جدول المحتويات
البولي لاكتيد (PLA) - بلاستيك متخصص مستدام ذو إمكانيات مستقبلية
تتزايد أهمية البولي لاكتيد (PLA) في صناعة البلاستيك ويعتبر بديلاً رائدًا للبلاستيك القائم على الوقود الأحفوري. وباعتباره بوليستر حيوي، يتم إنتاج بوليلاكتيد PLA من حمض اللاكتيك، الذي يتم الحصول عليه بشكل أساسي من مواد خام متجددة مثل نشا الذرة أو قصب السكر (1). وتكمن أهميته الخاصة ليس فقط في إنتاجه المستدام، ولكن أيضًا في مجموعة واسعة من التطبيقات الممكنة بدءًا من التعبئة والتغليف إلى التطبيقات التقنية المتخصصة.
ومقارنةً بالبلاستيك القائم على البترول، يتميز بلاستيك PLA ببصمة كربونية أقل بكثير، حيث أن النباتات تربط بالفعل ثاني أكسيد الكربون أثناء نموها، والذي يتم إطلاقه مرة أخرى أثناء التخلص منه لاحقًا (1). إن حيادية ثاني أكسيد الكربون هذه تجعل من PLA لبنة بناء مهمة لصناعة البلاستيك المستدام. تُظهر التوقعات زيادة كبيرة في القدرات الإنتاجية للبلاستيك الحيوي مثل البلاستيك متعدد البلاستيك بحلول عام 2028، مع معدلات نمو تصل إلى 13% سنويًا (2).
أساسيات علم المواد وأنواع PLA
الخواص الحرارية الأساسية
يتميز PLA بخصائص حرارية مميزة تحدد تطبيقاته الممكنة. درجة حرارة درجة حرارة الانتقال الزجاجي حوالي 55-65 درجة مئوية، مما يضمن ثبات الأبعاد في درجات حرارة معتدلة. درجة حرارة درجة الانصهار تتراوح بين 150-180 درجة مئوية حسب درجة التبلور، مع درجات حرارة معالجة نموذجية تتراوح بين 180-220 درجة مئوية.
البلورة التبلور يُعد عاملًا حاسمًا في الخواص الميكانيكية لجزيئات PLA ويمكن أن يتراوح بين 0-45% من المحتوى البلوري. يتميز PLA غير المتبلور بشفافية ومرونة أكبر، بينما يتمتع PLA شبه البلوري بقوة أعلى وثبات حراري أفضل. نظرًا لأن PLA يتبلور ببطء، غالبًا ما يتم استخدام عوامل التنوي (مثل التلك أو أكسيد الزنك) أثناء المعالجة لتحقيق البنية البلورية المطلوبة.
أنواع ومتغيرات جيش التحرير الشعبي الصيني
ينعكس تنوع جيش التحرير الشعبي الصيني في مختلف الأنواع المتاحة تجاريًا:
الأنواع الأساسية وفقًا للكيمياء الفراغية:
- PLLA/PDLA (بولي- L- وبولي- D- لاكتيد): كلا الشكلين يختلفان في مسلماتهما الجزيئية (chirality). ويُعد حمض اللبنيك D- وحمض اللبنيك L- صورة معكوسة لنفس الجزيء. ويمكن أن يشكل الجمع بينهما ما يسمى بالمركبات المجسمة التي تتمتع بثبات حراري أعلى.
- PDLLA (بولي د، ل، لاكتيد): غير متبلور وأكثر مرونة، وغالباً ما يستخدم في التطبيقات الطبية.
المتغيرات الوظيفية:
- PLA عالي الحرارة: مقاومة محسنة للحرارة حتى 100 درجة مئوية تقريباً.
- PLA الشفاف: مُحسّن للوضوح العالي.
- PLA المحشو: معزز بألياف الخشب أو المعادن أو ألياف الكربون.
البوليمرات المشتركة والمزائج:
- خلطات PLA/PBAT: تحسين المرونة وقابلية التحلل.
- البوليمرات المشتركة PLA/PHA: قابلية التحلل البحري الأمثل.
- بلوكات البوليمرات المشتركة: خصائص قابلة للتخصيص بدون إضافات.
