Analisis Masalah dan Aplikasi dalam Teknologi Film Plastik Biodegradable

Film plastik adalah salah satu bahan penting untuk produksi pertanian, dan penerapan teknologi penutup film plastik telah mendorong peningkatan signifikan dalam produktivitas pertanian dan perubahan metode produksi di Tiongkok. Pada tahun 2014, jumlah total film plastik yang digunakan di Tiongkok mencapai 1,441 juta ton, dengan luas lebih dari 2000 hektar. Area penerapannya telah diperluas dari daerah kering dan semi-kering di utara hingga pegunungan tinggi dan daerah dingin di selatan, dan jenis tanaman yang dicakup juga diperluas dari tanaman ekonomi hingga tanaman biji-bijian curah. Fungsi penutup film plastik, seperti sebagai penghangat dan penahan kelembapan, pencegahan penyakit dan serangga, serta pemberantasan gulma, telah meningkatkan hasil panen sebesar 20% hingga 50%, sehingga memberikan kontribusi yang signifikan dalam menjamin pasokan ketahanan pangan Tiongkok. Namun, pada saat yang sama, meluasnya penerapan penutup film plastik juga menimbulkan serangkaian masalah, seperti buruknya teknologi dan daur ulang, serta "polusi putih" yang disebabkan oleh sisa film plastik. Penelitian dan pengembangan film plastik biodegradable telah menjadi arah strategis penting bagi pengembangan industri plastik dan pertanian.
 
Konsep dan komponen utama film plastik biodegradable
Film plastik biodegradable mengacu pada jenis film plastik yang terdegradasi oleh mikroorganisme di lingkungan alami. Komite Teknologi Riset Plastik Biodegradable Jepang mendefinisikannya sebagai "senyawa dengan berat molekul tinggi dan campurannya yang dapat diuraikan menjadi senyawa dengan berat molekul rendah yang tidak menimbulkan dampak buruk terhadap lingkungan melalui aksi mikroba di alam". Berdasarkan bahan baku utamanya, dapat dibedakan menjadi film biodegradable yang terbuat dari biomassa alami dan film biodegradable yang terbuat dari bahan berbasis minyak bumi. Biomassa alami seperti pati, selulosa, kitin, dll. dimodifikasi dan kemudian disintesis menjadi bahan produksi film yang dapat terbiodegradasi. Pati sebagai bahan baku utama pembuatan film plastik dapat dibedakan menjadi film plastik biodegradable tidak lengkap yang ditambahkan pati dan film plastik biodegradable lengkap dengan bahan baku utama pati menurut mekanisme degradasi dan bentuk kerusakannya. Film biodegradable jenis aditif dibuat dengan mencampurkan polimer alami atau sintetis dengan sifat biodegradable ke dalam plastik PE, kemudian ditiup dengan bahan penyesuai, antioksidan, dan alat bantu pemrosesan. Ini bukanlah film yang sepenuhnya dapat terbiodegradasi. Film yang sepenuhnya dapat terurai secara hayati yang dihasilkan dari pati terutama difermentasi untuk menghasilkan asam laktat, yang kemudian disintesis menjadi asam polilaktat. Film ini terutama dihasilkan dari asam polilaktat. Jenis biomassa alami penting lainnya adalah serat, yang dapat digunakan untuk memproduksi film plastik melalui eterifikasi, esterifikasi, dan oksidasi selulosa menjadi asam, aldehida, dan keton. Itu milik film plastik yang sepenuhnya dapat terurai secara hayati. Komponen utama produksi film biodegradable berbasis minyak bumi adalah kopoliester diacid diol (PBS, PBAT, dll.), polihidroksialkanoat (PHA), polikaprolakton (PCL), polihidroksibutirat (PHB), kopolimer karbon dioksida polipropilen karbonat (PPC), dll. Zat dengan berat molekul tinggi ini dapat dengan cepat terurai dan dimanfaatkan oleh mikroorganisme di alam, dan produk akhir degradasi adalah karbon dioksida dan air.
 
Penelitian dan penerapan film plastik biodegradable Pada tahap awal pengembangan film biodegradable, film biodegradable yang ditambahkan pati selalu menjadi fokus penelitian dan pengembangan. Dari awalnya pembuatan film dengan mencampurkan 6%~20% pati dan polimer olefin, secara bertahap berkembang menjadi pembuatan film dengan mencampurkan 50% pati dan polimer hidrofilik. Saat ini, pati dimodifikasi untuk menghasilkan plastik biodegradable, yang kemudian digunakan untuk memproduksi film plastik. Film plastik jenis ini memiliki keunggulan proses yang sederhana dan biaya yang murah. Sebagian besar unit penelitian dan pengembangan dalam negeri memproduksi plastik pati aditif, dengan kandungan pati berkisar antara 10% hingga 30% dalam produknya.
 
