آشنایی با پلیمرهای تخریب پذیر و تجزیه پذیر
امروزه پلاستيك ها به عنوان يك ماده سنتزي و مصنوعي نقش بسيار مهمي در توليدات صنايع مختلف ايفا مي كنند. خواص منحصر به فرد و بسيار خوب پلاستيك ها و نيز آلياژهاي آنها باعث شده جايگزين بسيار مناسبي براي فلزات، چوب، شيشه و لاستيك ها در كاربردهاي مختلف باشند. از طرف ديگر كاربردهاي وسيع و توليدات روز افزون پلاستيك ها سبب مشكلات عمده از نظر زيست محيطي گرديده، به طوري كه پلاستيك ها به عنوان يكي از عمده ترين آلاينده هاي محيط زيست از طرف سازمان جهاني محيط زيست معرفي شده اند. در ميان پلاستيك هاي سنتزي (غير طبيعي)، پلي اتيلن، پلي پروپيلن، پلي استايرن و پي وي سي بيشترين مصرف را (با بيش از 75 % مصرف) در دنياي امروز دارد، بنابراين مشكلات محيط زيست امروزه، عمدتاً ناشي از مصرف اين دسته از پلاستيك ها هستند.
پلي اتيلن به عنوان يك پلاستيك پر مصرف در بيشتر صنايع از جمله خودروسازي، لوازم خانگي، بسته بندي، بهداشتي و پزشكي مورد استفاده قرار گرفته به طوري كه صنايع بسته بندي بيشترين سهم را در مصرف اين پليمر مصنوعي دارد. لذا بيشترين آلودگي زيست محيطي ناشي نيز از مصرف پلي اتيلن در صنعت بسته بندي دیده می شود. كاربردهاي متنوع پلي اتيلن در صنعت بسته بندي از جمله موادغذايي، نانوايي ها، خشكشوئي، سوپر ماركت ها و نيز مصرف فيلم هاي كشاورزي و بسته بندي قطعات صنعتي باعث استفاده ی روز افزون آن مي شود. آلودگي زيست محيطي ناشي از اين محصولات اصولاً به ماندگاري و عدم تجزيه اين پلاستيك در محيط به مدت 300 الي 400 سال باز مي گردد. پلاستيك مصنوعي پلي اتيلن با توجه به ساختار مولكولي آن كه حاوي زنجير بلند با 300 هزار مونومر به هم پيوسته است؛ توسط موجودات زنده و نيز موجودات ذره بيني قابل مصرف و تجزيه نبوده و به مدت طولاني به همان شكل در محيط، پايدار مي مانند.
در طول چند دهه اخير و با توجه به مسائل زيست محيطي، صنايع پلاستيك به خصوص صنايع بسته بندي تشويق به مصرف پلاستيك هاي تخريب پذير (تجزيه پذير) شده اند. پلاستيكهاي تجزيهپذير، جايگزين بهتري براي پلاستيكهاي معمولي بوده چرا كه طي مدت زماني حداكثر تا چند سال تجزيه و تفكيك شده و به چرخه محيط زيست باز مي گردند. فرآيند تجزيه پذيری اين پلاستيك ها توسط تابش، گرما، uv ، تنش و آكسايش صورت گرفته و با شكسته شدن زنجيرهاي بلند مولكولي و تبديل شدن آنها به زنجيرهاي كوتاه امكان مصرف اين پلاستيك ها را توسط ميكرو ارگانيسم ها هموار مي كند. در واقع ميكرو ارگانيسم هايي چون باكتري ها، قارچ ها و كپك ها زنجيرهاي كوتاه و شكسته شده پلي اتيلن را مصرف و هضم نموده و در نهايت، آنها را به آب و دي اكسيد كربن تبديل مي كنند. به گزارش سازمان محيط زيست جهاني، سالانه بيش از ده ها هزار ميليارد كيسه پلاستيكي در كل كشورهاي جهان توليد شده به طوري كه تنها در حدود 8/0-6/0 درصد از اين ميزان توسط روش بازيافت به چرخه صنعت بازگردانده مي شود. آژانس جهاني محيط زيست و سازمان ملل طي يك گزارش هشدار دهنده استفاده از كيسه هاي پلاستيكي معمولي را محدود و به جاي آن پيشنهاد مصرف كيسه هاي پلاستيكي تخريب پذير (تجزیه پذیر) را ارائه نمود. در ابتدا انجمن هاي بازيافت پلاستيك اروپا و آمريكاي شمالي به مخالفت با اين طرح برخاسته و اعلام كردند به دليل هزينه هاي بالاي مواد اوليه و نيز قيمت نفت، تخريب پذير نمودن پلاستيك ها مقرون به صرفه نبوده و هزينه زيادي را به دوش دولت های مختلف مي گذارد. در واقع آن ها بازيافت و برگرداندن مجدد كيسه هاي پلاستيكي به چرخه صنعت را بهترين راه حل دانسته؛ حال آنكه با عنايت به گزارش بازيافت توسط آژانس محيط زيست تنها در خوش بينانه ترين حالت ا% از كل كيسه هاي پلاستيكي بازيافت مي شوند، به همين دليل در چند سال اخير بيشتر كشورهاي توسعه يافته و نيز در حال توسعه توليد كيسه هاي تخريب پذير را آغاز نموده و به عنوان جايگزين هاي پلاستيكي معرفي كرده اند. در دهه اخير دانمشندان و محققين موادي پيشنهاد نمودند كه زيست تخريب بوده و انواع آن عبارتند از :
