روشی برای بررسی ارزش گذاری بیوپلیمرهای انرژی زا از صنعت بسته بندی: پیرولیز پلی لاکتید بازفرآوری شده
فرایند ارزش گذاری بیوپلیمرهای انرژی زا در این مطالعه با مدل سازی پلی لاکتید (PLA) مورد بررسی قرار می گیرد. تجزیۀ PLA بکر در اثر حرارت و تزریق چندگانه با استفاده از آزمایشات ترموگراویمتری خطی- غیر همدما با چند نرخ شبیه سازی شد. همچنین یک روش کامل تر شامل کنترل گازها، پایداری حرارتی و سینتیک تجزیه حرارتی نیز پیشنهاد شد. انتشار گازها توسط تجزیه و تحلیل گاز تکامل یافتۀ (EGA) دود پیرولیز ازطریق FT-IR خطی با کم خواص IR هم بستگی دو بعدی کنترل شد. یک مدل جدید برای ایجاد پایداری حرارتی PLA در پروفیل گرمایش خطی پیشنهاد شد. از یک استراتژی جنبشی بعنوان روشی به منظور بررسی تجزیه حرارتی از نظر انرژی فعال سازی و مدل جنبشی استفاده شد. در آخر، مشخص شد که فناوری های پیرولیز در PLA بکر می توانند به راحتی نرخ بازیافت آن را نیز ارزش گذاری کنند.
صنعت بسته بندی بخش اقتصادی بسیار مهمی است که مواد پلاستیکی در آن نقش پررنگی برعهده دارند. این مقاله به بررسی بیوپلیمرهایی می پردازد که پس از دور ریختن منابع تجدید پذیر و زیست تخریب پذیر، از آنها استخراج شده و از خواص منحصر به فردی برخوردار می شوند. در اینجا، از پلی لاکتید (PLA) به دلیل دارا بودن خواصی همچون فرایند پذیری خوب، خواص مکانیکی، پایداری حرارتی و اثرات زیست محیطی کمتر بعنوان مدل پلیمری استفاده شده است که علاوه براین، یک جایگزین مناسب برای دیگر مواد در صنعت بسته بندی محسوب می شود. با این حال، افزودن یک ماده دیگر به زنجیره بازار به معنای منبع جدیدی از ضایعات پلیمری است که بایستی مدیریت شود. علیرغم پتانسیل کمپوست پذیری، بررسی عمر مفید و بازیابی آن توصیه می شود. در تمامی روش های بازیافت، ارزش گذاری مواد با بازیافت مکانیکی به طور گسترده برقرار است اما عملکرد بازیافتی ممکن است به آستانه ای برسد که هیچ کدام از خواص مواد را تضمین نکند. تنها راه حل مناسب برای مدیریت ضایعات پلاستیکی بازیافتی استفاده از فناوری بازیابی ناشی از حرارت مانند تجزیه در اثر حرارت، تبدیل به گاز یا احتراق است. استفاده از این روند حرارتی - شیمیایی بایستی با در نظر گرفتن سه رکن اساسی در حین طراحی ارزش گذاری توسط فناوران مورد بررسی قرار گیرد. ابتدا، به بررسی مسائل بهداشتی و زیست محیطی پرداخته و سپس، مدیریت گازهای منتشر شده تضمین شود. آزمایشات قبلی انجام شده در مقیاس آزمایشگاهی مانند تجزیه و تحلیل گاز تکامل یافته (EGA) امکان بررسی خطرات بخار (دود) های آزاد شده را فراهم کرده و همچنین به شناسایی ترتیب ترکیبات منتشر شدۀ مربوط به مکانیسم تجزیه حرارتی کمک می کند. دوم، پایداری مواد با کمک یک فرایند حرارتی پروفیل گرمایشی خاص بهبود می یابد.
