Análisis de problemas y aplicaciones en tecnología de películas plásticas biodegradables.

La película plástica es uno de los materiales importantes para la producción agrícola, y la aplicación de la tecnología de recubrimiento de películas plásticas ha impulsado mejoras significativas en la productividad agrícola y cambios en los métodos de producción en China. En 2014, la cantidad total de películas plásticas utilizadas en China alcanzó 1,441 millones de toneladas, cubriendo un área de más de 2000 hectáreas. Las áreas de aplicación se han ampliado desde regiones áridas y semiáridas del norte hasta regiones altas y frías del sur, y los tipos de cultivos cubiertos también se han ampliado desde cultivos económicos hasta cultivos de cereales a granel. Las funciones de la película plástica, como el calentamiento y la retención de humedad, la prevención de enfermedades e insectos y la supresión de malezas, han aumentado el rendimiento de los cultivos entre un 20% y un 50%, contribuyendo significativamente a garantizar la seguridad alimentaria de China. Sin embargo, al mismo tiempo, la aplicación generalizada de recubrimientos con películas plásticas también ha traído una serie de problemas, como tecnología y reciclaje deficientes y "contaminación blanca" causada por películas plásticas residuales. La investigación y el desarrollo de películas plásticas biodegradables se han convertido en una dirección estratégica importante para el desarrollo de la industria del plástico y la agricultura.
 
El concepto y principales componentes de la película plástica biodegradable.
La película plástica biodegradable se refiere a un tipo de película plástica que es degradada por microorganismos en el ambiente natural. El Comité de Tecnología de Investigación de Plásticos Biodegradables de Japón los define como "compuestos de alto peso molecular y sus mezclas que pueden descomponerse en compuestos de bajo peso molecular que no tienen efectos adversos sobre el medio ambiente a través de la acción microbiana en la naturaleza". Según las principales materias primas, se puede dividir en películas biodegradables elaboradas a partir de biomasa natural y películas biodegradables elaboradas a partir de materiales derivados del petróleo. La biomasa natural como el almidón, la celulosa, la quitina, etc. se modifica y luego se sintetiza en materiales de producción de películas biodegradables. El almidón como materia prima principal para la película plástica se puede dividir en película plástica biodegradable incompleta con almidón agregado y película plástica totalmente biodegradable con almidón como materia prima principal según el mecanismo de degradación y la forma de daño. La película biodegradable de tipo aditivo se fabrica mezclando polímeros naturales o sintéticos con propiedades biodegradables en plástico PE y luego soplándolo con compatibilizadores, antioxidantes y auxiliares de procesamiento. No es una película completamente biodegradable. La película totalmente biodegradable producida a partir de almidón se fermenta principalmente para producir ácido láctico, que luego se sintetiza en ácido poliláctico. La película se produce principalmente a partir de ácido poliláctico. Otro tipo importante de biomasa natural es la fibra, que se puede utilizar para producir películas plásticas mediante eterificación, esterificación y oxidación de la celulosa en ácidos, aldehídos y cetonas. Pertenece a una película plástica completamente biodegradable. Los componentes principales de la producción de películas biodegradables a base de petróleo son copoliésteres de diácido diol (PBS, PBAT, etc.), polihidroxialcanoatos (PHA), policaprolactona (PCL), polihidroxibutirato (PHB), copolímero de dióxido de carbono, carbonato de polipropileno (PPC), etc. Estas sustancias de alto peso molecular pueden ser rápidamente descompuestas y utilizadas por microorganismos en la naturaleza, y los productos finales de degradación son dióxido de carbono y agua.
 
Investigación y aplicación de películas plásticas biodegradables En las primeras etapas del desarrollo de películas biodegradables, las películas biodegradables con almidón añadido siempre han sido el foco de la investigación y el desarrollo. Desde la preparación inicial de la película mezclando entre un 6% y un 20% de almidón y olefinas poliméricas, se pasó gradualmente a preparar la película mezclando un 50% de almidón y un polímero hidrófilo. En la actualidad, el almidón se modifica para producir plásticos biodegradables, que luego se utilizan para producir películas plásticas. Este tipo de película plástica tiene las ventajas de un proceso simple y de bajo costo. La mayoría de las unidades nacionales de investigación y desarrollo producen plásticos con almidón aditivo, con un contenido de almidón que oscila entre el 10% y el 30% en sus productos.
 
