کامپوزیت های بیو پلیمری

بررسی کامپوزیت های بیوپلیمری

برخلاف این واقعیت که نفت بخش عظیمی از فرآورده های تجاری را پوشش می دهد، اما خواص تجزیه ناپذیری آنها غیرقابل انکار است. استفاده از پلیمرهای زیست تخریب پذیر یا بیوپلیمرها یک جایگزین مهم برای فرآورده های پلاستیکی با پایه نفتی هستند. تقویت الیاف طبیعی به ماتریس های بیوپلیمری خواص محصولات پلاستیکی را بهبود می بخشد. چنین کامپوزیت های بیوپلیمری توسط محققان برای تهیۀ مواد زیست سازگار و در نتیجه، کاهش کربن ایجاد شدند. اصلاح سطح الیاف طبیعی برای بهبود پیوند سطحی با بیوپلیمرها و تهیه مواد کامپوزیتی با کارایی بالا مهم است که می توانند با نمونه های کامپوزیت پلیمری با پایه فرآورده های پتروشیمی رقابت کنند. یکی دیگر از روش های توسعه کامپوزیت که کاملآ تأیید شده است، ترکیب الیاف مختلف در یک ماتریس واحد برای تولید کامپوزیت های هیبریدی بسیار باارزش است. هدف از این مطالعه استخراج، پردازش و شناسایی بیومتریال؛ الیاف طبیعی و بیوپلیمرها؛ کاربرد هم افزایی آنها بعنوان کامپوزیت های بیوپلیمری در صنعت خودرو و سایر صنایع رو به رشد است.

پلاستیک های نفتی راه خود را به زندگی روزمره ما پیدا کرده اند چرا که جایگزین مناسبی برای بسیاری از مواد سنتی محسوب می شوند. کامپوزیت های پلیمری تقویت شده با الیاف به تدریج در کاربردهای پیشرفته ای مانند خودروسازی، هوافضا و علوم پزشکی اعمال می شوند. جدا از جنبه های اقتصادی، پلاستیک های نفتی صدمات جبران ناپذیری به محیط زیست وارد می کنند. بنابراین، تنها راه حل این مشکل استفاده از بیومتریال به جای آنها است. بیومتریال موادی هستند که بلوک های ساختمانی آنها از مواد زنده تشکیل شده اند. بیوپلیمرهای تقویت شده با الیاف طبیعی بعنوان "کامپوزیت سبز" شناخته می شوند که نوعی کامپوزیت بیوپلیمر زیست تخریب پذیر است که می تواند توسط عوامل محیطی مانند هوا، نور، گرما یا میکروارگانیسم ها تجزیه شود. علیرغم استحکام پایینی که دارند، کاربرد بیشتری نسبت الیاف مصنوعی دارند. استفاده از الیاف طبیعی از مزایایی همچون دسترسی آسان، قابلیت اشتعال، زیست تخریب پذیری و غیر سمی بودن برخوردار است. با این حال، فاکتورهایی مانند تنوع کیفیت، دمای پایین پردازش و جذب رطوبت بالای الیاف طبیعی اثرات منفی بر عملکرد آنها دارند. برای دستیابی به محصولاتی با عملکرد بالا از کامپوزیت های بیوپلیمری تقویت شده با الیاف طبیعی، مطالعات گسترده ای از عملکرد این الیاف گزارش شده است. در یک کامپوزیت بیوپلیمر، عمدتآ ماتریس بیوپلیمر بر ساختار و تحمل محیطی یا حتی دوام آن غالب است و الیاف تقویت کننده نیز میزان استحکام آن را مشخص می کنند. کاربردهای جدید ارزش افزوده کامپوزیت های بیوپلیمری رشد بالقوۀ بازارهای جهانی را تضمین می کنند. تلاش برای توسعه محصولات کامپوزیتی زیست سازگار با عملکرد بهبود یافته به برخی از حوزه های جهانی دست یافته است و هنوز هم ادامه دارد. در این مقاله، به بررسی تولید، فرآوری و کاربرد کامپوزیت های زیست تخریب پذیر تهیه شده از پلیمرهایی مانند سلولز، نشاسته، پلی لاکتیک اسید (PLA)، پلی هیدروکسی آلکانوات (PHA) و غیره که در حال حاضر به صورت تجاری در بازار موجود هستند؛ و آنهایی که بعنوان ماتریس در کامپوزیت های الیاف طبیعی آینده روشنی دارند پرداخته شده است. این مطالعه بیوپلیمرهای زیست تخریب ناپذیر (با پایه زیستی یا نسبتآ زیستی) یا زیست پلیمرها با پایه سوخت فسیلی پوشش نخواهد داد.

