارد. Tg آن تقریباً 32 درجه سانتیگراد و نقطه ذوب آن حدوداً 115 درجه سانتیگراد است. در مقایسه با PLA، PBS از نظر ماهیت سخت‌تر است اما استحکام و مدول یانگ پایین‌تری دارد9 Babu et al., 2013)

بیوسوکسینیک اسید SA) ) مستقیماً از تخمیر مخمرهای مهندسی زیستی و E. coli تولید می شود. ، کاتالیزور هیدروژناسیون بیوسوکسینیک اسید ،  1،4 بوتاندیول تولید می کند که می تواند از طریق تخمیر نیز تولید شود. بیواتیلن گلیکول از بیواتیلن تولید می شود ، که از آب زدایی کاتالیزور اتانول حاصل از تخمیر به وجود می آید. اسید بیوآدیپیک را می توان با تعدادی از فرآیندهای تخمیر تولید کرد.
کاربرد: پلی آلیفاتیک (آلکیل دی کربوکسیلات) در پلی اورتان ها برای پوشش ها، چسب ها و فوم ها ، بسته بندی های انعطاف پذیر ، پوشش های پلاستیکی در گلخانه ها و کشاورزی؛ کیسه های کمپوست پذیر؛ و در مخلوط ها و کامپوزیت ها با سایر بیو پلیمرها برای بهبود خواص ترکیب می شود (Gotro، 2013).

 6.3 بیو پلی آمید (نایلون)

روغن کرچک منبع گیاهی غیر غذایی بیو پلیمرها است. پلی آمید 11 ساخته شده از روغن کرچک در سال 1944 توسط دانشمندان فرانسوی به ثبت رسید و از سال 2004 توسط Arkema به عنوان Rilsan برای لباس های ورزشی به بازار عرضه شد. Toray و Radici اکنون پلی آمید های دیگر مشتق شده از روغن کرچک به نام PA 6-10 را به بازار عرضه کرده اند . سوفیا توانست یک لیف پلی آمید هیبریدی به نام Greenfil را با بافت 70٪ PA 6 مصنوعی و 30٪ PA 10 با منبع طبیعی تولید کند.
بیو پلی آمیدها نیز موضوع تحقیقات صنعتی هستند، به عنوان مثال. دوپونت توانست کوپلی آمیدهای تهیه شده از روغن های گیاهی تهیه کند ، و  اینویستا موفق شد ترپلیمر پلی آمید و رودیا تولید کند.

6.4 بیو پلی اتیلن

پلی اتیلن PE) ) یک پلیمر مهم است که به طور سنتی از منابع فسیلی تولید می شود. پلی اتیلن پایه زیستی دقیقاً همانند خواص شیمیایی، فیزیکی و مکانیکی پلی اتیلن پتروشیمی را دارد. روش تهیه بیولوژیکی آن به شرح زیر است:
تخمیر نیشکر / چغندرقند / نشاسته ← بیواتانول ← تقطیر در دمای بالا روی کاتالیزور جامد ← اتیلن ← پلی اتیلن میکروبی یا PE سبز

بیو پلی پروپیلن حداقل تا حدودی از منابع تجدیدپذیر با استفاده از متانول و شیمی متاتز ساخته شده است ( Bleys, 2015).

پلی یورتان های زیست تخریب پذیر PURs

PUR ها به دلیل مقاومت، دوام، زیست سازگاری و زیست پایداری شناخته می شوند . برخلاف مشتقات پلی استر، PUR های ساخته شده از پلی اتر در برابر تخریب میکرو ارگانیسم ها کاملاً مقاوم هستند. PUR های زیست تخریب پذیر که به عنوان ترموپلاستیک استفاده می شوند اساساً با استفاده از دی ایزوسیانات، دیول و یک عامل گسترش دهنده زنجیره، سنتز می شوند. اولین مثال برایجلوگیری از دی ایزوسیانات، واکنش بین یک کربنات حلقوی و یک آمین است که پیوند یورتان را ایجاد می کند. به صورت جزئی، واکنش چند افزودنی بین ال-لیزین و یک کربنات حلقوی پنج ضلعی دو عاملی در حضور یک باز قوی صورت می گیرد. برخی ، سنتز آنزیمی PERs توسط پلی استریفیکاسیون آنزیمی را گزارش کرده اند (Lendlein and Sisson, 2011).

