تجزیه و تحلیل کامل عملکرد پلی لاکتیک اسید

پلی لاکتیک اسید (PLA) یکی از پلاستیک های زیست تخریب پذیر با تحقیقات و کاربرد بالغ است. مواد اولیه آن از الیاف گیاهی تجدیدپذیر، ذرت، محصولات جانبی کشاورزی و غیره می باشد که قابلیت تجزیه زیستی خوبی دارند. PLA خواص مکانیکی بسیار خوبی دارد، مشابه پلاستیک های پلی پروپیلن، و می تواند جایگزین پلاستیک های PP و PET در برخی زمینه ها شود. در عین حال، براقیت، شفافیت، احساس و خاصیت آنتی باکتریال خاصی دارد.

1. وضعیت فعلی تولید PLA

در حال حاضر، دو مسیر سنتز PLA وجود دارد، یکی تراکم مستقیم است، یعنی اسید لاکتیک مستقیماً در دمای بالا و فشار کم کم آب می شود و متراکم می شود. فرآیند تولید ساده و کم هزینه است، اما جرم مولکولی محصول ناهموار است و اثر کاربردی عملی ضعیف است. مورد دیگر پلیمریزاسیون با باز کردن حلقه لاکتید است که در حال حاضر روش اصلی تولید است.

2. تجزیه پذیری PLA

PLA در دمای اتاق پایدار است، اما در محیط‌های دمای کمی بالاتر، محیط‌های اسیدی و محیط‌های میکروبی به راحتی و به سرعت به CO2 و آب تجزیه می‌شود. بنابراین، با کنترل محیط و پرکننده‌ها، می‌توان محصولات PLA را با خیال راحت در مدت اعتبار مورد استفاده قرار داد و پس از دفع به مرور زمان تخریب کرد.

عوامل مؤثر بر تخریب PLA عمدتاً شامل جرم مولکولی، حالت کریستالی، ریزساختار، دما و رطوبت محیط، مقدار pH، زمان نور و میکروارگانیسم‌های محیطی است. اختلاط PLA با مواد دیگر می تواند بر میزان تخریب تأثیر بگذارد. به عنوان مثال، افزودن مقدار معینی از آرد چوب یا فیبر کاه ذرت به PLA می تواند سرعت تخریب را تا حد زیادی تسریع کند.

3. خاصیت مانع PLA

مانع به توانایی یک ماده برای جلوگیری از عبور گاز و بخار آب اشاره دارد. مانع برای مواد بسته بندی بسیار مهم است. در حال حاضر رایج ترین کیسه های پلاستیکی زیست تخریب پذیر موجود در بازار کامپوزیت PLA/PBAT است. خواص مانع بهبود یافته فیلم های PLA می تواند زمینه کاربرد را گسترش دهد. عوامل موثر بر خواص بازدارنده PLA عمدتاً شامل عوامل داخلی (ساختار مولکولی و حالت کریستالی) و عوامل خارجی (دما، رطوبت و نیروی خارجی) است.

1) گرم کردن فیلم PLA خاصیت مانع آن را کاهش می دهد، بنابراین PLA برای بسته بندی مواد غذایی که نیاز به گرم کردن دارند مناسب نیست.

2) PLA را می توان در یک محدوده مشخص کشید تا خاصیت مانع را افزایش دهد. هنگامی که نسبت کشش از 1 به 6.5 افزایش می یابد، کریستالینی بودن PLA بسیار افزایش می یابد و بنابراین خاصیت مانع بهبود می یابد.

3) افزودن برخی موانع (مانند خاک رس و الیاف) به ماتریس PLA می تواند خاصیت مانع PLA را بهبود بخشد. این به این دلیل است که سد مسیر منحنی فرآیند نفوذ آب یا گاز مولکول‌های کوچک را طولانی می‌کند.

4) پوشش روی سطح فیلم PLA می تواند خاصیت مانع را بهبود بخشد.

