پلی لاکتیک اسید PLA و خواص آن
شرحی کامل از پلی لاکتیک و خواص آن
نگرانی های روزافزونی که در خصوص امنیت فیزیکی و روانی وجود دارد باعث شده است تا نیاز به مواد خام شمیایی نفتی و همچنین اثرات کربنی کاهش یابند. تمام موارد یاد شده از اندک مثالهایی هستند که منجر به استفاده بیشتر پلیمرهای زیستی میشوند.
امروزه پلیمر های زیستی متنوعی وجود دارند و پلی لاکتیک به دلیل تنوع زیاد و عدم تنزل خواص برای تولید محصولات زیر به کار برده میشود:
- بخش بسته بندی
- درجات پر کاربرد مانند پلی استرین، پلی پروپیلن و اکریلونیتریل بوتادین استرین امروزه کاربرد های بیشتری نیز پیدا کرده اند
چه عواملی باعث میشوند تا این ماده تا این حد متنوع باشد و برای تولید موارد مختلفی استفاده شود؟ در این مقاله به پاسخ این سوالات با ذکر جزییات می پردازیم.
پلی لاکتیک یا PLA چیست ؟
پلی لاکتیک یا PLA که با نام های پلی لاکتیک اسید یا پلیمر لاکتیک اسید نیز شناخته میشود، نوعی ترموپلاستیک تجدید پذیر تجاری است که از لاکتیک اسید بوجود می اید. مونومرهای این ماده را میتوان به صورت خالص از منابع تجدید پذیر تامین کرد مانند ذرت و چغندر قند.
پلی لاکتیک به خوبی توانسته تا جایگزینی برای ترموپلاستیک های سنتی نفت محور باشد و این موضوع نیز ناشی از ترکیب خواصی ایده ال ان است. این ماده یکی از بهترین پلیمرهای زیستی بوده و دارای کاربردهای فراوانی میباشد که از ان جمله میتوان به حوزه سلامتی و صنایع پزشکی،بسته بندی، تولید قطعات خودرو سایر موارد اشاره کرد.
این ماده در مقایسه با سایر پلیمرها های زیستی، دارای مزیت های متفاوتی است مانند:
- مفید برای طبیعت: ماده یاد شده از منابع تجدید پذیر ساخته شده، قابلیت بازیافت دارد و در طبیعت تجزیه میشود.
- پلی لاکتیک سازگار با محیط زیست بوده وغیر سمی است.
- قابلیت فراوری: این ماده قابلیت فراوری گرمایی بالاتری در مقایسه با پلی هیدروکسیل الکانوات، پلی اتیلن گلیکول و پلی γ-caprolactone دارد
پلی لاکتیک یا PLA در طی تجزیه به محصولاتی غیر سمی تبدیل میشود و از انجایی که با طبیعت سازگار است، باعث کاهش میزان زباله های تولیدی خواهد شد.
امروزه شرکتهای متفاوتی این پلیمر زیستی را تولید میکنند مانند:
پلی لاکتیک یا PLA به چه ماده ای گفته میشود و چگونه تولید میشود؟
لاکتیک اسید یا (LA یا 2-hydroxypropionic acid) فعال ترین اسید هیدروکسی کربوکسیلیک است. این مولکول دستوار دارای دو ایزومر آینه ای است با نامهای لاکتیک اسید L وD.
ماده یاد شده دارای استریو ایزومرهایی است با نامهای:
- پلی ال- لاکتید (PLLA)
- پلی دی-لاکتید (PDLA)
- پلی دی ال لاکتید (PDLLA)
پلی لاکتیک اسید نوعی پلی استر الفیاتیک است و میتوان ان را با استفاده از روش های متفاوتی تولید کرد:
- واکنش های همراه با بسپارش های تراکمی: این واکنش ها باعث تولید پلیمرهایی با وزن مولکولی پایین میشوند که میتوان انها را در مرحله بعد با استفاده از عاملهای زنجیره های دوتایی به مولکولهای سنگین وزنی تبدیل کرد.
