Ανάλυση Προβλημάτων και Εφαρμογών στην Τεχνολογία Βιοδιασπώμενων Πλαστικών Φιλμ

Το πλαστικό φιλμ είναι ένα από τα σημαντικά υλικά για τη γεωργική παραγωγή και η εφαρμογή της τεχνολογίας κάλυψης πλαστικών φιλμ έχει οδηγήσει σε σημαντικές βελτιώσεις στη γεωργική παραγωγικότητα και αλλαγές στις μεθόδους παραγωγής στην Κίνα. Το 2014, η συνολική ποσότητα πλαστικού φιλμ που χρησιμοποιήθηκε στην Κίνα έφτασε τους 1,441 εκατομμύρια τόνους, καλύπτοντας μια έκταση άνω των 2000 εκταρίων. Οι περιοχές εφαρμογής έχουν επεκταθεί από άνυδρες και ημίξηρες περιοχές στο βορρά σε ψηλά βουνά και ψυχρές περιοχές στο νότο, και οι τύποι των καλλιεργειών που καλύπτονται έχουν επίσης επεκταθεί από οικονομικές καλλιέργειες σε καλλιέργειες χύδην σιτηρών. Οι λειτουργίες της κάλυψης πλαστικής μεμβράνης, όπως η θέρμανση και η κατακράτηση υγρασίας, η πρόληψη ασθενειών και εντόμων και η καταστολή των ζιζανίων, έχουν αυξήσει τις αποδόσεις των καλλιεργειών κατά 20% έως 50%, συμβάλλοντας σημαντικά στη διασφάλιση του εφοδιασμού με επισιτιστική ασφάλεια της Κίνας. Ωστόσο, την ίδια στιγμή, η ευρεία εφαρμογή της επένδυσης από πλαστικό φιλμ έχει επίσης επιφέρει μια σειρά προβλημάτων, όπως η κακή τεχνολογία και η ανακύκλωση, και η «λευκή ρύπανση» που προκαλείται από υπολειμματικά πλαστικά φιλμ. Η έρευνα και η ανάπτυξη βιοαποδομήσιμων πλαστικών φιλμ έχει γίνει μια σημαντική στρατηγική κατεύθυνση για την ανάπτυξη της βιομηχανίας πλαστικών και της γεωργίας.
 
