เมนูเว็บ

การค้นหาผลิตภัณฑ์

ภาษา

แบ่งปัน

บ้าน / ข่าว / ข่าวอุตสาหกรรม / พลาสติกย่อยสลายได้ทางชีวภาพทำอย่างไร: กระบวนการ วัสดุ และการใช้ประโยชน์
ข่าวอุตสาหกรรม

พลาสติกย่อยสลายได้ทางชีวภาพทำอย่างไร: กระบวนการ วัสดุ และการใช้ประโยชน์

พลาสติกย่อยสลายได้ทางชีวภาพทำอย่างไร: คำตอบโดยตรง

พลาสติกย่อยสลายได้ทางชีวภาพเกิดขึ้นจากการจัดหาโพลีเมอร์จากวัตถุดิบตั้งต้นทางชีวภาพ ซึ่งส่วนใหญ่เป็นแป้งจากพืช เซลลูโลส และน้ำตาลหมัก และนำไปแปรรูปผ่านวิถีทางเคมีหรือจุลินทรีย์ที่ผลิตวัสดุที่สามารถสลายตัวในสภาพแวดล้อมทางธรรมชาติได้ภายในเวลาไม่กี่เดือนถึงไม่กี่ปี แตกต่างจากพลาสติกทั่วไปที่ได้มาจากปิโตรเลียม รูปแบบที่ย่อยสลายได้ทางชีวภาพใช้โซ่คาร์บอนหมุนเวียนที่จุลินทรีย์สามารถเผาผลาญเป็นน้ำ คาร์บอนไดออกไซด์ และอินทรียวัตถุ

พลาสติกย่อยสลายได้ทางชีวภาพที่สำคัญที่สุดในเชิงพาณิชย์ในปัจจุบัน ได้แก่ กรดโพลีแลกติก (ปลา) , โพลีไฮดรอกซีอัลคาโนเอต (PHA) แป้งเทอร์โมพลาสติก (TPS) และโพลีบิวทิลีนซัคซิเนต (PBS) แต่ละผลิตภัณฑ์ผลิตผ่านเส้นทางการผลิตที่แตกต่างกัน แต่ทั้งหมดมีหลักการเดียวกัน นั่นคือ โพลีเมอร์ที่เป็นแกนหลักของพวกมันมีต้นกำเนิดมาจากทางชีววิทยามากกว่าแหล่งฟอสซิล ซึ่งช่วยให้กระบวนการย่อยสลายของเอนไซม์ทำให้วงจรชีวิตของวัสดุสมบูรณ์ได้

เป็นสิ่งที่ควรค่าแก่การชี้แจงล่วงหน้า: ความสามารถในการย่อยสลายทางชีวภาพและแหล่งกำเนิดทางชีวภาพไม่ใช่คุณสมบัติเดียวกัน พลาสติกชีวภาพบางชนิดมีพื้นฐานมาจากชีวภาพแต่ไม่สามารถย่อยสลายได้ทางชีวภาพ ในขณะที่โพลีเมอร์ที่ได้จากปิโตรเลียมบางชนิดสามารถถูกออกแบบทางวิศวกรรมด้วยสารเติมแต่งที่ย่อยสลายได้ทางชีวภาพ บทความนี้มุ่งเน้นโดยเฉพาะเกี่ยวกับวิธีการผลิตพลาสติกทั้งที่ได้มาจากชีวภาพและย่อยสลายได้ทางชีวภาพอย่างแท้จริง วิธีการเปรียบเทียบกับวัสดุทางวิศวกรรมทั่วไป เช่น พลาสติกวิศวกรรมไนลอน และสิ่งที่มีความหมายต่อการใช้งานในอุตสาหกรรมและผลิตภัณฑ์

วัตถุดิบตั้งต้น: จุดเริ่มต้นของพลาสติกที่ย่อยสลายได้ทางชีวภาพ

เส้นทางการผลิตพลาสติกที่ย่อยสลายได้ทางชีวภาพไม่ได้เริ่มต้นในโรงงาน แต่ในฟาร์ม การเลือกใช้วัตถุดิบชีวภาพจะเป็นตัวกำหนดเส้นทางทางเคมี สภาวะในการแปรรูป และคุณสมบัติของวัสดุขั้นสุดท้ายของโพลีเมอร์ที่เกิดขึ้น

แป้งข้าวโพดและอ้อย

แป้งข้าวโพดเป็นวัตถุดิบหลักสำหรับการผลิต PLA ทั่วโลก แป้งจะถูกบดแบบเปียกก่อนเพื่อแยกกลูโคส จากนั้นจึงหมักด้วยแบคทีเรียกรดแลคติค (โดยพื้นฐานแล้ว แลคโตบาซิลลัส สปีชีส์) เพื่อผลิตโมโนเมอร์กรดแลคติค น้ำอ้อยมีความเข้มข้นของน้ำตาลสูงกว่าและเป็นวัตถุดิบตั้งต้นที่ต้องการในเขตร้อน โดยเฉพาะบราซิล ตามข้อมูลจาก European Bioplastics Association (รายงานการตลาดฉบับปี 2023) PLA ที่ได้มาจากแป้งข้าวโพดและอ้อยมีสัดส่วนประมาณ 32% ของกำลังการผลิตพลาสติกชีวภาพทั้งหมดทั่วโลก .

เซลลูโลสจากขยะเกษตรกรรม

เซลลูโลสที่สกัดจากฟางข้าวสาลี แกลบ ชานอ้อย หรือเยื่อไม้เป็นวัตถุดิบตั้งต้นรุ่นที่สองที่น่าสนใจมากขึ้นเรื่อยๆ หลีกเลี่ยงการแข่งขันโดยตรงกับห่วงโซ่อุปทานอาหาร อย่างไรก็ตาม โครงสร้างผลึกของเซลลูโลสจำเป็นต้องมีการปรับสภาพด้วยเอนไซม์หรือกรดไฮโดรไลซิสก่อนจึงจะสามารถดำเนินการหมักได้ โดยเพิ่มขั้นตอนกระบวนการและต้นทุน งานวิจัยที่ตีพิมพ์ใน เทคโนโลยีทรัพยากรชีวภาพ (ฉบับที่ 289, 2019) แสดงให้เห็นว่าเอนไซม์แซ็กคาริฟิเคชันของเซลลูโลสฟางข้าวสาลีสามารถให้ความเข้มข้นของกลูโคสได้ 45–55 ก./ลิตร เพียงพอสำหรับการหมัก PHA ขั้นปลาย

น้ำมันพืชและกรดไขมัน

น้ำมันถั่วเหลือง น้ำมันปาล์ม และน้ำมันละหุ่งทำหน้าที่เป็นวัตถุดิบตั้งต้นสำหรับโฟมที่ย่อยสลายได้ทางชีวภาพที่ทำจากโพลียูรีเทนและโพลีเอสเตอร์บางชนิด น้ำมันละหุ่งมีความโดดเด่นเป็นพิเศษเนื่องจากกินไม่ได้ และการเพาะปลูกต้องใช้น้ำและยาฆ่าแมลงน้อยกว่าข้าวโพด สายโซ่กรดโอลิอิกและไลโนเลอิกภายในน้ำมันเหล่านี้ให้คาร์บอน-คาร์บอนที่เป็นแกนหลักที่สามารถออกซิไดซ์และทำหน้าที่เป็นสารตั้งต้นของโพลีออลสำหรับโพลีเอสเตอร์และโพลียูรีเทนที่ย่อยสลายได้ทางชีวภาพ

มีเทนและคาร์บอนไดออกไซด์เป็นวัตถุดิบตั้งต้นใหม่

บริษัทต่างๆ รวมถึง Mango Materials (USA) และ Newlight Technologies ได้พัฒนากระบวนการหมักโดยใช้มีเทน ซึ่งถูกดักจับจากการฝังกลบหรือของเสียทางการเกษตร เป็นแหล่งคาร์บอนเพียงแหล่งเดียวสำหรับการผลิต PHA สิ่งนี้แสดงถึงวิถีการใช้วัตถุดิบรุ่นที่สามที่แยกก๊าซเรือนกระจกและผลิตโพลีเมอร์ที่ย่อยสลายได้ทางชีวภาพไปพร้อมๆ กัน สิ่งอำนวยความสะดวกระดับนำร่องได้แสดงให้เห็นถึงผลผลิตของ PHA ของน้ำหนักแห้งของเซลล์มากถึง 80% ในแบคทีเรียบางสายพันธุ์ภายใต้สภาวะที่เหมาะสม (ที่มา: การสื่อสารธรรมชาติ , 2563, "การผลิตโพลีไฮดรอกซีอัลคาโนเอตจากมีเทนในระดับนำร่อง")