Pada awal tahun 1980an, Inggris menemukan metode untuk mengekstraksi dan memurnikan β - hidroksibutirat (PHB) dan membuatnya menjadi film tipis, menghasilkan film paling awal yang dapat terdegradasi. Namun, PHB mempunyai kekuatan dampak dan ketahanan kelarutan yang buruk, dan tidak dapat benar-benar digunakan dalam produksi pertanian. Penelitian tentang polihidroksialkanoat (PHA) di Tiongkok dimulai pada tahun 1980an. Institut Kimia Organik Shanghai dan Universitas Tianjin mengeksplorasi sintesis kopolimer PHB menggunakan metode kimia, dan beberapa orang mulai menggunakan daun atau akar tanaman untuk menghasilkan PHBV. Karena cacat bawaan seperti kerapuhan, biaya tinggi, dan harga PHBV yang mahal, penerapannya sebagai film plastik menjadi terbatas. Bahan yang saat ini dikembangkan untuk produksi film plastik biodegradable terutama mencakup pati yang difermentasi menjadi asam laktat, yang kemudian dipolimerisasi untuk membentuk asam polilaktat (PLA) yang sepenuhnya dapat terbiodegradasi; Polibutanediol suksinat (PBS) dibentuk oleh polimerisasi asam suksinat dan butanediol; Poli (propilena karbonat) (PPC) dihasilkan oleh kopolimerisasi karbon dioksida dan epiklorohidrin, dan poli (kaprolakton) (PCL) dihasilkan oleh polimerisasi pembukaan cincin β - kaprolakton di bawah aksi katalis.
 
Produksi film biodegradable yang menggunakan serat alami sebagai bahan mentah selalu menjadi pusat penelitian. Meskipun jenis film ini tidak sebaik film PE biasa dalam hal fungsi pemanasan dan retensi kelembapan, film ini memiliki permeabilitas dan sirkulasi udara yang baik, serta dapat secara efektif menekan gulma dengan mengubah warna. Beberapa unit dalam negeri telah melakukan penelitian dan penerapan film mulsa serat rumput dan film mulsa berbahan dasar kertas, seperti pengembangan film mulsa pertanian serat rumput CXW-1 oleh Asosiasi Internasional China untuk Promosi Sains dan Teknologi; Pabrik Kertas Pertama Hubei Zhicheng dan Pusat Ilmu Pertanian Xinjiang Hotan telah mengembangkan film mulsa kertas; Institut Penelitian Rami dari Akademi Ilmu Pengetahuan Pertanian Tiongkok telah mengembangkan film rami menggunakan serat rami, yang telah banyak digunakan dalam penanaman bibit padi dan penanaman sayuran di wilayah selatan.
 
Eropa dan Jepang adalah negara dan wilayah paling maju dalam penelitian, pengembangan, dan penerapan bahan, teknologi, dan film biodegradable yang dapat terbiodegradasi di seluruh dunia. Dengan kemajuan bahan dan teknik pengolahan yang dapat terurai secara hayati, penerapan film yang dapat terbiodegradasi menjadi semakin luas, terutama digunakan dalam produksi hortikultura dan sayuran. Saat ini, pangsa pasar film plastik biodegradable di Jepang dan Eropa terus meningkat, mencapai sekitar 10%, dengan tingkat penerapan yang lebih tinggi lagi di wilayah tertentu. Misalnya, proporsi film plastik biodegradable dalam budidaya sayuran di wilayah Shikoku, Jepang telah melebihi 20%. Sejak 2010, perusahaan asing besar yang terlibat dalam penelitian dan produksi bahan film biodegradable telah mulai bekerja sama dengan departemen penelitian ilmiah dan promosi teknologi pertanian terkait di Tiongkok. Mereka telah melakukan eksperimen dan demonstrasi pada tanaman utama seperti kapas, jagung, tembakau, kentang, dan sayuran di Xinjiang di barat laut, Yunnan di barat daya, Beijing dan Hebei di utara, serta Gansu dan Mongolia Dalam di barat laut, mencakup lebih dari 10 tanaman dan area seluas lebih dari 1.333,3 hektar.
 
Dalam beberapa tahun terakhir, Tiongkok telah mencapai kemajuan yang signifikan dalam penelitian dan penerapan film plastik biodegradable, terutama melalui peningkatan teknologi sintesis dan peralatan untuk kopoliester diacid diol, dan terobosan dalam teknologi katalis utama dalam sintesis PLA, yang telah membentuk teknologi inti dan proses produksi plastik biodegradable dengan hak kekayaan intelektual independen. Atas dasar ini, formula produksi dan proses film plastik biodegradable semakin ditingkatkan dan disempurnakan, serta telah terbentuk kapasitas produksi 10.000 ton film plastik biodegradable. Demonstrasi eksperimental telah dilakukan di daerah lokal dan tanaman khas.
 
3 Masalah dan tantangan film plastik biodegradable
 
3.1 Kekuatan tarik produk perlu ditingkatkan lebih lanjut
 
Kekuatan mekanik film biodegradable tidak mencukupi untuk operasi skala besar, yang merupakan salah satu faktor pembatas penerapan film biodegradable dalam skala besar. Karena karakteristik yang melekat pada bahan dasarnya, kekuatan tarik sebagian besar film plastik biodegradable tidak mencukupi, sehingga tidak mungkin untuk melakukan operasi pelapisan film secara mekanis di beberapa area pertanian di mana operasi mekanis lebih dominan. Masalah ini sangat menonjol di Xinjiang.
 