6.6( اسد پلی لاکتیک PLA)

PLAاز سال 1845 شناخته شد اما تا اوایل سال 1990 تجاری نشده بود . این ماده تنها لیف قابل پردازش با ذوب از منابع طبیعی تجدید پذیر مانند نشاسته ذرت (در ایالات متحده)، محصولات تاپیوکا (ریشه گیاهان، چیپس یا نشاسته بیشتر در آسیا) یا نیشکر (در بقیه نقاط جهان) است. این پلی استر ترموپلاستیک و آلیفاتیک شبیه پلی اتیلن ترفتالات مصنوعی PET) ا) عمل می کند . مراحل تولید آن به ترتیب به شرح :

ذرت ← نشاسته ← دکستروز تصفیه نشده ← تخمیر ← D- و L- اسید لاکتیک ← تولید مونومر      ←D- L- و مزو لاکتیدها → تولید پلیمر ←(PLA)  اصلاح پلیمر → تولید الیاف، لایه ، پلاستیک، ساخت بطری.

PLA دارای استحکام بالا، پوشش خوب، مقاومت در برابر چروک و اشعه UV است. نقطه ذوب آن ± 170 درجه سانتی گراد و چگالی آن 1.25 g/cm³ گرم بر سانتی متر مکعب است. (LOI) یا شاخص اکسیژن حدی آن بالاتر از 25 بوده که از  PET و PP بسیار بالاتر است. بنابراین PLA دارای اشتعال پذیری کمتر و بازدارندگی کمتر شعله است. جذب آب آن (0.4 -0.6٪) بوده که از PET و PP بیشتر است و در شرایط مختلف دوام خوبی دارد.

جای تعجب نیست که هنوز تحقیقات زیادی در مورد رایج ترین بیوپلیمر یعنی پلی لاکتیک اسید PLA  انجام می شود. تحقیقات اغلب بر بهبود خواص پلیمر مانند افزایش مقاومت، کریستالینیتی، ضربه پذیری و ... متمرکز است. شرکت های مختلفی مانند Metabolix، PURAC، Arkema، Biovation و دیگر شرکت ها در این زمینه فعالیت می کنند( Bleys, 2015).

در مجموع PLA به عنوان بهترین بیوپلاستیک در نظر گرفته می شود. در نتیجه، به عنوان جایگزینی مناسب برای پلیمرهای نفتی در بسیاری از زمینه ها مانند منسوجات، بطری ها، ظروف ترموفرم ، پوشش کاغذ و مقوا توجه ویژه ای را به خود جلب کرده است. PLA مقاومت حرارتی کمی دارد مگر اینکه بتوان آن را به طور کامل متبلور کرد. لازم به ذکر است، PLA از سینتیک تبلور پایینی برخوردار است مگر اینکه در معرض آرایش یافتگی بالایی قرار گیرد. از این رو، افزایش نرخ تبلور در تکنیک های پردازش، مانند قالب گیری تزریقی، که در آن سطوح آرایش یافتگی نسبتاً پایین است، برای بهبود مقاومت حرارتی آن مورد نیاز است. یکی از راه‌های بهبود سینتیک کریستالیزاسیون، تزریق یک افزودنی طبیعی است. با این حال، درک مکانیسم‌های هسته‌زایی و تبلور برای بهینه‌سازی سینتیک تبلور و متعاقبا شناسایی و یافتن بهترین افزودنی‌های طبیعی ضروری است.

کاربرد: پیراهن های قابل اتو ، سینی های مایکروویو، استفاده در آهار گرم و حتی پلاستیک های مهندسی. کاربردهای پزشکی شامل بخیه ها، استنت ها، دستگاه دیالیز و دستگاه های دارورسانی است. PLA را می توان برای ترموفرم ها، فیلم ها، برچسب ها و بطری های سفت و سخت استفاده کرد، اما برای محفظه آهار گرم یا نوشیدنی های گازدار مانند آبجو یا نوشابه مناسب نیست.

