Die Nachfrage nach biologisch abbaubaren Polymeren ist aufgrund von Umweltbedenken in Bezug auf die Verwendung von nicht erneuerbaren Materialien gestiegen. Styropor und andere Kunststoffe gehören zu den am häufigsten produzierten Materialien für Verpackungen und andere Anwendungen. Solche Materialien verursachen Land- und Wasserverschmutzung und wurden in einigen Studien mit Gesundheitsproblemen bei Menschen und Tieren in Verbindung gebracht. Um diese Probleme zu lösen, arbeiten Wissenschaftler und Ingenieure fleißig an Innovationen und schaffen neue biologisch abbaubare Polymere. Sie werden häufig in verschiedenen Bereichen und Anwendungen wie Verpackung, Landwirtschaft und Gesundheitswesen eingesetzt. Verschiedene Arten von Materialien, die zur Entwicklung biologisch abbaubarer Polymere verwendet werden, werden von Wissenschaftlern und Ingenieuren erforscht und getestet, um ihre Wirksamkeit, Sicherheit und Umweltverträglichkeit zu bewerten. Biologisch abbaubare Polymere werden in die Gesellschaft integriert und werden zur Norm bei Kunststoffverpackungen, die einen gesunden, nachhaltigen Lebensstil fördern. Tatsächlich entwickelt es sich zum nächsten großen Ding: Laut einem Geschäftsbericht von MarketsandMarkets soll das Marktvolumen für biologisch abbaubare Kunststoffe bis 2023 auf 6,12 Milliarden US-Dollar wachsen.
Bei der Entwicklung neuer biologisch abbaubarer Polymere berücksichtigen die Forscher das biologisch abbaubare Verhalten und die antimikrobielle Aktivität der Materialien. Verschiedene Arten von Materialien, die zur Herstellung biologisch abbaubarer Polymere verwendet werden, werden durch unterschiedliche Prozesse hergestellt. Beispielsweise ist Polymilchsäure (PLA) ein biologisch abbaubarer Polyester, der durch Fermentation von nachwachsenden Pflanzen wie Mais und Zuckerrüben aus Milchsäure hergestellt wird. Polycaprolacton (PCL), ein weiteres häufig verwendetes Material, ist ein biologisch abbaubarer Polyester mit guter thermischer Verarbeitbarkeit, niedrigem Schmelzpunkt und niedriger Viskosität, der durch Polymerisation von Ɛ-Caprolacton synthetisiert wird. PCL wird normalerweise mit anderen Polymeren gemischt, um die Belastbarkeit und Haftung zu erhöhen. Andere Materialien, die zur Entwicklung biologisch abbaubarer Polymere verwendet werden, umfassen Polyhydroxyalkanoate (PHA) und Polyhydroxybutyrate (PHB). Diese Materialien finden sich häufig in Lebensmittelverpackungen.
Auch biologisch abbaubare Polymere werden durch die Verschmelzung einzelner Komponenten zu einem neuen Material entwickelt. Beispielsweise können Stärke und Polyolefine gemischt werden, um biologisch abbaubare Verpackungen herzustellen. Der Syntheseprozess erfordert entweder Gieß- oder Blasfolie. Die Polyolefine helfen bei der Verbesserung der mechanischen Eigenschaften des biologisch abbaubaren Materials, während große Mengen an Stärke – bis zu 60 % Massenkonzentration – verwendet werden, um das Material zu etwas biologisch Abbaubarem zu machen.