Η ιδέα και τα κύρια συστατικά του βιοαποδομήσιμου πλαστικού φιλμ
Το βιοδιασπώμενο πλαστικό φιλμ αναφέρεται σε ένα είδος πλαστικού φιλμ που αποικοδομείται από μικροοργανισμούς στο φυσικό περιβάλλον. Η Επιτροπή Τεχνολογίας Έρευνας Βιοδιασπώμενων Πλαστικών Ιαπωνίας το ορίζει ως «ενώσεις υψηλού μοριακού βάρους και τα μείγματά τους που μπορούν να αποσυντεθούν σε ενώσεις χαμηλού μοριακού βάρους που δεν έχουν δυσμενείς επιπτώσεις στο περιβάλλον μέσω της μικροβιακής δράσης στη φύση». Σύμφωνα με τις κύριες πρώτες ύλες, μπορεί να χωριστεί σε βιοαποδομήσιμα φιλμ κατασκευασμένα από φυσική βιομάζα και βιοαποδομήσιμα φιλμ κατασκευασμένα από υλικά με βάση το πετρέλαιο. Η φυσική βιομάζα όπως το άμυλο, η κυτταρίνη, η χιτίνη κ.λπ. τροποποιούνται και στη συνέχεια συντίθενται σε βιοδιασπώμενα υλικά παραγωγής φιλμ. Το άμυλο ως η κύρια πρώτη ύλη για την πλαστική μεμβράνη μπορεί να χωριστεί σε ατελές βιοαποδομήσιμο πλαστικό φιλμ με προσθήκη αμύλου και σε πλήρως βιοαποδομήσιμο πλαστικό φιλμ με άμυλο ως κύρια πρώτη ύλη σύμφωνα με τον μηχανισμό αποδόμησης και τη μορφή βλάβης. Το βιοδιασπώμενο φιλμ τύπου πρόσθετου κατασκευάζεται με ανάμειξη φυσικών ή συνθετικών πολυμερών με βιοαποδομήσιμες ιδιότητες σε πλαστικό πολυαιθυλενίου και στη συνέχεια εμφυσώντας το με συμβατοποιητές, αντιοξειδωτικά και βοηθητικά επεξεργασίας. Δεν είναι εντελώς βιοδιασπώμενο φιλμ. Το πλήρως βιοαποικοδομήσιμο φιλμ που παράγεται από άμυλο ζυμώνεται κυρίως για να παραχθεί γαλακτικό οξύ, το οποίο στη συνέχεια συντίθεται σε πολυγαλακτικό οξύ. Το φιλμ παράγεται κυρίως από πολυγαλακτικό οξύ. Ένας άλλος σημαντικός τύπος φυσικής βιομάζας είναι οι ίνες, οι οποίες μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την παραγωγή πλαστικού φιλμ με αιθεροποίηση, εστεροποίηση και οξείδωση της κυτταρίνης σε οξέα, αλδεΰδες και κετόνες. Ανήκει σε πλήρως βιοδιασπώμενο πλαστικό φιλμ. Τα κύρια συστατικά της παραγωγής βιοαποικοδομήσιμων φιλμ με βάση το πετρέλαιο είναι συμπολυεστέρες διόξινης διόλης (PBS, PBAT, κ.λπ.), πολυυδροξυαλκανοϊκά (PHA), πολυκαπρολακτόνη (PCL), πολυυδροξυβουτυρικό (PHB), συμπολυμερές διοξειδίου του άνθρακα ανθρακικό πολυπροπυλένιο (PPC) κ.λπ. στη φύση, και τα τελικά προϊόντα αποδόμησης είναι το διοξείδιο του άνθρακα και το νερό.
 
Έρευνα και εφαρμογή βιοαποδομήσιμου πλαστικού φιλμ Στα πρώτα στάδια της ανάπτυξης βιοαποδομήσιμου φιλμ, το βιοδιασπώμενο φιλμ με προσθήκη αμύλου ήταν πάντα το επίκεντρο της έρευνας και της ανάπτυξης. Από την αρχική παρασκευή φιλμ με ανάμειξη 6%~20% αμύλου και πολυμερών ολεφινών, σταδιακά εξελίχθηκε στην παρασκευή φιλμ με ανάμειξη 50% αμύλου και υδρόφιλου πολυμερούς. Επί του παρόντος, το άμυλο τροποποιείται για την παραγωγή βιοαποδομήσιμων πλαστικών, τα οποία στη συνέχεια χρησιμοποιούνται για την παραγωγή πλαστικών μεμβρανών. Αυτός ο τύπος πλαστικής μεμβράνης έχει τα πλεονεκτήματα της απλής διαδικασίας και του χαμηλού κόστους. Οι περισσότερες εγχώριες μονάδες έρευνας και ανάπτυξης παράγουν πρόσθετα πλαστικά αμύλου, με περιεκτικότητα σε άμυλο που κυμαίνεται από 10% έως 30% στα προϊόντα τους.
 
