پلیمرهای پایدار

پلیمرهای پایدار

پلیمرهای پایدار از منابع کربن تجدیدپذیر، بازیافتی، پسماند و ترکیبات آنها به دست می آیند که در پایان چرخه حیات بازیافت، تجزیه یا کمپوست شوند. پلیمرهای پایدار همچنین اثرات زیست محیطی کمتری را در طول چرخه حیات خود دارند. این مطالعه بررسی کلی از تحقیقات و پتانسیل پلیمرهای پایدار را با تمرکز بر چرخه حیات، روش های سنتز از ذخایر کربن تجدیدپذیر، تولید، تعیین خواص مواد، برنامه های کاربردی، پایان چرخه حیات، تکرارپذیری داده ها، محدودیت های مواجهه، و در نهایت یک چشم انداز کوتاه از آنها ارائه می دهد. همچنین به طور خلاصه سایر مواد اولیه کربن مانند دی اکسید کربن و پسماند من جمله ضایعات کشاورزی و چوبی را پوشش می دهد. اگرچه پلیمرهای پایدار هنوز در مراحل ابتدایی هستند، اما نمونه های جدید در حال حاضر در صنایع بسته بندی، ساخت قطعات خودرو و چاپ سه بعدی کاربرد دارند. در اینجا همچنین به بررسی موانع پیش روی پذیرش پلیمرهای پایدار همچون دشوار بودن بازیافت و کمپوست سازی، افزایش مقیاس تولید، تکرارپذیری داده ها، رسوب دهی و راهکارهای بالقوه می پردازیم. توسعه پلیمرهای پایدار سن و چرخه حیات آنها را افزایش داده و یک اقتصاد دورّانی برای کاهش تولید پلاستیک و استفاده گسترده از پلاستیک های بکر را ایجاد خواهد کرد.

پلیمرهای پایدار موادی هستند که از مواد اولیه تجدید پذیر، بازیافتی یا مواد اولیه با کربن پایین به دست می‌آیند که در پایان چرخه حیات (EoL) در محیط زیست از طریق بازیافت و تجزیه زیستی مدیریت می شوند. این روند شامل پلیمرهای طبیعی، اصلاح شده و مصنوعی می شود که در طول چرخه حیات خود پایدار در راستای مدل اقتصاد دورانی ایفای نقش کرده اند. شکل زیر نمایی از چرخه حیات پلیمرهای پایدار از مواد اولیه تا بازیافت را نشان می دهد.

شکل 1:

مشکلات زیست محیطی ناشی از تداوم و تجمع آلودگی پلاستیکی در خشکی و اقیانوس ها زمینه را برای تحقیقات جدید پلیمرهای پایدار و تجاری سازی آنها آغاز کرده است، اگرچه بشر سابقه طولانی در استفاده از پلیمرهای پایدار دارد. تضمین پایداری و کارایی آنها در کل زنجیره تامین، حفظ هزینه ها، بهبود خواص پلیمری یا ارزش افزوده آنها در مقایسه با پلیمرهای سنتی ساخته شده از نفت، طراحی مواد برای استفاده مجدد در محیط زیست، پردازش مجدد (بازیافت مکانیکی)، دپلیمریزاسیون (بازیافت شیمیایی) و یا تجزیه زیستی در EoL را بایستی چالش های اصلی برای ورود پلیمرهای پایدار به بازار دانست. تحقیقات در حوزه پلیمرهای پایدار باید چند رشته ای باشد و بر یک حوزه تخصصی تمرکز نداشته باشد و از طرفی، کل چرخه حیات مواد از جمله جنبه های مرتبط با علم پلیمر، فرآوری صنعتی، بیولوژی، مدیریت هزینه و علم محیط زیست را نیز در نظر بگیرد. طبیعت مدل هایی از علم پلیمر پایدار را به ما نشان می دهد که می توانیم از آنها با استفاده از اصول بیومیمتیک با هدف رشد اقتصادی، کارایی شیمی و فرآیندها بیاموزیم. با کمک آرایش منظم ترکیبات مولکول های بیولوژیکی (ماکرو) مانند آمینو اسیدها، ساکاریدها، لیپوزوم ها و اسید ریبونوکلئیک عملکردها و مواد حیاتی متنوعی را می توان ایجاد کرد. این آموزه ها از طبیعت می تواند الهام بخش توسعه پلیمرهای پایدار باشد. مقالات مروری متعددی در مورد توسعه پلیمرهای پایدار و چالش های مرتبط با آنها منتشر شده است که شامل بررسی مواد اولیه جایگزین مانند پسماند دی اکسید کربن یا منابع زیست توده مختلف برای تولید پلیمر، کاربردهای بالقوه در آینده و مزایای آن در جامعه ما می شوند. بررسی پلیمرهای پایدار جدید که می توانند جایگزین مواد با EoL گسترده تر باشند، ضرورت بازیافت آسان و یا تجزیه زیستی را نشان می دهد.

