بیوپلاستیکها، ساختارهای پلاستیکی تولید شده از منابع تجدیدپذیر زیست توده مانند، چربیها و روغنهای گیاهی، نشاسته ذرت، پوشال، براده چوب، خاک اره، پسماندهای غذایی بازیافت پذیر و … هستند. بیوپلاستیک می تواند با استفاده از میکرو ارگانیسم ها، از محصولات جانبی کشاورزی و همچنین از بطریهای پلاستیکی و دیگر ظروف بسته بندی مستعمل ساخته شود. پلاستیکهای معمولی، مانند پلاستیکهای تولید شده از سوختهای فسیلی (پلیمرهای مبتنی بر نفت) از نفت یا گاز طبیعی نشات گرفته اند.
همه بیوپلاستیکها نسبت به پلاستیکهای مبتنی بر سوختهای فسیلی، قابلیت تجزیه زیستی یا زیست تخریبی سریعتری ندارند. بیوپلاستیکها اغلب از مشتقات نیشکر شامل نشاسته، سلولز، و لاکتیک اسید نشات می گیرند. در سال 2014، بیوپلاستیکها به صورت تقریبی 0.2% از بازار جهانی پلیمر (شامل 300 میلیون تن) را تشکیل می دادند.
پلیمرهای پایه زیستی از زیست توده ها یا مونومرای نشات گرفته شده از زیست توده ها به وجود می آیند که در طول فرآیند تولید می توانند شکل بگیرند.
- نکته 1: بیوپلاستیکها عمدتاً به عنوان هم خانواده پلیمرهای نفتی استفاده می شوند.
- نکته 2: این گفته که هرگونه پلیمر نشات گرفته از زیست توده ها دوستدار طبیعت هستند، صحیح نیست.
- نکته 3: استفاده از واژه “بیوپلاستیک” نامناسب است. استفاده از اصطلاح “پلیمرهای زیستی” مناسب تر است.
- نکته 4: یک پلیمر زیستی مشابه با یک پلیمر نفتی به جز برتری زیست تخریب پذیری در محیط طبیعی، هیچگونه برتری دیگری ندارد.
زمانی که درباره پلاستیکهای جایگزین صحبت می کنیم، مجموعه ای از اصطلاحات وجود دارد که معمولاً به اشتباه یا به جای آن استفاده می شوند؛ بیوپلاستیک و پلاستیکهای زیست تخریب پذیر. بیوپلاستیکها، پلاستیکهای ساخته شده از مصالح ارگانیک مانند نشاسته ذرت هستند و معمولاً از لاکتیک اسید (PLA) ساخته می شوند. لاکتیک اسید خصوصیاتی مشابه پلی پروپیلن (PP) و پلی اتیلن (PET) دارد و دقیقاً مانند پلاستیک معمولی به نظر می رسد. در تئوری، بیوپلاستیک در عرض چند هفته بدون تولید هیچ پسماند شیمیایی در خاک و آب تجزیه می شود. مانند اغلب مصالح ارگانیک، پسماند تجزیه این محصول گاز متان است که یک گاز گلخانه ای است که چندین بار سنگین تر از کربن دی اکسید است.
در عوض، بیوپلاستیکهای نشات گرفته از لاکتیک اسید در صنایع تجاری کمپوست که در آن در محیطی کنترل شده توسط میکروبها تجزیه می شوند، مورد استفاده قرار می گیرند. از سویی دیگر پلاستیکهای زیست تخریب پذیر، به عنوان پلاستیکهای مبتنی بر نفت که با افزودنیهای تجزیه پذیر ترکیب می شوند، نامگذاری می شوند. این لغت معمولاً بسیار دو پهلو است و به صورت پی در پی با لغت بیوپلاستیک اشتباه گرفته می شود در حالی که این دو محصول از لحاظ شیمیایی کاملاً متفاوت هستند.
