Analiza problemów i zastosowań technologii biodegradowalnych folii z tworzyw sztucznych

Folia z tworzywa sztucznego jest jednym z ważnych materiałów materiałowych w produkcji rolnej, a zastosowanie technologii powlekania folią z tworzywa sztucznego doprowadziło do znacznej poprawy produktywności rolnictwa i zmian w metodach produkcji w Chinach. W 2014 roku łączna ilość folii użytej w Chinach wyniosła 1,441 mln ton i zajmowała powierzchnię ponad 2000 hektarów. Obszary zastosowań rozszerzyły się z suchych i półsuchych regionów na północy po wysokie góry i zimne regiony na południu, a rodzaje objętych upraw również rozszerzyły się z upraw ekonomicznych na uprawy zbóż masowych. Funkcje folii z tworzywa sztucznego, takie jak ogrzewanie i zatrzymywanie wilgoci, zapobieganie chorobom i owadom oraz zwalczanie chwastów, zwiększyły plony o 20% do 50%, w znaczący sposób przyczyniając się do zapewnienia bezpieczeństwa żywnościowego Chin. Jednak jednocześnie powszechne stosowanie folii z tworzywa sztucznego spowodowało także szereg problemów, takich jak zła technologia i recykling oraz „białe zanieczyszczenie” spowodowane resztkami folii z tworzywa sztucznego. Badania i rozwój biodegradowalnej folii z tworzyw sztucznych stały się ważnym kierunkiem strategicznym rozwoju przemysłu tworzyw sztucznych i rolnictwa.
 
Koncepcja i główne składniki biodegradowalnej folii z tworzywa sztucznego
Biodegradowalna folia z tworzywa sztucznego odnosi się do rodzaju folii z tworzywa sztucznego, która jest rozkładana przez mikroorganizmy w środowisku naturalnym. Japoński Komitet ds. Badań nad Tworzywami Biodegradowalnymi definiuje je jako „związki o wysokiej masie cząsteczkowej i ich mieszanki, które można rozłożyć na związki o niskiej masie cząsteczkowej, które nie mają niekorzystnego wpływu na środowisko poprzez działanie drobnoustrojów w przyrodzie”. Według głównych surowców można je podzielić na folie biodegradowalne wykonane z naturalnej biomasy i folie biodegradowalne wykonane z materiałów na bazie ropy naftowej. Naturalna biomasa, taka jak skrobia, celuloza, chityna itp., jest modyfikowana, a następnie syntetyzowana w biodegradowalne materiały do ​​produkcji folii. Skrobię jako główny surowiec do produkcji folii z tworzywa sztucznego można podzielić na niekompletną biodegradowalną folię z tworzywa sztucznego z dodatkiem skrobi i w pełni biodegradowalną folię z tworzywa sztucznego, w której głównym surowcem jest skrobia, zgodnie z mechanizmem degradacji i formą uszkodzenia. Folię biodegradowalną typu addytywnego wytwarza się poprzez zmieszanie naturalnych lub syntetycznych polimerów o właściwościach biodegradowalnych z tworzywem PE, a następnie rozdmuchanie jej kompatybilizatorami, przeciwutleniaczami i środkami pomocniczymi w przetwarzaniu. Nie jest to folia całkowicie biodegradowalna. W pełni biodegradowalna folia wytwarzana ze skrobi jest poddawana głównie fermentacji w celu wytworzenia kwasu mlekowego, który jest następnie syntetyzowany w kwas polimlekowy. Folia produkowana jest głównie z kwasu polimlekowego. Innym ważnym rodzajem naturalnej biomasy jest włókno, które można wykorzystać do produkcji folii z tworzywa sztucznego poprzez eteryfikację, estryfikację i utlenianie celulozy do kwasów, aldehydów i ketonów. Należy do całkowicie biodegradowalnych folii z tworzyw sztucznych. Głównymi składnikami biodegradowalnych folii na bazie ropy naftowej są kopoliestry dikwasowo-dioli (PBS, PBAT itp.), polihydroksyalkaniany (PHA), polikaprolakton (PCL), polihydroksymaślan (PHB), kopolimer dwutlenku węgla, węglan polipropylenu (PPC) itp. Te substancje o wysokiej masie cząsteczkowej mogą być szybko rozkładane i wykorzystywane przez mikroorganizmy w przyrodzie, a końcowymi produktami degradacji są dwutlenek węgla i woda.
 