Ein weiteres prominentes Material, das in biologisch abbaubaren Polymeren verwendet wird, ist Zellulose, ein natürliches, biobasiertes Polymer, das aus Bäumen und Pflanzen gewonnen wird. Es ist ein zähes Polymer mit wünschenswerten Zugfestigkeits- und Dehnungseigenschaften. Darüber hinaus kann Zellulose mit anderen Polymeren gemischt werden, um ein im Wesentlichen biologisch abbaubares Material zu erzeugen. Bei den neuesten Entwicklungen handelt es sich angeblich um biobasierte Polymere mit verbesserter Leistung und Eigenschaften. Nature Works LLC hat neue PLAs mit besseren thermischen und mechanischen Eigenschaften entwickelt. Weitere Entwicklungen sind neue Polyamide, Polyester und PHAs, die sich in ihren Eigenschaften deutlich von bestehenden biobasierten Polymeren unterscheiden.
Integration antimikrobieller Technologie in biologisch abbaubare Polymere
Verschiedene Arten von Materialien und Techniken werden verwendet, um eine vielfältige Kohorte biologisch abbaubarer Polymere herzustellen. Herkömmliche Polymere werden aus Erdölressourcen hergestellt, die sie widerstandsfähig gegen Abbau machen. Biologisch abbaubare Biomaterialien haben Fortschritte bei den Substanzen, die zu ihrer Herstellung verwendet werden, und der Synthese der Polymere mit bestimmten Eigenschaften für spezifische biomedizinische Anwendungen erfahren, wie in „ Current Development of Biodegradable Polymeric Materials for Biomedical Applications “, veröffentlicht in Drug Design, Development and Therapy, erwähnt. Die Forschung und Entwicklung biologisch abbaubarer Biomaterialien hat sich auf temporäre Prothesen, poröse 3D-Gerüste für die Gewebezüchtung und Arzneimittelabgabesysteme ausgewirkt.
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| Mit freundlicher Genehmigung von Nanomaterials 2019, 9(11), 1548; https://doi.org/10.3390/nano9111548 . |
Biologisch abbaubare Polymere können auch antimikrobielle Technologie enthalten. Antimikrobielle Lebensmittelverpackungen verlängern die Haltbarkeit und verleihen dem Produkt eine längere Haltbarkeit. Antimikrobielle Verpackungen werden hergestellt, indem den Verpackungscompounds bioaktive Wirkstoffe zugesetzt werden. Die bioaktiven Wirkstoffe werden aufgebracht, indem die Oberfläche der Verpackung beschichtet oder ein Film unter Verwendung von antimikrobiellen Polymeren erzeugt wird. Die bioaktiven Mittel können mit zuvor erwähnten Materialien wie PLA, PHB und Stärke verwendet werden.
Biobasierte Polymere sind derzeit ein Trend in der Forschung und Entwicklung für Alternativen zu bestehenden Polymeren. Forscher befassen sich mit neuen Materialien , die hergestellt werden können, um die Verwendung von erdölbasierten Polymeren auszugleichen. Biobasierte Polymere bestehen aus nachwachsenden Rohstoffen. Diese Polymere machen derzeit einen kleinen Anteil – weniger als 1 % – des Kunststoffmarktes aus. Biobasierte Polymere werden über den bakteriellen Fermentationsprozess formuliert, der Monomere aus erneuerbaren Quellen synthetisiert, die aus landwirtschaftlichen Pflanzen, Fettsäuren, Lignozellulose-Biomasse und organischen Abfällen stammen. Natürliche biobasierte Polymere kommen intrinsisch in verschiedenen Proteinen und Nukleinsäuren wie Kollagen vor.
Bei der Verbesserung von biologisch abbaubaren Polymeren müssen Nachteile wie schwache mechanische Eigenschaften, schlechte elektrische und thermische Eigenschaften und enge Verarbeitungsfenster in Kauf genommen werden. Eine Möglichkeit besteht darin, sie mit Nanofüllstoffen zu kompositieren. Verbundwerkstoffe haben je nach Oberfläche und Seitenverhältnis des Materials unterschiedliche Anwendungen und Eigenschaften. Verbundwerkstoffe verbessern die Eigenschaften von biologisch abbaubaren Polymeren und bleiben gleichzeitig umweltfreundlich. Biologisch abbaubare Verbundmaterialien haben verschiedene Anwendungen, wie künstliche Gelenke, Arzneimittelabgabesysteme, Biofilme und Lebensmittelverpackungen. Biobasierte Hybrid-Nanokomposite werden zusammen mit biobasierten Polymeren verwendet, um die natürlichen Fasern der Polymere zu verbessern sowie ihre Gesamtleistung und Haltbarkeit zu verbessern.