กระบวนการผลิตทีละขั้นตอนสำหรับพลาสติกย่อยสลายได้ทางชีวภาพที่สำคัญ

การสร้าง PLA: การหมักไปจนถึงการเกิดพอลิเมอไรเซชันแบบเปิดวงแหวน

การผลิต PLA เป็นไปตามลำดับทางอุตสาหกรรมที่เป็นที่ยอมรับ:

  1. การเตรียมวัตถุดิบ: ข้าวโพดหรืออ้อยได้รับการประมวลผลเพื่อปล่อยน้ำตาลหมัก (กลูโคสหรือซูโครส)
  2. การหมักกรดแลกติก: แบคทีเรียเปลี่ยนน้ำตาลเป็นกรด L-แลกติกหรือกรด D-แลกติกภายใต้ pH และอุณหภูมิที่ควบคุม (โดยทั่วไปคือ 37–43°C, pH 5.5–6.5)
  3. การทำให้บริสุทธิ์: กรดแลคติคจะถูกนำกลับมาใช้ใหม่โดยการตกตะกอน การทำให้เป็นกรด และการกลั่น เพื่อให้ได้ความบริสุทธิ์ที่สูงกว่า 99.5%
  4. โอลิโกเมอไรเซชัน: กรดแลคติกผ่านการควบแน่นพอลิเมอไรเซชันภายใต้สุญญากาศและอุณหภูมิที่สูงขึ้น (150–170°C) เพื่อสร้างโอลิโกเมอร์ PLA ที่มีน้ำหนักโมเลกุลต่ำ
  5. ดีโพลีเมอไรเซชันไปเป็นแลคไทด์: โอลิโกเมอร์จะถูกดีโพลีเมอร์ไลซ์ด้วยความร้อนเมื่อมีตัวเร่งปฏิกิริยา (โดยทั่วไปคือดีบุก (II) ออคโตเอต) เพื่อผลิตไซคลิกแลคไทด์ไดเมอร์
  6. พอลิเมอไรเซชันแบบเปิดวงแหวน (ROP): แลคไทด์ผ่าน ROP โดยมีตัวเร่งปฏิกิริยาและตัวริเริ่มที่อุณหภูมิ 150–210°C ทำให้เกิด PLA ที่มีน้ำหนักโมเลกุลสูงโดยมีน้ำหนักโมเลกุลเฉลี่ยโดยน้ำหนักเท่ากับ 100,000–300,000 กรัม/โมล .
  7. การอัดเป็นก้อนและการกำหนดสูตร: พอลิเมอร์หลอมละลายจะถูกอัด ระบายความร้อน และอัดเป็นก้อนเพื่อการประมวลผลขั้นปลายน้ำ

NatureWorks LLC (มินนิโซตา สหรัฐอเมริกา) ดำเนินธุรกิจโรงงานผลิต PLA ที่ใหญ่ที่สุดในโลก โดยมีกำลังการผลิต 150,000 เมตริกตันต่อปี โดยใช้เส้นทาง ROP เกรด PLA ของแบรนด์ Ingeo มีตั้งแต่ฟิล์มบรรจุภัณฑ์ไปจนถึงการใช้งานด้านไฟเบอร์

การสร้าง PHA: การสะสมของจุลินทรีย์ในเซลล์

การผลิต PHA นั้นแตกต่างโดยพื้นฐานจาก PLA โดยโพลีเมอร์จะถูกสังเคราะห์ภายในเซลล์แบคทีเรียที่มีชีวิตเพื่อเป็นพลังงานสำรองภายในเซลล์ จากนั้นจึงทำการสกัด กระบวนการนี้เกี่ยวข้องกับ:

  1. การเพาะเลี้ยงแบคทีเรีย: สายพันธุ์ เช่น Cupriavidus necator (เมื่อก่อน ราลสโตเนีย ยูโทรฟา ), Burkholderia cepacia หรือรีคอมบิแนนท์ อี. โคไล ปลูกในอาหารที่อุดมด้วยสารอาหาร
  2. ระยะจำกัดสารอาหาร: ไนโตรเจน ฟอสฟอรัส หรือออกซิเจนถูกจำกัดโดยเจตนาเพื่อกระตุ้นการสะสม PHA แบคทีเรียเปลี่ยนเส้นทางการไหลของคาร์บอนไปสู่การสังเคราะห์ PHA ซึ่งบางครั้งก็สะสมอยู่ มากถึง 90% ของน้ำหนักเซลล์แห้ง เป็นเม็ด PHA
  3. การเก็บเกี่ยวเซลล์: น้ำซุปถูกปั่นแยกเพื่อให้ความเข้มข้นของมวลชีวมวลของแบคทีเรีย
  4. การหยุดชะงักและการสกัดเซลล์: เซลล์ถูกสลายโดยการบำบัดทางเคมี (โซเดียมไฮโปคลอไรต์ สารลดแรงตึงผิว) หรือการหยุดชะงักทางกล (การกัดเม็ดบีด การทำให้เป็นเนื้อเดียวกัน) จากนั้นสกัด PHA โดยใช้ตัวทำละลาย (คลอโรฟอร์ม เมทิลีนคลอไรด์) หรือโดยวิธีตกตะกอนที่เป็นน้ำที่ไม่ใช่ตัวทำละลาย
  5. การทำให้บริสุทธิ์และการทำให้แห้ง: ตัวทำละลายถูกระเหยหรือตกตะกอนโพลีเมอร์ในตัวทำละลายที่ไม่ละลายน้ำ ล้างและทำให้แห้งเพื่อให้ได้ผงหรือเม็ด

PHA ที่พบมากที่สุดคือโพลี(3-ไฮดรอกซีบิวทีเรต) (PHB) และโพลีเมอร์โคโพลีเมอร์(3-hydroxybutyrate-co-3-hydroxyvalerate) (PHBV) PHBV แสดงความยืดหยุ่นที่ดีขึ้นเหนือ PHB โดยการรบกวนการอัดตัวของผลึกปกติ ทำให้มีการยืดตัวที่ค่าจุดแตกหัก 15–50% เทียบกับ PHB ทั่วไป 5%

การทำแป้งเทอร์โมพลาสติก (TPS)

เม็ดแป้งพื้นเมืองมีความเปราะและชอบน้ำ และไม่สามารถนำไปหลอมละลายได้โดยตรง การแปลงเป็น TPS เกี่ยวข้องกับการทำให้เป็นพลาสติก โดยการผสมแป้งกับพลาสติไซเซอร์ (น้ำ กลีเซอรอล ซอร์บิทอล ยูเรีย) และการใช้แรงเฉือนเชิงกลและความร้อน (90–180°C) ในเครื่องอัดรีดแบบสกรูคู่ สิ่งนี้ขัดขวางโครงสร้างเม็ดกึ่งผลึกและสร้างเมทริกซ์เทอร์โมพลาสติกที่ไม่มีรูปร่างและละลายได้ TPS เพียงอย่างเดียวมีสมรรถนะทางกลที่จำกัด โดยทั่วไปจะผสมกับ PLA, PBAT (polybutylene adipate terephthalate) หรือ PBS เพื่อปรับปรุงความต้านทานแรงดึงและความต้านทานต่อน้ำ

การสร้าง PBAT: โคโพลีเอสเทอร์ที่ใช้ฟอสซิลแต่ย่อยสลายได้ทางชีวภาพ

PBAT ถูกสังเคราะห์จากโมโนเมอร์ที่ได้จากปิโตรเลียม ได้แก่ 1,4-บิวเทนไดออล กรดอะดิปิก และกรดเทเรฟทาลิก ผ่านการหลอมโพลีเมอไรเซชันแบบควบแน่น แม้จะมีแหล่งกำเนิดจากฟอสซิล แต่ PBAT ยังได้รับการรับรองว่าสามารถย่อยสลายได้ทางอุตสาหกรรม (EN 13432 / ASTM D6400) เนื่องจากการเชื่อมโยงเอสเทอร์นั้นไวต่อการไฮโดรไลซิสของเอนไซม์ PBAT ถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในฟิล์มบรรจุภัณฑ์แบบยืดหยุ่น โดยเป็นสารเพิ่มความแข็งสำหรับส่วนผสม PLA ที่เปราะ ทั่วโลก ecoflex (PBAT) ของ BASF และ Ecovio blend (PLA PBAT) ของ BASF เป็นผลิตภัณฑ์เชิงพาณิชย์ที่โดดเด่น

