تحليل المشاكل والتطبيقات في تكنولوجيا الأفلام البلاستيكية القابلة للتحلل

يعد الفيلم البلاستيكي أحد المواد المهمة للإنتاج الزراعي، وقد أدى تطبيق تكنولوجيا تغطية الفيلم البلاستيكي إلى تحسينات كبيرة في الإنتاجية الزراعية وتغييرات في أساليب الإنتاج في الصين. في عام 2014، بلغ إجمالي كمية الأفلام البلاستيكية المستخدمة في الصين 1.441 مليون طن، تغطي مساحة تزيد عن 2000 هكتار. وقد توسعت مجالات التطبيق من المناطق القاحلة وشبه القاحلة في الشمال إلى الجبال العالية والمناطق الباردة في الجنوب، كما توسعت أنواع المحاصيل المشمولة من المحاصيل الاقتصادية إلى محاصيل الحبوب السائبة. وقد أدت وظائف الغطاء البلاستيكي، مثل التدفئة والاحتفاظ بالرطوبة، والوقاية من الأمراض والحشرات، ومكافحة الأعشاب الضارة، إلى زيادة إنتاجية المحاصيل بنسبة 20% إلى 50%، مما يقدم مساهمات كبيرة في ضمان إمدادات الأمن الغذائي في الصين. ومع ذلك، في الوقت نفسه، أدى الاستخدام الواسع النطاق لأغطية الأفلام البلاستيكية أيضًا إلى سلسلة من المشكلات، مثل ضعف التكنولوجيا وإعادة التدوير، و"التلوث الأبيض" الناجم عن الأفلام البلاستيكية المتبقية. أصبح البحث والتطوير للأغشية البلاستيكية القابلة للتحلل اتجاهًا استراتيجيًا مهمًا لتطوير صناعة البلاستيك والزراعة.
 
المفهوم والمكونات الرئيسية للفيلم البلاستيكي القابل للتحلل
يشير الفيلم البلاستيكي القابل للتحلل الحيوي إلى نوع من الأفلام البلاستيكية التي تتحلل بواسطة الكائنات الحية الدقيقة في البيئة الطبيعية. وتعرفها لجنة تكنولوجيا أبحاث البلاستيك القابلة للتحلل الحيوي في اليابان بأنها "مركبات ذات وزن جزيئي مرتفع ومزيجها يمكن أن تتحلل إلى مركبات ذات وزن جزيئي منخفض ليس لها آثار ضارة على البيئة من خلال العمل الميكروبي في الطبيعة". وفقًا للمواد الخام الرئيسية، يمكن تقسيمها إلى أفلام قابلة للتحلل مصنوعة من الكتلة الحيوية الطبيعية وأفلام قابلة للتحلل مصنوعة من مواد بترولية. يتم تعديل الكتلة الحيوية الطبيعية مثل النشا والسليلوز والكيتين وما إلى ذلك ثم يتم تصنيعها في مواد إنتاج الأفلام القابلة للتحلل. يمكن تقسيم النشا باعتباره المادة الخام الرئيسية للأفلام البلاستيكية إلى فيلم بلاستيكي قابل للتحلل غير مكتمل مضاف إليه النشا وفيلم بلاستيكي قابل للتحلل بالكامل مع النشا باعتباره المادة الخام الرئيسية وفقًا لآلية التحلل وشكل الضرر. يتم تصنيع الفيلم القابل للتحلل الحيوي من النوع الإضافي عن طريق خلط البوليمرات الطبيعية أو الاصطناعية ذات الخصائص القابلة للتحلل الحيوي في بلاستيك PE، ثم نفخها بالمتوافقات ومضادات الأكسدة ومساعدات المعالجة. إنه ليس فيلمًا قابلاً للتحلل تمامًا. يتم تخمير الطبقة القابلة للتحلل بالكامل والتي يتم إنتاجها من النشا بشكل أساسي لإنتاج حمض اللاكتيك، والذي يتم بعد ذلك تصنيعه إلى حمض متعدد اللاكتيك. يتم إنتاج الفيلم بشكل رئيسي من حمض البوليلاكتيك. نوع آخر مهم من الكتلة الحيوية الطبيعية هو الألياف، والتي يمكن استخدامها لإنتاج الأفلام البلاستيكية عن طريق الأثير، والأسترة، وأكسدة السليلوز إلى أحماض، والألدهيدات، والكيتونات. إنه ينتمي إلى فيلم بلاستيكي قابل للتحلل بالكامل. المكونات الرئيسية لإنتاج الأفلام القابلة للتحلل الحيوي القائمة على النفط هي بوليسترات ثنائي حمض ثنائي (PBS، PBAT، إلخ)، بولي هيدروكسي ألكانوات (PHA)، بولي كابرولاكتون (PCL)، بولي هيدروكسي بويترات (PHB)، ثاني أكسيد الكربون بوليمر بولي بروبيلين كربونات (PPC)، إلخ. يمكن أن تتحلل هذه المواد ذات الوزن الجزيئي العالي بسرعة وتستخدمها الكائنات الحية الدقيقة في الطبيعة، ومنتجات التحلل النهائية هي ثاني أكسيد الكربون والماء.
 