Στις αρχές της δεκαετίας του 1980, το Ηνωμένο Βασίλειο ανακάλυψε μια μέθοδο για την εκχύλιση και τον καθαρισμό του β-υδροξυβουτυρικού (PHB) και το έκανε λεπτές μεμβράνες, παράγοντας τα πρώτα αποικοδομήσιμα φιλμ. Ωστόσο, το PHB είχε χαμηλή αντοχή στην κρούση και αντοχή στη διαλυτότητα και δεν μπορούσε να χρησιμοποιηθεί πραγματικά στη γεωργική παραγωγή. Η έρευνα για τα πολυϋδροξυαλκανοϊκά (PHA) στην Κίνα ξεκίνησε τη δεκαετία του 1980. Το Ινστιτούτο Οργανικής Χημείας της Σαγκάης και το Πανεπιστήμιο Tianjin διερεύνησαν τη σύνθεση συμπολυμερών PHB χρησιμοποιώντας χημικές μεθόδους και μερικοί άνθρωποι άρχισαν να χρησιμοποιούν φύλλα ή ρίζες φυτών για να παράγουν PHBV. Λόγω εγγενών ελαττωμάτων όπως η ευθραυστότητα, το υψηλό κόστος και η υψηλή τιμή του PHBV, η εφαρμογή του ως πλαστικό φιλμ είναι περιορισμένη. Τα υλικά που αναπτύσσονται επί του παρόντος για την παραγωγή βιοαποδομήσιμων πλαστικών μεμβρανών περιλαμβάνουν κυρίως άμυλο που έχει υποστεί ζύμωση σε γαλακτικό οξύ, το οποίο στη συνέχεια πολυμερίζεται για να σχηματίσει πλήρως βιοαποικοδομήσιμο πολυγαλακτικό οξύ (PLA). Ηλεκτρική πολυβουτανοδιόλη (PBS) που σχηματίζεται από τον πολυμερισμό ηλεκτρικού οξέος και βουτανοδιόλης. Πολυ (ανθρακικό προπυλένιο) (PPC) που δημιουργείται με συμπολυμερισμό διοξειδίου του άνθρακα και επιχλωροϋδρίνης, και πολυ (καπρολακτόνη) (PCL) που δημιουργείται από πολυμερισμό με άνοιγμα δακτυλίου της β-καπρολακτόνης υπό τη δράση του καταλύτη.
 
Η παραγωγή βιοδιασπώμενου φιλμ χρησιμοποιώντας φυσικές ίνες ως πρώτες ύλες ήταν πάντα ένα ερευνητικό hotspot. Αν και αυτός ο τύπος φιλμ δεν είναι τόσο καλός όσο το συνηθισμένο φιλμ πολυαιθυλενίου όσον αφορά τις λειτουργίες θέρμανσης και διατήρησης υγρασίας, έχει καλή διαπερατότητα και αναπνοή και μπορεί να καταστείλει αποτελεσματικά τα ζιζάνια αλλάζοντας χρώμα. Αρκετές εγχώριες μονάδες έχουν διεξαγάγει έρευνα και εφαρμογή φιλμ σάπιαστρωσης με ίνες χόρτου και φιλμ με βάση το χαρτί, όπως η ανάπτυξη φιλμ γεωργικής επένδυσης με ίνες γρασιδιού CXW-1 από τη Διεθνή Ένωση της Κίνας για την Προώθηση της Επιστήμης και της Τεχνολογίας. Το Hubei Zhicheng First Paper Mill και το Xinjiang Hotan Agricultural Science Center έχουν αναπτύξει μεμβράνες εδαφοκάλυψης χαρτιού. Το Ερευνητικό Ινστιτούτο Κάνναβης της Κινεζικής Ακαδημίας Γεωργικών Επιστημών έχει αναπτύξει φιλμ κάνναβης χρησιμοποιώντας ίνες κάνναβης, οι οποίες έχουν χρησιμοποιηθεί ευρέως στην καλλιέργεια δενδρυλλίων ρυζιού και στη φύτευση λαχανικών του νότου.
 
