ترکیب ضایعات کشاورزی و فوم پلی استایرن PS

ترکیب ضایعات کشاورزی و فوم پلی استایرن

فوم پلی استایرن منبسط شده به دلیل زیست تخریب ناپذیری و گاهی اوقات سمیّت باعث ایجاد مشکلات زیست محیطی جدی در سراسر جهان شده است. بنابراین، کاهش آلودگی پلاستیک و توسعه جایگزین های زیست تخریب پذیر مهم است. بزرگترین میوه مرکبات، پوملو، دارای پوسته ارزشمندی است که اغلب دور ریخته می شود. پوست این میوه سبک وزن بوده و دارای ساختار متخلخل، ارزان و زیست تخریب پذیر است. هدف از این مطالعه این موضوع است که آیا ویژگی های پوست پوملو آن را به یک ماده زیستی برای بسته بندی تبدیل می کند یا خیر. در اینجا به بررسی خواص مکانیکی و عملکرد جذب انرژی ضربه ای پوست پوملو می پردازیم. نتایج به دست آمده نشان می دهد که پوست این میوه دارای مقاومت خوبی در برابر فشار است که توانایی آن را در برابر فشار و جذب انرژی نشان می دهد. همچنین پوست پوملو تاحدودی الاستیک است و مانند یک فنر عمل کرده و یکپارچگی خود را حفظ می کند. آزمایش بالشتک نشان داد که ساختار متخلخل پوست پوملو می تواند لایه محافظ فوم مانندی برای تخم مرغ ایجاد کند. برخی از خواص پوست پوملو مشابه یا فراتر از خواص فوم است و آن را به یک جایگزین امیدوارکننده در صنعت بسته بندی برای فوم پلی استایرن منبسط شده تبدیل می کند.

امروزه آلودگی میکروپلاستیک (MP) به یک نگرانی در محیط زیست و بهداشت عمومی تبدیل شده است. میکروپلاستیک اغلب یا حاوی مواد شیمیایی است و یا قابلیت جذب مواد شیمیایی مضر در آب را دارد و بلعیدن میکروپلاستیک توسط انسان یا سایر جانداران منجر به تجمع آنها در بافت های بدن می شود. دولت کانادا در دسامبر 2022 استفاده از پلاستیک های یکبار مصرف را منع کرده و باهدف دستیابی به آینده ای بدون زباله پلاستیکی دست به اقدامات تکمیلی زد. به طور کلی یکی از آلاینده های اصلی فوم پلی استایرن منبسط شده (EPS) است که به اشتباه آن را به عنوان استایروفوم (فوم پلی استایرن اکسترود شده) می شناسند. از پلی استایرن منبسط شده معمولا در بسته بندی استفاده می شود و سالانه چندین میلیون تن در سراسر جهان تولید می شود. EPS یک پلاستیک ساخته شده ازطریق پلیمریزاسیون و سپس انبساط استایرن است که علاوه بر سرطان زا بودن، یکی از پرمصرف ترین پلاستیک ها در سراسر نقاط جهان به شمار می رود. از سایر مواد سمی مانند بازدارنده های شعله نیز در تولید EPS استفاده می شود. نور خورشید، نمک و آب باعث خوردگی پلاستیک ها و تجزیه آنها به میکروپلاستیک می شوند؛ این میکروپلاستیک ها وارد زنجیره غذایی دریایی شده و درنهایت به سر میز شام ما می رسند. مشکلات جدی زیست محیطی و اکولوژیکی ناشی از EPS نشان دهنده ضرورت کاهش آلودگی پلاستیک و توسعه جایگزین های زیست تخریب پذیر است. مسئله این است که اگر از مواد جایگزین به طور گسترده استفاده شود، باید همچون EPS ارزان و موثر نیز باشند. تلاش های قابل توجهی برای توسعه جایگزین های سازگار با محیط زیست مانند فوم های نشاسته ای انجام شده است. با این حال، غلات و برخی گیاهان که معمولا در تولید این فوم‌ها کاربرد دارند، منابع غذایی ارزشمندی هستند. علاوه براین، فرآوری فوم نشاسته به انرژی زیادی نیاز دارد. ایده بهتر استفاده از مواد ضایعاتی است که به راحتی در دسترس هستند. چندین محقق ساختارهای متخلخل و کامپوزیت های فوم پلی یورتان را با الهام از پوست پوملو با چاپ 3 بعدی طراحی کردند. اگرچه این مواد ممکن است ساختارهای بهبود یافته ای داشته باشند اما به نگرانی های زیست محیطی مرتبط با آلودگی فوم پلاستیکی کمکی نمی کنند. درنتیجه، این مطالعه به دنبال تعیین پتانسیل پوست پوملو به عنوان مواد بسته بندی سازگار با محیط زیست است.