Die neuesten erwarteten Durchbrüche in der Kunststoffindustrie bestehen darin, Kunststoff biologisch abbaubarer zu machen und gleichzeitig seine Festigkeit und Haltbarkeit zu erhalten, um mit generischen Kunststoffen konkurrieren zu können. Eine laufende Entwicklung konzentriert sich auf biologisch abbaubaren Kunststoff, der aus einem Polymer auf synthetischer Basis wie Polymilchsäure und Polycaprolacton hergestellt wird, dem synthetisierte ausgewählte Nanopartikelstärken zugesetzt werden. Stärke ist ein vielseitiges Material, das möglicherweise in der Polymertechnologie verwendet werden kann, um synthetische Polymere herzustellen und Biopolymere durch einen Fermentationsprozess herzustellen. Wenn Stärke mit verschiedenen Materialien gemischt und gelatiniert wird, erzeugt sie unterschiedliche Eigenschaften, wie z. B. Binde- und Gelfähigkeit, die ein Segen für eine Reihe von Anwendungen sowie ein Vorteil für den biologischen Abbau sind.
Vom Lightweighting bis zur aktiven Lebensmittelverpackung
Metallersatz in Automobilanwendungen ist ein weiteres heißes Thema im Bereich biologisch abbaubarer Kunststoffe. Technisch abbaubare Kunststoffteile tragen zur Gewichtsreduzierung bei, was den Kraftstoffverbrauch senkt. Auch andere Branchen wie Textilien und Konsumgüter verwenden biologisch abbaubare Kunststoffe. Die Produktion biologisch abbaubarer Kunststoffe wächst stetig, wobei bis 2023 schätzungsweise 2,6 Millionen Tonnen produziert werden sollen (von denen 65 % für Verpackungen verwendet werden sollen). Es wird auch erwartet, dass bis 2023 Polyethylenfuranoat auf den Markt gebracht wird, das die neue Neuheit bei biobasiertem Kunststoff für Getränkeflaschen werden könnte.
Auch biologisch abbaubare Folien und Beschichtungen für aktive Lebensmittelverpackungen werden entwickelt. Ätherische Ölverbindungen werden für Filme und Beschichtungen erforscht. Die Erforschung ätherischer Öle weckt das Interesse an weiteren natürlichen Zusatzstoffen. Beispielsweise wurde die Wirksamkeit von Zelluloseacetat in biologisch abbaubaren Kunststoffen untersucht, einschließlich der Festigkeit, Beständigkeit, Formbarkeit, Vielseitigkeit bei der Herstellung und der elektrischen Leitfähigkeit des Materials. Tests zum biologischen Abbau wurden durchgeführt, um festzustellen, wie Celluloseacetat den biologischen Abbau in Flachsfasern und Baumwoll-Linters unterstützen würde. Testergebnisse zeigen, dass Celluloseacetat im Laufe der Zeit an Gewicht verliert und in zwei Wochen bei verschiedenen Temperaturen etwa 32 bis 41 % seines Gewichts verliert. Diese Ergebnisse schließen daraus, dass Celluloseacetat sowohl in Flachsfasern als auch in Baumwoll-Linters durch thermophile Mikroorganismen biologisch abbaubar ist. Celluloseacetat wird auch zur Herstellung von fotografischen Filmen, Filtrationsmembranen und Fasern verwendet, was seine Funktionalität bei der Entwicklung von biologisch abbaubaren Kunststoffen weiter unter Beweis stellt.