A principios de la década de 1980, el Reino Unido descubrió un método para extraer y purificar el β-hidroxibutirato (PHB) y lo convirtió en películas delgadas, produciendo las primeras películas degradables. Sin embargo, el PHB tenía poca resistencia al impacto y a la solubilidad y no podía utilizarse realmente en la producción agrícola. La investigación sobre los polihidroxialcanoatos (PHA) en China comenzó en los años 1980. El Instituto de Química Orgánica de Shanghai y la Universidad de Tianjin exploraron la síntesis de copolímeros de PHB utilizando métodos químicos, y algunas personas comenzaron a utilizar hojas o raíces de plantas para producir PHBV. Debido a defectos inherentes como fragilidad, alto costo y alto precio del PHBV, su aplicación como película plástica es limitada. Los materiales desarrollados actualmente para la producción de películas plásticas biodegradables incluyen principalmente almidón fermentado en ácido láctico, que luego se polimeriza para formar ácido poliláctico (PLA) totalmente biodegradable; Succinato de polibutanodiol (PBS) formado por la polimerización de ácido succínico y butanodiol; Poli (carbonato de propileno) (PPC) generado por copolimerización de dióxido de carbono y epiclorhidrina, y poli (caprolactona) (PCL) generada por polimerización con apertura de anillo de β-caprolactona bajo la acción de un catalizador.
 
La producción de películas biodegradables utilizando fibras naturales como materia prima siempre ha sido un foco de investigación. Aunque este tipo de película no es tan buena como la película de PE común en términos de funciones de calentamiento y retención de humedad, tiene buena permeabilidad y transpirabilidad y puede suprimir eficazmente las malas hierbas al cambiar de color. Varias unidades nacionales han llevado a cabo investigaciones y aplicaciones de películas de cobertura de fibra de pasto y películas de cobertura a base de papel, como el desarrollo de la película de cobertura agrícola de fibra de pasto CXW-1 por parte de la Asociación Internacional de China para la Promoción de la Ciencia y la Tecnología; La Primera Fábrica de Papel de Hubei Zhicheng y el Centro de Ciencias Agrícolas de Xinjiang Hotan han desarrollado películas de acolchado de papel; El Instituto de Investigación del Cáñamo de la Academia China de Ciencias Agrícolas ha desarrollado una película de cáñamo utilizando fibra de cáñamo, que se ha utilizado ampliamente en el cultivo de plántulas de arroz y en la plantación de hortalizas en el sur.
 
Europa y Japón son los países y regiones más avanzados en la investigación, desarrollo y aplicación de materiales, tecnologías y películas biodegradables a nivel mundial. Con el avance de los materiales biodegradables y las técnicas de procesamiento, la aplicación de películas biodegradables se está generalizando cada vez más, utilizándose principalmente en la horticultura y la producción de hortalizas. En la actualidad, la cuota de mercado de películas plásticas biodegradables en Japón y Europa sigue aumentando, alcanzando alrededor del 10%, con tasas de aplicación aún mayores en ciertas regiones. Por ejemplo, la proporción de películas plásticas biodegradables en el cultivo de hortalizas en la región de Shikoku en Japón ha superado el 20%. Desde 2010, grandes empresas extranjeras dedicadas a la investigación y producción de materiales cinematográficos biodegradables han comenzado a cooperar con los departamentos pertinentes de investigación científica y promoción de tecnología agrícola de China. Han realizado experimentos y demostraciones en cultivos importantes como algodón, maíz, tabaco, patatas y hortalizas en Xinjiang en el noroeste, Yunnan en el suroeste, Beijing y Hebei en el norte, y Gansu y Mongolia Interior en el noroeste, cubriendo más de 10 cultivos y una superficie de más de 1.333,3 hectáreas.
 
En los últimos años, China ha logrado avances significativos en la investigación y aplicación de películas plásticas biodegradables, especialmente a través de la mejora de la tecnología y los equipos de síntesis para copoliésteres de diácido diol, y avances en la tecnología de catalizadores clave en la síntesis de PLA, que han formado tecnologías y procesos centrales para la producción de plásticos biodegradables con derechos de propiedad intelectual independientes. Sobre esta base, se han mejorado y perfeccionado aún más la fórmula de producción y el proceso de película plástica biodegradable, y se ha formado una capacidad de producción de 10000 toneladas de película plástica biodegradable. Se han llevado a cabo demostraciones experimentales en zonas locales y cultivos típicos.
 
3 Problemas y desafíos del film plástico biodegradable
 
3.1 Es necesario mejorar aún más la resistencia a la tracción del producto
 
La resistencia mecánica de la película biodegradable es insuficiente para operaciones a gran escala, lo que es uno de los factores limitantes para la aplicación a gran escala de películas biodegradables. Debido a las características inherentes de los materiales básicos, la resistencia a la tracción de la mayoría de las películas plásticas biodegradables es insuficiente, lo que imposibilita la realización de operaciones mecanizadas de recubrimiento de películas en algunas áreas agrícolas donde predominan las operaciones mecánicas. Este problema es particularmente prominente en Xinjiang.
 
