Анализ проблем и приложений в технологии биоразлагаемых пластиковых пленок

Пластиковая пленка является одним из важных материалов для сельскохозяйственного производства, а применение технологии покрытия пластиковой пленкой привело к значительному повышению производительности сельского хозяйства и изменениям в методах производства в Китае. В 2014 году общее количество пластиковой пленки, использованной в Китае, достигло 1,441 миллиона тонн на площади более 2000 гектаров. Области применения расширились от засушливых и полузасушливых регионов на севере до высокогорных и холодных регионов на юге, а типы охваченных культур также расширились от экономических культур до массовых зерновых культур. Функции покрытия пластиковой пленкой, такие как согревание и удержание влаги, предотвращение болезней и насекомых, а также подавление сорняков, увеличили урожайность сельскохозяйственных культур на 20–50%, внося значительный вклад в обеспечение продовольственной безопасности Китая. Однако в то же время широкое применение покрытия из пластиковой пленки также привело к ряду проблем, таких как неэффективная технология и переработка, а также «белое загрязнение», вызванное остатками пластиковой пленки. Исследования и разработки биоразлагаемой пластиковой пленки стали важным стратегическим направлением развития пластмассовой промышленности и сельского хозяйства.
 
Концепция и основные компоненты биоразлагаемой полиэтиленовой пленки.
Биоразлагаемая пластиковая пленка — это тип пластиковой пленки, которая разлагается микроорганизмами в естественной среде. Японский комитет по исследованию биоразлагаемых пластмасс определяет его как «высокомолекулярные соединения и их смеси, которые могут быть разложены до низкомолекулярных соединений, которые не оказывают вредного воздействия на окружающую среду за счет микробного воздействия в природе». В зависимости от основного сырья его можно разделить на биоразлагаемые пленки, изготовленные из природной биомассы, и биоразлагаемые пленки, изготовленные из материалов на основе нефти. Природная биомасса, такая как крахмал, целлюлоза, хитин и т. д., модифицируется, а затем синтезируется в биоразлагаемые материалы для производства пленок. Крахмал в качестве основного сырья для пластиковой пленки можно разделить на неполную биоразлагаемую пластиковую пленку с добавлением крахмала и полностью биоразлагаемую пластиковую пленку с крахмалом в качестве основного сырья в зависимости от механизма разложения и формы повреждения. Биоразлагаемая пленка аддитивного типа изготавливается путем смешивания натуральных или синтетических полимеров с биоразлагаемыми свойствами с полиэтиленовым пластиком с последующим вдуванием в него добавок, улучшающих совместимость, антиоксидантов и технологических добавок. Это не полностью биоразлагаемая пленка. Полностью биоразлагаемая пленка, полученная из крахмала, в основном ферментируется с образованием молочной кислоты, которая затем синтезируется в полимолочную кислоту. Пленка в основном производится из полимолочной кислоты. Другим важным типом природной биомассы является волокно, которое можно использовать для производства пластиковой пленки путем этерификации, этерификации и окисления целлюлозы до кислот, альдегидов и кетонов. Она относится к полностью биоразлагаемой пластиковой пленке. Основными компонентами производства биоразлагаемых пленок на основе нефти являются сополиэфиры двухосновных кислот (PBS, PBAT и др.), полигидроксиалканоаты (PHA), поликапролактон (PCL), полигидроксибутират (PHB), сополимер углекислого газа, полипропиленкарбонат (PPC) и др. Эти высокомолекулярные вещества могут быстро разлагаться и утилизироваться микроорганизмами в природе, а конечными продуктами разложения являются углекислый газ и вода.
 
Исследования и применение биоразлагаемой пластиковой пленки На ранних этапах разработки биоразлагаемой пленки биоразлагаемая пленка с добавлением крахмала всегда была в центре внимания исследований и разработок. От первоначального приготовления пленки путем смешивания 6–20% крахмала и полимерных олефинов он постепенно превратился в изготовление пленки путем смешивания 50% крахмала и гидрофильного полимера. В настоящее время крахмал модифицируется для производства биоразлагаемых пластиков, которые затем используются для производства пластиковых пленок. Преимуществом этого типа пластиковой пленки является простота процесса и низкая стоимость. Большинство отечественных научно-исследовательских подразделений производят аддитивные крахмальные пластики, содержание крахмала в их продукции составляет от 10% до 30%.
 