Badania i zastosowanie biodegradowalnej folii z tworzywa sztucznego Na wczesnych etapach rozwoju biodegradowalnej folii, biodegradowalna folia z dodatkiem skrobi zawsze była przedmiotem badań i rozwoju. Od początkowego przygotowania folii poprzez zmieszanie 6% ~ 20% skrobi i olefin polimerowych, stopniowo rozwinięto się do przygotowania folii poprzez zmieszanie 50% skrobi i polimeru hydrofilowego. Obecnie skrobia jest modyfikowana w celu wytworzenia biodegradowalnych tworzyw sztucznych, które następnie wykorzystywane są do produkcji folii z tworzyw sztucznych. Ten rodzaj folii z tworzywa sztucznego ma zalety prostego procesu i niskiego kosztu. Większość krajowych jednostek badawczo-rozwojowych zajmuje się produkcją tworzyw skrobiowych, których zawartość w swoich produktach waha się od 10% do 30%.
 
We wczesnych latach 80. Wielka Brytania odkryła metodę ekstrakcji i oczyszczania β-hydroksymaślanu (PHB) i przekształciła go w cienkie folie, tworząc najwcześniejsze folie ulegające degradacji. Jednakże PHB miał słabą udarność i odporność na rozpuszczalność i nie mógł być faktycznie stosowany w produkcji rolnej. Badania nad polihydroksyalkanianami (PHA) w Chinach rozpoczęły się w latach 80. XX wieku. Instytut Chemii Organicznej w Szanghaju i Uniwersytet w Tianjin zbadały syntezę kopolimerów PHB metodami chemicznymi, a niektórzy ludzie zaczęli wykorzystywać liście lub korzenie roślin do produkcji PHBV. Ze względu na wrodzone wady, takie jak kruchość, wysoki koszt i wysoka cena PHBV, jego zastosowanie jako folii z tworzywa sztucznego jest ograniczone. Materiały obecnie opracowywane do produkcji biodegradowalnych folii z tworzyw sztucznych obejmują głównie skrobię fermentowaną do kwasu mlekowego, który jest następnie polimeryzowany w celu wytworzenia w pełni biodegradowalnego kwasu polimlekowego (PLA); Bursztynian polibutanodiolu (PBS) powstający w wyniku polimeryzacji kwasu bursztynowego i butanodiolu; Poli(węglan propylenu) (PPC) powstający w wyniku kopolimeryzacji dwutlenku węgla i epichlorohydryny oraz poli(kaprolakton) (PCL) powstający w wyniku polimeryzacji z otwarciem pierścienia β-kaprolaktonu pod działaniem katalizatora.
 
Produkcja biodegradowalnej folii z wykorzystaniem włókien naturalnych jako surowców zawsze była przedmiotem badań. Chociaż ten typ folii nie jest tak dobry jak zwykła folia PE pod względem funkcji ogrzewania i zatrzymywania wilgoci, ma dobrą przepuszczalność i oddychalność oraz może skutecznie tłumić chwasty poprzez zmianę koloru. Kilka jednostek krajowych przeprowadziło badania i zastosowanie folii do mulczowania z włókien trawy i folii do mulczowania na bazie papieru, np. opracowanie rolniczej folii do mulczowania z włókien trawy CXW-1 przez Chińskie Międzynarodowe Stowarzyszenie Promocji Nauki i Technologii; Pierwsza papiernia Hubei Zhicheng i Centrum Nauk Rolniczych Xinjiang Hotan opracowały papierowe folie do ściółkowania; Instytut Badań nad Konopami Chińskiej Akademii Nauk Rolniczych opracował folię konopną wykorzystującą włókno konopne, które jest szeroko stosowane w uprawie sadzonek ryżu i południowym sadzeniu warzyw.
 