4. خواص مکانیکی PLA

PLA استحکام خوبی دارد، اما فاقد چقرمگی است و به شدت مستعد خمش و تغییر شکل است که معمولاً نیاز به اصلاح سختی دارد. به منظور اطمینان از زیست تخریب پذیری PLA، معمولاً با مخلوط کردن با رزین زیست تخریب پذیر سخت می شود. PBAT، PBS، PCL، لاستیک طبیعی و سایر مواد می توانند چقرمگی PLA را بهبود بخشند.

5. خواص نوری PLA

PLA دارای شفافیت و براقی است که در سایر پلاستیک های تجزیه پذیر نادر است که با سلفون و PET قابل مقایسه است. مخصوصاً برای بسته بندی بصری مناسب است و جلوه دکوراسیون بهتر است. به طور کلی، شفافیت و براقیت PLA نیازی به بهبود ندارد و باید توجه داشت که هنگام اصلاح سایر جنبه‌ها تا حد امکان از شفافیت خوب آن کاسته نشود تا از دید بسته‌بندی و اثر تزئینی آن اطمینان حاصل شود.

6. خواص حرارتی PLA

پایداری حرارتی مواد PLA برابر با PVC است، اما کمتر از PP، PE و PS است. دمای پردازش به طور کلی بین 170 ℃ تا 230 ℃ کنترل می شود که برای تزریق، کشش، اکستروژن، قالب گیری دمشی، چاپ سه بعدی و سایر فرآیندهای پردازش مناسب است.

در فرآیند پردازش واقعی، سرعت تبلور PLA کند است و به طور کلی نیاز به اصلاح دارد. با توجه به سرعت تبلور آهسته و تبلور کم، دمای تغییر شکل حرارتی PLA کم است، که کاربرد آن را در بسته‌بندی محصول پر کردن گرم یا استریلیزاسیون حرارتی محدود می‌کند.

به منظور افزایش نرخ تبلور و تبلور PLA، می توان خلوص نوری PLA را تا حد امکان در زمان تولید افزایش داد. درمان آنیلینگ نیز روشی برای بهبود بلورینگی PLA است. علاوه بر این، عوامل هسته‌زا را می‌توان برای بهبود رفتار تبلور و تبلور، در نتیجه افزایش دمای تغییر شکل حرارتی و بهبود مقاومت حرارتی آن اضافه کرد.

7. خواص ضد باکتریایی PLA

PLA می‌تواند سطح محصول را به یک محیط اسیدی ضعیف تبدیل کند و دارای اثرات ضد باکتریایی و خفیف مقاوم باشد. اگر استفاده کمکی از سایر عوامل ضد باکتری بتواند بیش از 90 درصد میزان آنتی باکتریال را به دست آورد، می توان از آن برای بسته بندی ضد باکتریایی محصولات استفاده کرد.

عوامل ضد باکتری غیر آلی معمولاً شامل یون‌ها یا اکسیدهای فلزی مانند نقره، مس و روی هستند. عوامل آنتی باکتریال آلی که معمولا برای بسته بندی استفاده می شود شامل ترکیبات وانیلین یا اتیل وانیلین است. ایمنی مواد غذایی سایر عوامل ضد باکتری باید مورد مطالعه قرار گیرد.

8. خواص الکتریکی PLA

PLA را می توان به عنوان کامپوزیت پلیمری رسانا با پر کردن ذرات رسانا مانند کربن سیاه (CB)، نانولوله های کربنی (CNTs)، الیاف کربن (CF) یا گرافن تهیه کرد. کامپوزیت های پلیمری رسانا به طور گسترده در پلاستیک های ضد الکتریسیته ساکن، مواد محافظ الکترومغناطیسی، مواد گرم کننده با دمای خودکنترل، مواد با ضریب دمای مثبت و دستگاه های حساس به محیط استفاده می شوند.

کامپوزیت های پلیمری رسانای مبتنی بر Pla نیز قابلیت تجزیه و زیست سازگاری دارند که می توان از آن ها در بسته بندی های خاص آنتی استاتیک، بسته بندی های محافظ الکترومغناطیسی و بسته بندی های هوشمند استفاده کرد. پلیمر رسانا مبتنی بر Pla را می توان برای حسگرهای گاز یا مایع برای تشخیص اطلاعات کیفیت مواد غذایی استفاده کرد.