В начале 1980-х годов в Великобритании был открыт метод извлечения и очистки β-гидроксибутирата (ПГБ) и превращения его в тонкие пленки, создав первые разлагаемые пленки. Однако ПОБ имел низкую ударную вязкость и устойчивость к растворению, и его нельзя было по-настоящему использовать в сельскохозяйственном производстве. Исследования полигидроксиалканоатов (ПГА) в Китае начались в 1980-х годах. Шанхайский институт органической химии и Тяньцзиньский университет исследовали синтез сополимеров ПГБ с использованием химических методов, и некоторые люди начали использовать листья или корни растений для производства ПГБВ. Из-за присущих ПОБВ недостатков, таких как хрупкость, высокая стоимость и высокая цена, его применение в качестве полиэтиленовой пленки ограничено. Материалы, разрабатываемые в настоящее время для производства биоразлагаемых пластиковых пленок, в основном включают крахмал, ферментированный до молочной кислоты, который затем полимеризуется с образованием полностью биоразлагаемой полимолочной кислоты (PLA); Полибутандиолсукцинат (PBS), образующийся в результате полимеризации янтарной кислоты и бутандиола; Поли(пропиленкарбонат) (ППК), полученный сополимеризацией диоксида углерода и эпихлоргидрина, и поли(капролактон) (ПКЛ), полученный полимеризацией с раскрытием кольца β-капролактона под действием катализатора.
 
Производство биоразлагаемой пленки с использованием натуральных волокон в качестве сырья всегда было горячей точкой исследований. Хотя этот тип пленки не так хорош, как обычная полиэтиленовая пленка, с точки зрения функций согревания и удержания влаги, он обладает хорошей проницаемостью и воздухопроницаемостью и может эффективно подавлять сорняки путем изменения цвета. Несколько отечественных подразделений провели исследования и применение мульчирующей пленки из травяного волокна и мульчирующей пленки на бумажной основе, например, Китайская международная ассоциация содействия развитию науки и технологий разработала сельскохозяйственную мульчирующую пленку из травяного волокна CXW-1; Первая бумажная фабрика Хубэй Чжичэн и Синьцзян-Хотаньский сельскохозяйственный научный центр разработали пленки для мульчирования бумаги; Научно-исследовательский институт конопли Китайской академии сельскохозяйственных наук разработал конопляную пленку с использованием конопляного волокна, которая широко используется при выращивании рассады риса и посадке южных овощей.
 
Европа и Япония являются наиболее передовыми странами и регионами в области исследований, разработок и применения биоразлагаемых материалов, технологий и биоразлагаемых пленок во всем мире. С развитием биоразлагаемых материалов и технологий обработки применение биоразлагаемой пленки становится все более распространенным и в основном используется в садоводстве и овощеводстве. В настоящее время доля рынка биоразлагаемой пластиковой пленки в Японии и Европе продолжает расти, достигнув примерно 10%, при этом в некоторых регионах уровень ее применения еще выше. Например, доля биоразлагаемой пластиковой пленки при выращивании овощей в регионе Сикоку в Японии превысила 20%. С 2010 года крупные иностранные компании, занимающиеся исследованиями и производством биоразлагаемых пленочных материалов, начали сотрудничать с соответствующими отделами научных исследований и продвижения сельскохозяйственных технологий в Китае. Они провели эксперименты и демонстрации основных культур, таких как хлопок, кукуруза, табак, картофель и овощи, в Синьцзяне на северо-западе, Юньнани на юго-западе, Пекине и Хэбэе на севере, а также в Ганьсу и Внутренней Монголии на северо-западе, охватывая более 10 культур и площадь более 1333,3 га.
 
В последние годы Китай добился значительного прогресса в исследованиях и применении биоразлагаемых пластиковых пленок, особенно за счет совершенствования технологии синтеза и оборудования для сополиэфиров двухосновных диолов, а также прорывов в ключевых технологиях катализаторов синтеза PLA, которые сформировали основные технологии и процессы для производства биоразлагаемых пластиков с независимыми правами интеллектуальной собственности. На этой основе формула производства и процесс производства биоразлагаемой пластиковой пленки были дополнительно улучшены и усовершенствованы, а также была создана производственная мощность в 10 000 тонн биоразлагаемой пластиковой пленки. Экспериментальные демонстрации проводились на местных территориях и типичных культурах.
 
3 Проблемы и проблемы биоразлагаемой пластиковой пленки
 
3.1 Прочность изделия на растяжение нуждается в дальнейшем повышении
 
Механическая прочность биоразлагаемой пленки недостаточна для крупномасштабной эксплуатации, что является одним из ограничивающих факторов крупномасштабного применения биоразлагаемой пленки. Из-за свойств основных материалов прочность на разрыв большинства биоразлагаемых пластиковых пленок недостаточна, что делает невозможным выполнение механизированных операций по пленочному покрытию в некоторых сельскохозяйственных районах, где преобладают механические операции. Эта проблема особенно заметна в Синьцзяне.
 