พลาสติกย่อยสลายได้ทางชีวภาพ vs. วิศวกรรมไนลอนพลาสติก : การเปรียบเทียบคุณสมบัติ

หนึ่งในคำถามที่พบบ่อยที่สุดในการเลือกวัสดุคือ พลาสติกที่ย่อยสลายได้ทางชีวภาพเป็นอย่างไรเมื่อเปรียบเทียบกับวัสดุทั่วไปที่มีประสิทธิภาพสูง โดยเฉพาะพลาสติกไนลอนเชิงวิศวกรรม (PA6, PA66, PA12) พลาสติกวิศวกรรมไนลอนมีประสิทธิภาพที่ได้รับการพิสูจน์มานานหลายทศวรรษในการใช้งานด้านยานยนต์ อุตสาหกรรม และผู้บริโภค การทำความเข้าใจช่องว่างด้านประสิทธิภาพเป็นสิ่งสำคัญก่อนที่จะเลือกกลุ่มวัสดุอย่างใดอย่างหนึ่ง

การเปรียบเทียบคุณสมบัติทางกลและทางความร้อนที่สำคัญระหว่างพลาสติกย่อยสลายได้ทางชีวภาพทั่วไปกับเกรดพลาสติกวิศวกรรมไนลอน ข้อมูลที่รวบรวมจากเอกสารข้อมูลผู้จำหน่ายวัสดุและวรรณกรรมที่ตีพิมพ์
คุณสมบัติ PLA ผา (PHBV) ทีพีเอส เบลนด์ ไนลอนวิศวกรรม (PA66)
ความต้านแรงดึง (MPa) 40–65 25–40 15–30 70–85
การยืดตัวที่จุดขาด (%) 3–8 15–50 30–200 60–300
อุณหภูมิการโก่งตัวของความร้อน (°C) 55–65 100–130 50–70 180–250
การดูดซึมน้ำ (%) 0.3–0.5 0.5–2.0 สูง (5–20) 2.5–8.5
อุณหภูมิในการประมวลผล (°C) 170–220 160–180 90–180 260–290
ความสามารถในการย่อยสลายทางชีวภาพ ปุ๋ยหมักอุตสาหกรรม ดิน ทะเล ปุ๋ยหมัก ดินปุ๋ยหมัก ไม่มี (คงที่)
ต้นทุนทั่วไป (USD/กก., 2024) 1.8–2.5 4.0–8.0 1.5–3.0 2.0–3.5

ข้อมูลทำให้ชัดเจนว่า พลาสติกวิศวกรรมไนลอนมีประสิทธิภาพเหนือกว่าทางเลือกที่ย่อยสลายได้ทางชีวภาพในเกือบทุกตัวชี้วัดทางกลและทางความร้อน . PA66 มีความต้านทานแรงดึงสูงกว่า PLA 30–50% อุณหภูมิการเบี่ยงเบนความร้อนมากกว่าสามเท่าของ PLA มาตรฐาน และความต้านทานความล้าที่ดีเยี่ยม ซึ่งเป็นเหตุผลว่าทำไมพลาสติกไนลอนวิศวกรรมจึงยังคงเป็นวัสดุที่เลือกใช้สำหรับส่วนประกอบยานยนต์ใต้ฝากระโปรง ตัวเรือนเครื่องมือไฟฟ้า เกียร์ และตัวเชื่อมต่อทางอุตสาหกรรม สำหรับการใช้งานที่ต้องการระดับประสิทธิภาพเหล่านี้ พลาสติกที่ย่อยสลายได้ทางชีวภาพในปัจจุบันยังไม่สามารถทดแทนได้หากไม่มีการเปลี่ยนแปลงคุณสมบัติที่สำคัญผ่านการผสม การผสมด้วยการเสริมแรงด้วยเส้นใย หรือการออกแบบใหม่เฉพาะการใช้งาน

อย่างไรก็ตาม นี่ไม่ใช่ภาพเต็ม สำหรับบรรจุภัณฑ์ ช้อนส้อมแบบใช้แล้วทิ้ง ฟิล์มคลุมดินทางการเกษตร อุปกรณ์การแพทย์แบบรอบสั้น และสินค้าอุปโภคบริโภคที่มีเส้นทางการสิ้นสุดอายุการใช้งานที่กำหนดไว้ พลาสติกที่ย่อยสลายได้ทางชีวภาพสามารถมีคุณสมบัติตรงหรือเกินกว่าข้อกำหนดด้านประสิทธิภาพที่จำเป็น ในขณะเดียวกันก็มอบความได้เปรียบด้านสิ่งแวดล้อมที่วัดผลได้ กลุ่มผลิตภัณฑ์ไนลอนวิศวกรรมยังคงมีการพัฒนาอย่างต่อเนื่องเช่นกัน โดย PA11 ชีวภาพ (ผลิตจากน้ำมันละหุ่ง ซึ่งจำหน่ายโดย Arkema ภายใต้แบรนด์ Rilsan) และ PA410 (จาก DSM โดยใช้โมโนเมอร์ทั้งจากชีวภาพและจากปิโตรเลียม) เป็นตัวแทนของการบรรจบกันที่พลาสติกวิศวกรรมไนลอนได้รับสารจากชีวภาพบางส่วนโดยไม่ทำให้ประสิทธิภาพเชิงโครงสร้างลดลง

พลาสติกย่อยสลายได้ทางชีวภาพสลายตัวได้อย่างไร: ศาสตร์แห่งการย่อยสลาย

การทำความเข้าใจกลไกการย่อยสลายมีความสำคัญพอๆ กับการทำความเข้าใจวิธีการผลิตพลาสติกที่ย่อยสลายได้ทางชีวภาพ เนื่องจากทั้งสองอย่างนี้เชื่อมโยงกันโดยตรง โครงสร้างทางเคมีที่สร้างขึ้นระหว่างการผลิตเป็นตัวกำหนดเส้นทางการย่อยสลายที่สามารถเข้าถึงได้ในสิ่งแวดล้อม

การย่อยสลายแบบไฮโดรไลติก

PLA สลายตัวเป็นหลักโดยการไฮโดรไลซิสแบบไม่ใช้ไบโอติก โดยน้ำจะแยกพันธะเอสเตอร์ในแกนหลักของโพลีเมอร์ ซึ่งจะช่วยลดน้ำหนักโมเลกุลลงอย่างต่อเนื่องโดยไม่ต้องมีการทำงานของจุลินทรีย์ กระบวนการนี้เป็นกระบวนการเร่งปฏิกิริยาอัตโนมัติ: ในขณะที่ไฮโดรไลซิสดำเนินไป ชิ้นส่วนของกรดแลคติคจะผลิต pH ในท้องถิ่นที่ต่ำลงอีก ซึ่งจะช่วยเร่งการแตกตัวของลูกโซ่ ที่สภาวะปุ๋ยหมักทางอุตสาหกรรม (58°C, ความชื้น >50%) PLA จะสลายตัวเป็นชิ้นส่วนที่มีน้ำหนักโมเลกุลต่ำภายใน 60–90 วัน ตามด้วยการทำให้เป็นแร่ของจุลินทรีย์อย่างรวดเร็ว ที่อุณหภูมิสิ่งแวดล้อมโดยรอบ (ดินที่อุณหภูมิ 15–20°C) กระบวนการเดียวกันนี้ก็สามารถทำได้ 2–5 ปี ซึ่งเป็นสาเหตุที่ไม่ควรทำการตลาด PLA ว่าเหมาะสำหรับการทำปุ๋ยหมักที่บ้านหรือทิ้งขยะโดยไม่มีคุณสมบัติ ความเป็นจริงทางจลนศาสตร์นี้มีความสำคัญ: คำว่า "ย่อยสลายได้ทางชีวภาพ" บนผลิตภัณฑ์ PLA ไม่ได้หมายความว่าผลิตภัณฑ์จะหายไปอย่างรวดเร็วในทุกสภาพแวดล้อม

