تحلیل مشکلات و کاربردها در فناوری فیلم پلاستیکی زیست تخریب پذیر

فیلم پلاستیکی یکی از مواد مهم مواد برای تولید محصولات کشاورزی است و استفاده از فناوری پوشش فیلم پلاستیکی باعث پیشرفت قابل توجهی در بهره‌وری کشاورزی و تغییر در روش‌های تولید در چین شده است. در سال 2014، مقدار کل فیلم پلاستیکی مورد استفاده در چین به 1.441 میلیون تن رسید که مساحتی بالغ بر 2000 هکتار را پوشش می دهد. مناطق کاربرد از مناطق خشک و نیمه خشک در شمال به مناطق کوهستانی مرتفع و مناطق سردسیر در جنوب گسترش یافته است و انواع محصولات تحت پوشش نیز از محصولات اقتصادی به محصولات غلات حجیم گسترش یافته است. عملکردهای پوشش فیلم پلاستیکی، مانند گرم کردن و حفظ رطوبت، پیشگیری از بیماری و حشرات، و سرکوب علف های هرز، بازده محصول را بین 20 تا 50 درصد افزایش داده است و سهم قابل توجهی در تضمین تامین امنیت غذایی چین دارد. با این حال، در همان زمان، استفاده گسترده از پوشش فیلم پلاستیکی یک سری مشکلات مانند تکنولوژی ضعیف و بازیافت، و "آلودگی سفید" ناشی از فیلم پلاستیکی باقیمانده را به همراه داشته است. تحقیق و توسعه فیلم پلاستیکی زیست تخریب پذیر به یک جهت استراتژیک مهم برای توسعه صنعت پلاستیک و کشاورزی تبدیل شده است.
 
مفهوم و اجزای اصلی فیلم پلاستیکی زیست تخریب پذیر
فیلم پلاستیکی زیست تخریب پذیر به نوعی از فیلم پلاستیکی اطلاق می شود که توسط میکروارگانیسم ها در محیط طبیعی تجزیه می شود. کمیته فناوری تحقیقات پلاستیک زیست تخریب پذیر ژاپن آن را به عنوان "ترکیبات با وزن مولکولی بالا و ترکیبات آنها که می توانند به ترکیبات با وزن مولکولی کم تجزیه شوند که از طریق فعالیت میکروبی در طبیعت اثرات نامطلوبی بر محیط زیست ندارند" تعریف می کند. با توجه به مواد اولیه اصلی، می توان آن را به فیلم های زیست تخریب پذیر ساخته شده از زیست توده طبیعی و فیلم های زیست تخریب پذیر ساخته شده از مواد مبتنی بر نفت تقسیم کرد. زیست توده طبیعی مانند نشاسته، سلولز، کیتین و غیره اصلاح شده و سپس به مواد تولید فیلم زیست تخریب پذیر سنتز می شوند. نشاسته به عنوان ماده اولیه اصلی فیلم پلاستیکی را می توان با توجه به مکانیسم تخریب و شکل آسیب به فیلم پلاستیکی ناقص زیست تخریب پذیر با نشاسته و فیلم پلاستیکی کاملاً زیست تخریب پذیر با نشاسته به عنوان ماده اولیه اصلی تقسیم کرد. فیلم زیست تخریب پذیر نوع افزودنی با مخلوط کردن پلیمرهای طبیعی یا مصنوعی با خواص زیست تخریب پذیر در پلاستیک پلی اتیلن و سپس دمیدن آن با سازگار کننده ها، آنتی اکسیدان ها و کمک های پردازش ساخته می شود. این یک فیلم کاملاً زیست تخریب پذیر نیست. فیلم کاملاً زیست تخریب‌پذیر تولید شده از نشاسته عمدتاً برای تولید اسید لاکتیک تخمیر می‌شود که سپس به اسید پلی لاکتیک سنتز می‌شود. این فیلم عمدتا از اسید پلی لاکتیک تولید می شود. نوع مهم دیگر زیست توده طبیعی فیبر است که می تواند برای تولید فیلم پلاستیکی از طریق اتریفیکاسیون، استریفیکاسیون و اکسیداسیون سلولز به اسیدها، آلدئیدها و کتون ها استفاده شود. این متعلق به فیلم پلاستیکی کاملاً زیست تخریب پذیر است. اجزای اصلی تولید فیلم زیست تخریب پذیر مبتنی بر نفت عبارتند از کوپلی استرهای دی اسید دیول (PBS، PBAT، و غیره)، پلی هیدروکسی آلکانوات ها (PHA)، پلی کاپرولاکتون (PCL)، پلی هیدروکسی بوتیرات (PHB)، کوپلیمر کربن دی اکسید کربن، پلی پروپیلن کربنات (PPC)، و غیره. در طبیعت، و محصولات تخریب نهایی دی اکسید کربن و آب هستند.
 