Darüber hinaus wurden synthetische Polymer-Keramik-Verbundstoffe für ihre Verwendung in biomedizinischen Anwendungen erforscht, insbesondere für die Behandlung von knochenbedingten Krankheiten und Störungen. Keramiken eignen sich aufgrund ihrer Biokompatibilität und ihres knochenähnlichen Aufbaus hervorragend für diese Art von Anwendung. Synthetische Polymere wurden ausgewählt, da natürliche Polymere wie Kollagen Probleme wie Instabilität und unterdurchschnittliche biologische Abbaubarkeit gezeigt haben. Verschiedene additive Fertigungsverfahren wie Stereolithographie, selektives Lasersintern (SLS) und Bioprinting können für die Herstellung solcher Verbundwerkstoffe verwendet werden, die als Implantat oder zur Behandlung von Knochenerkrankungen fungieren können. Das spezifische Verfahren hängt jedoch von den Spezifikationen des Verbundmaterials ab.
Die biologische Abbaubarkeit verbessert die Leistung des Polymerelektrolyten
Jüngste Studien haben herausgefunden, dass die Verwendung von biologisch abbaubaren Polymeren bei der Herstellung von Polymerelektrolyten zu höheren Leistungsfähigkeiten im Vergleich zu nicht biologisch abbaubaren Gegenstücken führte. Diese verbesserten Fähigkeiten der Festelektrolyte umfassen Ionenleitfähigkeit und -stabilität. Das Dünnfilmpolymer wird durch das Mischen einer Polymerlösung und einer Salzlösung in einem gemeinsamen Lösungsmittel, gefolgt von einem Mischen mit Additiven und einem späteren Verdampfen des Lösungsmittels hergestellt. Die Ionenleitfähigkeit und die mechanischen Eigenschaften der Elektrolyte werden von mehreren Faktoren beeinflusst, darunter die Art der verwendeten Polymere und die Vielfalt der verwendeten ionischen Salze. Durch das Mischen der Polymere ermöglicht ein Material eine bestimmte Eigenschaft des Elektrolyten, während das andere eine andere Eigenschaft wie Ionentransport und mechanische Festigkeit ermöglicht.
Ein neues Produkt auf Basis biologisch abbaubarer Polymere filtert Trinkwasser und fügt ihm wichtige Mineralien hinzu. Die duale Funktion reinigt das Wasser und ergänzt es mit Mineralien und Salzen, sodass das Wasser wichtige Nährstoffe liefern kann, auch wenn diese ursprünglich nicht verfügbar sind. Die Filtermembranen bestehen aus zwei Schichten: Eine poröse Schicht zum Filtern besteht aus biologisch abbaubaren Polymeren; die andere Schicht aus Faserverbundwerkstoffen fügt Salze und Mineralien hinzu. Die Fasern werden aus bestimmten Pflanzen wie Banane und Spinat hergestellt, die aufgrund ihres Mineral- und Salzgehalts ausgewählt werden, um den Nährstoffbedarf zu decken.
Die laufende Forschung zu biologisch abbaubaren Kunststoffen untersucht die verschiedenen Permutationen biologisch abbaubarer Nanoverbundstoffe, die in der Industrie eingesetzt werden können, und die Entwicklung neuer biologisch abbaubarer Nanoverbundstoffe mit verbesserten mechanischen Eigenschaften und Trenneigenschaften, die hohen Temperaturen standhalten können.
