Analisi di problemi e applicazioni nella tecnologia dei film plastici biodegradabili

La pellicola di plastica è uno dei materiali più importanti per la produzione agricola e l’applicazione della tecnologia di copertura della pellicola di plastica ha portato miglioramenti significativi nella produttività agricola e cambiamenti nei metodi di produzione in Cina. Nel 2014, la quantità totale di film plastico utilizzato in Cina ha raggiunto 1.441 milioni di tonnellate, coprendo un'area di oltre 2.000 ettari. Le aree di applicazione si sono espanse dalle regioni aride e semi-aride del nord alle alte montagne e alle regioni fredde del sud, e anche i tipi di colture interessate si sono estesi dalle colture economiche alle colture di cereali sfusi. Le funzioni della copertura con pellicola di plastica, come il riscaldamento e la ritenzione dell’umidità, la prevenzione di malattie e insetti e l’eliminazione delle erbe infestanti, hanno aumentato i raccolti dal 20% al 50%, contribuendo in modo significativo a garantire la sicurezza alimentare della Cina. Tuttavia, allo stesso tempo, l'ampia applicazione di coperture con film plastici ha comportato anche una serie di problemi, come la scarsa tecnologia e il riciclaggio, e l'"inquinamento bianco" causato dai residui di film plastici. La ricerca e lo sviluppo di film plastici biodegradabili sono diventati un'importante direzione strategica per lo sviluppo dell'industria della plastica e dell'agricoltura.
 
Il concetto e i principali componenti del film plastico biodegradabile
La pellicola di plastica biodegradabile si riferisce a un tipo di pellicola di plastica che viene degradata dai microrganismi nell'ambiente naturale. Il Japan Biodegradable Plastics Research Technology Committee li definisce come "composti ad alto peso molecolare e loro miscele che possono essere decomposti in composti a basso peso molecolare che non hanno effetti negativi sull'ambiente attraverso l'azione microbica in natura". Secondo le principali materie prime, può essere suddiviso in film biodegradabili realizzati con biomassa naturale e film biodegradabili realizzati con materiali a base di petrolio. Le biomasse naturali come amido, cellulosa, chitina, ecc. vengono modificate e quindi sintetizzate in materiali biodegradabili per la produzione di film. L'amido come materia prima principale per il film plastico può essere suddiviso in film plastico biodegradabile incompleto con aggiunta di amido e film plastico completamente biodegradabile con amido come materia prima principale in base al meccanismo di degradazione e alla forma del danno. La pellicola biodegradabile di tipo additivo viene prodotta mescolando polimeri naturali o sintetici con proprietà biodegradabili nella plastica PE e quindi soffiandola con compatibilizzanti, antiossidanti e coadiuvanti tecnologici. Non è una pellicola completamente biodegradabile. La pellicola completamente biodegradabile prodotta dall'amido viene principalmente fermentata per produrre acido lattico, che viene poi sintetizzato in acido polilattico. Il film è prodotto principalmente da acido polilattico. Un altro importante tipo di biomassa naturale è la fibra, che può essere utilizzata per produrre film plastico mediante eterificazione, esterificazione e ossidazione della cellulosa in acidi, aldeidi e chetoni. Appartiene al film plastico completamente biodegradabile. I componenti principali della produzione di film biodegradabili a base di petrolio sono copoliesteri diacido diolo (PBS, PBAT, ecc.), poliidrossialcanoati (PHA), policaprolattone (PCL), poliidrossibutirrato (PHB), copolimero di anidride carbonica, polipropilene carbonato (PPC), ecc. Queste sostanze ad alto peso molecolare possono essere rapidamente decomposte e utilizzate dai microrganismi in natura e i prodotti finali della degradazione sono anidride carbonica e acqua.
 
Ricerca e applicazione della pellicola di plastica biodegradabile Nelle prime fasi di sviluppo della pellicola biodegradabile, la pellicola biodegradabile con aggiunta di amido è sempre stata al centro della ricerca e dello sviluppo. Dalla preparazione iniziale della pellicola miscelando il 6%~20% di amido e olefine polimeriche, si è gradualmente sviluppata fino alla preparazione della pellicola miscelando il 50% di amido e polimero idrofilo. Attualmente l’amido viene modificato per produrre plastica biodegradabile, che viene poi utilizzata per produrre pellicole plastiche. Questo tipo di film plastico presenta i vantaggi di un processo semplice e di un basso costo. La maggior parte delle unità di ricerca e sviluppo nazionali producono plastiche additive a base di amido, con un contenuto di amido che varia dal 10% al 30% nei loro prodotti.
 