- بسپارش های حلقه گشا : این ماده ابتدا با شکل گیری مونومرهای لاکتید تولید میشود و لاکتید های ایجاد شده پس از ان با استفاده از کاتالیزورهایی مانند متال الکوکسیدها به پلی استرهایی سنگین وزن تبدیل میشوند
- بسپارش تراکمی پسابش ازوئوتروپیک: حلالهای ارگانیک به ترکیبات یک واکنش اضافه میشوند تا مرحله زدودن اب را تسهیل نمایند و در کنار ان محصولی با وزن مولکولی بالاتر تولید نمایند.
خواص و ویژگی های کلی پلی اکتید اسید کدامند؟
پلی لاکتیک اسید در محیط زیست تجزیه میشود و ساز گار با محیط طبیعی است و ثابت شده است که میتوان این ماده را به جای پلیمرهای نفتی استفاده کرد.
- خواص این ماده با ویژگی های پلیمرهای پرکاربرد امروزی مانند پلی اتیلن و پلی ونیل کلراید و غیره هم تراز میباشند
- انواعی از این ماده که عملکرد خیلی خوبی دارند و جایگزینی برای پلی استرین، پلی پروپیلن و اکریلونیتریل بوتادین استرین به حساب می ایند، برای تولید محصولات پرکاربردتری استفاده میشوند.
اگرچه سال گذشته دسترسی به این ماده بدلیل هزینه های بالای تولیدی در مقایسه با رقبای نفتی خود، محدود شد.
امروزه، با بهنیه سازی فرایندهای تولیدی لاکتید اسید و پلی لاکتیک اسید و با افزایش میزان تقاضای این ماده، امکان کاهش قیمت ان وجود دارد.
بیشتر محصولاتی که از انواع تجاری این ماده ساخته میشوند، پلیمرهای بلورینی هستند که نقطه ذوب بالایی در حدود 180 درجه سانتی گراد دارند و دمای گذار شیشه نیز در انها بین 55 تا 60 درجه سانتی گراد است. در واقع ماده یاد شده باید تا حدودی دارای خواص بلورین باشد تا بتواند کیفیت محصول نهایی را ارتقا بخشد.
- پلی لاکتیک اسید دارای استحکام بالایی است و نوعی ترموپلاستیک با ضریب بالا و ظاهری زیبا میباشد
- مقاومت و استحکام این ماده در مقایسه با پلی استرین دردمای اتاق، مطلوب میباشد.
- روند تولیدی ماده یادشده در مقایسه با سایر انواع پلاستیکها به انرژی کمتری نیاز دارد. و فراوری گرمایی ان بهتر صورت میگیرد.
اگرچه پلی لاکتیک اسید دارای معایبی نیز میباشد که از ان جمله میتوان به این موارد اشاره کرد:
- دمای گذار شیشه آن پایین است
- رسانایی ضعیفی دارد، استحکام کمی در برابر ضربه دارد و شکننده است و همین ویژگی ها باعث میشوند تا استفاده از این ماده در مقایسه با سایر ترموپلاستیکها با محدویت بیشتری همراه باشد.
- این پلیمر زیستی چندان بلورین نیست و فراوری ان فقط باعث تولید محصولات بی شکل و نامنظم خواهد شد.
- پلی لاکتیک اسید در مقایسه با پلی استر اروماتیک به میزان خیلی بیشتری در معرض هیدرولیز شیمیایی و زیستی قرار میگیرد.
- این ماده از لحاظ گرمایی ناپایدار بوده و نمیتواند مانع از نفوذ گاز شود
- انعطاف پذیری پلی لاکتیک اسید هم کم بوده و به چرخه های قالب گیری طولانی مدتی نیاز دارد
- این ماده نسبتا اب گریز است
- و به مقدار کمی تنزل خواصی پیدا میکند
بهبود خواص پلی لاکتیک اسید چگونه صورت میگیرد؟
میتون با استفاده از مواد افزودنی، خواص پلی لاکتیک اسید را بهبود بخشید و یا تغییر داد و ترکیبات پلیمری را تولید کرد. تعدادی از مثالهای ان عبارتند از:
- نرم سازی:مونومر لاکتید یک نرم کننده ی عالی برای لاکتیک اسید میباشد اگرچه به سطح این ماده حرکت خواهد کرد. سایر نرم کننده ها مانند سیترات استرها فقط میتوانند به میزان کمی استحکام ماده را بهبود بخشند ولی این حالت همراه با کاهش شدید ضریب کششی همراه است. فیلرهای معدنی مانند ppt CaCO میتوانند به میزان زیادی استحکام این ماده در برابر ضربه را افزایش دهند. اصلاح گرهای ضربه ای هم خواص بهتری به این ماده می بخشند اگرچه افزودن انها به این ماده باعث میشود تا پلیمر نهایی به میزان بیشتری در طبیعت تجزیه شود.