Η Ευρώπη και η Ιαπωνία είναι οι πιο προηγμένες χώρες και περιοχές στην έρευνα, ανάπτυξη και εφαρμογή βιοαποδομήσιμων υλικών, τεχνολογιών και βιοαποδομήσιμων μεμβρανών παγκοσμίως. Με την πρόοδο των βιοαποικοδομήσιμων υλικών και των τεχνικών επεξεργασίας, η εφαρμογή βιοαποδομήσιμων φιλμ γίνεται όλο και πιο διαδεδομένη, η οποία χρησιμοποιείται κυρίως στην κηπουρική και την παραγωγή λαχανικών. Επί του παρόντος, το μερίδιο αγοράς του βιοδιασπώμενου πλαστικού φιλμ στην Ιαπωνία και την Ευρώπη συνεχίζει να αυξάνεται, φθάνοντας περίπου το 10%, με ακόμη υψηλότερα ποσοστά εφαρμογής σε ορισμένες περιοχές. Για παράδειγμα, το ποσοστό βιοαποικοδομήσιμου πλαστικού φιλμ στην καλλιέργεια λαχανικών στην περιοχή Σικόκου της Ιαπωνίας έχει ξεπεράσει το 20%. Από το 2010, μεγάλες ξένες εταιρείες που ασχολούνται με την έρευνα και την παραγωγή βιοαποδομήσιμων υλικών φιλμ έχουν αρχίσει να συνεργάζονται με σχετικά τμήματα επιστημονικής έρευνας και προώθησης γεωργικής τεχνολογίας στην Κίνα. Έχουν διεξαγάγει πειράματα και επιδείξεις σε μεγάλες καλλιέργειες όπως το βαμβάκι, το καλαμπόκι, ο καπνός, οι πατάτες και τα λαχανικά στο Xinjiang στα βορειοδυτικά, στο Yunnan στα νοτιοδυτικά, στο Πεκίνο και στο Hebei στα βόρεια και στο Gansu και στην Εσωτερική Μογγολία στα βορειοδυτικά, καλύπτοντας περισσότερες από 10 καλλιέργειες και μια έκταση πάνω από 33 εκτάρια.
 
Τα τελευταία χρόνια, η Κίνα έχει σημειώσει σημαντική πρόοδο στην έρευνα και την εφαρμογή βιοαποδομήσιμων πλαστικών μεμβρανών, ειδικά μέσω της βελτίωσης της τεχνολογίας σύνθεσης και του εξοπλισμού για συμπολυεστέρες διόξινης διόλης και καινοτομίες στη βασική τεχνολογία καταλυτών στη σύνθεση PLA. Σε αυτή τη βάση, η φόρμουλα παραγωγής και η διαδικασία της βιοαποικοδομήσιμης πλαστικής μεμβράνης έχουν βελτιωθεί και τελειοποιηθεί περαιτέρω και έχει διαμορφωθεί μια ικανότητα παραγωγής 10000 τόνων βιοαποδομήσιμου πλαστικού φιλμ. Πειραματικές επιδείξεις έχουν πραγματοποιηθεί σε τοπικές περιοχές και τυπικές καλλιέργειες.
 
3 Προβλήματα και προκλήσεις του βιοδιασπώμενου πλαστικού φιλμ
 
3.1 Η αντοχή σε εφελκυσμό του προϊόντος πρέπει να βελτιωθεί περαιτέρω
 
Η μηχανική αντοχή του βιοαποικοδομήσιμου φιλμ είναι ανεπαρκής για λειτουργία μεγάλης κλίμακας, κάτι που είναι ένας από τους περιοριστικούς παράγοντες για τη μεγάλης κλίμακας εφαρμογή βιοαποδομήσιμου φιλμ. Λόγω των εγγενών χαρακτηριστικών των βασικών υλικών, η αντοχή σε εφελκυσμό των περισσότερων βιοαποικοδομήσιμων πλαστικών μεμβρανών είναι ανεπαρκής, καθιστώντας αδύνατη την εκτέλεση εργασιών κάλυψης με μηχανικό φιλμ σε ορισμένες γεωργικές περιοχές όπου κυριαρχούν οι μηχανικές εργασίες. Αυτό το πρόβλημα είναι ιδιαίτερα εμφανές στο Xinjiang.
 