در نهایت، عملکرد حرارتی از نظر سینتیک تجزیه باید با هدف درک رفتار پلیمر تحت فرایند حرارتی - شیمیایی و در نتیجه، انتخاب پارامترهای عملیاتی مناسب برای عملکرد صحیح ارزش گذاری انجام شود. تجزیه و تحلیل حرارتی (TGA) یک تکنیک مهم به منظور بازیابی پایداری حرارتی و سینتیک واکنش زیست توده و بیوپلیمرها است. همچنین، تکنیک های تشخیصی مانند اسپکتروسکوپی مادون قرمز تبدیل فوریه (FT-IR) را می توان با TGA برای شناسایی گاز به کار برد. در این مطالعه، فرایند پیرولیز PLA مورد بحث قرار گرفته است. مطالعات مرتبط فعلی تأثیر زئولیت ها، فیلرهای هیدرولیتیک یا دفن در خاک را بر سینتیک تجزیۀ PLA در طی پیرولیز بیان می کنند. در بررسی پیرولیز PLA مکانیکی بازفرآوری شده، نه تنها مقالات منتشر شده اشاره مهمی به تأثیر چندین چرخه اکستروژن بر پایداری حرارتی و تأثیر یک مرحله ای اکستروژن، تزریق و بازپخت بر سینتیک تجزیه حرارتی نکردند؛ بلکه هیچ مطالعه ای تاکنون در رابطه با فرایند پیرولیتیک PLA چند تزریقی منتشر نشده است. بنابراین، هدف از این کار تعریف یک روش مناسب برای ارزیابی تجزیۀ حرارتی در PLA بازفرآوری شدۀ مکانیکی از لحاظ گازهای ساطع شده، پایداری (ثبات) حرارتی و سینتیک تجزیه حرارتی بعنوان راهکارهای مدیریت پسماند است.
تجزیه حرارتی PLA بکر از طریق فرایند یک مرحله ای بین 370-250 درجه سانتیگراد انجام شد. در این مرحله، با شکسته شدن زنجیره های پلیمری و تبدیل آنها به گاز، تقریبآ 99-98 درصد از جرم را مصرف شد. با این حال، از آنجا که ذغال کمتری در این مرحله تشکیل شد، می توان ضایعات PLA را به دلیل راندمان بالای تبدیل برای استفاده در تجزیه حرارتی مناسب دانست. منحنی های ترموگرویمتری در بازیابی PLA کاهش جرم مشابهی را نشان می دهند. در ادامه، تحلیل کاملی از مناسب بودن آنها از لحاظ گازهای تکامل یافته، پایداری حرارتی و سینتیک تجزیه ارائه می شود تا بدانیم که آیا شرایط عملیاتی مشابه برای VPLA می تواند برای RPLA-i همسان شود یا خیر.
تجزیه و تحلیل گازهای تکامل یافته (EGA)
تجزیه و تحلیل FT-IR گازهای تکامل یافتۀ تجزیۀ حرارتی PLA نشان داد که گونه های اصلی شناسایی شده لاکتید، استالدئید، مونوکسید کربن، دی اکسید کربن، آب و اسید استیک بودند. ارتعاش و عدد موج گروه های عامل در جدول زیر ارائه شده اند.
جدول 1:
کاملآ مشخص است که ترمولیز PLA از طریق یک مسیر غالب اتفاق می افتد که در آن ترانس استریفیکاسیون های درون مولکولی هیدروکسیل PLA عمدتآ منجر به تشکیل الیگومرهای حلقوی اسید لاکتیک و لاکتید می شوند. به طور همزمان حذف بتا، بازترکیب الیگومرهای حلقوی با پلی استرهای خطی ازطریق واکنش های اینسرشن (درج)، واکنش های هیدرولیتیک یا سایر واکنش های تخریب رادیکال باعث ایجاد ترکیباتی می شود که ممکن است رخ داده و منجر به آزاد شدن گونه های گازی ذکر شده در بالا شود. بر همین اساس، مکانیسم های مختلفی ممکن است در تشکیل هر ترکیب صورت گیرد؛ استالدئیدها ممکن است از ترانس استریفیکاسیون و یا همولیز زنجیره ای PLA تشکیل شده باشند.
در این مطالعه، از یک روش جامع از لحاظ کنترل گاز، پایداری حرارتی و سینتیک تجزیه استفاده شد. امکان کنترل گاز می تواند به PLA بازفرآوری شده قابل انتقال باشد. استفاده از یک مدل جدید (TBD) و پارامترهای جدید (ZDT) برای بررسی پایداری حرارتی مواد بسیار مفید بود. افزایش تجزیه حرارتی و همچنین افزایش انرژی فعال سازی در سومین مرحله بازیابی مشاهده شد. آزمایشات مشابه برای تجزیه حرارتی PLA بکر را می توان با هدف ارزش گذاری PLA با حداقل تغییرات در مراحل تجزیه اولیه به کار برد.
