ظروف گیاهی زیست‌تخریب‌پذیر

    سرمایه‌گذاری در پروژه‌های ضد آلودگی، دوست‌دار محیط‌ زیست و زیست‌تخریب‌پذیر، به‌دلیل قوانین جدید و ملاحظات زیست‌محیطی جهانی، در اکثر کشورها بیشتر شده‌ است. در بین تمام روش‌های بسته‌بندی در صنعت، بسته‌بندی قابل استفاده مجدد و بسته‌بندی زیست‌تخریب‌پذیر محبوبیت بیشتری پیدا کرده‌اند. ظروف زیست‌تخریب‌پذیر طیف گسترده‌ای از مواد یعنی نشاسته، آرد چوب، آرد بامبو، تفاله نیشکر، گندم، ذرت، پلی‌لاکتیک اسید، پلی‌هیدروکسی‌ آلکانوات، برنج و سایر مواد خام زیستی را شامل می‌شوند.

    محصولات گیاهی زیست‌تخریب‌پذیر شامل ظروفی نظیر بشقاب، کاسه، پیش‌دستی، سطل، دیس، کارد، قاشق و چنگال، فنجان و درب لیوان هستند.

شکل 1. انواع ظروف یک‌بارمصرف گیاهی

ظروف یک‌بارمصرف گیاهی

    ظروف یک‌بارمصرف گیاهی یک جایگزین مناسب و سازگار با محیط‌ زیست (eco friendly) برای ظروف پلاستیکی هستند که منشأ آنها مواد اولیه پتروشیمی یا مواد بازیافتی است. این ظروف یک‌بارمصرف از مواد طبیعی و قابل‌ تجزیه در طبیعت (Biodegradable) تشکیل شده و به کاهش آلودگی‌های زیست‌محیطی کمک می‌کنند.

مواد اولیه مورد استفاده در تولید ظروف یکبار مصرف گیاهی

    مواد اولیه مختلفی برای تولید ظروف یک‌بارمصرف گیاهی استفاده می‌شود.

1- پلی‌لاکتیک اسید (PLA)

    پلی‌لاکتیک اسید پلیمری نیمه‌کریستالی، ترموپلاستیک و آلیفاتیک زیست‌تخریب‌پذیر است که به‌عنوان یک جایگزین پایدار برای پلاستیک‌های قدیمی مبتنی بر نفت در نظر گرفته می‌شود. PLA با فرآیند شیمیایی مونومر اسید لاکتیک یا تخمیر کربوهیدرات‌ها از منابع تجدیدپذیر مانند نشاسته و شکر ایجاد می‌شود. این پلیمر به‌عنوان یک جایگزین منحصربه‌فرد، قابل دوام و زیست‌تخریب‌پذیر برای پلاستیک‌ها شناخته می‌شود.

    علی‌رغم داشتن ویژگی‌ها و خواص خوب، PLA دارای انعطاف‌پذیری و استحکام ضربه‌ای کم و پایداری حرارتی پایین است؛ به‌ویژه برای فرآیند کردن آن در حالت مذاب که در مقایسه با سایر پلیمرها کاربردهای آن را محدود می‌کند. با توجه به این محدودیت‌ها، تحقیقاتی جهت اصلاح ویژگی‌های PLA برای مطابقت با نیازهای خاص انجام شد. بسته به نوع کاربرد، هر یک از این ویژگی‌ها ممکن است برای بهبود خواص، مورد اصلاح قرار گیرند:

• به‌منظور بهبود پایداری حرارتی و استحکام کششی در PLA از فرآیندهای واکنشی (Reactive-processing) با عوامل سازگارکننده (Coupling agent) استفاده می‌شود.
• جهت بهبود شکنندگی و مقاومت ضربه‌ای محصولات دارای پایه PLA، از راه‌هایی مانند مخلوط کردن آن با پلیمرهای نرم‌تر (Blending)، پلاستیزاسیون (plasticization) و کوپلیمریزاسیون استفاده می‌شود. این راهکارها موجب کاهش مدول، بهبود ضربه‌پذیری و فرآیندپذیری می‌شود [1].

    پلی‌لاکتیک اسید فرآیندشده برای تولید لیوان‌ها، قاشق و چنگال و ظروف بسته‌بندی مواد غذایی استفاده می‌شود و در نهایت از طریق برش هیدرولیتیک و مکانیسم فرسایش تجزیه می‌شود. تخریب هیدرولیتیکی پلیمرها شامل برش مولکول‌های زنجیره اصلی است که منجر به کاهش وزن مولکولی و از دست دادن جرم می‌شود. به‌طور کلی تجزیه PLA بسته به شرایط محیطی تقریباً در 6 تا 24 ماه انجام می‌شود [2].