در اینجا، دیدگاه جدیدی از پلیمرهای پایدار ارائه می شود که کل چرخه حیات و طیف وسیعی از مواد اولیه موجود برای EoL، مشاهدات، تعیین خواص، کاربردها و اصول ارزیابی پایداری را شامل می شود. هدف ما ارائه یک دیدگاه جامع برای همه ذینفعان در این زمینه است. در مورد مونومرها و پلیمرهای ساخته شده از منابع طبیعی و زیست توده مانند لیگنوسلولزها، لیپیدها و اسیدهای آمینه از طریق شیمی سبز نیز بحث می کنیم. علاوه براین، داده ها و الزامات پلیمرهای پایدار که عمدتاً نادیده گرفته می شوند، برای طراحی این پلیمرها در آینده مورد بحث قرار می گیرند. این مقاله بیشتر بر پلیمرهای پایدار سنتز شده از منابع تجدیدپذیر (زیستی)، به عنوان پلیمرهای پایدار زیستی و تجدید پذیر متمرکز است که نشان دهنده تغییر رویه به سمت اقتصاد زیست محور هستند. البته فرصتی برای استفاده از کربن تجدید پذیر و زیستی، کاهش وابستگی به سوخت های فسیلی و تاثیرات آنها یا کاهش انتشار CO₂ است که به تغییرات اقلیمی کمک می کند. تولید مبتنی بر زیست توده می تواند اثرات قابل توجهی بر محیط زیست داشته باشد و با این حال، تولید هدفمند کلید تحقق پتانسیل واقعی آن است.

عصر پلاستیک در دهه 1950 که برای حفظ منابع طبیعی تلاش می شد، آغاز شد و مزایای غیر قابل انکاری از نظر ایمنی، صرفه جویی در انرژی و حمایت از کره خاکی به همراه داشت. با این حال، این سیاره اکنون با حجم عظیمی از آلودگی پلاستیکی مواجه است که بر نگرانی ها از تغییرات آب و هوایی می افزاید. ما شدیداً به عصر پلاستیک ثانویه نیاز داریم که ردپای بسیار کمتری بر سیاره ما باقی می گذارد و حقیقتا عصر پلیمرهای پایدار نامیده می شود. تحقیق، توسعه، مقیاس بندی و اجرای پلیمرهای پایدارتر هنوز در مراحل ابتدایی است. صنعت پتروشیمی نسبتاً بالغ است و از تمام محصولات پالایشگاهی با حجم بالا استفاده می کند؛ با این حال، شرایط را برای استفاده از مواد زیست سازگار و رقابتی دشوار می کند. قوانین جدید بالقوه ای همچون ممنوعیت و وضع مالیات بر پلاستیک های یکبار مصرف به منظور مدیریت زباله های پلاستیکی، به ویژه در اقتصادهای نوظهوری مانند کشورهای آسیایی و آفریقایی وجود دارد. محققان دانشگاهی و صنعتی تمایل بیشتری به بررسی پایداری پلیمرها دارند و در حال بررسی واکنش بازار به پلاستیک با اثرات زیست محیطی کمتر هستند و در همین راستا، نظر مصرف کننده نیز نقش بسزایی خواهد داشت. مواد پایدار جدید همچنین ممکن است مزایای پیش بینی نشده ای برای پلاستیک های ساخته شده از انرژی های فسیلی مانند بهبود جذب انرژی یا نویز داشته باشند. بنابراین محققان بایستی در جستجوی خواص هوشمند بهبود یافته باشند زیرا این موارد به ارتقاء آنالوگ های فسیلی آنها کمک می کند. همچنان به پیشرفت بیشتری در هر جنبه ای از توسعه پلیمرهای پایدار از جمله استفاده از مواد اولیه ضایعاتی مانند لیگنین، CO₂ و زیست توده غیر خوراکی، تولید انرژی یا آب با کمک اصول شیمی سبز، طراحی مواد زیست سازگار و بهبود فرایند فناوری تفکیک، استفاده مجدد و بازیافت پلاستیک های معمولی نیاز است.