การย่อยสลายของเอนไซม์

PHA สลายตัวผ่านกลไกหลักที่แตกต่างกันโดยพื้นฐาน นั่นคือการโจมตีด้วยเอนไซม์โดยตรงโดยดีพอลิเมอเรส PHA ภายนอกเซลล์ที่หลั่งโดยแบคทีเรียและเชื้อราในดิน เอนไซม์เหล่านี้จะไฮโดรไลซ์พันธะเอสเทอร์ที่พื้นผิวโพลีเมอร์ ทำให้เกิดโมโนเมอร์ 3-ไฮดรอกซีบิวทีเรต ที่ถูกเผาผลาญทันทีโดยจุลินทรีย์ชนิดเดียวกันหรือใกล้เคียง สิ่งนี้ทำให้ PHA สามารถย่อยสลายได้ในสภาพแวดล้อมที่หลากหลายมากขึ้น: ตะกอนทะเล น้ำจืด ดิน และปุ๋ยหมัก . ฟิล์มบางของ PHBV แสดงให้เห็นว่าสูญเสียมวล 90% ในตะกอนเร่งภายใน 28 วัน และในสภาพแวดล้อมทางทะเลภายใน 60–90 วัน (ที่มา: การย่อยสลายและความเสถียรของโพลีเมอร์ ,ฉบับที่ 94, ฉบับที่ 4, 2552)

การปรับสภาพด้วยแสงออกซิเดชั่นและความร้อน

รังสีอัลตราไวโอเลตและการหมุนเวียนด้วยความร้อนในสภาพแวดล้อมกลางแจ้งสามารถทำให้พลาสติกที่ย่อยสลายทางชีวภาพได้ก่อนการปรับสภาพโดยการเริ่มต้นการแยกโซ่ การเพิ่มความเปราะบาง และการขยายพื้นที่ผิวที่สามารถเข้าถึงการตั้งอาณานิคมของจุลินทรีย์ได้ สิ่งนี้มีความเกี่ยวข้องเป็นพิเศษกับฟิล์มคลุมดินทางการเกษตรที่ใช้ส่วนผสม PBAT/TPS ซึ่งได้รับการออกแบบให้แยกส่วนและเติมแร่ธาตุในแปลงหลังจากฤดูปลูกหนึ่งฤดูกาล แนวทางการแยกส่วนด้วยแสงและออกซิเดชั่นนี้ยังเป็นวิธีการทำงานของสารเติมแต่งที่ย่อยสลายได้ด้วยออกโซแบบดั้งเดิมในโพลีโอเลฟินส์มาตรฐาน แต่ชิ้นส่วนที่ได้นั้นไม่สามารถย่อยสลายทางชีวภาพได้ ซึ่งเป็นข้อแตกต่างที่สำคัญที่นำไปสู่การห้ามใช้พลาสติกที่ย่อยสลายได้ด้วยออกโซในสหภาพยุโรปภายใต้คำสั่ง 2019/904

ทำไมพลาสติกวิศวกรรมไนลอนจึงไม่ย่อยสลายทางชีวภาพ

พลาสติกวิศวกรรมไนลอน (โพลิเอไมด์) ต้านทานการย่อยสลายทางชีวภาพ เนื่องจากพันธะเอไมด์ (-CO-NH-) มีความเสถียรทางไฮโดรไลติกมากกว่าพันธะเอสเทอร์ใน PLA หรือ PHA อย่างมีนัยสำคัญภายใต้สภาวะทางชีวภาพโดยรอบ ในขณะที่การไฮโดรไลซิสทางอุตสาหกรรมของโพลีเอไมด์ที่อุณหภูมิสูงขึ้น (>200°C) และความดันถูกนำมาใช้ในกระบวนการรีไซเคิลไนลอน (เรียกว่าอะมิโนไลซิสหรือไฮโดรไลซิสดีพอลิเมอไรเซชัน) จุลินทรีย์ในดินและในทะเลยังขาดโพลีเอไมด์ดีโพลีเมอเรสที่มีประสิทธิภาพซึ่งสามารถทำลายพันธะเหล่านี้ได้ในสภาวะแวดล้อม พลาสติกไนลอนวิศวกรรมสามารถคงอยู่ในสิ่งแวดล้อมได้หลายร้อยปี ซึ่งเป็นเหตุผลว่าทำไมประสิทธิภาพทางกลจึงคงอยู่ตลอดการใช้งานมานานหลายทศวรรษ ซึ่งเป็นคุณสมบัติที่พึงประสงค์สำหรับส่วนประกอบโครงสร้าง แต่เป็นความรับผิดชอบต่อสิ่งแวดล้อมเมื่อวัสดุกลายเป็นขยะโดยไม่ได้รับการรีไซเคิลโดยเฉพาะ

การใช้งานทางอุตสาหกรรมและการพาณิชย์: ในกรณีที่วัสดุแต่ละชนิดเป็นของ

ลักษณะการผลิตของพลาสติกย่อยสลายได้ทางชีวภาพและพลาสติกวิศวกรรมไนลอนทำให้เหมาะสำหรับการใช้งานที่แตกต่างกันมาก ไม่มีวัสดุใดที่เหนือกว่าในระดับสากล — ทั้งสองมีบทบาทสำคัญในระบบนิเวศของวัสดุสมัยใหม่

การใช้งานที่เหมาะที่สุดสำหรับพลาสติกที่ย่อยสลายได้ทางชีวภาพ

  • ฟิล์มบรรจุภัณฑ์แบบยืดหยุ่น: ส่วนผสม PBAT/PLA ใช้สำหรับผลิตถุง ถุงขนมปัง และถุงขยะที่ย่อยสลายได้ ตลาดยุโรปเพียงอย่างเดียวใช้บรรจุภัณฑ์ที่ย่อยสลายได้ประมาณ 750,000 ตันในปี 2022 (ที่มา: European Bioplastics / nova-Institute, Bioplastics Market Data 2022)
  • รายการบริการด้านอาหารแบบใช้ครั้งเดียว: ถ้วย จาน และช้อนส้อมของ PLA ได้รับการรับรองภายใต้ EN 13432 ได้รับการยอมรับจากโรงงานผลิตปุ๋ยหมักทางอุตสาหกรรมหลายแห่ง Starbucks และ McDonald's Europe ทดลองใช้ถ้วยกระดาษเคลือบ PLA เพื่อทดแทนถ้วยกระดาษเคลือบ PE
  • ฟิล์มคลุมดินเพื่อการเกษตร: ฟิล์มที่ใช้ PBAT จะถูกไถลงในดินหลังการเก็บเกี่ยวและย่อยสลายภายใน 3-12 เดือน ทำให้ไม่จำเป็นต้องถอดฟิล์มที่มีราคาแพง อิตาลีกำหนดให้ใช้ฟิล์มคลุมดินที่ย่อยสลายได้ทางชีวภาพที่ได้รับการรับรองภายใต้กฎหมายขยะ (D.Lgs. 116/2020)
  • เย็บแผลทางการแพทย์และโครงส่งยา: PLA, PGA (polyglycolide) และโคโพลีเมอร์ PLGA ถูกนำมาใช้ในไหมเย็บที่ดูดซับได้ตั้งแต่ทศวรรษ 1970 เอสเทอเรสของร่างกายไฮโดรไลซ์โพลีเมอร์เหล่านี้เป็นผลพลอยได้จากการเผาผลาญที่ปลอดภัย ไมโครสเฟียร์ PLGA ใช้ในการส่งยาเคมีบำบัดด้วยอัตราการปลดปล่อยที่มีการควบคุมในช่วง 1-6 เดือน
  • เส้นใยการพิมพ์ 3 มิติ: PLA เป็นวัสดุการพิมพ์ FDM ที่ใช้กันอย่างแพร่หลายทั่วโลก เนื่องมาจากการโค้งงอต่ำ ควันความเป็นพิษต่ำ และอุณหภูมิการพิมพ์ที่เครื่องพิมพ์ระดับเริ่มต้นเข้าถึงได้ ตลาดเส้นใย PLA ทั่วโลกมีมูลค่าประมาณ 430 ล้านเหรียญสหรัฐในปี 2566 (ที่มา: MarketsandMarkets รายงานปี 2566)
  • ถาดเพาะเมล็ดและกระถางเพาะชำ: ถาดที่ใช้ TPS และ PHA สามารถปลูกลงในดินได้โดยตรงด้วยต้นกล้า ช่วยลดปัญหาการปลูกถ่ายและกำจัดขยะพลาสติกออกจากการเจริญเติบโต