تحقیق و استفاده از فیلم های پلاستیکی زیست تخریب پذیر در مراحل اولیه توسعه فیلم های زیست تخریب پذیر، فیلم های زیست تخریب پذیر اضافه شده با نشاسته همیشه کانون تحقیق و توسعه بوده است. از ابتدا تهیه فیلم با مخلوط کردن 6٪ تا 20٪ نشاسته و الفین های پلیمری، به تدریج به تهیه فیلم با مخلوط کردن 50٪ نشاسته و پلیمر آبدوست تبدیل شد. در حال حاضر، نشاسته برای تولید پلاستیک های زیست تخریب پذیر اصلاح می شود که سپس برای تولید فیلم های پلاستیکی استفاده می شود. این نوع فیلم پلاستیکی دارای مزایای فرآیند ساده و هزینه کم است. اکثر واحدهای تحقیق و توسعه داخلی پلاستیک های نشاسته ای افزودنی را تولید می کنند که محتوای نشاسته آن از 10٪ تا 30٪ در محصولاتشان متغیر است.
 
در اوایل دهه 1980، انگلستان روشی را برای استخراج و خالص سازی β-هیدروکسی بوتیرات (PHB) کشف کرد و آن را به لایه های نازک تبدیل کرد و اولین لایه های تجزیه پذیر را تولید کرد. با این حال، PHB دارای استحکام ضربه ای و مقاومت در برابر حلالیت ضعیفی بود و نمی توانست به طور واقعی در تولیدات کشاورزی استفاده شود. تحقیقات روی پلی هیدروکسی آلکانوات ها (PHA) در چین در دهه 1980 آغاز شد. موسسه شیمی آلی شانگهای و دانشگاه تیانجین سنتز کوپلیمرهای PHB را با استفاده از روش‌های شیمیایی بررسی کردند و برخی افراد شروع به استفاده از برگ یا ریشه گیاهان برای تولید PHBV کردند. به دلیل عیوب ذاتی مانند شکنندگی، هزینه بالا و قیمت بالای PHBV، کاربرد آن به عنوان فیلم پلاستیکی محدود است. موادی که در حال حاضر برای تولید فیلم‌های پلاستیکی زیست تخریب‌پذیر تولید می‌شوند، عمدتاً شامل نشاسته تخمیر شده به اسید لاکتیک است که سپس پلیمریزه می‌شود تا پلی لاکتیک اسید کاملاً زیست تخریب‌پذیر (PLA) را تشکیل دهد. سوکسینات پلی بوتاندیول (PBS) که از پلیمریزاسیون اسید سوکسینیک و بوتاندیول تشکیل می شود. پلی (پروپیلن کربنات) (PPC) که توسط کوپلیمریزاسیون دی اکسید کربن و اپی کلروهیدرین ایجاد می شود و پلی (کاپرولاکتون) (PCL) تولید شده توسط پلیمریزاسیون باز حلقه β - کاپرولاکتون تحت عمل کاتالیزور.
 
تولید فیلم های زیست تخریب پذیر با استفاده از الیاف طبیعی به عنوان مواد اولیه همواره یک نقطه تحقیقاتی بوده است. اگرچه این نوع فیلم از نظر عملکردهای گرم کردن و حفظ رطوبت به خوبی فیلم پلی اتیلن معمولی نیست، اما نفوذ پذیری و تنفس خوبی دارد و می تواند با تغییر رنگ به طور موثر علف های هرز را سرکوب کند. چندین واحد داخلی تحقیق و استفاده از فیلم مالچ مالچ الیاف چمن و فیلم مالچ بر پایه کاغذ، مانند توسعه فیلم مالچ کشاورزی الیاف چمن CXW-1 توسط انجمن بین المللی چین برای ترویج علم و فناوری انجام داده اند. اولین کارخانه کاغذ هوبی ژیچنگ و مرکز علوم کشاورزی سین کیانگ هوتان فیلم های مالچ کاغذی را توسعه داده اند. مؤسسه تحقیقاتی کنف آکادمی علوم کشاورزی چین فیلم کنفی را با استفاده از الیاف کنف تولید کرده است که به طور گسترده در کشت نهال برنج و کاشت سبزیجات جنوب استفاده شده است.
 