Sólo mejorando y refinando la fórmula de la película plástica, mejorando su resistencia a la tracción y cumpliendo con los requisitos de las operaciones de maquinaria agrícola, se podrán crear las condiciones para la aplicación a gran escala de películas plásticas biodegradables.
 
3.2 Diferencias en la controlabilidad de la degradación y la demanda de cultivos
La cubierta de película plástica tiene múltiples funciones, centrándose en aumentar la temperatura y la retención de humedad, así como en inhibir las malas hierbas. Para lograr estas funciones de la película plástica, es necesario garantizar el tiempo de cobertura; de lo contrario, no podrá cumplir con los requisitos funcionales de los cultivos para la cobertura de película plástica. En la actualidad, todavía existen problemas con la controlabilidad de la ruptura y degradación de la mayoría de las películas plásticas biodegradables. Una gran cantidad de resultados experimentales han demostrado que los productos de películas plásticas biodegradables existentes se rompen y degradan demasiado pronto, y el tiempo de cobertura es muy inferior al período seguro de cobertura de películas plásticas de cultivos, lo que resulta en su incapacidad para funcionar de manera efectiva.
 
3.3 Es necesario reforzar aún más el rendimiento en materia de calentamiento y retención de humedad
Existen ciertas diferencias en las funciones de calentamiento y retención de humedad de la mayoría de las películas plásticas biodegradables en comparación con las películas plásticas de PE comunes. Existe una diferencia significativa en la temperatura del suelo entre una película plástica biodegradable de 10 μm de espesor y una película plástica de PE de 8 μm de espesor. Bajo la condición de que no haya cobertura de cultivos, excepto por el mismo efecto de calentamiento entre las 11:00 a. m. y las 4:00 p. m., la temperatura del suelo cubierto por una película plástica de PE es más alta que la cubierta por una película plástica biodegradable en todos los demás momentos. Los resultados de la prueba de retención de agua realizada mediante experimentos de simulación también mostraron que la película biodegradable era significativamente inferior a la película de PE en términos de retención de agua.
 
3.4 Restricciones de costos de producción de productos para aplicaciones a gran escala
El alto costo es otro factor limitante para la promoción y aplicación a gran escala de películas plásticas biodegradables. En general, el precio de venta de la película plástica biodegradable es aproximadamente tres veces mayor que el de la película plástica PE ordinaria, lo que está determinado por múltiples factores como las propiedades y el espesor de las materias primas de la película plástica. Por un lado, es necesario lograr una producción a gran escala de materias primas y mejorar el precio de los productos de degradación mediante la formulación; Por otro lado, se debe realizar una evaluación integral del costo del uso de películas plásticas para aclarar la diferencia de costos entre las películas plásticas biodegradables y las películas plásticas de PE ordinarias, y promover la aplicación a gran escala de películas plásticas biodegradables. Según la investigación y el cálculo, el costo total de la aplicación de película de PE ordinaria en Japón incluye el costo de compra de productos de película y el costo de reciclaje y procesamiento, cada uno de los cuales representa el 50%, mientras que la aplicación de película biodegradable no tiene costo de reciclaje ni procesamiento. En China, debido a la mano de obra relativamente barata y a la falta de reciclaje y procesamiento de una gran cantidad de película de PE común, se destaca el alto costo de usar película biodegradable. Con la creciente necesidad de reciclar y procesar películas de PE ordinarias, la mejora de las leyes y regulaciones sobre el reciclaje y procesamiento de películas y el aumento de los costos de mano de obra rural, la diferencia integral de costos entre las aplicaciones de películas de PE ordinarias y películas biodegradables será cada vez menor, y la aplicación de películas biodegradables tendrá buenas perspectivas.
 
4 Principales conclusiones y recomendaciones
La película plástica biodegradable es una de las formas importantes de resolver la contaminación residual causada por la película plástica, que tiene excelentes efectos y un enorme potencial en la producción agrícola. Sin embargo, hay muchos problemas técnicos y todavía se encuentra en la etapa inicial. En la actualidad, es necesario fortalecer la investigación sobre materias primas, fórmulas y procesos de producción de películas biodegradables, mejorar la calidad del producto y reducir costos, especialmente para desarrollar productos de películas biodegradables especializados para regiones y cultivos específicos para cumplir con los requisitos de la diversidad de la producción agrícola. Al tiempo que se fortalece la investigación sobre productos de películas plásticas biodegradables, es necesario realizar investigaciones sobre tecnologías y medidas agrícolas de apoyo basadas en las necesidades de la producción agrícola y las características de los productos de películas plásticas.