การใช้งานที่พลาสติกไนลอนวิศวกรรมยังคงโดดเด่น

  • ส่วนประกอบใต้ฝากระโปรงรถยนต์: ท่อร่วมไอดี ฝาครอบเครื่องยนต์ สายรัดเคเบิล ขั้วต่อท่อน้ำมันเชื้อเพลิง และถังเก็บน้ำหล่อเย็นที่ทำจากเกรดเสริมใยแก้ว PA66 หรือ PA6 ทนทานต่ออุณหภูมิต่อเนื่องที่ 120–150°C โดยมีความทนทานต่อสารเคมีสูงต่อน้ำมัน เชื้อเพลิง และสารหล่อเย็น ปัจจุบันไม่มีพลาสติกที่ย่อยสลายได้ทางชีวภาพเข้าใกล้ขอบเขตประสิทธิภาพนี้
  • ขั้วต่อไฟฟ้าและตัวเรือน: พลาสติกไนลอนวิศวกรรม (PA66) ได้รับการจัดอันดับสารหน่วงไฟ UL94 V-0 (พร้อมสารเติมแต่งที่เหมาะสม) ให้ความต้านทานในการติดตามและความเสถียรของมิติที่สำคัญสำหรับความปลอดภัยทางไฟฟ้าในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สำหรับผู้บริโภค ระบบการจัดการแบตเตอรี่ EV และสวิตช์เกียร์อุตสาหกรรม
  • เกียร์อุตสาหกรรม แบริ่ง และบุชชิ่ง: ไนลอนพลาสติกวิศวกรรมมีค่าสัมประสิทธิ์แรงเสียดทานต่ำ (0.1–0.3 ต่อเหล็ก) คุณสมบัติในการหล่อลื่นในตัวเอง และความต้านทานต่อความเมื่อยล้า ทำให้เป็นที่ต้องการสำหรับไดรฟ์เชิงกลที่ไม่ต้องใช้สารหล่อลื่นในการแปรรูปอาหาร เครื่องจักรสิ่งทอ และระบบสายพานลำเลียง
  • ตัวเรือนและที่จับเครื่องมือไฟฟ้า: ความต้านทานแรงกระแทกสูงและความแข็งพื้นผิวของ PA6/66 ทนทานต่อการตกหล่นซ้ำๆ และรอบการใช้งานหนัก เกรดเสริมใยแก้ว (30% GF) มีความต้านทานแรงดึงเกิน 160 MPa
  • สินค้ากีฬาและอุปกรณ์กลางแจ้ง: สายผูกสกี ตีนผีจักรยาน สายรัดซิป และตัวคาราบิเนอร์ใช้พลาสติกไนลอนวิศวกรรมเพื่อความเสถียรต่อรังสี UV ในระยะยาว (พร้อมชุดกันโคลง) ทนต่อแรงกระแทก และประสิทธิภาพของโครงสร้างน้ำหนักเบา

นวัตกรรมในปัจจุบันปิดช่องว่างด้านประสิทธิภาพระหว่างพลาสติกย่อยสลายได้ทางชีวภาพและพลาสติกไนลอนเชิงวิศวกรรม

ส่วนสำคัญของการวิจัยพอลิเมอร์ในปัจจุบันมีจุดมุ่งหมายเพื่อปรับปรุงประสิทธิภาพของพลาสติกที่ย่อยสลายได้ทางชีวภาพ เพื่อให้สามารถนำไปใช้งานที่มีความต้องการสูงขึ้นได้ ในเวลาเดียวกัน ความพยายามกำลังดำเนินการเพื่อทำให้พลาสติกวิศวกรรมไนลอนที่ได้มาจากชีวภาพบางส่วน ขณะเดียวกันก็รักษาความได้เปรียบทางวิศวกรรมเอาไว้

Stereocomplex PLA: ทำลายกำแพงการโก่งตัวของความร้อน

PLA มาตรฐานมีอุณหภูมิการเบี่ยงเบนความร้อนที่ 55–65°C ซึ่งทำให้ไม่เหมาะสมกับบรรจุภัณฑ์แบบเติมความร้อน ภาชนะที่สามารถใช้กับเครื่องล้างจานได้ และการใช้งานในยานยนต์หลายประเภท Stereocomplex PLA (sc-PLA) เกิดขึ้นจากการผสม PLLA (poly-L-lactide) และ PDLA (poly-D-lactide) ในอัตราส่วน 1:1 ทำให้เกิดโครงสร้างตกผลึกร่วมที่มีจุดหลอมเหลวเท่ากับ 220–230°ซ — สูงกว่าโฮโมโพลีเมอร์เพียงอย่างเดียวอย่างมีนัยสำคัญ การวิจัยจาก Mitsui Chemicals และ Toyota ได้สาธิตชิ้นส่วนฉีดขึ้นรูป sc-PLA ที่ทนทานต่ออุณหภูมิการใช้งานต่อเนื่องที่ 100°C ทำให้สามารถใช้งานได้กับส่วนประกอบภายในรถยนต์บางชิ้นที่ปัจจุบันใช้พลาสติกไนลอนเชิงวิศวกรรม

PHA โคโพลีเมอร์และส่วนผสมเพื่อความเหนียว

ความเปราะบางโดยธรรมชาติของ PHB ได้จำกัดความสำเร็จทางการค้าของ PHA ในอดีต กลยุทธ์ปัจจุบันในการปรับปรุงความเหนียว ได้แก่: (1) การสังเคราะห์ทางชีวภาพของโซ่ด้านข้างที่ยาวกว่า (3-ไฮดรอกซีวาเลอเรต, 3-ไฮดรอกซีเฮกซาโนเอต) เพื่อรบกวนความเป็นผลึกและปรับปรุงความเหนียว; (2) การผสมปฏิกิริยากับ PLA หรือ PBAT โดยใช้เปอร์ออกไซด์หรือไดคิวมิลเปอร์ออกไซด์เป็นสารที่เข้ากันได้ และ (3) การทำให้เป็นพลาสติกด้วยน้ำมันพืชอิพอกซิไดซ์ วิธีการเหล่านี้ได้ผลิตวัสดุที่มี PHA เป็นหลักโดยมีการยืดตัวที่จุดขาดเกิน 200% ในขณะที่ยังคงความสามารถในการย่อยสลายทางชีวภาพได้เต็มที่ — เข้าใกล้ความยืดหยุ่นของโพลีเอทิลีนความหนาแน่นต่ำ แม้ว่าจะยังไม่มีประสิทธิภาพเท่ากับพลาสติกไนลอนเชิงวิศวกรรมก็ตาม

การเสริมแรงด้วยคอมโพสิตชีวภาพ: เส้นใยธรรมชาติในเมทริกซ์ที่ย่อยสลายได้ทางชีวภาพ

การเติมเส้นใยธรรมชาติ เช่น ผ้าลินิน ป่าน ปอกระเจา ปอแก้ว หรือไม้ไผ่ ลงในเมทริกซ์ PLA หรือ PHA จะสร้างคอมโพสิตชีวภาพที่ย่อยสลายได้อย่างสมบูรณ์ โดยมีความแข็งและความแข็งแรงที่ดีขึ้นอย่างมาก เส้นใยแฟลกซ์/คอมโพสิต PLA ที่มีการโหลดเส้นใย 30% ได้รับโมดูลัสแรงดึง 8–12 เกรดเฉลี่ย ซึ่งเข้าใกล้พลาสติกวิศวกรรมไนลอนเสริมใยแก้วที่มีความแข็ง แต่มีความหนาแน่นต่ำกว่ามาก (1.2–1.3 g/cm3 เทียบกับ 1.5 g/cm3 สำหรับ 30% GF PA66) บริษัทต่างๆ รวมถึง Bcomp (สวิตเซอร์แลนด์) และ Trifilon (สวีเดน) ได้ทำการค้าระบบคอมโพสิตชีวภาพเหล่านี้เพื่อใช้ในแผงภายในรถยนต์ อุปกรณ์กีฬา และตัวเรือนอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สำหรับผู้บริโภค