الخصائص التقنية والمقاومة
الخواص الميكانيكية والحرارية
يلفت PLA الأنظار بصلابته المتميزة وخصائصه الثابتة الأبعاد حتى درجة حرارة التحول الزجاجي التي تتراوح بين 55-65 درجة مئوية. الخصائص التقنية تجعل PLA مثيرًا للاهتمام للعديد من التطبيقات الخاصة، ولكنها تُظهر أيضًا قيودًا واضحة. تبلغ قوة الشد 50-70 ميجا باسكال، ومعامل المرونة 3-4 جيجا باسكال، مما يجعل PLA خيارًا جيدًا للتطبيقات التي تتطلب هندسة مستقرة.
ميزات تقنية إيجابية:
- قوة شد عالية (50-70 ميجا باسكال) ومعامل مرونة (3-4 جيجا باسكال)
- ثبات الأبعاد حتى درجة حرارة التحول الزجاجي (55-65 درجة مئوية)
- صلابة سطح جيدة ومقاومة للخدش
- مثبطات اللهب (LOI > 26%): خاصية إيجابية رئيسية تجعل جيش التحرير الشعبي الصيني أفضل بوضوح من البوليمرات الحيوية الأخرى مثل بولي هيدروكسي بوتيرات (PHB) أو بولي أسيتات.
- جودة سطح وشفافية ممتازة
الثبات والقيود
المقاومة الكيميائية لـ PLA للعديد من الوسائط جيدة، ولكنها تظهر نقاط ضعف محددة. إن PLA مقاوم للكحوليات والزيوت والأحماض الضعيفة، ولكنه حساس للقواعد القوية والأحماض المركزة، والتي يمكن أن تسبب التحلل المائي لروابط الإستر.
مقاومة للأشعة فوق البنفسجية:
PLA لديه ثبات معتدل للأشعة فوق البنفسجية، والذي يمكن تحسينه بشكل كبير باستخدام إضافات مناسبة. وغالبًا ما تُستخدم مواد ماصة للأشعة فوق البنفسجية مثل البنزوتريازول أو البنزوفينون وكذلك المثبتات القائمة على مثبتات ضوء الأمين المعوق (HALS) لمنع الاصفرار وفقدان الخصائص أثناء التعرض الطويل لأشعة الشمس. وبدون هذه المواد المضافة، يميل البلاستيك PLA إلى الاصفرار ويصبح هشًا عند تعرضه للأشعة فوق البنفسجية.
المقاومة الميكانيكية:
درجة حرارة الخدمة المستمرة حوالي 50 درجة مئوية. وفوق درجة حرارة التحول الزجاجي، يحدث فقدان كبير في القوة.
القيود التقنية:
- قوة تأثير منخفضة (2-5 كيلو جول/م²) وهشاشة في درجة حرارة الغرفة
- مقاومة معتدلة للحرارة (أعلى من 60 درجة مئوية إشكالية دون تعديل)
- الحساسية للتحلل المائي في الرطوبة العالية ودرجات الحرارة المرتفعة
- مقاومة محدودة للأشعة فوق البنفسجية والمواد الكيميائية تحت الحمل المستمر
- الميل للانزلاق تحت ضغط طويل الأمد
ومع ذلك، فإن قوة تأثيره المنخفضة وثباته الحراري المعتدل يضعان حدودًا: لا تصلح مادة PLA القياسية للتطبيقات شديدة الإجهاد أو المكثفة حرارياً فوق 60 درجة مئوية. وحتى فوق درجة حرارة التحول الزجاجي، تبدأ المادة في التشوه أو تفقد ثبات أبعادها.