اروپا و ژاپن پیشرفته ترین کشورها و مناطق در تحقیق، توسعه و کاربرد مواد، فناوری ها و فیلم های زیست تخریب پذیر زیست تخریب پذیر در سراسر جهان هستند. با پیشرفت مواد زیست تخریب پذیر و تکنیک های پردازش، استفاده از فیلم های زیست تخریب پذیر به طور فزاینده ای گسترش می یابد، که عمدتا در باغبانی و تولید سبزیجات استفاده می شود. در حال حاضر، سهم بازار فیلم‌های پلاستیکی زیست تخریب‌پذیر در ژاپن و اروپا همچنان در حال افزایش است و به حدود 10 درصد می‌رسد، با نرخ‌های کاربرد حتی بالاتر در مناطق خاص. به عنوان مثال، نسبت فیلم پلاستیکی زیست تخریب پذیر در کشت سبزیجات در منطقه شیکوکو ژاپن از 20 درصد فراتر رفته است. از سال 2010، شرکت‌های بزرگ خارجی که در زمینه تحقیق و تولید مواد فیلم زیست تخریب‌پذیر فعالیت می‌کنند، همکاری با بخش‌های تحقیقات علمی مرتبط و ارتقای فناوری کشاورزی در چین را آغاز کرده‌اند. آن‌ها آزمایش‌ها و نمایش‌هایی را روی محصولات عمده‌ای مانند پنبه، ذرت، تنباکو، سیب‌زمینی و سبزیجات در سین‌کیانگ در شمال غربی، یوننان در جنوب غربی، پکن و هبی در شمال، و گانسو و مغولستان داخلی در شمال غربی انجام داده‌اند که بیش از 10 محصول و مساحتی بیش از 13 هکتار را پوشش می‌دهند.
 
در سال‌های اخیر، چین پیشرفت قابل‌توجهی در تحقیق و کاربرد فیلم‌های پلاستیکی زیست‌تخریب‌پذیر داشته است، به‌ویژه از طریق بهبود فناوری سنتز و تجهیزات کوپلی استرهای دی‌اسید، و پیشرفت‌هایی در فناوری کاتالیزور کلیدی در سنتز PLA، که فناوری‌ها و فرآیندهای اصلی را برای تولید پلاستیک‌های زیست تخریب‌پذیر با حقوق مالکیت معنوی مستقل تشکیل داده‌اند. بر این اساس فرمول و فرآیند تولید فیلم پلاستیکی زیست تخریب پذیر بیشتر بهبود یافته و کامل شده و ظرفیت تولید 10000 تن فیلم پلاستیکی زیست تخریب پذیر تشکیل شده است. نمایش های تجربی در مناطق محلی و محصولات معمولی انجام شده است.
 
3 مشکلات و چالش های فیلم پلاستیکی زیست تخریب پذیر
 
3.1 استحکام کششی محصول باید بیشتر بهبود یابد
 
استحکام مکانیکی فیلم زیست تخریب پذیر برای عملیات در مقیاس بزرگ کافی نیست، که یکی از عوامل محدود کننده برای کاربرد در مقیاس بزرگ فیلم زیست تخریب پذیر است. به دلیل ویژگی‌های ذاتی مواد اولیه، استحکام کششی اکثر فیلم‌های پلاستیکی زیست تخریب‌پذیر ناکافی است و انجام عملیات پوشش مکانیزه فیلم در برخی از مناطق کشاورزی که عملیات مکانیکی غالب است غیرممکن می‌شود. این مشکل به ویژه در سین کیانگ برجسته است.
 
تنها با بهبود و اصلاح فرمول فیلم پلاستیکی، افزایش استحکام کششی آن و برآورده کردن الزامات عملیات ماشین‌آلات کشاورزی، می‌توان شرایطی را برای کاربرد در مقیاس بزرگ فیلم پلاستیکی زیست تخریب‌پذیر ایجاد کرد.
 
3.2 تفاوت در قابلیت کنترل تخریب و تقاضای محصول
پوشش فیلم پلاستیکی دارای عملکردهای متعددی است که بر افزایش دما و حفظ رطوبت و همچنین مهار علف های هرز تمرکز دارد. برای دستیابی به این عملکردهای فیلم پلاستیکی، لازم است از زمان پوشش اطمینان حاصل شود، در غیر این صورت نمی تواند الزامات عملکردی محصولات را برای پوشش فیلم پلاستیکی برآورده کند. در حال حاضر، هنوز مشکلاتی در مورد کنترل پذیری پارگی و تخریب اکثر فیلم های پلاستیکی زیست تخریب پذیر وجود دارد. تعداد زیادی از نتایج تجربی نشان داده‌اند که محصولات پلاستیکی زیست‌تخریب‌پذیر موجود خیلی زود پاره می‌شوند و تخریب می‌شوند و زمان پوشش بسیار کمتر از دوره ایمن پوشش فیلم پلاستیکی زراعی است که منجر به ناتوانی آنها در عملکرد مؤثر می‌شود.
 