بیوپلاستیکها، پلاستیکهایی هستند که تمامی کربنهای آنها نشات گرفته از منابع خوراکی تجدیدپذیر است. آنها ممکن است زیست تخریب پذیر باشند یا نباشند. پلاستیکهای مبنی بر زیست توده شامل هر دو مورد از کربن تجدیدپذیر و مبتنی بر نفت هستند. برخی از استفاده های معمول از بیوپلاستیکها به منظور محصولات بسته بندی، ظروف غذاخوری، بسته بندی مواد غذایی و عایق بندی است.
8 ماده زیست تخریب پذیر
در پایان چرخه زندگی یک بنا، متاسفانه تخریب اجتناب ناپذیر است. ممکن است که ما بخواهیم ساختمانمان خارج از محدودیتهای زمانی تا ابد پایدار بماند، اما واقعیت این است که این خواسته میسر نیست، پس باید برای پسماندهای ساختمانی چاره ای پیدا کرد. بر اساس مطالعات دانشگاه کاردیف، هر ساله در بریتانیا به تنهایی 70 تا 105 میلیون تن پسماند از تخریب ساختمانها تولید می شود که تنها 20 درصد از این مقدار زیست تخریب پذیر هستند.
از جمله عناصر زیست تخریب پذیر می توان به موارد زیر اشاره کرد:
- چوب پنبه
- بامبو
- شن بیابانی
- نایلون
- الوار چوب
- میسلیوم
- تخته فیبر با چگالی متوسط (MDF) که از نشاسته سیب زمینی به دست می آید.
- بیوپلاستیک (سویا): در حالی که پلاستیکها، اقیانوسها و رودخانه های ما را انباشته می کنند، ضروری است که هم مصرف خود را کاهش دهیم و هم گزینه های پاکیزه تر و زیست تخریب پذیرتری پیدا کنیم. بیوپلاستیکها بسیار سریعتر از پلاستیکهای معمولی تجزیه می شوند، به همان سرعت که تجزیه کاغذ و فرآورده های زیست توده ای صورت می گیرد.
یکی از اصلی ترین مواد مورد استفاده در این مورد، چسب به دست آمده از سویا است که به کاهش انتشار دی اکسید کربن و استفاده از آلاینده های سرطان زا، ضمن اینکه در طول تولید نیز به دمای قابل توجهی نیاز دارد، کمک می کند. اگر چه تاکنون استفاده از بیوپلاستیکهای سویا به ظروف یکبار مصرف مواد غذایی و کیسه های زباله محدود شده است، اما با تحقیقات بیشتر مطمئناً شرایط برای افزایش کاربردهای آن به وجود خواهد آمد.
بیوپلاستیکها خانواده متنوعی از مواد با خصوصیات متفاوت هستند. سه گروه اصلی از این مواد وجود دارد:
- پایه زیستی (یا تا حدودی پایه زیستی)، پلاستیکهای بادوام مانند پلی اتیلن (PE)، پلی اتیلن ترفتالات (PET)، پلیمرهای عملکرد فنی مبتنی بر زیست توده، مانند پی آمیدها (PA)، یا پلی اورتانهای نیمه پایه زیستی (PUR)؛
- پلاستیکهای پایه زیستی و زیست تخریب شونده، کمپوست مانند پلی لاکتیک اسید (PLA)، پلی هیدروکسی آلکانواتها (PHA)، پلی بوتیلن سوکسینات (PBS)، و مخلوط نشاسته؛
- پلاستیکهایی که بر پایه منابع فسیلی هستند و زیست تخریب پذیرند، مانند ترانسالات پلی اتیلن چربی (PBAT) و فسفر تری کلراید (PCL)، اما ممکن است در آینده به صورت نیمه پایه زیستی تهیه شوند.
زیست توده ها، پلاستیکهای مداوم، مانند پی اتیلن ها و پلی اتیلن ترفتالات های مبتنی بر زیست توده، دارای خواص مشابه با نسخه های معمولی خود هستند. این بیوپلاستیکها از لحاظ تکنیکی معادل با همتایان مبتنی بر سوختهای فسیلی خود هستند و همچنان می توانند به کاهش تولید کربن کمک کنند. علاوه بر این، آنها می توانند از لحاظ مکانیکی در جریانهای بازیافتی معمول، تجزیه شوند.