Только улучшив и усовершенствовав формулу полиэтиленовой пленки, повысив ее прочность на разрыв и удовлетворив требования эксплуатации сельскохозяйственной техники, можно создать условия для широкомасштабного применения биоразлагаемой пластиковой пленки.
 
3.2 Различия в контролируемости деградации и спросе на урожай
Покрытие из пластиковой пленки выполняет множество функций, с упором на повышение температуры и удержание влаги, а также на подавление роста сорняков. Для достижения этих функций полиэтиленовой пленки необходимо обеспечить время покрытия, в противном случае она не сможет удовлетворить функциональные требования сельскохозяйственных культур к покрытию полиэтиленовой пленкой. В настоящее время все еще существуют проблемы с контролируемостью разрыва и деградации большинства биоразлагаемых пластиковых пленок. Большое количество экспериментальных результатов показало, что существующие биоразлагаемые пластиковые пленки разрываются и разлагаются слишком рано, а время покрытия намного ниже безопасного периода покрытия культур пластиковой пленкой, что приводит к их неспособности эффективно функционировать.
 
3.3 Необходимо еще больше усилить эффективность потепления и удержания влаги.
Существуют определенные различия в функциях согревания и удержания влаги у большинства биоразлагаемых пластиковых пленок по сравнению с обычными полиэтиленовыми пленками. Существует значительная разница в температуре почвы между биоразлагаемой пластиковой пленкой толщиной 10 мкм и полиэтиленовой пластиковой пленкой толщиной 8 мкм. При условии отсутствия покрытия растительным покровом, за исключением того же эффекта потепления с 11:00 до 16:00, температура почвы, покрытой полиэтиленовой пластиковой пленкой, выше, чем температура почвы, покрытой биоразлагаемой пластиковой пленкой в ​​любое другое время. Результаты теста на водоудержание, проведенного с использованием имитационных экспериментов, также показали, что биоразлагаемая пленка значительно уступает полиэтиленовой пленке по удержанию воды.
 
3.4 Ограничения стоимости производства продукции для крупномасштабного применения
Высокая стоимость является еще одним ограничивающим фактором для широкомасштабного продвижения и применения биоразлагаемой пластиковой пленки. В целом, отпускная цена биоразлагаемой пластиковой пленки примерно в три раза выше, чем у обычной полиэтиленовой пластиковой пленки, что определяется множеством факторов, таких как свойства и толщина сырья для пластиковой пленки. С одной стороны, необходимо добиться крупномасштабного производства сырья и улучшить цены на продукты разложения за счет рецептуры; С другой стороны, необходимо провести комплексную оценку стоимости использования пластиковой пленки, чтобы выяснить разницу в стоимости между биоразлагаемой пластиковой пленкой и обычной полиэтиленовой пластиковой пленкой, а также способствовать широкомасштабному применению биоразлагаемой пластиковой пленки. Согласно исследованиям и расчетам, общая стоимость применения обычной полиэтиленовой пленки в Японии включает стоимость покупки пленочной продукции, а также стоимость переработки и переработки, каждая из которых составляет 50%, в то время как применение биоразлагаемой пленки не требует затрат на переработку и обработку. В Китае из-за относительно дешевой рабочей силы и отсутствия переработки и переработки большого количества обычной полиэтиленовой пленки подчеркивается высокая стоимость использования биоразлагаемой пленки. С ростом необходимости переработки и переработки обычной полиэтиленовой пленки, совершенствованием законов и правил по переработке и переработке пленки, а также увеличением затрат на рабочую силу в сельской местности общая разница в стоимости между применением обычной полиэтиленовой пленки и биоразлагаемой пленки будет становиться все меньше и меньше, и применение биоразлагаемой пленки будет иметь хорошие перспективы.
 
4 Основные выводы и рекомендации
Биоразлагаемая пластиковая пленка является одним из важных способов решения проблемы остаточного загрязнения, вызванного пластиковой пленкой, которая имеет отличные эффекты и огромный потенциал в сельскохозяйственном производстве. Однако существует множество технических проблем и все еще находится на начальной стадии. В настоящее время необходимо усилить исследования сырья, формул и процессов производства биоразлагаемой пленки, улучшить качество продукции и снизить затраты, особенно разработать специализированные биоразлагаемые пленочные продукты для конкретных регионов и культур, чтобы удовлетворить требования разнообразия сельскохозяйственного производства. Укрепляя исследования в области биоразлагаемых продуктов из пластиковой пленки, необходимо проводить исследования по поддержке сельскохозяйственных технологий и мер, основанных на потребностях сельскохозяйственного производства и характеристиках продуктов из пластиковой пленки.