6.7 پلی استرهای باکتریایی

یکی از مهمترین زمینه های تحقیقاتی، پلی هیدروکسی آلکانوات ها PHA  هستند که به صورت بیوشیمیایی توسط میکروارگانیسم های اصلاح شده ژنتیکی یا گیاهان اصلاح شده تولید می شوند. پلیمرهای حاصل اغلب کوپلیمرهایی از اسید هیدروکسی بوتیریک 3 و 4 و یا اسید هیدروکسی والریک هستند. شرکت هایی مانند Metabolix و Novomer  اختراعاتی را در این زمینه ثبت کرده اند . با استفاده از باکتری های کافی ، PHA ها را می توان از فاضلاب، یا از فضولات ماهی یا روغن نخل یا از بیوگاز (به عنوان مثال از گاز های تولید شده از دفن زباله) تولید کرد. PHA همچنین می تواند از گلیسرول، جلبک یا حتی منابع معطر تولید شود. پلی (3-هیدروکسی بوتیرات) یا PHB نیز می تواند از گیاهان تراریخته تولید شود. نمونه‌هایی از گیاهانی که می‌توانند برای تولید PHB مهندسی ژنتیک شوند، علف‌هایی سوئیچ هستند. این علف ها همچنین برای تولید بیواتانول در آمریکا مورد مطالعه قرار گرفته اند .

شکل 4. ساختار شیمیایی PH3B و کوپلیمر آن PHBV

پلی استرهای باکتریایی، شامل پلی هیدروکسی آلکانوات ها PHAs  با پلی-(R)-3- هیدروکسی بوتیرات P3HB) )به عنوان اولین همولوگ (شکل 4)، تولید شده توسط میکروارگانیسم ها هستند. کوپلیمر پلی هیدروکسی بوتیرات از ترکیب  باکتری PHBV) ) به نام Biopol توسط Zeneca Bioproducts و از طریق تخمیر PH3B و به دنبال آن کوپلیمریزاسیون PHV ایجاد می‌شود. این پلی استر دارای وزن مولکولی بالا و یک ترموپلاستیک است (در دمای 1800 درجه سانتیگراد ذوب می شود) و می توان آن را به صورت ذوب به الیاف زیست سازگار و زیست تخریب پذیر در جراحی استفاده کرد.

ساختار شیمیایی ph3b

از مزایای آن می توان به تولید از منابع کاملاً تجدید پذیر، زیست تخریب پذیری سریع و استحکام و سختی زیاد آن اشاره کرد. معایب آن تجزیه پذیری حرارتی بالا، شکنندگی و قیمت بالای آن است (چوداک، 2009).

6.8 لیف آلژینات سدیم

آلژینات سدیم یک اسید پلیمری است که از دو واحد مونومر تشکیل شده است:

شکل 5. دو مونومر آلژینیک اسید

(الف) اسید ال-گولورونیک (G) (b) -D مانورونیک اسید M)  (شکل 5)

این ماده غیر سمی و غیر تحریک کننده است. لیف آلژینات یک محیط ترمیم کننده مرطوب ایجاد می کند و معمولاً در پانسمان زخم استفاده می شود. آلژینات کلسیم با افزودن کلرید کلسیم آبی به آلژینات سدیم آبی تبدیل می شود.

6.9 کیتین و کیتوزان

هر دو پلی ساکارید ممکن است به عنوان مشتقات سلولز در نظر گرفته شوند، بطوری که کیتین دارای یک گروه استامیدو و کیتوزان دارای یک گروه آمینه به جای گروه هیدروکسیل C-2 در سلولز است (شکل 6).

شکل 6. ساختار شیمیایی سلولز، کیتین و کیتوزان

کیتوزان از جدا کردن گروه های استات در کیتین به دست می آید. کیتوزان یک پلی آمین خطی با گروه های آمینو و هیدروکسیل فعال است که بسیاری از یون های فلزی را جدا می کند. در حال حاضر منبع تجاری کیتین پوسته میگو است. اما این پلیمر در پوسته خرچنگ ها نیز یافت می شود .

از مشتقات کیتین برای ایجاد پوشش ضد الکتریسیته ساکن و جداسازی خاک در تکمیل منسوجات استفاده می شود . در حالی که کیتین در مقدمات چاپ و تکمیل استفاده می شود، کیتوزان قادر به حذف رنگ ها از آب استخراج شده است. این دوماده استفاده قابل توجهی در بخیه ها، نخ ها و الیاف منسوجات پزشکی دارند.