مواد نوین مانند پلی لاکتیک اسید، پلی هیدروکسید آلکانواتها، یا مواد مبتنی بر نشاسته با ویژگیهای کاملاً جدید راهکارهایی را مانند تجزیه پذیری و سازگاری و در بعضی موارد خصوصیات بهینه شده ای را ارائه می دهند. در کنار رشد انواع مواد بیوپلاستیک، خصوصیاتی مانند انعطاف پذیری، دوام، قابل چاپ بودن، شفافیت، پوشانندگی، مقاومت در برابر گرما، براقیت و بسیاری از خصوصیات دیگر به صورت قابل توجهی رو به افزایش است.
پلاستیکهای پایه زیستی از مزیت بی نظیری نسبت به پلاستیکهای معمولی برای کاهش وابستگی به منابع فسیلی محدود و کاهش انتشار گازهای گلخانه ای یا حتی خنثی کردن کربن برخوردار هستند. در نتیجه، پلاستیکهای پایه زیستی می توانند به اتحادیه اروپا کمک کنند تا اهداف 2020 خود در مورد انتشار گازهای گلخانه ای را کاهش دهد. علاوه بر این، بیوپلاستیک می تواند از طریق چرخه بسته منابع، منجر به افزایش بهره وری آنها شود و در نهایت منجر به بازیابی انرژی (انرژی تجدیدپذیر) گردد.
حفاظت از آب و هوا
استفاده از منابع فسیلی در فرآیندهای صنعتی باعث افزایش سهم دی اکسید کربن در جو می شود و این مهم باعث افزایش میانگین دما می گردد، به اصطلاح اثر گلخانه ای که با افزایش رخداد رعد و برق، سیل و خشکی در ارتباط است. محافظت از آب و هوا و کاهش انتشار دی اکسید کربن بخش مهمی از سیاستهای زیست محیطی در سراسر جهان را تشکیل می دهد زیرا اینکه تغییرات آب و هوایی می تواند عواقب منفی گسترده ای را در بر داشته باشد، یک واقعیت است. دولتها و سازمانها با اقدامات هدفمند در برابر کنترل این تهدید تلاش می کنند.
اقتصاد، چرخه عمر و ارزیابی چرخه زندگی
یک ابزار مهم برای سنجش تأثیرات زیست محیطی محصولات یا خدمات، اصطلاحاً ارزیابی چرخه زندگی (LCA) است. از طریق LCA می توان تأثیرات زیست محیطی مرتبط با یک محصول یا خدمات را حساب کرد. این نگرش کلیه مراحل زندگی یک محصول را از استخراج منابع گرفته تا دفع نهایی شامل می شود. LCA ابزاری است که به اندازه گیری و گزارش دهی در مورد تأثیرات تجاری، سناریوهای جایگزین و پیشرفتهای به دست آمده می پردازد.
بیوپلاستیکها در اروپا از LCA و تفکر چرخه زندگی (LCT) به منظور ترویج و اثبات پایداری زیست محیطی محصولات پشتیبانی می کند. همانطور که در بالا تأکید شد، در نظر گرفتن چرخه حیات کامل محصول بسیار مهم است، زیرا محصولات ممکن است تأثیرات محیطی کاملاً متفاوتی در طی چرخه زندگی خود داشته باشند. LCT شامل تجزیه و تحلیل سیستمهای کامل است و از انتقال بار از یک مرحله از چرخه زندگی محصول به مرحله دیگر، از یک منطقه جغرافیایی به منطقه دیگر و از یک محیط به محیطی دیگر جلوگیری می کند.
نوع بیوپلاستیک مورد استفاده، مواد اولیه مورد استفاده و فناوری تولید و تبدیل، وسایل حمل و نقل و همچنین سیستم بازیابی و بازیافت همگی از اهمیت بالایی برخوردارند. حتی اگر LCA در حال حاضر بهترین سیستم برای ارزیابی اثرات زیست محیطی محصولات پایه زیستی باشد، ممکن است مقایسه قابل استناد بین دو چرخه LCA، امکان پذیر نباشد.