3.3 عملکرد گرم شدن و حفظ رطوبت باید بیشتر تقویت شود
تفاوت های خاصی در عملکرد گرم کردن و حفظ رطوبت اکثر فیلم های پلاستیکی زیست تخریب پذیر در مقایسه با فیلم های پلاستیکی معمولی PE وجود دارد. تفاوت قابل توجهی در دمای خاک بین لایه پلاستیکی زیست تخریب پذیر با ضخامت 10 میکرومتر و پوشش پلاستیک پلی اتیلن با ضخامت 8 میکرومتر وجود دارد. در شرایط عدم پوشش تاج زراعی، به جز اثر گرم شدن یکسان بین ساعت 11:00 صبح تا 4:00 بعد از ظهر، دمای خاک پوشش داده شده توسط فیلم پلاستیکی پلی اتیلن بالاتر از دمای پوشش داده شده توسط فیلم پلاستیکی زیست تخریب پذیر در سایر مواقع است. نتایج آزمایش احتباس آب انجام شده با استفاده از آزمایش های شبیه سازی نیز نشان داد که فیلم زیست تخریب پذیر به طور قابل توجهی از فیلم PE از نظر احتباس آب پایین تر است.
 
3.4 محدودیت های هزینه تولید محصول برای کاربرد در مقیاس بزرگ
هزینه بالا یکی دیگر از عوامل محدود کننده برای تبلیغ و کاربرد در مقیاس بزرگ فیلم پلاستیکی زیست تخریب پذیر است. به طور کلی، قیمت فروش فیلم پلاستیکی زیست تخریب پذیر حدود سه برابر فیلم پلاستیکی معمولی پلی اتیلن است که با عوامل متعددی مانند خواص و ضخامت مواد اولیه فیلم پلاستیکی تعیین می شود. از یک طرف، دستیابی به تولید مواد خام در مقیاس بزرگ و بهبود قیمت گذاری محصولات تخریب از طریق فرمولاسیون ضروری است. از سوی دیگر، یک ارزیابی جامع از هزینه استفاده از فیلم پلاستیکی باید انجام شود تا تفاوت هزینه بین فیلم پلاستیکی زیست تخریب پذیر و فیلم پلاستیکی پلی اتیلن معمولی روشن شود و کاربرد در مقیاس بزرگ فیلم پلاستیکی زیست تخریب پذیر ترویج شود. طبق بررسی و محاسبات، هزینه کل کاربرد فیلم پلی اتیلن معمولی در ژاپن شامل هزینه خرید محصولات فیلم و هزینه بازیافت و فرآوری است که هر کدام 50 درصد را شامل می شود، در حالی که استفاده از فیلم زیست تخریب پذیر هیچ هزینه بازیافت و فرآوری ندارد. در چین، به دلیل نیروی کار نسبتاً ارزان و عدم بازیافت و پردازش مقدار زیادی فیلم پلی اتیلن معمولی، هزینه بالای استفاده از فیلم زیست تخریب پذیر برجسته می شود. با افزایش ضرورت بازیافت و پردازش فیلم پلی اتیلن معمولی، بهبود قوانین و مقررات بازیافت و فرآوری فیلم و افزایش هزینه های کارگری روستایی، تفاوت هزینه جامع بین فیلم پلی اتیلن معمولی و کاربرد فیلم های زیست تخریب پذیر کمتر و کوچکتر می شود و کاربرد فیلم زیست تخریب پذیر چشم انداز خوبی خواهد داشت.
 
4 نتیجه گیری و توصیه های اصلی
فیلم پلاستیکی زیست تخریب پذیر یکی از راه های مهم برای حل آلودگی باقیمانده ناشی از فیلم پلاستیکی است که دارای اثرات عالی و پتانسیل عظیمی در تولید محصولات کشاورزی است. با این حال مشکلات فنی زیادی وجود دارد و هنوز در مرحله اولیه است. در حال حاضر، تقویت تحقیقات در مورد مواد خام، فرمول ها و فرآیندهای تولید فیلم های زیست تخریب پذیر، بهبود کیفیت محصول و کاهش هزینه ها، به ویژه توسعه تخصصی محصولات فیلم زیست تخریب پذیر برای مناطق و محصولات خاص برای پاسخگویی به الزامات تنوع تولیدات کشاورزی ضروری است. ضمن تقویت تحقیقات در مورد محصولات فیلم پلاستیکی زیست تخریب پذیر، انجام تحقیقات در زمینه حمایت از فناوری ها و اقدامات کشاورزی بر اساس نیازهای تولیدات کشاورزی و ویژگی های محصولات فیلم پلاستیکی ضروری است.