Μόνο με τη βελτίωση και τη βελτίωση της φόρμουλας της πλαστικής μεμβράνης, την ενίσχυση της αντοχής της σε εφελκυσμό και την ικανοποίηση των απαιτήσεων των εργασιών γεωργικών μηχανημάτων, μπορούν να δημιουργηθούν συνθήκες για τη μεγάλης κλίμακας εφαρμογή βιοαποδομήσιμου πλαστικού φιλμ.
 
3.2 Διαφορές στη δυνατότητα ελέγχου της υποβάθμισης και στη ζήτηση των καλλιεργειών
Η επένδυση από πλαστικό φιλμ έχει πολλαπλές λειτουργίες, με έμφαση στην αύξηση της θερμοκρασίας και της κατακράτησης υγρασίας, καθώς και στην αναστολή των ζιζανίων. Για να επιτευχθούν αυτές οι λειτουργίες του πλαστικού φιλμ, είναι απαραίτητο να διασφαλιστεί ο χρόνος κάλυψης, διαφορετικά δεν μπορεί να καλύψει τις λειτουργικές απαιτήσεις των καλλιεργειών για κάλυψη πλαστικού φιλμ. Επί του παρόντος, εξακολουθούν να υπάρχουν προβλήματα με τον έλεγχο της θραύσης και της αποδόμησης των περισσότερων βιοαποδομήσιμων πλαστικών μεμβρανών. Ένας μεγάλος αριθμός πειραματικών αποτελεσμάτων έχει δείξει ότι τα υπάρχοντα βιοαποδομήσιμα προϊόντα πλαστικής μεμβράνης θραύονται και αποικοδομούνται πολύ νωρίς, και ο χρόνος κάλυψης είναι πολύ χαμηλότερος από την ασφαλή περίοδο κάλυψης πλαστικής μεμβράνης καλλιέργειας, με αποτέλεσμα την αδυναμία τους να λειτουργήσουν αποτελεσματικά.
 
3.3 Η απόδοση θέρμανσης και διατήρησης υγρασίας πρέπει να ενισχυθεί περαιτέρω
Υπάρχουν ορισμένες διαφορές στις λειτουργίες θέρμανσης και συγκράτησης υγρασίας των περισσότερων βιοαποδομήσιμων πλαστικών μεμβρανών σε σύγκριση με τις συνηθισμένες πλαστικές μεμβράνες πολυαιθυλενίου. Υπάρχει σημαντική διαφορά στη θερμοκρασία του εδάφους μεταξύ βιοδιασπώμενης πλαστικής μεμβράνης πάχους 10 μm και κάλυψης πλαστικής μεμβράνης πολυαιθυλενίου πάχους 8 μm. Υπό την προϋπόθεση ότι δεν υπάρχει κάλυψη κουβούκλιο, εκτός από το ίδιο φαινόμενο θέρμανσης μεταξύ 11:00 π.μ. και 4:00 μ.μ., η θερμοκρασία του εδάφους που καλύπτεται από πλαστική μεμβράνη PE είναι υψηλότερη από εκείνη που καλύπτεται από βιοδιασπώμενη πλαστική μεμβράνη όλες τις άλλες ώρες. Τα αποτελέσματα της δοκιμής κατακράτησης νερού που διεξήχθη χρησιμοποιώντας πειράματα προσομοίωσης έδειξαν επίσης ότι το βιοαποικοδομήσιμο φιλμ ήταν σημαντικά κατώτερο από το φιλμ PE όσον αφορά την κατακράτηση νερού.
 