خواص فیزیکی بیوپلاستیکها
میوه ها و سبزیجات موجودات زنده ای هستند که پس از برداشت محصول تنفس می کنند و تراریخته می شوند. در صورت تمایل به تنفس و تراریختن، اکسیژن استفاده می شود و دی اکسید کربن و سایر پسماندها تولید می شود که می تواند میوه ها را فاسد کند. بنابراین ما از مواد بسته بندی استفاده می کنیم که باعث می شود دوام میوه ها و سبزیجات طولانی تر شوند. همچنین بسته بندی باید از محافظت کافی در برابر صدمات فیزیکی ناشی از حمل و نقل یا نگهداشتن آن برخوردار باشد.
بسته بندی مناسب ممکن است آسیب فیزیکی را به حداقل برساند، در نتیجه به تأخیر افتادن فساد میکروبی و آنزیمی را منجر می شود. خصوصیات مهم مواد بسته بندی معمولی، معمولاً از لحاظ مکانیکی، عبور نور و ضد ضربه بودن هستند. این خواص عمدتاً بر اساس خصوصیات فیزیکی بیوپلاستیکها (تبلور) استوار هستند. تبلور تأثیر زیادی در سختی، تراکم، شفافیت و انتشار ماده دارد. تغییرات ناشی از تبلور بیوپلاستیکها باعث ایجاد تغییرات چشمگیر در رفتار مکانیکی کامپوزیت های حاوی آنها می شود.
خواص مکانیکی بیوپلاستیکها
این خصوصیات مکانیکی نشانه ای از عملکرد مکانیکی مواد تشکیل دهنده بیوپلاستیکها است. این خواص کششی هستند که اغلب در صنعت مورد توجه، ارزیابی و استفاده قرار می گیرند. تست استحکام کششی، مدول الاستیسیته و کشیدگی هنگام شکست را فراهم می کند. تمام مواد مورد استفاده تحت آزمایشهای مکانیکی به مدت 24 ساعت در دمای 23 درجه سانتیگراد و رطوبت 50 درصد مورد آزمون قرار می گیرند. مواد تحت کششهای طولی و عرضی سنجیده می شوند.
استفاده از بیوپلاستیکها در پروژه ها
- نمای بیوپلاستیک پروژه آبروسکین
نمای بیوپلاستیک ساختمان در چارچوب پروژه تحقیقاتی مبتنی بر بیوپلاستیک طراحی شده است، پروژه ای که توسط EFRE (صندوق توسعه منطقه ای اروپا) پشتیبانی می شود. این پروژه یکی از کاربردهای معماری و ساختاری احتمالی مواد بیوپلاستیکی را نشان می دهد. این طرح بر روی یک شبکه مثلثی متشکل از عناصر شبکه ای در اندازه های مختلف شبیه سازی شده است. ITKE می تواند به چندین سال تجربه در آموزش و تحقیق برنامه ریزی مبتنی بر رایانه، شبیه سازی و تولید روکش فلزی برای ساختمانهایی با هندسه پیچیده اشاره کند.
در حال حاضر، از مواد ساخته شده از پلاستیکها مبتنی بر نفت، شیشه یا فلز، برای پوشاندن چنین سازه هایی استفاده می شود. ورقهای حرارتی تولید شده از بیوپلاستیکها، یک منبع جایگزین کارآمد را برای آینده تشکیل می دهند، چرا که دارای دو قابلیت ارزنده انعطاف پذیری بالا و بازیافت پذیر بودن در شرایط زیست محیطی را به صورت همزمان دارا هستند.
این پروژه تحقیقاتی اولین مورد از تولید ورقهای بیوپلاستیکی است که در درجه اول از منابع تجدیدپذیر ساخته می شوند و قابلیت شکل پذیری بالایی دارند و علاوه بر این می توانند برای کاربرد در بخش ساختمان و به طور خاص برای ساختمانهای خارجی طراحی شوند. در زمان شروع این پروژه چنین محصولی در بازار موجود نبود. از قابلیت این ماده به عنوان ورقی مقاوم در برابر آتش می توان در طراحی فضاهای داخلی نیز استفاده کرد. با این پیشرفت جدید، به زودی می توانیم محصولی را ارائه دهیم که به دو جریان توجه کند:
- افزایش تقاضا برای مصالح ساختاری کارآمد و پایدار؛
- توسعه روزافزون ساختمانها با هندسه های خمیده دو بعدی و نماهای مسطح با جلوه های سه بعدی.