کیتوزان، یک پلیمر طبیعی گران قیمت است، که توسط روژه در سال 1859 کشف شد. این ماده یک بیوپلیمر پلی ساکاریدی پیشرفته محسوب می شود . از نظر شیمیایی این ماده از واحدهای گلوکوزامین و N-acetylglucosamine تشکیل شده است که توسط پیوندهای 1-4 گلوکزیدیک به هم مرتبط شده اند. این ماده غیر سمی ، زیست تخریب پذیر ، زیست سازگار ، مقاوم در برابر میکروب هاست و پتانسیل عظیمی در حوزه های علمی مانند صنایع زیست پزشکی، غذایی، کشاورزی، آرایشی، نساجی، داروسازی و سایر صنایع را دارد (رعفت و همکاران، 2009).

در تکمیل پارچه پشمی عمل آمده به منظور کنترل جمع شدگی، از آنزیمی با سه پلیمر تکمیلی مختلف استفاده میشود بطوریکه خواص عملکردی پارچه پشمی تکمیل شده با کیتوزان نسبت به سایر پارچه‌های عمل آمده بهتر است. خواص حرارتی پشم کیتوزان مشابه پرداخت پلیمر مصنوعی است. تکمیل کیتوزان در برابر دناتوره شدن الیاف پشم بهتر از سایر پرداخت های مصنوعی مقاومت می کند. مورفولوژی سطح الیاف پشم نشان می دهد که تکمیل پوسته های کوتیکول توسط کیتوزان بهتر از سایر پرداخت های مصنوعی است. مطالعات نشان می دهد که کیتوزان همچنین می تواند به خوبی در داخل الیاف پشم پخش شود. در نتیجه که تکمیل ضدجمع شدگی با کیتوزان می‌تواند بر تکمیل پلیمر مصنوعی مواد پشمی ترجیح داده شود (لاکشمانان و همکاران، 2015).

افزایش پایداری، سازگاری با محیط زیست، کاهش آلودگی، شیمی سبز، تجدیدپذیری و فعالیت بیولوژیکی ذاتی برخی از ویژگی‌هایی هستند که کیتوزان، سیکلودکسترین، پروتئین سریسین و آلژینات را به عوامل جایگزین مناسب برای تکمیل مواد نساجی تبدیل می‌کنند Islam, 2013).)

مطالب گفته شده اخیر ، ثبت اختراع مرتبط با بیو پلیمرها و انواع مختلفی از بیومنومرها را نشان می دهد که می توانند با استفاده از سنتز شیمیایی کلاسیک به پلیمر تبدیل شوند. به عنوان مثال، تحقیقات زیادی در مورد اسید اکریلیک و متاکریلیک اسید "گرید پلیمری" انجام شده است . به عنوان مثال ,US patents US20140206831, US20130165690 می توانند از گلیکول ها و پلیول های مشتق شده طبیعی مانند گلیسرول و سوربیتول تولید شوند.

7 . نتیجه گیری

بیوپلیمرها در تمام جنبه های پزشکی، جراحی و مراقبت های بهداشتی و بسیاری کاربرد های دیگر به دلیل تنوع شان بسیار مهم هستند. نفت سوختی است که اقتصاد جهانی را به حرکت در می آورد، اما ذخایر نفت در حال کاهش است و به دلیل وابستگی زیاد ما به نفت و تأثیر آن بر محیط زیست، نگرانی های زیادی در مورد آینده وجود دارد.
گرایش جهانی به سمت پایداری، شیمی سبز و انرژی های تجدیدپذیر و مواد خام نیز تأثیر زیادی بر تحقیق و توسعه پلیمرها دارد. تعداد زیادی درخواست ثبت اختراع مربوط به بیو پلیمرها در حال انجام است که تعداد قابل توجهی از پلیمرها و مونومرهای جدید را پوشش می دهد. در حالی که به نظر می رسد کاربردهای واقعی آنها هنوز محدود است، اما این تحقیق می تواند مبنایی برای پیشرفت بیشتر در آینده ای نزدیک باشد (Bleys، 2015).

♦ منابع مرتبط :

►textilelearner.net

♦ لینک اشتراک گذاری :

https://b2n.ir/nassajyar854 ►

 ♦ مطالب پیشنهادی :

-سفارشات شخصی سازی شده برای پارچه پلی استر

-دو سیستم مخلوط الیاف( بلندینگ الیاف) مناسب تقاضاهای مختلف

-الیاف جدید در صنعت نساجی

-فناوری بافت اولین دریچه قلب بدون درز

.

.

لطفاً ما را در شبکه های اجتماعی دنبال کنید.