All'inizio degli anni '80, il Regno Unito scoprì un metodo per estrarre e purificare il β-idrossibutirrato (PHB) e lo trasformò in film sottili, producendo i primi film degradabili. Tuttavia, il PHB aveva scarsa resistenza agli urti e alla solubilità e non poteva essere realmente utilizzato nella produzione agricola. La ricerca sui poliidrossialcanoati (PHA) in Cina è iniziata negli anni ’80. L'Istituto di Chimica Organica di Shanghai e l'Università di Tianjin hanno esplorato la sintesi dei copolimeri PHB utilizzando metodi chimici e alcune persone hanno iniziato a utilizzare foglie o radici di piante per produrre PHBV. A causa di difetti intrinseci quali fragilità, costo elevato e prezzo elevato del PHBV, la sua applicazione come film plastico è limitata. I materiali attualmente sviluppati per la produzione di film plastici biodegradabili includono principalmente amido fermentato in acido lattico, che viene poi polimerizzato per formare acido polilattico completamente biodegradabile (PLA); Polibutandiolo succinato (PBS) formato dalla polimerizzazione dell'acido succinico e butandiolo; Poli (propilene carbonato) (PPC) generato dalla copolimerizzazione di anidride carbonica ed epicloridrina e poli (caprolattone) (PCL) generato dalla polimerizzazione con apertura dell'anello del β - caprolattone sotto l'azione del catalizzatore.
 
La produzione di film biodegradabili utilizzando fibre naturali come materie prime è sempre stata un punto focale della ricerca. Sebbene questo tipo di film non sia buono come il normale film in PE in termini di funzioni di riscaldamento e ritenzione dell'umidità, ha una buona permeabilità e traspirabilità e può eliminare efficacemente le erbacce cambiando colore. Diverse unità nazionali hanno condotto ricerche e applicazioni di pellicole per pacciamatura in fibra di erba e pellicole per pacciamatura a base di carta, come lo sviluppo della pellicola per pacciamatura agricola in fibra di erba CXW-1 da parte della China International Association for the Promotion of Science and Technology; Hubei Zhicheng First Paper Mill e Xinjiang Hotan Agricultural Science Center hanno sviluppato pellicole per pacciamatura della carta; L’Istituto di ricerca sulla canapa dell’Accademia cinese delle scienze agricole ha sviluppato una pellicola di canapa utilizzando la fibra di canapa, che è stata ampiamente utilizzata nella coltivazione di piantine di riso e nella piantagione di ortaggi del sud.
 
L’Europa e il Giappone sono i paesi e le regioni più avanzati nella ricerca, nello sviluppo e nell’applicazione di materiali, tecnologie e pellicole biodegradabili in tutto il mondo. Con l'avanzamento dei materiali biodegradabili e delle tecniche di lavorazione, l'applicazione di pellicole biodegradabili sta diventando sempre più diffusa, utilizzata principalmente nell'orticoltura e nella produzione di ortaggi. Attualmente, la quota di mercato dei film plastici biodegradabili in Giappone e in Europa continua a crescere, raggiungendo circa il 10%, con tassi di applicazione ancora più elevati in alcune regioni. Ad esempio, la percentuale di pellicola di plastica biodegradabile nella coltivazione di ortaggi nella regione giapponese di Shikoku ha superato il 20%. Dal 2010, grandi aziende straniere impegnate nella ricerca e nella produzione di materiali cinematografici biodegradabili hanno iniziato a collaborare con i pertinenti dipartimenti di ricerca scientifica e di promozione della tecnologia agricola in Cina. Hanno condotto esperimenti e dimostrazioni sulle principali colture come cotone, mais, tabacco, patate e verdure nello Xinjiang nel nord-ovest, nello Yunnan nel sud-ovest, a Pechino e nell’Hebei nel nord e nel Gansu e nella Mongolia interna nel nord-ovest, coprendo più di 10 colture e un’area di oltre 1.333,3 ettari.
 
Negli ultimi anni, la Cina ha compiuto progressi significativi nella ricerca e nell’applicazione di pellicole plastiche biodegradabili, in particolare attraverso il miglioramento della tecnologia di sintesi e delle apparecchiature per i copoliesteri di diacido diacido e le scoperte nella tecnologia dei catalizzatori chiave nella sintesi del PLA, che hanno formato tecnologie e processi fondamentali per la produzione di plastica biodegradabile con diritti di proprietà intellettuale indipendenti. Su questa base, la formula di produzione e il processo della pellicola plastica biodegradabile sono stati ulteriormente migliorati e perfezionati ed è stata creata una capacità produttiva di 10.000 tonnellate di pellicola plastica biodegradabile. Sono state effettuate dimostrazioni sperimentali in aree locali e colture tipiche.
 
3 Problemi e sfide del film plastico biodegradabile
 
3.1 La resistenza alla trazione del prodotto deve essere ulteriormente migliorata
 
La resistenza meccanica della pellicola biodegradabile è insufficiente per operazioni su larga scala, che è uno dei fattori limitanti per l'applicazione su larga scala della pellicola biodegradabile. A causa delle caratteristiche intrinseche dei materiali di base, la resistenza alla trazione della maggior parte dei film plastici biodegradabili è insufficiente, rendendo impossibile l'esecuzione di operazioni meccanizzate di copertura del film in alcune aree agricole dove le operazioni meccaniche sono predominanti. Questo problema è particolarmente evidente nello Xinjiang.
 