ورقهای فرم داده شده ساخته شده از مواد بیوپلاستیکی تولید شده توسط شرکت TECNARO در طول پروژه به اجزای قالب گیری یکسان هرمی شکل ساخته شده اند. شریک پروژه BAUER THERMOFORMING یک متخصص در گرما دادن ورقهای بیوپلاستیک با ضخامت دیوار است. فرآیند لازم برای تراشکاری برجسته، تغییرات مختلفی را در بین اجزای قالب سازی ایجاد می کند، زیرا قطعات با استفاده از گرمای یکسان می توانند پردازش شوند. این امر می تواند پوشاندن فضاهای دارای فرم آزاد را با همین قالب امکانپذیر کند. ضایعات پلاستیکی حاصل از فرآیند تراشکاری مجددا به فرآیند فرم دهی بر می گردند. در پایان عمر مفید آنها، ورقهای نما را می توان تقریباً به صورت کربن خنثی، کمپوست یا دفع کرد.
- مخروط های بیوپلاستيك پروژه COS
معمار فرانسوی آرتور مامو مانی ساختمانی از 700 آجر بیوپلاستیک را برای برند تجاری COS در هفته طراحی میلان، در حیاط کاخ قرن شانزدهمی پالازو مونتاژ کرده است. مامو مانی با بهره گیری از پتانسیل مواد تجدیدپذیر و فرآیندهای پایدار، نشان داد که چگونه طراحی می تواند دایره ای تر باشد. نتیجه، یک ساختار پارامتری در مقیاس بزرگ است که از آجرهای زیستی مدولار تشکیل شده است، هر آجر سه بعدی با استفاده از منابع تجدیدپذیر و در مخلوطی از لاکتیک اسید (PLA) و چوب ساخته شده است.
هر آجر زیستی برای استفاده کامل از مقاومت مواد، دارای یک ساختار مشبک است که همچنین به نور اجازه عبور می دهد. این پروژه در تضاد با استفاده از بتن یا فولاد در ساختار است و ما را به عصر ویكتوریا باز می گرداند كه مصالح متداول بسیار گران بودند. پروژه نام خود را از مخروط درختان کاج موجود در سایت پروژه الهام گرفته است. از کنار هم قرار دادن دو آجر طراحی شده، فرم مخروط حاصل می شود.
- پروژه ایدن
چشم انداز خیره کننده از مجموعه های زیستی مانند حباب که در معدن خاک رس سابق قرار گرفته است، میلیونها بازدیدکننده از سراسر جهان را به خود جلب کرده است. نمونه های بسیار دیگری از معماری منحصر به فرد و پایدار را می توان در سراسر سایت Eden یافت، از جمله ساختمان مرکزی الهام گرفته شده از گیاهان.
هنگام طراحی این مجموعه زیستی، معدن خاك هنوز در حال استخراج بود. در مقابل این منظره همواره در حال تغییر، گریمشو به عنوان طراح به ایده حبابهای صابون رسید. حبابهای صابون با هر سطحی که در آن مستقر می شوند سازگاری می پذیرند.
پنجره های شفاف در هر شش ضلعی و پنج ضلعی ساخته شده از کوپلیمر اتیلن تتراسفلورواتیلن (ETFE) یا “غشا با رفتار چسبنده” است. در هر پنجره از سه لایه از این ماده خارق العاده و باورنکردنی تشکیل شده است که بالشتکی متورم به عمق دو متر تشکیل می دهد. علاوه بر این، ETFE می تواند اشعه ماوراء بنفش را جذب کند و خود تمیزشونده است و عمر مفید آن تا 25 سال است.