بحث وتطبيق الأفلام البلاستيكية القابلة للتحلل الحيوي في المراحل الأولى من تطوير الأفلام القابلة للتحلل الحيوي، كان الفيلم القابل للتحلل الحيوي المضاف إليه النشا دائمًا هو محور البحث والتطوير. بدءًا من تحضير الفيلم في البداية عن طريق مزج 6% ~ 20% من النشا وأوليفينات البوليمر، تطورت تدريجيًا إلى تحضير الفيلم عن طريق مزج 50% من النشا والبوليمر المحب للماء. في الوقت الحاضر، يتم تعديل النشا لإنتاج مواد بلاستيكية قابلة للتحلل، والتي تستخدم بعد ذلك لإنتاج الأفلام البلاستيكية. يتميز هذا النوع من الأفلام البلاستيكية بمزايا العملية البسيطة والتكلفة المنخفضة. تنتج معظم وحدات البحث والتطوير المحلية مواد بلاستيكية نشاءية مضافة، بمحتوى نشا يتراوح من 10% إلى 30% في منتجاتها.
 
في أوائل الثمانينيات، اكتشفت المملكة المتحدة طريقة لاستخلاص وتنقية بيتا هيدروكسي بويترات (PHB) وتحويلها إلى أغشية رقيقة، مما أدى إلى إنتاج أقدم الأغشية القابلة للتحلل. ومع ذلك، كان PHB ضعيفًا في قوة التأثير ومقاومة الذوبان، ولا يمكن استخدامه حقًا في الإنتاج الزراعي. بدأت الأبحاث حول polyhydroxyalkanoates (PHA) في الصين في الثمانينات. اكتشف معهد شنغهاي للكيمياء العضوية وجامعة تيانجين تخليق البوليمرات المشتركة PHB باستخدام الطرق الكيميائية، وبدأ بعض الناس في استخدام أوراق النباتات أو جذورها لإنتاج PHBV. نظرًا للعيوب الكامنة مثل الهشاشة والتكلفة العالية والسعر المرتفع لـ PHBV، فإن تطبيقه كفيلم بلاستيكي محدود. تشمل المواد التي تم تطويرها حاليًا لإنتاج الأفلام البلاستيكية القابلة للتحلل الحيوي بشكل أساسي النشا المخمر إلى حمض اللاكتيك، والذي يتم بلمرته بعد ذلك لتكوين حمض متعدد اللبن قابل للتحلل بالكامل (PLA)؛ بوليبوتانيديول سكسينات (PBS) يتكون من بلمرة حمض السكسينيك والبيوتانيديول. بولي (كربونات البروبيلين) (PPC) المتولد عن بلمرة مشتركة لثاني أكسيد الكربون والإبيكلوروهيدرين، والبولي (كابرولاكتون) (PCL) الناتج عن بلمرة فتح الحلقة لـ β - كابرولاكتون تحت تأثير المحفز.
 
لقد كان إنتاج الأفلام القابلة للتحلل باستخدام الألياف الطبيعية كمواد خام دائمًا نقطة جذب بحثية. على الرغم من أن هذا النوع من الأفلام ليس جيدًا مثل أفلام PE العادية من حيث وظائف الاحترار والاحتفاظ بالرطوبة، إلا أنه يتمتع بنفاذية جيدة وتهوية جيدة، ويمكنه قمع الأعشاب الضارة بشكل فعال عن طريق تغيير اللون. أجرت العديد من الوحدات المحلية أبحاثًا وتطبيقات لأغشية تغطية ألياف العشب وأغشية التغطية الورقية، مثل تطوير فيلم التغطية الزراعية لألياف العشب CXW-1 بواسطة الرابطة الصينية الدولية لتعزيز العلوم والتكنولوجيا؛ قام مصنع Hubei Zhicheng First Paper Mill ومركز Xinjiang Hotan للعلوم الزراعية بتطوير أفلام التغطية الورقية؛ قام معهد أبحاث القنب التابع للأكاديمية الصينية للعلوم الزراعية بتطوير فيلم القنب باستخدام ألياف القنب، والتي تم استخدامها على نطاق واسع في زراعة شتلات الأرز وزراعة الخضروات الجنوبية.
 