ไนลอนชีวภาพ: การเชื่อมการแบ่งแยก

ความแตกต่างระหว่าง "ย่อยสลายได้ทางชีวภาพ" และ "ชีวภาพ" มักจะถูกนำมารวมกัน แต่พลาสติกไนลอนวิศวกรรมชีวภาพถือเป็นอาณาเขตกลางที่สำคัญ PA11 (Rilsan, Arkema) มาจากน้ำมันละหุ่ง 100% และไม่สามารถย่อยสลายทางชีวภาพได้ แต่มี ลดการปล่อยก๊าซคาร์บอนลง 50–60% กว่า PA12 เมื่อพิจารณาจากแท่นวางถึงประตู (ที่มา: การประเมินวัฏจักรชีวิตของ Arkema, 2021) PA410 (EcoPaXX, DSM/Covestro) เป็นน้ำมันชีวภาพที่มีพื้นฐานมาจากน้ำมันละหุ่ง 70% และมีสมรรถนะเชิงกลเท่ากับ PA66 โดยมี Tg อยู่ที่ 30°C และจุดหลอมเหลวที่ 250°C วัสดุเหล่านี้ยังคงรักษาข้อได้เปรียบเชิงโครงสร้างของพลาสติกวิศวกรรมไนลอน ในขณะที่ลดการพึ่งพาวัตถุดิบตั้งต้นจากปิโตรเคมี ซึ่งเป็นขั้นตอนเชิงปฏิบัติในการลดการปล่อยคาร์บอนทางอุตสาหกรรม ซึ่งทางเลือกอื่นที่สามารถย่อยสลายทางชีวภาพได้ทั้งหมดยังไม่เพียงพอ

การรีไซเคิลด้วยเอนไซม์: การเชื่อมต่อการสิ้นสุดอายุการใช้งานกับการผลิต

เทคโนโลยีที่ก้าวล้ำจาก Carbios (ฝรั่งเศส) ใช้เอนไซม์เทอร์โมฟิลิกคิวติเนสที่ได้รับการออกแบบทางวิศวกรรมเพื่อสลายโพลิเมอร์ PET — และโดยการขยาย PLA และโพลีเอสเตอร์อื่นๆ — กลับไปสู่โมโนเมอร์บริสุทธิ์ที่อุณหภูมิ 72°C ภายใน 10 ชั่วโมง ซึ่งบรรลุผลสำเร็จ ผลผลิตดีพอลิเมอไรเซชันมากกว่า 97% . เส้นทางการรีไซเคิลด้วยเอนไซม์นี้ ซึ่งผ่านการตรวจสอบในระดับนำร่องและได้รับอนุญาตจากพันธมิตร รวมถึง L'Oreal และ Nestle หมายความว่าในที่สุดโพลีเอสเตอร์ที่ย่อยสลายได้ทางชีวภาพก็สามารถนำไปรีไซเคิลทางเคมีเป็นโมโนเมอร์คุณภาพบริสุทธิ์ แทนที่จะนำไปทำเป็นปุ๋ยหมัก ซึ่งทำให้ปิดวงจรวัสดุได้อย่างมีประสิทธิภาพมากขึ้น ตำแหน่งนี้โพลีเอสเตอร์ที่ย่อยสลายได้ทางชีวภาพไม่เพียงแต่เป็นวัสดุที่ย่อยสลายได้เมื่อหมดอายุการใช้งานเท่านั้น แต่ยังเป็นแพลตฟอร์มที่สามารถรีไซเคิลได้ในเศรษฐกิจแบบวงกลม ซึ่งเป็นเรื่องราวที่แข่งขันโดยตรงกับข้อมูลรับรองความสามารถในการรีไซเคิลของพลาสติกไนลอนเชิงวิศวกรรม

ผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อม: การวิเคราะห์วงจรชีวิตของพลาสติกที่ย่อยสลายได้ทางชีวภาพเทียบกับวัสดุทั่วไป

กรณีด้านสิ่งแวดล้อมสำหรับพลาสติกที่ย่อยสลายได้ทางชีวภาพนั้นมีความสำคัญมากกว่าคำกล่าวอ้างทางการตลาด ข้อมูลการประเมินวัฏจักรชีวิต (LCA) แสดงให้เห็นว่าพลาสติกที่ย่อยสลายได้ทางชีวภาพนั้นไม่ได้ "เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม" ในหมวดหมู่ใดมากกว่าวัสดุทั่วไปในทุกหมวดหมู่ที่ได้รับผลกระทบ แต่มีข้อดีเฉพาะซึ่งมีความเกี่ยวข้องสูงในกรณีการใช้งานเฉพาะ

ศักยภาพภาวะโลกร้อน (GWP)

LCA เปรียบเทียบโดย European Environment Agency (EEA, 2021) พบว่าการผลิต PLA ปล่อยก๊าซประมาณ 1.3–2.5 กก. CO2-eq ต่อกก ของโพลีเมอร์ เทียบกับ 3.4–4.5 กก. CO2-eq ต่อกก. สำหรับ PET บริสุทธิ์ และ 2.5–3.5 กก. CO2-eq ต่อกก. สำหรับ PA66 (พลาสติกไนลอนวิศวกรรม) อย่างไรก็ตาม ตัวเลขเหล่านี้แตกต่างกันอย่างมากขึ้นอยู่กับการผสมผสานพลังงานของโรงงานผลิต การเปลี่ยนแปลงการใช้ที่ดินที่เกี่ยวข้องกับการเกษตรวัตถุดิบ และระยะทางในการขนส่ง เมื่อ PLA ถูกหมักเมื่อหมดอายุการใช้งาน CO2 ทางชีวภาพที่ปล่อยออกมาจะถือว่าคาร์บอนเป็นกลาง (เนื่องจากเพิ่งถูกจับจากชั้นบรรยากาศในระหว่างการเจริญเติบโตของพืช) ในขณะที่การเผาพลาสติกที่ทำจากฟอสซิลจะปล่อยคาร์บอนฟอสซิลออกมาเป็นการเติมสุทธิจาก CO2 ในชั้นบรรยากาศ

การแข่งขันการใช้ที่ดินและพืชอาหาร

คำวิจารณ์เบื้องต้นเกี่ยวกับพลาสติกย่อยสลายได้ทางชีวภาพรุ่นแรก เช่น PLA แป้งข้าวโพด ก็คือพวกมันแข่งขันกันแย่งพื้นที่เกษตรกรรมด้วยการผลิตอาหาร ที่ปริมาณการผลิต PLA ทั่วโลกในปัจจุบัน (~600,000 ตัน/ปี) ข้าวโพดวัตถุดิบต้องใช้ประมาณ พื้นที่เพาะปลูก 1.2 ล้านเฮกตาร์ — น้อยกว่า 0.1% ของพื้นที่เพาะปลูกทั่วโลก (ที่มา: nova-Institute, "Building Blocks และ Polymers ชีวภาพ" 2023) นี่เป็นผลกระทบต่อผืนดินที่ค่อนข้างน้อยในปัจจุบัน แต่ในวงกว้าง ผลกระทบจากการใช้ที่ดินจากการแทนที่พลาสติกฟอสซิลทั้งหมดด้วยพลาสติกชีวภาพรุ่นแรกจะมีนัยสำคัญ นี่เป็นตัวขับเคลื่อนหลักของการวิจัยเกี่ยวกับวัตถุดิบตั้งต้นรุ่นที่สอง (ขยะลิกโนเซลลูโลส) และรุ่นที่สาม (สาหร่าย มีเทน) ที่ไม่แข่งขันกับระบบอาหาร

ข้อควรพิจารณาเกี่ยวกับมลพิษทางทะเล

ข้อดีด้านสิ่งแวดล้อมประการหนึ่งของพลาสติกที่ย่อยสลายได้ทางชีวภาพ โดยเฉพาะ PHA คือความสามารถในการย่อยสลายในทะเล มลพิษจากพลาสติกในทะเลประมาณ 8-12 ล้านเมตริกตันต่อปีเข้าสู่มหาสมุทร (ที่มา: Jambeck et al., วิทยาศาสตร์ , 2558) พลาสติกวิศวกรรมไนลอนที่สูญหายไปในทะเล เช่น อวนจับปลา อุปกรณ์เพาะเลี้ยงสัตว์น้ำ หรือเศษซากอุตสาหกรรมจะสลายตัวเป็นเศษไมโครพลาสติกตลอดหลายทศวรรษ PHA เป็นพลาสติกย่อยสลายทางชีวภาพเชิงพาณิชย์ชนิดเดียวที่ได้รับการรับรองการย่อยสลายทางชีวภาพในสภาพแวดล้อมทางทะเล (มาตรฐาน ASTM D7991) ซึ่งจะถูกเผาผลาญโดยแบคทีเรียในทะเลที่เกิดขึ้นตามธรรมชาติภายในเวลาไม่กี่เดือนแทนที่จะเป็นหลายทศวรรษ สิ่งนี้ทำให้ PHA เหมาะสมเป็นพิเศษสำหรับอุปกรณ์ตกปลา ตาข่ายเพาะเลี้ยงสัตว์น้ำ และสารเคลือบทางทะเล ซึ่งการสูญเสียสิ่งแวดล้อมในมหาสมุทรถือเป็นความเสี่ยงโดยธรรมชาติ — การใช้งานที่การคงอยู่ของพลาสติกไนลอนเชิงวิศวกรรมกลายเป็นความรับผิดต่อสิ่งแวดล้อม