- ترکیبات پلیمری: ترکیب پلی لاکتیک اسید با پلی کاپرولاکتون. این ماده هم نوعی پلیمر سازگار با محیط زیست است و از انجایی که دمای گذار شیشه در این ماده پایین میباشد، خواص لاستیک مانند از خود نشان میدهد. ترکیب این ماده با پلی هیدروکسی الکانوئات هم باعث بهبود قابل توجهی در استحکام ماده در برابر ضربه میشود و ضریب و استحکام ان نیز کمی کاهش می یابد.
توسعه ی ترکیبات نانوی پلی لاکتیک اسید که از ذرات خیلی کوچک استفاده میکنند، جایگزین بهتری برای ترکیبات سنتی است. عواملی مانند بهبود چسبندگی ماتریسی و نسبت ابعادی ان باعث میشوند تا این فیلر های نانویی در مقایسه با ذرات کوچک و بزرگ سنتی، مزایای خیلی زیادی ارائه کنند مانند طلق، کربن فیبر و شیشه. به عنوان مثال ترکیبات نانوی خاک پلی لاکتیک اسید خواص مکانیکی و گرمایی بهتری از خود نشان دادند.
پایداری گرمایی پلی لاکتیک اسید چگونه است؟
این ماده از نظر گرمایی پایداری چندانی ندارد و وزن مولکولی ان به هنگام فراوری با گرما کاهش می یابد. پیوندهای استری این ماده در طی فرایندهای گرمایی یا شرایط هیدرولیتیک نیز دچار تنزل میشوند. ماده یاد شده در دمایی کمتر از نقطه ذوب پلیمر، دچار تنزل میشود ولی این حالت با افزایش دمای ذوب همچنان بیشتر خواهد شد. فرضیه ای وجود دارد مبنی بر انکه تنزل گرمایی با بریدگی های تصادفی زنجیره اصلی بوجود می اید. واکنش های متفاوتی از جمله هیدرولیز، وابسپارش، تنزل اکسیداتیو و واکنش های درون مولکولی و خارج مولکولی تبدل استری، همگی در تغییر خواص فیزیکی و شیمیایی ماده در طی فرایندهای گرمایی موثرند.
سه پارامتر در تغییر خواص گرمایی این ماده در طی فرایندهای روزن رانی مورد مطالعه قرار گرفتند که شامل این موارد میشوند: دمای فراوری که بین 210 تا 240 درجه سانتی گراد است، زمان قرار گیری ماده در حالت ذوب شده که بین 1.75 تا 7 دقیقه است و محتوای مرطوب ماده ی پلیمری.
فاکتورهای متفاوتی از جمله اندازه ی ذره و شکل پلیمر، دما، رطوبت، حالت بلورین و شفافیت، درصد ایزومرهای دی، تمرکز مقادیر باقی مانده ی لاکتیک اسید، وزن مولکولی و توزیع این وزن، انتشار آب و ناخالصی های فیزیکی ناشی از کاتالیزور بر میزان تغییر خواص ماده موثرند.
Yu و سایرین در سال 2003 توانستند تا یک مدل ریاضی را ارائه کنند که وزن مولکولی و شاخص بس پراکندگی در تنزل خواص این ماده را توضیح میدهد. انها عنوان کردند که این مدل قادر است تا تغییرات وزن مولکولی و بس پراکندگی را در طی فرایند یاد شده پیش بینی کند . این مدل بر اساس مکانیزم بریدگی تناوبی زنجیره، تاثیرات دما و زمان بر وزن مولکولی و شاخص بس پراکندگی عمل میکند.