نوع ذرات میکروپلاستیک

باتوجه به تحقیقات موجود در زمینه میکروپلاستیک، تعریف اولیه این است که میکروپلاستیک به ذرات زیر و قابل رؤیتی گفته می شود. با این تعریف، در این مطالعه تمام ذرات کمتر از 5 میلی متر جمع آوری و اندازه گیری شدند. به دلیل محدود بودن تجهیزات، فقط ذرات از 0.2 میکرومتر تا 5 میلی متر برای این پروژه انتخاب شدند. باتوجه به شکل زیر، درمجموع 118 میکروپلاستیک جمع آوری شدند که با چشم غیرمسلح قابل رؤیت بودند که از این رقم 3 الیاف، 2 نواری، 17 قطعه، 4 کروّی و 92 خرده فوم بودند.

شکل 1:

پوست پوملو (PP) درمقایسه با فوم

در شکل زیر تصاویر میکروسکوپی پوست پوملو خشک شده و فوم به کار رفته در این پروژه ارائه شده است.

شکل 2:

در مقیاس میکروسکوپ، پوست پوملو دارای ساختار متخلخل با اندازه منافذ کاهش یافته است درحالی که فوم دارای ساختار متخلخل یکسان است. برای تعیین چگالی پوست پوملو، وزن نمونه های 1 سانتیمتر مکعبی از 3 جای مختلف میوه اندازه گیری شد. چگالی فوم باتوجه به محصول نهایی متفاوت است اما چگالی متوسط در نمونه های فوم با اندازه 1 سانتیمتر مکعب حدود 0.04 گرم/سانتیمتر مکعب بود. فوم درواقع دوام بالایی دارد اما پوست پوملو خشک شده نیز اگر در دمای محیط نگهداری شود، از ماندگاری بالایی تا چندین ماه برخوردار است.

بافت و رنگ میکروپلاستیک های جمع آوری شده نشان می دهد که فوم پلی استایرن فراوان ترین آلاینده است. باتوجه به بافت و رنگ فوم پلی استایرن، این یافته ها وجود فوم پلی استایرن به عنوان یک آلاینده غالب درمیان میکروپلاستیک های جمع آوری شده را تایید می کنند. افزایش فوم پلی استایرن دربین این آلاینده ها پراکندگی گسترده آن در محیط های آبی و تاثیر این ماده بر اکوسیستم و حیات وحش را به خوبی نشان می دهد. این یافته ها همچنین بر ضرورت یافتن راهکارهای هدفمندی برای کاهش هجوم فوم پلی استایرن به زیستگاه‌های طبیعی تاکید دارد. این پروژه به بررسی خواص مکانیکی فشاری و عملکرد جذب انرژی در پوست پوملو و پلی استایرن منبسط شده می پردازد. به طور کلی، در تمام نمونه ها کرنش همزمان با فشار افزایش یافت که می توان آن را به دو مرحله تقسیم کرد: الاستیک خطی و متراکم شدن. با این حال، منحنی ها دو الگوی متفاوت را نشان می دهند:

1) منحنی ذرات PP و EPS تازه با نمونه های فوم مشابه بودند؛ نمونه ها به دلیل نرم بودن به راحتی فشرده شدند.

2) منحنی ذرات خشک شده؛ فشار کم ساختار خشک آنها را زیاد تحت فشار قرار نداد.

با این حال، زمانی که فشار از ظرفیت آنها فراتر رفت، به سرعت تغییر شکل داده و فشرده شدند. بیشترین کرنش تحمل شده توسط PP نشان دهنده توانایی آن در تحمل فشار و جذب انرژی است. به طور کلی، آزمایش بالشتک نشان داد که ساختار متخلخل طبیعی می‌تواند لایه محافظتی فوم مانندی برای بسته بندی تخم مرغ ایجاد کند. برخی از خواص نمونه‌های پوست پوملو آنها را مشابه یا برتر از فوم ساخت که منعکس کننده پتانسیل آنها به عنوان جایگزین قابل دوام است.

کلام آخر و نتیجه گیری

فوم پلی استایرن به دلیل تخریب ناپذیری و تولید ضایعات نفتی باعث ایجاد نگرانی های زیست محیطی جدی در سراسر جهان شده است. پوست پوملو زیست نه تنها تخریب پذیر و مقرون به صرفه است، بلکه به راحتی در دسترس است. برای تجزیه و تحلیل اینکه آیا پوست پوملو می تواند یک جایگزین برای فوم پلی استایرن باشد یا خیر، در اینجا خواص مکانیکی و مکانیکی آن را ازطریق آزمایشات فشرده سازی و بالشتک مورد بررسی قرار داده ایم. پوست پوملو خشک شده سبک و آبگریز است و اگر در دمای محیط نگهداری شود، از ماندگاری بالایی تا چندین ماه برخوردار خواهد بود. تمام نمونه های پوست پوملو در این مطالعه مقاومت فشاری بالایی دارند. بنابراین، پوست پوملو به دلیل وزن سبک و خواص مختلف جایگزین امیدوارکننده ای برای فوم پلی استایرن منبسط شده در صنعت بسته بندی است.