Europa i Japonia to kraje i regiony najbardziej zaawansowane w badaniach, rozwoju i stosowaniu materiałów, technologii i folii biodegradowalnych na całym świecie. Wraz z rozwojem materiałów biodegradowalnych i technik przetwarzania, zastosowanie folii biodegradowalnych staje się coraz bardziej powszechne, głównie w ogrodnictwie i produkcji warzyw. Obecnie udział w rynku biodegradowalnej folii z tworzywa sztucznego w Japonii i Europie stale rośnie, osiągając około 10%, przy jeszcze wyższych wskaźnikach stosowania w niektórych regionach. Na przykład udział biodegradowalnej folii z tworzywa sztucznego w uprawie warzyw w regionie Sikoku w Japonii przekroczył 20%. Od 2010 roku duże zagraniczne firmy zajmujące się badaniami i produkcją biodegradowalnych materiałów foliowych rozpoczęły współpracę z odpowiednimi działami badań naukowych i promocji technologii rolniczych w Chinach. Przeprowadzili eksperymenty i demonstracje na głównych uprawach, takich jak bawełna, kukurydza, tytoń, ziemniaki i warzywa, w Xinjiangu na północnym zachodzie, w Yunnan na południowym zachodzie, w Pekinie i Hebei na północy oraz w Gansu i Mongolii Wewnętrznej na północnym zachodzie, obejmując ponad 10 upraw i obszar ponad 1333,3 hektarów.
 
W ostatnich latach Chiny poczyniły znaczny postęp w badaniach i zastosowaniu biodegradowalnych folii z tworzyw sztucznych, szczególnie poprzez udoskonalenie technologii syntezy i sprzętu do kopoliestrów dikwasowo-diolu oraz przełomy w technologii kluczowych katalizatorów w syntezie PLA, które stworzyły podstawowe technologie i procesy produkcji biodegradowalnych tworzyw sztucznych objęte niezależnymi prawami własności intelektualnej. Na tej podstawie udoskonalono i udoskonalono formułę produkcji oraz proces produkcji biodegradowalnej folii z tworzywa sztucznego, w wyniku czego stworzono zdolność produkcyjną wynoszącą 10000 ton biodegradowalnej folii z tworzywa sztucznego. Przeprowadzono eksperymentalne demonstracje na lokalnych obszarach i typowych uprawach.
 
3 Problemy i wyzwania biodegradowalnej folii z tworzywa sztucznego
 
3.1 Należy jeszcze poprawić wytrzymałość produktu na rozciąganie
 
Wytrzymałość mechaniczna folii biodegradowalnej jest niewystarczająca do stosowania na dużą skalę, co jest jednym z czynników ograniczających zastosowanie folii biodegradowalnej na dużą skalę. Ze względu na nieodłączne właściwości podstawowych materiałów, wytrzymałość na rozciąganie większości biodegradowalnych folii z tworzyw sztucznych jest niewystarczająca, co uniemożliwia wykonywanie zmechanizowanych operacji pokrywania folią na niektórych obszarach rolniczych, gdzie przeważają operacje mechaniczne. Problem ten jest szczególnie widoczny w Xinjiangu.
 
Tylko poprzez udoskonalenie i udoskonalenie receptury folii z tworzywa sztucznego, zwiększenie jej wytrzymałości na rozciąganie oraz spełnienie wymagań pracy maszyn rolniczych można stworzyć warunki do stosowania na szeroką skalę folii biodegradowalnej.
 
3.2 Różnice w możliwości kontrolowania degradacji i zapotrzebowaniu na uprawy
Pokrycie folią z tworzywa sztucznego spełnia wiele funkcji, ze szczególnym uwzględnieniem zwiększania temperatury i zatrzymywania wilgoci, a także hamowania chwastów. Aby osiągnąć te funkcje folii z tworzywa sztucznego, konieczne jest zapewnienie czasu pokrycia, w przeciwnym razie nie będzie ona w stanie spełnić wymagań funkcjonalnych upraw w zakresie pokrycia folią. Obecnie nadal istnieją problemy z kontrolą pękania i degradacji większości biodegradowalnych folii z tworzyw sztucznych. Duża liczba wyników eksperymentów wykazała, że ​​istniejące produkty z biodegradowalnej folii z tworzywa sztucznego pękają i ulegają degradacji zbyt wcześnie, a czas krycia jest znacznie krótszy od bezpiecznego okresu pokrycia uprawną folią z tworzywa sztucznego, co powoduje ich niezdolność do skutecznego działania.
 