การแปรรูปพลาสติกที่ย่อยสลายได้ทางชีวภาพบนอุปกรณ์การผลิตพลาสติกทั่วไป

คำถามเชิงปฏิบัติสำหรับผู้ผลิตที่กำลังพิจารณาเปลี่ยนจากพลาสติกทั่วไปเป็นทางเลือกที่ย่อยสลายได้ทางชีวภาพคือ เครื่องจักรที่มีอยู่ เช่น เครื่องฉีดขึ้นรูป เครื่องอัดรีด สายการผลิตแม่พิมพ์เป่า เครื่องอัดขึ้นรูปด้วยความร้อน สามารถแปรรูปวัสดุที่ย่อยสลายได้ทางชีวภาพได้โดยไม่ต้องลงทุนจำนวนมากหรือไม่

การฉีดขึ้นรูป

PLA สามารถฉีดขึ้นรูปบนเครื่องสกรูแบบลูกสูบมาตรฐานได้ โดยมีอุณหภูมิกระบอกอยู่ที่ 170–220°C และอุณหภูมิแม่พิมพ์ 25–40°C สำหรับชิ้นส่วนอสัณฐาน หรือ 80–110°C สำหรับชิ้นส่วนผลึก (CPLA) ความท้าทายที่สำคัญคือความไวของ PLA ต่อความชื้น โดยจะต้องทำให้แห้งก่อนถึงด้านล่าง ปริมาณน้ำ 250 ppm (ควรเป็น 100 ppm) ก่อนแปรรูป หรือการตัดโซ่แบบไฮโดรไลติกระหว่างการขึ้นรูปจะช่วยลดน้ำหนักโมเลกุลและส่งผลให้ชิ้นส่วนเปราะ ควรลดเวลาการตกค้างในถังให้เหลือน้อยที่สุด — PLA เริ่มสลายตัวที่สามารถวัดได้หลังจากผ่านไป 5-10 นาทีที่อุณหภูมิในกระบวนการผลิต เมื่อเปรียบเทียบกับพลาสติกไนลอนวิศวกรรม (ซึ่งต้องทำให้แห้งโดยมีความชื้น <0.2% และผ่านกระบวนการที่อุณหภูมิ 260–290°C) PLA ให้ความต้องการความร้อนน้อยลงบนเครื่องทำความร้อนแบบถัง แต่ต้องมีการจัดการความชื้นอย่างระมัดระวังมากขึ้น

การอัดรีดฟิล์มและฟิล์มเป่า

เกรดผสม PBAT, TPS/PLA และ PHA ได้รับการประมวลผลบนสายการผลิตฟิล์มเป่าแบบธรรมดาเรียบร้อยแล้ว อาจจำเป็นต้องปรับเปลี่ยนการออกแบบสกรู — โดยทั่วไปแนะนำให้ใช้อัตราส่วนการอัดที่ตื้นกว่า (2.5:1 ถึง 3:1) และแรงเฉือนที่ต่ำกว่าเมื่อเทียบกับการประมวลผลด้วย PE ต้องปรับอัตราส่วนช่องว่างของแม่พิมพ์และการระเบิดเนื่องจากโพลีเอสเตอร์ที่ย่อยสลายได้ทางชีวภาพมีพฤติกรรมความแข็งแรงหลอมละลายที่แตกต่างจาก LDPE PHA มีแนวโน้มที่จะเกิดการสลายตัวเนื่องจากความร้อนใกล้กับจุดหลอมเหลว (160–180°C) เป็นพิเศษ และต้องการการควบคุมอุณหภูมิที่แม่นยำด้วยกรอบเวลาการประมวลผลที่แคบ เกรด PHA บางชนิดได้รับประโยชน์จากสารสร้างนิวเคลียสเพื่อปรับปรุงจลนพลศาสตร์ของการตกผลึก และลดรอบเวลาในสายการอัดขึ้นรูป

การขึ้นรูปด้วยความร้อน

แผ่น PLA แบบอสัณฐานเทอร์โมฟอร์มที่อุณหภูมิ 75–95°C ซึ่งต่ำกว่าซับสเตรตเทอร์โมฟอร์มทั่วไปส่วนใหญ่ และช่วยให้สามารถประมวลผลบนอุปกรณ์ที่มีอยู่ซึ่งมีโปรไฟล์อุณหภูมิที่ปรับเปลี่ยนได้ Crystalline PLA (CPLA) ต้องใช้เทอร์โมฟอร์มที่อุณหภูมิ 135–160°C ด้วยการออกแบบแม่พิมพ์โดยเฉพาะ การกระจายความหนาของผนังใน PLA ที่ขึ้นรูปด้วยความร้อนมีแนวโน้มที่จะมีความสม่ำเสมอมากกว่าใน HIPS (โพลีสไตรีนที่รับแรงกระแทกสูง) เนื่องจาก PLA มีพฤติกรรมการชุบแข็งด้วยความเครียดที่สูงกว่า ซึ่งเป็นประโยชน์สำหรับการใช้งานบรรจุภัณฑ์ที่มีผนังบาง โดยทั่วไปเวลารอบการขึ้นรูปด้วยความร้อนของ PLA จะแข่งขันกับ PS ที่เกจใกล้เคียงกัน

คำถามที่พบบ่อยเกี่ยวกับการผลิตพลาสติกย่อยสลายได้ทางชีวภาพ

พลาสติกย่อยสลายได้ทางชีวภาพสลายตัวในหลุมฝังกลบหรือไม่?

พลาสติกที่ย่อยสลายได้ทางชีวภาพส่วนใหญ่ รวมถึง PLA จะไม่สลายตัวอย่างมีประสิทธิภาพในการฝังกลบ สภาพการฝังกลบ เช่น ออกซิเจนต่ำ ความชื้นต่ำ และอุณหภูมิต่ำในโซนไร้อากาศ ยับยั้งเส้นทางการย่อยสลายแบบไฮโดรไลติกและจุลินทรีย์ที่พลาสติกย่อยสลายได้ทางชีวภาพต้องพึ่งพา PLA ในหลุมฝังกลบอาจคงอยู่ได้นานหลายทศวรรษ คล้ายกับพลาสติกทั่วไป การทำปุ๋ยหมักทางอุตสาหกรรม (58°C, แอโรบิก, ความชื้นสูง) เป็นสภาพแวดล้อมที่สิ้นสุดอายุการใช้งานสำหรับพลาสติกที่ย่อยสลายได้ซึ่งได้รับการรับรองส่วนใหญ่ มีเพียง PHA เท่านั้นที่จะย่อยสลายภายใต้สภาวะที่หลากหลาย รวมถึงสภาพแวดล้อมแบบไร้ออกซิเจน แม้ว่าอัตราจะยังคงช้ากว่าในสภาพแวดล้อมที่มีปุ๋ยหมักหรือทางทะเลอยู่มาก

พลาสติกย่อยสลายได้ทางชีวภาพสามารถทดแทนพลาสติกวิศวกรรมไนลอนในงานโครงสร้างได้หรือไม่?

ไม่ใช่ในกรณีส่วนใหญ่ด้วยเทคโนโลยีวัสดุในปัจจุบัน พลาสติกวิศวกรรมไนลอน (PA6, PA66, PA12) มีคุณสมบัติเชิงกล — ความต้านทานแรงดึง 70–85 MPa, HDT สูงถึง 250°C, ทนทานต่อสารเคมีที่ดีเยี่ยม — ซึ่งทางเลือกที่ย่อยสลายทางชีวภาพในปัจจุบันไม่สามารถเทียบเคียงได้โดยไม่กระทบต่อความสามารถในการย่อยสลายทางชีวภาพ วิธีการคอมโพสิตชีวภาพโดยใช้การเสริมเส้นใยธรรมชาติในเมทริกซ์ PLA หรือ PHA สามารถเข้าใกล้พลาสติกวิศวกรรมไนลอนได้ในด้านความแข็ง แต่ความเหนียว ความคงตัวทางความร้อน และความทนทานต่อสารเคมีในระยะยาวยังคงด้อยกว่าอย่างมีนัยสำคัญ สำหรับการใช้งานเชิงโครงสร้าง พลาสติกไนลอนวิศวกรรมชีวภาพ (PA11 จากน้ำมันละหุ่ง PA410) นำเสนอแนวทางที่เป็นประโยชน์มากขึ้นในการลดผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อมโดยไม่ทำให้ประสิทธิภาพลดลง

อะไรคือความแตกต่างระหว่างพลาสติกที่ย่อยสลายได้และพลาสติกที่ย่อยสลายได้ทางชีวภาพ?