تعد أوروبا واليابان من أكثر الدول والمناطق تقدمًا في مجال البحث والتطوير وتطبيق المواد والتقنيات والأفلام القابلة للتحلل الحيوي في جميع أنحاء العالم. مع تقدم المواد القابلة للتحلل وتقنيات المعالجة، أصبح تطبيق الأفلام القابلة للتحلل على نطاق واسع بشكل متزايد، ويستخدم بشكل رئيسي في البستنة وإنتاج الخضروات. في الوقت الحاضر، تستمر الحصة السوقية للأغشية البلاستيكية القابلة للتحلل في اليابان وأوروبا في الارتفاع، حيث تصل إلى حوالي 10%، مع معدلات استخدام أعلى في مناطق معينة. على سبيل المثال، تجاوزت نسبة الأفلام البلاستيكية القابلة للتحلل في زراعة الخضروات في منطقة شيكوكو في اليابان 20%. منذ عام 2010، بدأت الشركات الأجنبية الكبيرة العاملة في مجال البحث وإنتاج مواد الأفلام القابلة للتحلل الحيوي في التعاون مع أقسام البحث العلمي وترويج التكنولوجيا الزراعية ذات الصلة في الصين. وقد أجروا تجارب وعروض توضيحية على المحاصيل الرئيسية مثل القطن والذرة والتبغ والبطاطس والخضروات في شينجيانغ في الشمال الغربي، ويوننان في الجنوب الغربي، وبكين وخبي في الشمال، وقانسو ومنغوليا الداخلية في الشمال الغربي، حيث غطت أكثر من 10 محاصيل ومساحة تزيد عن 1333.3 هكتارًا.
 
في السنوات الأخيرة، حققت الصين تقدمًا كبيرًا في بحث وتطبيق الأغشية البلاستيكية القابلة للتحلل الحيوي، لا سيما من خلال تحسين تكنولوجيا ومعدات التوليف للبوليسترات المشتركة ثنائي حمض الديول، وتحقيق اختراقات في تكنولوجيا المحفزات الرئيسية في تخليق PLA، والتي شكلت التقنيات والعمليات الأساسية لإنتاج المواد البلاستيكية القابلة للتحلل الحيوي مع حقوق الملكية الفكرية المستقلة. على هذا الأساس، تم تحسين وتحسين صيغة الإنتاج وعملية الفيلم البلاستيكي القابل للتحلل الحيوي بشكل أكبر، وتم تشكيل قدرة إنتاجية تصل إلى 10000 طن من الفيلم البلاستيكي القابل للتحلل الحيوي. تم إجراء عروض تجريبية في المناطق المحلية والمحاصيل النموذجية.
 
3 مشاكل وتحديات الأفلام البلاستيكية القابلة للتحلل
 
3.1 تحتاج قوة الشد للمنتج إلى مزيد من التحسين
 
القوة الميكانيكية للفيلم القابل للتحلل الحيوي غير كافية للتشغيل على نطاق واسع، وهو أحد العوامل المقيدة للتطبيق واسع النطاق للفيلم القابل للتحلل الحيوي. نظرًا للخصائص المتأصلة في المواد الأساسية، فإن قوة الشد لمعظم الأفلام البلاستيكية القابلة للتحلل غير كافية، مما يجعل من المستحيل تنفيذ عمليات تغطية الأفلام الآلية في بعض المناطق الزراعية حيث تسود العمليات الميكانيكية. هذه المشكلة بارزة بشكل خاص في شينجيانغ.
 
فقط من خلال تحسين وصقل صيغة الفيلم البلاستيكي، وتعزيز قوة الشد، وتلبية متطلبات عمليات الآلات الزراعية، يمكن تهيئة الظروف للتطبيق على نطاق واسع للفيلم البلاستيكي القابل للتحلل الحيوي.
 
3.2 الاختلافات في التحكم في التدهور والطلب على المحاصيل
للأغطية البلاستيكية وظائف متعددة، مع التركيز على زيادة درجة الحرارة والاحتفاظ بالرطوبة، بالإضافة إلى تثبيط الأعشاب الضارة. من أجل تحقيق هذه الوظائف للأغشية البلاستيكية، من الضروري ضمان وقت التغطية، وإلا فلن تتمكن من تلبية المتطلبات الوظيفية للمحاصيل لتغطية الأفلام البلاستيكية. في الوقت الحاضر، لا تزال هناك مشاكل في التحكم في تمزق وتحلل معظم الأفلام البلاستيكية القابلة للتحلل. وقد أظهر عدد كبير من النتائج التجريبية أن منتجات الأفلام البلاستيكية القابلة للتحلل البيولوجي الحالية تتمزق وتتحلل في وقت مبكر جدًا، وأن وقت التغطية أقل بكثير من الفترة الآمنة لتغطية الأفلام البلاستيكية للمحاصيل، مما يؤدي إلى عدم قدرتها على العمل بفعالية.
 