مقارنة الاستدامة: بلاستيك PLA مقابل البلاستيك الأحفوري
تُظهر استدامة بلاستيك PLA بالمقارنة المباشرة مع البلاستيك التقليدي مزايا واضحة، ولكن أيضًا تحديات محددة. يتطلب إنتاج بلاستيك PLA طاقة أحفورية أقل بنسبة 25-68% من إنتاج البلاستيك التقليدي. وينتج هذا الانخفاض في متطلبات الطاقة عن
فوائد الاستدامة الرئيسية لجيش التحرير الشعبي الصيني:
- قاعدة المواد الخام المتجددة من الذرة أو قصب السكر
- انخفاض متطلبات الطاقة في الإنتاج بنسبة 25-68 % (بسبب انخفاض درجات حرارة المعالجة واستخراج المواد الخام الحيوية)
- بصمة أصغر لثاني أكسيد الكربون بسبب امتصاص النباتات لثاني أكسيد الكربون أثناء النمو
- القابلية للتحلل الحيوي في ظروف التسميد الصناعي
التحديات والقيود:
- استهلاك الأراضي والمياه لإنتاج المواد الخام
- المنافسة المحتملة مع إنتاج الغذاء
- التعدين فقط في ظل ظروف صناعية مثالية
- عملية تحلل أبطأ بشكل ملحوظ في السماد العضوي المنزلي أو في الطبيعة
تتمثل إحدى السمات الرئيسية للاستدامة في قابلية التحلل الحيوي وفقًا لمعيار DIN EN 13432. في ظل الظروف الصناعية المثلى، يتحلل جيش التحرير الشعبي الصيني إلى
إمكانات الابتكار والمزيد من التطوير
يوفر التطوير الإضافي لجزيئات PLA فرصًا بعيدة المدى لصناعة البلاستيك المتخصص. وتفتح العمليات الحديثة مثل البثق التفاعلي والبوليمرات المشتركة المبتكرة مجالات جديدة للتطبيق – مثل الأفلام المرنة للتغليف أو التصنيع المضاف أو المنسوجات (3). تتيح الخلطات المحددة والبوليمرات المشتركة مع البوليمرات الحيوية الأخرى إمكانية التحكم في خصائص بلاستيك PLA بطريقة مستهدفة.
يمكن لتقنيات التوليف المبتكرة أن تزيد من تحسين خصائص اللدائن القائمة على أساس حيوي. على سبيل المثال، يتم استخدام البوليمرات المشتركة للكتل لإنتاج مادة غشاء PLA أكثر مرونة وقابلة لإعادة التدوير دون إضافة الملدنات (4). تتيح أنواع جديدة من بلاستيك PLA إمكانية المعالجة على الآلات الصناعية القياسية، مما يسهل على الشركات الصغيرة والمتوسطة الدخول في الإنتاج.
مناهج التطوير لتحسين خصائص PLA المحسنة:
- كتل البوليمرات المشتركة لزيادة المرونة وقوة الصدمات
- المزج مع البوليمرات الحيوية الأخرى (PBAT، PHA، PBS)
- إضافات لتحسين مقاومة الحرارة وثبات الأشعة فوق البنفسجية
- مركبات الخشب والبوليمر للتطبيقات الخاصة
- إمكانية إعادة التدوير المحسّنة والاقتصاد الدائري
- عامل نواة للتبلور المتحكم فيه
يتيح الدمج مع الألياف الطبيعية واستخدام البوليمرات الحيوية البديلة حلولاً للتطبيقات الخاصة التي كان من الصعب استبدالها في السابق. كما أن التقدم في إعادة التدوير الكيميائي والميكانيكي يجعل الاستخدام القابل لإعادة التدوير أمرًا واقعيًا، خاصةً بالنسبة لجزيئات البلاستيك PLA، والتي يمكن إعادة تدويرها بمدخلات طاقة أقل (5).
التطبيقات النموذجية وفرص السوق
وقد أثبت جيش التحرير الشعبي الصيني نفسه في العديد من فروع الصناعة ويعتبر أحد أكثر أنواع البلاستيك الحيوي تنوعاً. وأكبر قطاع في السوق هو صناعة التعبئة والتغليف، حيث يُستخدم بلاستيك PLA على نطاق واسع نظراً لشفافيته وثبات أبعاده وقابليته للتسميد. وتشمل التطبيقات النموذجية تغليف المواد الغذائية مثل الأغلفة والأكواب والصواني، وكذلك أدوات المائدة التي تستخدم لمرة واحدة والتغليف المرن والملصقات والحلول اللاصقة الحساسة للضغط.
هناك مجال آخر سريع النمو هو
الطباعة ثلاثية الأبعاد
. وهنا تلفت PLA الأنظار بسهولة معالجتها وثبات أبعادها الجيد وانكماشها المنخفض. يتم استخدامه في
كما يُستخدم جيش التحرير الشعبي الصيني على نطاق واسع في التكنولوجيا الطبية والمستحضرات الصيدلانية نظراً لتوافقه الحيوي وقابليته للتحلل. وتشمل الأمثلة على ذلك الغرسات والبراغي القابلة للامتصاص، والخيوط الجراحية، وغرز الجراحة، وأقفال الجروح، والأجهزة التي تستخدم لمرة واحدة، وكبسولات الأدوية كجزء من أنظمة توصيل الأدوية.