"ย่อยสลายได้ทางชีวภาพ" หมายความว่าวัสดุสามารถย่อยสลายโดยจุลินทรีย์ให้เป็นน้ำ CO2 และชีวมวลได้ แต่คำจำกัดความนี้ไม่ได้บ่งชี้ถึงมาตราส่วนเวลาหรือเงื่อนไขที่จำเป็น "ย่อยสลายได้" เป็นคำที่เฉพาะเจาะจงและมีการควบคุมมากขึ้น: พลาสติกที่ได้รับการรับรองภายใต้ EN 13432 (ยุโรป) หรือ ASTM D6400 (สหรัฐอเมริกา) จะต้องสลายตัวเป็นชิ้นส่วนที่มีขนาดน้อยกว่า 2 มม. ภายใน 12 สัปดาห์ในสภาวะการทำปุ๋ยหมักทางอุตสาหกรรม และย่อยสลายทางชีวภาพให้มีปริมาณคาร์บอนอย่างน้อย 90% เป็น CO2 ภายใน 6 เดือน พลาสติกที่ย่อยสลายได้ยังต้องแสดงให้เห็นว่าวัสดุที่เหลือไม่เป็นอันตรายต่อการเจริญเติบโตของพืช และปริมาณโลหะหนักยังต่ำกว่าเกณฑ์ที่กำหนด พลาสติกที่ย่อยสลายได้ทั้งหมดที่ได้รับการรับรองนั้นสามารถย่อยสลายได้ทางชีวภาพ แต่พลาสติกที่ย่อยสลายได้ทางชีวภาพบางชนิดนั้นไม่ได้รับการรับรองว่าสามารถย่อยสลายได้

พลาสติกย่อยสลายได้ทางชีวภาพมีราคาเท่าไรเมื่อเทียบกับวัสดุทางวิศวกรรมทั่วไป?

ในปี 2024 สินค้าโภคภัณฑ์ PLA มีราคาประมาณ 1.8–2.5 เหรียญสหรัฐ/กก. ซึ่งถือว่าต้นทุนสามารถแข่งขันกับเทอร์โมพลาสติกวิศวกรรมมาตรฐานหลายตัวได้ PHA ยังคงมีราคาแพงกว่ามากที่ 4–8 เหรียญสหรัฐฯ/กก. เนื่องจากปริมาณการผลิตที่ลดลงและกระบวนการนำกลับคืนที่ซับซ้อนมากขึ้น พลาสติกวิศวกรรมไนลอน (PA6) มีราคาซื้อขายอยู่ที่ 2.0–3.5 เหรียญสหรัฐฯ/กก. สำหรับเกรดมาตรฐาน ทำให้สามารถเทียบต้นทุนได้กับ PLA สำหรับการใช้งานบางประเภทในวงกว้าง อย่างไรก็ตาม การเปรียบเทียบราคาทั้งหมดต้องคำนึงถึงความแตกต่างในสภาวะการประมวลผล ข้อกำหนดในการทำให้แห้ง ผลกระทบต่อรอบเวลา และความจำเป็นสำหรับห่วงโซ่อุปทานที่ย่อยสลายได้ที่ผ่านการรับรองเมื่อสิ้นสุดอายุการใช้งาน เนื่องจากการผลิตพลาสติกที่ย่อยสลายได้ทางชีวภาพเพิ่มมากขึ้นทั่วโลก กำลังการผลิตพลาสติกชีวภาพทั้งหมดคาดว่าจะเพิ่มขึ้นจาก 2.18 ล้านตันในปี 2566 เป็นมากกว่า 6.3 ล้านตันภายในปี 2571 (ที่มา: European Bioplastics / nova-Institute) - คาดว่าต้นทุนจะเท่าเทียมกับพลาสติกทั่วไปสำหรับเกรดส่วนใหญ่ในช่วงปลายปี 2020

พลาสติกย่อยสลายได้ทางชีวภาพสามารถนำกลับมาใช้ใหม่ร่วมกับขยะพลาสติกทั่วไปได้หรือไม่?

นี่เป็นข้อกังวลในทางปฏิบัติที่สำคัญ พลาสติกที่ย่อยสลายได้ทางชีวภาพ โดยเฉพาะ PLA โดยทั่วไปเข้ากันไม่ได้กับกระแสการรีไซเคิลแบบเดิมๆ สำหรับ PET, HDPE หรือ PP แม้แต่การปนเปื้อนเล็กน้อยของ PLA (<1%) ในกระแสการรีไซเคิล PET ก็อาจทำให้เกิดข้อบกพร่องที่มองเห็นได้ในผลิตภัณฑ์ PET รีไซเคิล เนื่องจากความแตกต่างในลักษณะการหลอมละลายและความชัดเจนของแสง ระบบคัดแยกเชิงกลใช้สเปกโทรสโกปีใกล้อินฟราเรด (NIR) มากขึ้นเพื่อแยก PLA ออกจาก PET แต่ความแม่นยำยังไม่สมบูรณ์แบบ เส้นทางการสิ้นสุดอายุการใช้งานที่ถูกต้องสำหรับพลาสติกที่ย่อยสลายได้ที่ผ่านการรับรองคือการทำปุ๋ยหมักทางอุตสาหกรรม ไม่ใช่ถังขยะรีไซเคิลข้างทาง เทคโนโลยีการรีไซเคิลด้วยเอนไซม์ (เช่น แพลตฟอร์ม PETase ของ Carbios) อาจยอมให้โพลีเอสเตอร์ที่ย่อยสลายได้ทางชีวภาพถูกสลายโพลีเมอร์ทางเคมีกลับไปเป็นโมโนเมอร์ในที่สุด โดยไม่คำนึงถึงระดับการปนเปื้อน ซึ่งช่วยแก้ปัญหาความท้าทายในการคัดแยก

พลาสติกวิศวกรรมไนลอนกำลังจะยุติการผลิตเนื่องจากปัญหาด้านสิ่งแวดล้อมหรือไม่?

ไม่ พลาสติกวิศวกรรมไนลอน (โพลีเอไมด์) ยังไม่เลิกใช้ อายุการใช้งานที่ยาวนาน การรีไซเคิลผ่านทางกลไกและทางเคมี และอัตราส่วนประสิทธิภาพต่อน้ำหนักที่สูง ทำให้ผลิตภัณฑ์นี้เป็นวัสดุสำคัญในกลยุทธ์การลดน้ำหนักสำหรับยานพาหนะไฟฟ้า การบินและอวกาศ และโครงสร้างพื้นฐานพลังงานหมุนเวียน ซึ่งทั้งหมดนี้ช่วยลดการปล่อยก๊าซคาร์บอนโดยรวมของระบบ แนวโน้มในภาคส่วนพลาสติกวิศวกรรมไนลอนกำลังมุ่งไปที่การเพิ่มปริมาณทางชีวภาพ (PA11, PA410, PA66 และ PA6 ชีวภาพบางส่วนจากเส้นทางเฮกซาเมทิลีนไดเอมีนและกรดอะดิปิกชีวภาพที่เกิดขึ้นใหม่) แทนที่จะทดแทนด้วยวัสดุที่ย่อยสลายได้ทางชีวภาพ เกรด PA ที่เป็นสารรีไซเคิล (ทำจากอวนจับปลาที่หมดอายุการใช้งาน เศษสิ่งทอ หรือเศษอุตสาหกรรม) มีจำหน่ายมากขึ้นเป็นทางเลือกแบบหยดโดยมีผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อมน้อยกว่าพลาสติกไนลอนวิศวกรรมบริสุทธิ์

ก่อนหน้า：ไม่มีบทความก่อนหน้าต่อไป：พลาสติก PLA แข็งแรงแค่ไหนเมื่อเทียบกับไนลอนวิศวกรรม?