Hanya dengan memperbaiki dan menyempurnakan formula film plastik, meningkatkan kekuatan tariknya, dan memenuhi persyaratan pengoperasian mesin pertanian, kondisi dapat diciptakan untuk penerapan film plastik biodegradable dalam skala besar.
 
3.2 Perbedaan dalam pengendalian degradasi dan permintaan tanaman
Penutup film plastik memiliki banyak fungsi, dengan fokus pada peningkatan retensi suhu dan kelembapan, serta menghambat gulma. Untuk mencapai fungsi-fungsi film plastik ini, perlu untuk memastikan waktu cakupan, jika tidak maka tidak dapat memenuhi persyaratan fungsional tanaman untuk cakupan film plastik. Saat ini, masih terdapat masalah dalam pengendalian pecahnya dan degradasi sebagian besar film plastik biodegradable. Sejumlah besar hasil percobaan menunjukkan bahwa produk film plastik biodegradable yang ada pecah dan terurai terlalu dini, dan waktu cakupannya jauh di bawah periode aman cakupan film plastik tanaman, sehingga produk tersebut tidak dapat berfungsi secara efektif.
 
3.3 Kinerja pemanasan dan retensi kelembapan perlu lebih diperkuat
Terdapat perbedaan tertentu dalam fungsi pemanasan dan retensi kelembapan pada sebagian besar film plastik biodegradable dibandingkan dengan film plastik PE biasa. Terdapat perbedaan suhu tanah yang signifikan antara cakupan film plastik biodegradable setebal 10 μm dan film plastik PE setebal 8 μm. Dalam kondisi tidak ada tutupan kanopi tanaman, kecuali efek pemanasan yang sama antara pukul 11:00 dan 16:00, suhu tanah yang ditutupi film plastik PE lebih tinggi dibandingkan suhu tanah yang ditutupi film plastik biodegradable pada waktu-waktu lainnya. Hasil uji retensi air yang dilakukan dengan menggunakan eksperimen simulasi juga menunjukkan bahwa film biodegradable secara signifikan lebih rendah daripada film PE dalam hal retensi air.
 
3.4 Kendala biaya produksi produk untuk aplikasi skala besar
Biaya tinggi merupakan faktor lain yang membatasi promosi dan penerapan film plastik biodegradable dalam skala besar. Secara umum harga jual film plastik biodegradable sekitar tiga kali lipat dari harga jual film plastik PE biasa, hal ini ditentukan oleh berbagai faktor seperti sifat dan ketebalan bahan baku film plastik. Di satu sisi, penting untuk mencapai produksi bahan mentah skala besar dan meningkatkan harga produk degradasi melalui formulasi; Di sisi lain, evaluasi komprehensif terhadap biaya penggunaan film plastik harus dilakukan untuk memperjelas perbedaan biaya antara film plastik biodegradable dan film plastik PE biasa, dan mendorong penerapan film plastik biodegradable dalam skala besar. Berdasarkan penyelidikan dan perhitungan, total biaya penerapan film PE biasa di Jepang termasuk biaya pembelian produk film dan biaya daur ulang dan pemrosesan, masing-masing sebesar 50%, sedangkan penerapan film biodegradable tidak memiliki biaya daur ulang dan pemrosesan. Di Tiongkok, karena tenaga kerja yang relatif murah dan kurangnya daur ulang serta pemrosesan film PE biasa dalam jumlah besar, tingginya biaya penggunaan film biodegradable menjadi sorotan. Dengan meningkatnya kebutuhan akan daur ulang dan pemrosesan film PE biasa, perbaikan undang-undang dan peraturan tentang daur ulang dan pemrosesan film, dan peningkatan biaya tenaga kerja di pedesaan, perbedaan biaya komprehensif antara aplikasi film PE biasa dan film yang dapat terbiodegradasi akan menjadi semakin kecil, dan penerapan film yang dapat terurai secara hayati akan memiliki prospek yang baik.
 
4 Kesimpulan dan rekomendasi utama
Film plastik biodegradable merupakan salah satu cara penting untuk mengatasi sisa polusi yang disebabkan oleh film plastik, yang memiliki efek luar biasa dan potensi besar dalam produksi pertanian. Namun masih banyak kendala teknis dan masih dalam tahap awal. Saat ini, penelitian tentang bahan baku, formula, dan proses produksi film biodegradable perlu diperkuat, meningkatkan kualitas produk dan mengurangi biaya, terutama untuk mengembangkan produk film biodegradable khusus untuk wilayah dan tanaman tertentu guna memenuhi persyaratan keanekaragaman produksi pertanian. Sambil memperkuat penelitian produk film plastik biodegradable, perlu dilakukan penelitian pendukung teknologi pertanian dan upayanya berdasarkan kebutuhan produksi pertanian dan karakteristik produk film plastik.