3.3 Należy jeszcze bardziej poprawić właściwości ocieplające i zatrzymujące wilgoć
Istnieją pewne różnice w funkcjach ogrzewania i zatrzymywania wilgoci większości biodegradowalnych folii z tworzyw sztucznych w porównaniu ze zwykłymi foliami z tworzyw sztucznych PE. Istnieje znacząca różnica w temperaturze gleby pomiędzy biodegradowalną folią z tworzywa sztucznego o grubości 10 μm a pokryciem z folii z tworzywa sztucznego PE o grubości 8 μm. W przypadku braku pokrycia koronami roślin, z wyjątkiem tego samego efektu ocieplenia między godziną 11:00 a 16:00, temperatura gleby pokrytej folią z tworzywa sztucznego PE jest wyższa niż temperatura gleby przykrytej folią biodegradowalną w każdym innym czasie. Wyniki testu retencji wody przeprowadzonego za pomocą eksperymentów symulacyjnych wykazały również, że folia biodegradowalna była znacznie gorsza od folii PE pod względem zatrzymywania wody.
 
3.4 Ograniczenia kosztów produkcji produktu w zastosowaniach na dużą skalę
Wysokie koszty to kolejny czynnik ograniczający promocję i stosowanie na dużą skalę biodegradowalnej folii z tworzywa sztucznego. Ogólnie rzecz biorąc, cena sprzedaży biodegradowalnej folii z tworzywa sztucznego jest około trzykrotnie wyższa niż w przypadku zwykłej folii z tworzywa sztucznego PE, co zależy od wielu czynników, takich jak właściwości i grubość surowców do produkcji folii z tworzywa sztucznego. Z jednej strony konieczne jest osiągnięcie produkcji surowców na dużą skalę i poprawa cen produktów degradacji poprzez formułowanie; Z drugiej strony należy przeprowadzić wszechstronną ocenę kosztów stosowania folii z tworzywa sztucznego, aby wyjaśnić różnicę w kosztach między folią biodegradowalną a zwykłą folią z tworzywa sztucznego PE oraz promować zastosowanie biodegradowalnej folii z tworzywa sztucznego na dużą skalę. Według badań i obliczeń całkowity koszt zastosowania zwykłej folii PE w Japonii obejmuje koszt zakupu produktów foliowych oraz koszt recyklingu i przetwarzania, każdy stanowiący 50%, podczas gdy zastosowanie folii biodegradowalnej nie wiąże się z kosztami recyklingu i przetwarzania. W Chinach, ze względu na stosunkowo tanią siłę roboczą oraz brak recyklingu i przetwarzania dużej ilości zwykłej folii PE, podkreśla się wysokie koszty stosowania folii biodegradowalnej. Wraz z rosnącą koniecznością recyklingu i przetwarzania zwykłej folii PE, poprawą przepisów ustawowych i wykonawczych dotyczących recyklingu i przetwarzania folii oraz wzrostem kosztów pracy na obszarach wiejskich, całkowita różnica w kosztach między zwykłą folią PE a zastosowaniami folii biodegradowalnej będzie coraz mniejsza, a zastosowanie folii biodegradowalnej będzie miało dobre perspektywy.
 
4 Główne wnioski i rekomendacje
Biodegradowalna folia z tworzywa sztucznego jest jednym z ważnych sposobów rozwiązania zanieczyszczeń resztkowych powodowanych przez folię z tworzywa sztucznego, która ma doskonałe efekty i ogromny potencjał w produkcji rolnej. Istnieje jednak wiele problemów technicznych i jest to wciąż w początkowej fazie. Obecnie konieczne jest wzmocnienie badań nad surowcami, recepturami i procesami produkcji folii biodegradowalnej, podniesienie jakości produktów i obniżenie kosztów, zwłaszcza w celu opracowania specjalistycznych produktów z folii biodegradowalnych dla określonych regionów i upraw, aby sprostać wymaganiom różnorodności produkcji rolnej. Wzmacniając badania nad biodegradowalnymi wyrobami z folii z tworzyw sztucznych, konieczne jest prowadzenie badań nad wspieraniem technologii rolniczych i działań opartych na potrzebach produkcji rolnej i charakterystyce wyrobów z folii z tworzyw sztucznych.