بالإضافة إلى هذه الأسواق الراسخة، تظهر مجالات تطبيق جديدة بشكل متزايد. في صناعة السيارات، يتم اختبار المواد القائمة على جيش التحرير الشعبي الصيني للألواح الداخلية وقطع الديكور والتنجيد والمكونات المؤقتة في عملية التصنيع. كما يكتسب جيش التحرير الشعبي الصيني أهمية في قطاع الإلكترونيات والسلع الاستهلاكية – على سبيل المثال لأغلفة الأجهزة والألعاب والأدوات المنزلية أو المنتجات الرياضية والترفيهية، طالما أنها لا تتعرض لدرجات حرارة عالية.
في قطاع المنسوجات، تتم معالجة البلاستيك PLA في المنسوجات غير المنسوجة، والمنسوجات التقنية، ومواد الترشيح والألياف المخلوطة للملابس. إن أصله الحيوي وقابليته للتسميد يجعله جذابًا بشكل خاص للتطبيقات ذات العمر الإنتاجي المحدود.
يعمل القبول الاجتماعي للمواد المستدامة والمتطلبات التنظيمية الصارمة المتزايدة على تعزيز استخدام بوليمرات PLA في العديد من الصناعات. وبناءً على ذلك، تتزايد الحصة السوقية للبوليمرات الحيوية بشكل مستمر – ليس فقط في قطاع التعبئة والتغليف، ولكن أيضًا بشكل متزايد في التطبيقات التقنية والمتينة.
الخاتمة
يرسخ PLA نفسه كبديل مستدام ومتعدد الاستخدامات التقنية للبلاستيك التقليدي في صناعة البلاستيك المتخصص. وتكمن مزاياه في إنتاجه القائم على أساس حيوي وانخفاض بصمته الكربونية وقابليته للتحلل الحيوي في ظل الظروف الصناعية. وبفضل انخفاض متطلبات الطاقة الأحفورية بنسبة 25-68% وانخفاض انبعاثات غازات الاحتباس الحراري بشكل كبير، يوفر البلاستيك المصنوع من البلاستيك متعدد الأدوار فوائد واضحة للاستدامة.
الخصائص التقنية مع درجة حرارة التحول الزجاجي التي تتراوح بين 55-65 درجة مئوية ودرجة انصهار تتراوح بين 150-180 درجة مئوية تجعل PLA مناسبًا للعديد من التطبيقات، ولكن تظهر أيضًا حدودًا محددة. ويحد الثبات الحراري المحدود وقوة الصدمات المحدودة من استخدامه في التطبيقات شديدة الإجهاد أو التطبيقات التي تتطلب ضغطًا حراريًا شديدًا. ومع ذلك، فإن التطورات المبتكرة مثل البوليمرات المشتركة الكتلية والخلطات الوظيفية والتنوع الكبير في أنواع PLA المتاحة تفتح إمكانيات جديدة لتحسين الخصائص المستهدفة.
تتيح متغيرات PLA المختلفة، من PLLA عالي التبلور إلى البوليمرات المشتركة المرنة، مجموعة واسعة من التطبيقات النموذجية من التغليف والتكنولوجيا الطبية إلى المكونات التقنية. يعمل التحسين المستمر للمقاومة الكيميائية والأشعة فوق البنفسجية والميكانيكية من خلال الإضافات والتعديلات على توسيع نطاق التطبيقات باستمرار.
تؤكد توقعات السوق بمعدلات نمو سنوية تصل إلى 13% حتى عام 2028 على إمكانات جيش التحرير الشعبي الصيني. بالنسبة للمستقبل، من الأهمية بمكان أن يتم تحسين الاقتصاد الدائري وأن يكون إنتاج المواد الخام مستدامًا. ولذلك فإن جيش التحرير الشعبي الصيني على عتبة صناعة بلاستيك مستدامة – فعالة ومتعددة الاستخدامات، ولكن لا تزال هناك حدود ذات صلة بالنظام من حيث قابلية التحلل والاستقرار على المدى الطويل.
قائمة المصادر
(1) باك-فيردي: علم المواد – PLA
(2) بايرن إنوفاتيف: رؤية لمستقبل البلاستيك الحيوي كمفتاح للاستدامة
(3) جامعة شتوتغارت: تطوير البوليلاكتيد
https://elib.uni-stuttgart.de/bitstreams/db9dbe4a-21bf-47bb-b9af-83947b161a24/download
(4) الابتكار المتطور: مادة فيلم PLA
https://www.haute-innovation.com/magazin/nachhaltigkeit/pla-folienmaterial/
(5) تقرير الابتكار: البلاستيك القائم على أساس حيوي