شکل 2. استفاده از PLA در تولید ظروف یکبار مصرف

2- پلی‌هیدروکسی‌آلکانوآت (PHA)

    پلی‌هیدروکسی آلکانوات‌ها متعلق به خانواده پلی‌استرهای فعال نوری با واحد مونومر R-3-هیدروکسی آلکانوئیک اسید هستند و از طریق تخمیر میکروبی قندها یا لیپیدها تولید می‌شوند. PHAها به‌دلیل زیست‌سازگاری خوب، زیست‌تخریب‌پذیری و خواص حرارتی و مکانیکی مورد توجه زیادی قرار گرفته‌اند. این ترموپلاستیک‌های زیست‌تخریب‌پذیر دارای پیوند استری بین گروه کربونیل یک مولکول و گروه هیدروکسیل یک مولکول دیگر هستند. خواص حرارتی و مکانیکی آنها مشابه پلی‌اتیلن و پلی‌پروپیلن است.

    پلی‌هیدروکسی‌ آلکانوآت‌ها در برابر اشعه ماورای بنفش بسیار مقاوم بوده و در برابر بخار آب و عطر غیر قابل نفوذ هستند که آنها را به ماده‌ای مناسب برای بسته‌بندی مواد غذایی تبدیل می‌کند. PHA‌ها نفوذناپذیر در برابر طعم و بو، مقاوم در برابر چربی و روغن، دارای قابلیت چاپ‌پذیری، استحکام کششی، پایداری دما و قابل درزگیری حرارتی هستند؛ همچنین رنگ‌پذیری آسانی دارند که استفاده از آنها را در صنایع غذایی افزایش می‌دهد. PHA‌ را می‌توان برای تهیه بطری‌ها، فیلم‌ها، ظروف و پوشش برای بسته‌بندی مواد غذایی استفاده کرد. با این حال می‌توان خواص این ترموپلاستیک‌ها را از طریق ترکیب آنها با پلیمرهای دیگر مانند پلی‌اتیلن، پلی‌پروپیلن، پلی‌لاکتیک اسید، سلولز و نشاسته بهبود بخشید. [3].

    پلی‌هیدروکسی‌ آلکانوآت برای تولید ظروف مقاوم‌تر و کاربردهای خاص مناسب است. این ظروف به ‌راحتی طی 3 تا 6 ماه در طبیعت تجزیه می‌شوند. شکل 2 چرخه عمر آنها را نشان می‌دهد.

شکل 3. چرخه عمر فیلم‌های بسته‌بندی زیست‌تخریب‌پذیر

3- مخلوطی از پلی‌پروپیلن و پلیمرهای طبیعی

    مواد اولیه طبیعی که برای تولید این ظروف استفاده می‌شود، اغلب از منابع تجدیدپذیر بوده و شامل محصولات کشاورزی مانند نشاسته، ذرت، گندم و برنج هستند. این مواد دارای بخش‌های قطبی بوده و دارای قابلیت تجزیه‌پذیری بالایی هستند. پلیمرهای طبیعی با مواد اولیه پتروشیمی نظیر پلی‌پروپیلن، ترکیب و با فرآوری شیمیایی و حرارتی به یک ماده مقاوم تبدیل می‌شوند که به‌عنوان ماده پایه برای ساخت ظروف استفاده می‌شود.

    ناسازگاری از نظر ماهیت بین پرکننده طبیعی و مواد ترموپلاستیک باعث ایجاد مشکلاتی در فرآیند کردن کامپوزیت و خواص مواد می‌شود. به‌منظور غلبه بر این مشکلات، از روش‌های فیزیکی و شیمیایی مختلفی برای اصلاح سطح مواد استفاده می‌شود. اصلاح سطح پلیمرهای ناقطبی برای فرآیند و کاربرد نهایی محصولات در صنعت تولید ظروف گیاهی ضروری است. بدین منظور از عوامل جفت‌کننده یا گروه‌های عامل‌دار استفاده می‌شود. پلیمر گرافت‌شده با مالئیک انیدرید (PP-g-MA) در حال حاضر کلیدی‌ترین ماده در ایجاد پراکندگی یکنواخت فاز قطبی در پلیمر، عامل سازگارکننده و افزایش‌دهنده چسبندگی بین دو فاز است. این ماده می‌تواند سازگاری فازهای مختلف در مواد کامپوزیتی و پراکندگی پرکننده‌ها در پلیمر را تا حد زیادی بهبود بخشد.