1. پلي استرهاي آليفاتيك شامل:
· پلي هيدروكسي آلكوناتها (PHAs)مانند پلي-3 -هيدروكسي بوتيرات (PHP) ، پلي هيدروكسي والدات (PHV)و پلي هيدروكسي هگزانوات (PHH)
· پلی لاکتیک (PLA)
· پلی بوتیلن ساکسینات (PBS) و پلی کاپرولاکتون (PCL)
2. پلی ان هایدرید ها (polyanhydrides)
3. پلی وینیل الکل (PVA)
4. استرهای سلولز
5. ترکیبات نشاسته مثل نشاسته ذرت، سیب زمینی و … (starch based compound)
6. استفاده از مواد افزودنی اکسید کننده در پلاستیک های الفینیک
از ميان اقسام فوق پلي آن هايدرايدها براي كاربرد قطعات پزشكي و داروئي مورد استفاده قرار ميگيرند و پلي وينيل الکل (PVA) و استرهاي سلولز مانند استات به دليل قيمت بالاي آنها به ندرت براي كيسه هاي پلاستيكي پيشنهاد شده اند.
گروه اول يعني پلي استرهاي اليفاتيك، به دليل اينكه پيوندهاي استري آنها قابليت هيدروليزه شدن را دارند (بر خلاف پلي استرهاي آروماتيك) زيست تخريب پذیر بوده و اخيرا توجه صنايع بسته بندي را به خود جلب نموده است. برخي شركت هاي آسياي شرقي و اروپائي، توليد كيسه هاي پلاستيكي با استفاده از اين مواد را آغاز كرده ولي در امر توسعه و گسترش اين كيسه ها موفق نبوده اند. علت عدم موفقيت اين كيسه ها قيمت بالاي آنها، فرآيند پذيري و استحكام نسبتاً ضعيف آنها بوده است. از طرف ديگر عدم بازيافت اين مواد نيز خود مساله اقتصادي ديگري بوده كه باعث شده توليد اين كيسه ها خيلي گسترش نيابد، ولي مشتقات نشاسته بر خلاف گروه هاي مذكور، قيمت مناسب تري داشته و در طي 2 دهه اخير مورد استفاده قرار گرفته اند.
تركيبات بر پايه نشاسته عمدتاً حاوي 60 الي 85 % پودر نشاسته حاصل از ذرت، سيب زميني و غيره بوده و باقی آن پلي اتيلن و پلي پروپيلن است. به كارگيري پلي اُلفين ها در تركيبات نشاسته به دليل استحكام پائين و فرآيندپذيري ضعيف نشاسته است.
«گَري فين» براي اولين بار در سال 1977 آلياژ پلي اتيلن و پودر نشاسته را براي توليد كيسه هاي پلاستيكي ثبت اختراع نمود و بعد از آن «وست هوف» آلياژ نشاسته را با پلي پروپيلن و پلي لاكتيك اسيد را توسعه داد. كاربرد اين مواد به عنوان جايگزين پلي اتيلن خالص در ابتدا باعث شد بيشتر توليد كننده هاي كيسه هاي پلاستيكي به سمت اين مواد سوق پيدا كنند ولي با گذشت زمان با آشكار شدن برخي معايب آن، توليد كيسه ها از اين مواد، محدود شد.
اولين مشكلي كه تركيبات نشاسته با درصد بالا داشتند صد در صد تخريب پذير نبودن آنها بود. در واقع 20 الي 40 % پلي اتيلن يا پلي پروپيلن موجود در تركيبات باعث شد كه تركيب پليمري به طور كامل مانند نشاسته خالص، قابليت تفكيك پذيري نداشته باشد. بعداً جذب رطوبت بالا و بوي نسبتاً نامطبوع و نيز استحكام ضعيف اين مواد، سبب كاهش چشمگير در رشد توليد كيسه هاي ساخته شده از آن گرديد. نهايتاً عدم شفافيت اين كيسه ها همچنين توليد گاز متان و گازهاي گلخانه اي به هنگام تجزيه شدن نيز دليل مضاعفي براي محدود شدن گسترش اين مواد و كيسه هاي حاصل از آن شد. دليل اصلي نقاط ضعف ذكر شده اين تركيبات پودر نشاسته با درصد بالاست. از طرفي ديگر درصد بالاي نشاسته موجب رشد سريع قارچ ها و كپك ها در كيسه هاي پلاستيكي در مناطق گرمسيري مي گردد. بنابر برخي گزارش ها ، ظروف و كيسه هاي توليد شده از تركيبات نشاسته با درصد بالا، خود مورد مصرف برخي جانوران مانند موش ها بوده كه از ديگر مشکلات اين مواد به شمار ميرود. لذا اصولاً كاربرد اين مواد و كيسه هاي توليد شده از آن به نظر می رسد در مناطق سردسير عملكرد بهتري داشته باشد.