Solo migliorando e perfezionando la formula del film plastico, aumentandone la resistenza alla trazione e soddisfacendo i requisiti delle operazioni delle macchine agricole, è possibile creare le condizioni per l'applicazione su larga scala del film plastico biodegradabile.
 
3.2 Differenze nella controllabilità del degrado e nella domanda di colture
La copertura in pellicola di plastica ha molteplici funzioni, con particolare attenzione all'aumento della temperatura e alla ritenzione dell'umidità, oltre all'inibizione delle erbe infestanti. Per realizzare queste funzioni del film plastico, è necessario garantire il tempo di copertura, altrimenti non può soddisfare i requisiti funzionali delle colture per la copertura del film plastico. Attualmente sussistono ancora problemi relativi alla controllabilità della rottura e del degrado della maggior parte delle pellicole plastiche biodegradabili. Un gran numero di risultati sperimentali hanno dimostrato che i film di plastica biodegradabili esistenti si rompono e si degradano troppo presto e che il tempo di copertura è molto inferiore al periodo sicuro di copertura del film di plastica delle colture, con conseguente incapacità di funzionare in modo efficace.
 
3.3 Le prestazioni di riscaldamento e ritenzione dell'umidità devono essere ulteriormente rafforzate
Esistono alcune differenze nelle funzioni di riscaldamento e ritenzione dell'umidità della maggior parte dei film plastici biodegradabili rispetto ai normali film plastici PE. Esiste una differenza significativa nella temperatura del suolo tra la pellicola di plastica biodegradabile spessa 10 μm e la copertura con pellicola di plastica PE spessa 8 μm. In assenza di copertura della chioma delle colture, ad eccezione dello stesso effetto di riscaldamento tra le 11:00 e le 16:00, la temperatura del suolo coperto dalla pellicola di plastica PE è superiore a quella coperta dalla pellicola di plastica biodegradabile in tutti gli altri orari. I risultati del test di ritenzione dell'acqua condotto mediante esperimenti di simulazione hanno mostrato anche che la pellicola biodegradabile era significativamente inferiore alla pellicola in PE in termini di ritenzione dell'acqua.
 
3.4 Vincoli sui costi di produzione del prodotto per applicazioni su larga scala
I costi elevati rappresentano un altro fattore limitante per la promozione e l’applicazione su larga scala della pellicola plastica biodegradabile. In generale, il prezzo di vendita del film plastico biodegradabile è circa tre volte quello del normale film plastico PE, che è determinato da molteplici fattori come le proprietà e lo spessore delle materie prime del film plastico. Da un lato è necessario arrivare alla produzione su larga scala delle materie prime e migliorare il prezzo dei prodotti di degradazione attraverso la formulazione; D'altro canto, dovrebbe essere condotta una valutazione completa del costo dell'utilizzo della pellicola di plastica per chiarire la differenza di costo tra la pellicola di plastica biodegradabile e la normale pellicola di plastica in PE e promuovere l'applicazione su larga scala della pellicola di plastica biodegradabile. Secondo indagini e calcoli, il costo totale dell'applicazione ordinaria di pellicola in PE in Giappone include il costo di acquisto dei prodotti in pellicola e il costo di riciclaggio e lavorazione, ciascuno pari al 50%, mentre l'applicazione della pellicola biodegradabile non comporta costi di riciclaggio e lavorazione. In Cina, a causa della forza lavoro relativamente a basso costo e della mancanza di riciclaggio e lavorazione di grandi quantità di normali pellicole in PE, viene evidenziato l’alto costo dell’utilizzo di pellicole biodegradabili. Con la crescente necessità di riciclare e lavorare le normali pellicole in PE, il miglioramento delle leggi e dei regolamenti sul riciclaggio e la lavorazione delle pellicole e l’aumento dei costi della manodopera rurale, la differenza complessiva dei costi tra le normali pellicole in PE e le applicazioni di pellicole biodegradabili diventerà sempre più piccola e l’applicazione delle pellicole biodegradabili avrà buone prospettive.
 
4 Principali conclusioni e raccomandazioni
La pellicola di plastica biodegradabile è uno dei modi importanti per risolvere l'inquinamento residuo causato dalla pellicola di plastica, che ha effetti eccellenti e un enorme potenziale nella produzione agricola. Tuttavia ci sono molti problemi tecnici ed è ancora nella fase iniziale. Allo stato attuale, è necessario rafforzare la ricerca su materie prime, formule e processi di produzione di pellicole biodegradabili, migliorare la qualità dei prodotti e ridurre i costi, in particolare per sviluppare prodotti specializzati in pellicole biodegradabili per regioni e colture specifiche per soddisfare i requisiti della diversità della produzione agricola. Rafforzando la ricerca sui prodotti in pellicola di plastica biodegradabili, è necessario condurre ricerche sul sostegno alle tecnologie agricole e alle misure basate sulle esigenze della produzione agricola e sulle caratteristiche dei prodotti in pellicola di plastica.