    گروه انیدرید موجود در مالئیک می‌تواند با گروه‌های هیدروکسیل یا آمین موجود در پرکننده‌های طبیعی (مانند فیبرهای سلولزی) واکنش دهد و پیوندهای کووالانسی ایجاد کند. ترکیب نشاسته ذرت با پلی‌پروپیلن همراه با مالئیک انیدرید باعث افزایش استحکام کششی (tensile strength) و کاهش مدول کششی (tensile modulus) می‌شود؛ درحالی‌که تغییر قابل توجهی در ازدیاد طول (elongation) رخ نمی‌دهد [4]. استفاده از سازگارکننده‌های مالئیکه در نهایت باعث بهبود فرآیند‌پذیری، مقاومت در برابر حرارت، بهبود خواص مکانیکی و خواص عملکردی می‌شود [5].

فرآیند تولید ظروف یکبار مصرف گیاهی

     تولید ظروف یک‌بارمصرف گیاهی شامل مراحلی است که مواد معرفی‌شده در بخش قبل به ظروف قابل استفاده تبدیل می‌شوند. این فرآیند با انتخاب ماده اولیه مناسب و انجام مراحل مکانیکی، شیمیایی و حرارتی صورت می‌پذیرد.

1- فرآوری مواد اولیه

    ابتدا مواد اولیه با افزودنی‌های مناسب مخلوط می‌شوند، سپس مواد مخلوط‌شده تحت حرارت قرار می‌گیرند تا به خمیر مقاومی تبدیل شوند. این خمیر به‌عنوان ماده پایه برای تولید ظروف استفاده می‌شود. افزودنی‌ها شامل:

• پلاستی‌سایزرها: برای افزایش انعطاف‌پذیری.
• عامل پخت (Cross-linking agents): برای بهبود استحکام.
• رنگ‌دانه‌ها: برای رنگ‌آمیزی ظروف.

2- اکستروژن (Extrusion)

    مخلوط آماده‌‌شده وارد دستگاه اکستروژن می‌شود. در این مرحله مواد با حرارت ذوب شده و به‌شکل ورق‌های نازک یا مواد خمیری درمی‌آیند که برای قالب‌گیری آماده است.

3- قالب‌گیری (Molding)

    ورق‌ها یا خمیر مواد وارد قالب‌های مخصوص می‌شوند. مواد درون قالب‌ها تحت فشار و دمای مناسب قرار می‌گیرند تا شکل نهایی را به خود بگیرند. قالب‌گیری به‌صورت فشاری، تزریقی یا ترموفرمینگ است.

4- خنک‌سازی و خشک‌کردن

    ظروف شکل‌گرفته از قالب خارج شده و به خطوط خنک‌سازی منتقل می‌شوند. این مرحله باعث افزایش استحکام و کاهش رطوبت ظروف می‌شود.

5- برش و تکمیل (Trimming and Finishing)

    لبه‌های اضافی ظروف برش داده شده و سطح آنها فرآیند می‌شود تا کیفیت ظاهری محصول نهایی تضمین شود.

    تولید ظروف یک‌بارمصرف گیاهی یک فرآیند صنعتی پیشرفته است که شامل استفاده از مواد طبیعی و تجدیدپذیر، قالب‌گیری با فناوری‌های مدرن و تلاش برای حفظ محیط زیست می‌شود. این صنعت با وجود چالش‌های موجود، نقش مهمی در توسعه پایدار و کاهش اثرات مخرب پلاستیک دارد.

گردآورنده: آریا مرادی

منابع

1. Ray, S.S. and R. Banerjee, Sustainable polylactide-based blends. 2022: Elsevier.
2. Raja, M.M., et al., Polymeric nanomaterials: methods of preparation and characterization, in Nanocarriers for drug delivery. 2019, Elsevier. p. 557-653.
3. Ashfaq, A., Z. Anjum, and K. Younis, Natural pigments-based biodegradable food packaging films, in Renewable Dyes and Pigments. 2024, Elsevier. p. 77-92.
4. Mohammed, A.A., et al., Corn: its structure, polymer, fiber, composite, properties, and applications. Polymers, 2022. 14(20): p. 4396.
5. Fuqua, M. and C. Ulven, Characterization of polypropylene/corn fiber composites with maleic anhydride grafted polypropylene. Journal of Biobased Materials and Bioenergy, 2008. 2(3): p. 258-263.