گروه آخر يعني موادي كه حاوي اكسيد كننده ها هستند (آكسوتخريب پذير) چند سال گذشته توسعه يافته و به صنايع بسته بندي معرفي شدند. در حقيقت اين مواد همان پلاستيك هاي معمولي مانند پلي اتيلن هستند كه اكسيد كنندهها به آنها اضافه شده تا موجب تخريب زنجيرهاي پليمري آنها شود لذا اين مواد جزو پلاستيك هاي زيست تخريب پذير به حساب نيامده چرا كه تخريب آنها بصورت آكسايشي بوده، اگر چه در نهايت با شكست زنجيرها و كوتاه شدن آنها تخريب پذيري توسط ميكرو ارگانيسم ها صورت گرفته و ادامه مي يابد.
مواد آكسو تخريب پذير از تركيبات و كمپلكس هاي پيچيده فلزات هستند، بهطوري كه در ابتدا از تركيبات كمپلكس عناصر فلزي مثل سرب و كادميم استفاده مي شد ولی از آنجا كه جزو عناصر سنگين بوده و به شدت آلاينده محيط زيست بودند ديگر از آنها استفاده نشده و در حال حاضر از فلزات عناصر واسطه مثل كبالت، منگنز، آهن و آلومينيوم استفاده مي شود افزودني هاي اكسيدكننده كه در صنايع بسته بندي با مواد بر پايه پلي اتيلن و يا پلي پروپيلنها به كار ميروند باعث كاهش استحكام پلاستيك نشده و شفافيت كيسههاي توليد شده از آنها نيز كاهش نمي يابد. ضمناً از نظر بو نيز خنثي بوده و بوي نامطبوع تركيبات نشاسته با درصد بالا را ندارند.
اكسيدكننده ها باعث اكسايش زنجيرهاي پلي الفيني شده و تحت تابش نور خورشيد ، اشعه uv و حضور اكسيژن، كوتاه شدن و شكسته شدن زنجير ها را باعث می شوند. در ابتدا مكانيزم تجزيه پذيري توسط اكسيژن بصورت اكسايش بوده ولي در نهايت با كوتاه شدن زنجيرهاي پليمري، ميكرو ارگانيسم ها نيز باعث تخريب شده و سرعت تفكيك پذيري را افزايش مي دهند.
به نظر مي آيد مواد اكسو تخريب پذير 100 %زيست تخريب پذير بوده و در طي چند سال كاملاً به چرخه محيط زيست بازمي گردد. ولي اين مواد نيز داراي معايبي هستند. حضور فلزات عناصر وابسته در تركيبات اكسيد كننده ها از اولين معايب اين دسته از مواد به شمار میروند. در واقع با تجزيه شدن پلاستيكهاي حاصل از اين مواد فلزاتي چون كبالت و آلومينيوم در محيط باقي مانده و باعث افزايش سمّيت خاك و محيط زيست مي شود؛ بهطوريكه اين مسئله باعث مسموميت جانداران ذره بيني و نيز جانوران شده و انتقال آنها به انسانها نيز بديهیست.
از معايب ديگر اين مواد، میتوان به تجزيه ناپذير بودن آنها در زير خاك اشاره کرد. در صورتي كه پلاستيك ها در زير خاك قرار گيرند اكسيژن، نور و گرماي كافي جهت آكسايش و تخريب وجود نداشته و پلاستيك ها به همان صورت مانند پلاستيك هاي معمولي در زير خاك پايدار خواهند ماند.
در حال حاضر با توجه به حجم بالاي توليد كيسه هاي پلاستيكي لزوم استفاده از مواد زيست تخريب پذير امري ضروري است و نميتوان تا دسترسي به يك تركيب بي عيب از پلاستيك هاي زيست تخريب پذير كنوني استفاده نكرد. به عنوان مثال از تركيبات نشاسته با درصد بالا براي برخي مناطق سردسير ميتوان بارعايت احتياط استفاده نمود چرا كه رشد ميكرو ارگانيسم ها در مناطق سردسير، كندتر صورت مي گيرد، ضمن آنكه ضخامت كيسه هاي توليد شده از اين مواد نيز مي بايست بيشتر شود چرا كه استحكام كافي براي تحمل بار را ندارند و يا از مواد اكسوزيت تجزيه پذير تا آنجا كه فلزات آن ها از نوع فلزات سنگين سمي نباشند استفاده نمود. به نظر میرسد تحقيقات بيشتري لازم است تا موادي توسعه يابد كه اولا سمي نبوده و دوما به هنگام دور ريزي كيسه هاي پلاستيك؛ به نوع قرار گرفتن در محيط زيست وابسته نبوده و به شرايط آب و هوائي نيز بستگي نداشته باشد.