Biologisch abbaubare Nanofüllstoff-Verbundmaterialien werden zusammen mit den zu ihrer Synthese verwendeten Methoden erforscht. Die unterschiedlichen Methoden, die zur Herstellung der Nanofüllstoff-Verbundmaterialien verwendet werden, hängen von den Materialien ab, die als Nanofüllstoffe verwendet werden. Zum Beispiel werden biologisch abbaubare Verbundwerkstoffe aus Nanozellulose einem Lösungsmittelguss und einer Schmelzverarbeitung unterzogen, was dabei hilft, Nanozellulose in das Polymer einzufügen. Das Verfahren bestimmt die Art des verwendeten Polymers. Lösungsmittelgießen verwendet wasserlösliche Polymere, Polymeremulsionen und wasserunlösliche Polymere. Die Schmelzverarbeitung wird üblicherweise verwendet, um ein Material zu schmelzen, indem einer Maschine plastifiziertes Material hinzugefügt wird. Nanoclay-biologisch abbaubare Verbundwerkstoffe sind ein weiteres Material, das in biologisch abbaubaren Kunststoffen verwendet wird. Die zur Synthese von biologisch abbaubarem Nanoclay verwendeten Methoden sind Polymerlösungseinbettung, In-situ-Polymerisation und Schmelzeinbettung. Kohlenstoffnanoröhrchen werden auch als Funktion von Nanofüllstoffen untersucht. Kohlenstoffnanoröhren verbessern biologisch abbaubare Verbundwerkstoffe, indem sie die Molekularstruktur und den Dispersionsgrad beeinflussen. Wenn die Kohlenstoff-Nanoröhrchen gleichmäßig dispergiert sind, können die Verbundstoffe fester und haltbarer werden.
Biologisch abbaubare Kunststoffe haben ein spannendes Potenzial, die Art und Weise, wie Menschen ihr Leben leben, durch achtsame Nachhaltigkeit zu verändern. Biologisch abbaubare Polymere können über Lebensmittelverpackungen hinausgehen und Möbel, Batterien, Zahnbürsten, Windeln, Telefone, Computer und mehr revolutionieren. Forscher machen weiterhin Fortschritte bei der Entwicklung biologisch abbaubarer Materialien, die den Industrie- und Sicherheitsrichtlinien entsprechen, erschwinglich und erneuerbar sind und in Bezug auf Leistung und Haltbarkeit mit herkömmlichen Kunststoffen konkurrieren können, während sie umweltfreundlich sind. Die Welt kann sich auf biologisch abbaubare Polymere freuen, die die Herstellung jedes Produkts grundlegend verändern werden.
Über die Autoren
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| Raj Shah, PhD |
Dr. Raj Shah ist derzeit Direktor bei Koehler Instrument Co., einem Hersteller von Erdölprüfgeräten, und außerordentlicher Professor an der Abteilung für Materialwissenschaft und Chemieingenieurwesen der State University of New York (Stony Brook, NY). Er ist seit 25 Jahren aktives ASTM-Mitglied. Er hatte zahlreiche Führungspositionen in verschiedenen ASTM-Ausschüssen inne und ist dreimaliger Empfänger des ASTM Award of Excellence und des ASTM Eagle Award. Shah hat einen Doktortitel in Chemieingenieurwesen von der Penn State University und einen Fellow-Status vom Chartered Management Institute, London. Dr. Shah war kürzlich Mitherausgeber eines Referenz-Bestsellers, Fuels and Lubricants Handbook , herausgegeben von ASTM.
Er ist ein von seinen Kollegen am Energy Institute, NLGI, STLE, IChemE, INSTMC, AIC, CMI und der Royal Society of Chemistry gewählter Fellow. Als Chartered Petroleum Engineer wurde er kürzlich von der Institution of Chemical Engineers, UK, zum Fellow gewählt. Dr. Shah wurde kürzlich auch von Tau Beta Pi, der höchsten Gesellschaft für technische Ehren in den USA, mit einer angesehenen Ingenieurbezeichnung geehrt. Weitere Informationen zu Shah finden Sie hier .
Er ist unter [email protected] erreichbar.
Frau Hillary Wong und Herr Rui Chen sind Chemieingenieure von der Stony Brook University, wo Dr. Shah Vorsitzender des externen Beirats ist. Sie sind auch Teil eines erfolgreichen Praktikumsprogramms bei Koehler Instrument Co. in Holtsville, NY.