الیاف طبیعی

از دوران تمدن اولیه، از الیاف طبیعی برای ساخت طناب، ریسمان و پارچه استفاده شده و نقش مهمی در جامعه ایفا کرده است. الیاف طبیعی از آنجا که منابع پایدار و تجزیه پذیر با کربن خنثی و زیست تخریب پذیر هستند؛ به محیط زیست آسیب نمی رسانند. همچنین به دلیل تطبیق پذیری و در دسترس بوده جایگزین بالقوه ای برای الیاف مصنوعی در صنعت کامپوزیت محسوب می شود. برخلاف الیاف مصنوعی، الیاف طبیعی زیست تخریب پذیر و زیست سازگار هستند. علاوه براین، بعنوان منابع تجدید پذیری از خواص منحصر به فردی همچون وزن سبک، چگالی کم، فرآوری آسان و مقرون به صرفه بودن برخورار هستند. در حال حاضر، الیاف طبیعی محبوبیت بیشتری نسبت به الیاف مصنوعی دارند زیرا الیاف طبیعی در حین فرآوری سایش کمتری به دنبال دارند و به طور گسترده در ماتریس های پلیمری استفاده می شوند؛ جایی که پلیمرها بعنوان اتصال دهنده برای نگه داشتن الیاف و ایجاد ثبات ابعادی استفاده می شوند. استحکام منحصر به فرد موجود در جرم الیاف طبیعی آنها را به یک ماده تقویت کننده عالی تبدیل کرده است. سالانه حدود 3.000.000 تن الیاف طبیعی تولید شده و بعنوان ماده اولیه در بخش هایی مانند پوشاک، کاغذسازی، بسته بندی، تجهیزات ورزشی، خودرو و صنعت ساختمان استفاده می شود.

طبقه بندی الیاف طبیعی

الیاف طبیعی با توجه به منشاء بیولوژیکی شان به دو دسته الیاف گیاهی و حیوانی طبقه بندی می شوند. الیاف حیوانی عمدتآ از پروتئین تشکیل شده اند، در حالی که الیاف گیاهی از سلولز ساخته شده اند. الیاف گیاهی به وفور در دسترس بوده و از لحاظ اقتصادی، مقرون به صرفه هستند. از سوی دیگر، الیاف حیوانی اخیرآ بعنوان ماده تقویت کننده در کامپوزیت های بیوپلیمری کاربرد گسترده ای دارند. همچنین، الیاف حیوانی به دلیل انعطاف پذیری، چقرمگی بالا، نسبت تصویر بالا و آبدوستی کم در مقایسه با الیاف گیاهی بیشتر مورد توجه هستند. برخی از الیاف گیاهی همچون کنف، کتان، پنبه، رامی و الیاف حیوانی مانند پشم و ابریشم معمولآ در صنعت نساجی کاربرد دارند.

از چند دهه گذشته، کاربرد کامپوزیت های بیوپلیمری در حوزه صنعت افزایش یافته است. الیاف طبیعی قابلیت خود را در غلبه بر الیاف مصنوعی با دسترسی آسان، هزینه کم و زیست سازگاری نشان داده اند. از بین الیاف طبیعی، الیاف کناف از خواص مکانیکی عالی برخوردار هستند و از طرفی، الیاف جوت استحکام و سازگاری خوبی با بیوپلیمرها دارد. از آنجایی که از الیاف طبیعی برای تهیه کامپوزیت استفاده می شود، باعث ترویج کشاورزی و در نتیجه کاهش آلودگی هوا ناشی از انتشار گازهای گلخانه ای شده و همچنین به بهبود حاصل خیزی خاک کمک می کند. کامپوزیت های بیوپلیمر دارای مزیت هایی همچون زیست تخریب پذیری، خورندگی پایین، زیست سازگار، زیست تخریب پذیر، وزن سبک، فرآوری آسان و استحکام بالا هستند که زمینه را برای طراحی مختلف آنها در عملکردهای متفاوت فراهم می کنند. عملکرد این کامپوزیت ها به عوامل متعددی من جمله ترکیب شیمیایی، خواص فیزیکی الیاف و بیوپلیمرها، تکنیک های اصلاح الیاف، کسر حجمی الیاف، میزان افزودنی و نرم کننده ها، تقویت، هندسه و جهت گیری الیاف به عیوب ساختاری بستگی دارد. برهمکنش الیاف و بیوپلیمر، علاوه بر شرایط محیطی کامپوزیت یکی دیگر از تکنیک های توسعه کامپوزیت محسوب می شود که با ترکیب الیاف مختلف در یک ماتریس واحد به منظور تولید کامپوزیت های بیوپلیمری هیبریدی بسیار باارزش است. براساس مطالعات انجام شده می توان گفت که این کامپوزیت ها در صنایع خودروسازی، هوافضا، ساختمان، زیست پزشکی و صنایغ غذایی کاربرد دارند. در آینده نزدیک، تحقیقات بیشتری بر روی کامپوزیت های بیوپلیمری بعنوان جایگزین بالقوه برای پلاستیک های ساخته شده از فرآورده های نفتی صورت خواهد گرفت. با دوام بیشتر این کامپوزیت ها و عملکرد بهبود یافته، امکان توسعه بازارهای جدید هم وجود دارد. در صورت تقویت الیاف طبیعی به ماتریس پلیمری، بایستی به چند نکته دقت داشت مثلآ تعیین هدف، طراحی نهایی و شرایط محیطی که ماده در معرض آن قرار می گیرد. از طرفی، کاوش مداوم در ارزیابی عملکرد و چرخه عمر برای دست یافتن به کاربرد بیشتر کامپوزیت های پلیمری ضرورت دارد.