3.3 يحتاج أداء الاحتفاظ بالاحترار والرطوبة إلى مزيد من التعزيز
هناك بعض الاختلافات في وظائف الاحتفاظ بالاحترار والرطوبة لمعظم الأفلام البلاستيكية القابلة للتحلل مقارنةً بالأفلام البلاستيكية العادية من البولي إيثيلين. هناك فرق كبير في درجة حرارة التربة بين فيلم بلاستيكي قابل للتحلل بسمك 10 ميكرومتر وتغطية فيلم بلاستيكي PE بسمك 8 ميكرومتر. في حالة عدم وجود غطاء مظلة للمحاصيل، باستثناء نفس تأثير الاحترار بين الساعة 11:00 صباحًا و4:00 مساءً، تكون درجة حرارة التربة التي يغطيها الفيلم البلاستيكي PE أعلى من تلك التي يغطيها الفيلم البلاستيكي القابل للتحلل في جميع الأوقات الأخرى. كما أظهرت نتائج اختبار احتباس الماء الذي تم إجراؤه باستخدام تجارب المحاكاة أن الفيلم القابل للتحلل كان أقل بكثير من فيلم PE من حيث احتباس الماء.
 
3.4 قيود تكلفة إنتاج المنتج للتطبيقات واسعة النطاق
تعد التكلفة العالية عاملاً مقيدًا آخر للترويج والتطبيق على نطاق واسع للأغشية البلاستيكية القابلة للتحلل. بشكل عام، سعر بيع الفيلم البلاستيكي القابل للتحلل الحيوي يبلغ حوالي ثلاثة أضعاف سعر الفيلم البلاستيكي العادي PE، والذي يتم تحديده من خلال عوامل متعددة مثل خصائص وسمك المواد الخام للفيلم البلاستيكي. فمن ناحية، من الضروري تحقيق إنتاج واسع النطاق للمواد الخام وتحسين تسعير منتجات التحلل من خلال التركيبة؛ من ناحية أخرى، ينبغي إجراء تقييم شامل لتكلفة استخدام الفيلم البلاستيكي لتوضيح فرق التكلفة بين الفيلم البلاستيكي القابل للتحلل الحيوي والفيلم البلاستيكي العادي PE، وتعزيز التطبيق على نطاق واسع للفيلم البلاستيكي القابل للتحلل الحيوي. وفقًا للتحقيق والحساب، فإن التكلفة الإجمالية لتطبيق فيلم PE العادي في اليابان تشمل تكلفة شراء منتجات الأفلام وتكلفة إعادة التدوير والمعالجة، حيث يمثل كل منها 50%، في حين أن تطبيق الفيلم القابل للتحلل الحيوي لا يحتوي على تكلفة إعادة التدوير والمعالجة. في الصين، نظرًا للقوى العاملة الرخيصة نسبيًا ونقص إعادة التدوير ومعالجة كمية كبيرة من أفلام البولي إيثيلين العادية، فقد تم تسليط الضوء على التكلفة العالية لاستخدام الأفلام القابلة للتحلل. مع تزايد الحاجة إلى إعادة تدوير ومعالجة أفلام PE العادية، وتحسين القوانين واللوائح المتعلقة بإعادة تدوير الأفلام ومعالجتها، وزيادة تكاليف العمالة الريفية، فإن فرق التكلفة الشامل بين أفلام PE العادية وتطبيقات الأفلام القابلة للتحلل الحيوي سيصبح أصغر وأصغر، وسيكون لتطبيق الأفلام القابلة للتحلل الحيوي آفاق جيدة.
 
4 أهم الاستنتاجات والتوصيات
تعتبر الأفلام البلاستيكية القابلة للتحلل إحدى الطرق المهمة لحل مشكلة التلوث المتبقي الناجم عن الأفلام البلاستيكية، والتي لها تأثيرات ممتازة وإمكانات هائلة في الإنتاج الزراعي. ومع ذلك، هناك العديد من المشاكل التقنية ولا تزال في المرحلة الأولية. في الوقت الحاضر، من الضروري تعزيز البحث في المواد الخام والصيغ وعمليات إنتاج الأفلام القابلة للتحلل الحيوي، وتحسين جودة المنتج وخفض التكاليف، وخاصة لتطوير منتجات أفلام متخصصة قابلة للتحلل الحيوي لمناطق ومحاصيل محددة لتلبية متطلبات تنوع الإنتاج الزراعي. أثناء تعزيز الأبحاث حول منتجات الأغشية البلاستيكية القابلة للتحلل، من الضروري إجراء بحوث حول دعم التقنيات والتدابير الزراعية بناءً على احتياجات الإنتاج الزراعي وخصائص منتجات الأغشية البلاستيكية.