3.4 Περιορισμοί κόστους παραγωγής προϊόντος για εφαρμογή μεγάλης κλίμακας
Το υψηλό κόστος είναι ένας άλλος περιοριστικός παράγοντας για τη μεγάλης κλίμακας προώθηση και εφαρμογή βιοαποδομήσιμου πλαστικού φιλμ. Γενικά, η τιμή πώλησης της βιοαποικοδομήσιμης πλαστικής μεμβράνης είναι περίπου τριπλάσια εκείνης της συνηθισμένης πλαστικής μεμβράνης πολυαιθυλενίου, η οποία καθορίζεται από πολλούς παράγοντες όπως οι ιδιότητες και το πάχος των πρώτων υλών της πλαστικής μεμβράνης. Από τη μία πλευρά, είναι απαραίτητο να επιτευχθεί μεγάλης κλίμακας παραγωγή πρώτων υλών και να βελτιωθεί η τιμολόγηση των προϊόντων αποδόμησης μέσω της σύνθεσης. Από την άλλη πλευρά, θα πρέπει να διεξαχθεί μια ολοκληρωμένη αξιολόγηση του κόστους χρήσης πλαστικής μεμβράνης για να διευκρινιστεί η διαφορά κόστους μεταξύ βιοαποικοδομήσιμου πλαστικού φιλμ και συνηθισμένου πλαστικού φιλμ πολυαιθυλενίου και να προωθηθεί η μεγάλης κλίμακας εφαρμογή βιοαποδομήσιμου πλαστικού φιλμ. Σύμφωνα με έρευνα και υπολογισμό, το συνολικό κόστος της συνηθισμένης εφαρμογής φιλμ πολυαιθυλενίου στην Ιαπωνία περιλαμβάνει το κόστος αγοράς προϊόντων φιλμ και το κόστος ανακύκλωσης και επεξεργασίας, το καθένα αντιπροσωπεύει το 50%, ενώ η εφαρμογή βιοαποδομήσιμου φιλμ δεν έχει κόστος ανακύκλωσης και επεξεργασίας. Στην Κίνα, λόγω του σχετικά φθηνού εργατικού δυναμικού και της έλλειψης ανακύκλωσης και επεξεργασίας μεγάλης ποσότητας συνηθισμένων φιλμ πολυαιθυλενίου, τονίζεται το υψηλό κόστος χρήσης βιοαποδομήσιμου φιλμ. Με την αυξανόμενη ανάγκη ανακύκλωσης και επεξεργασίας συνηθισμένων φιλμ πολυαιθυλενίου, τη βελτίωση των νόμων και των κανονισμών για την ανακύκλωση και επεξεργασία ταινιών και την αύξηση του κόστους εργασίας στην ύπαιθρο, η συνολική διαφορά κόστους μεταξύ των εφαρμογών συνηθισμένων φιλμ πολυαιθυλενίου και βιοαποικοδομήσιμων φιλμ θα γίνεται όλο και μικρότερη και η εφαρμογή βιοαποδομήσιμου φιλμ θα έχει καλή προοπτική.
 
4 Κύρια συμπεράσματα και συστάσεις
Το βιοδιασπώμενο πλαστικό φιλμ είναι ένας από τους σημαντικούς τρόπους για την επίλυση της υπολειμματικής ρύπανσης που προκαλείται από το πλαστικό φιλμ, το οποίο έχει εξαιρετικά αποτελέσματα και τεράστιες δυνατότητες στη γεωργική παραγωγή. Ωστόσο, υπάρχουν πολλά τεχνικά προβλήματα και είναι ακόμα σε αρχικό στάδιο. Προς το παρόν, είναι απαραίτητο να ενισχυθεί η έρευνα για τις πρώτες ύλες, τις φόρμουλες και τις διαδικασίες παραγωγής βιοαποικοδομήσιμων φιλμ, να βελτιωθεί η ποιότητα των προϊόντων και να μειωθεί το κόστος, ιδίως να αναπτυχθούν εξειδικευμένα βιοαποδομήσιμα προϊόντα φιλμ για συγκεκριμένες περιοχές και καλλιέργειες για την κάλυψη των απαιτήσεων της ποικιλομορφίας της γεωργικής παραγωγής. Ενισχύοντας την έρευνα για προϊόντα βιοαποδομήσιμων πλαστικών φιλμ, είναι απαραίτητο να διεξαχθεί έρευνα για την υποστήριξη των γεωργικών τεχνολογιών και μέτρων με βάση τις ανάγκες της γεωργικής παραγωγής και τα χαρακτηριστικά των προϊόντων πλαστικών φιλμ.