Поскольку мир сталкивается с растущими экологическими проблемами, от ускорения изменения климата до пластикового загрязнения океанов и свалок, острая необходимость перехода к экологически чистым материалам никогда не была такой острой. Мировые отрасли, правительства и потребители в равной степени ищут инновационные альтернативы, которые могут снизить вред окружающей среде, сохраняя при этом производительность и функциональность традиционных материалов. Это требование — не просто тенденция — это фундаментальная трансформация, вызванная наукой, политикой и общественным сознанием.
В основе этой трансформации лежит необходимость обезуглероживания материального производства, снижения зависимости от ограниченных ископаемых ресурсов и минимизации накопления неразлагаемых отходов. Традиционные пластики на основе нефти, хотя они универсальны и недороги, вносят основной вклад в выбросы парниковых газов и долгосрочную экологическую деградацию. Их устойчивость к деградации, которая когда-то рассматривалась как преимущество, теперь стала одним из самых серьезных экологических проблем на планете.
В ответ на эти проблемы экологически чистые смолы на биологической основе стали одним из наиболее многообещающих классов материалов для более устойчивого будущего. Эти смолы синтезируются из возобновляемых источников биомассы, включая кукурузный крахмал, сахарный тростник, целлюлозу, водоросли и сельскохозяйственные отходы. Поскольку смолы на биологической основе производятся из углерода, улавливаемого живыми растениями, они обеспечивают замкнутый углеродный цикл — поглощая углекислый газ во время роста и выделяя его только во время разложения или сгорания, что значительно снижает чистые выбросы CO₂.
Многие смолы на биологической основе разработаны с учетом возможности использования в конце срока службы. В отличие от обычных пластиков, которые могут сохраняться в окружающей среде в течение столетий, биосмолы часто биоразлагаемы или компостируются, что делает их хорошо подходящими для таких применений, как упаковка, где короткий срок службы продукта связан с необходимостью ответственной утилизации.
Помимо экологических свойств, смолы на биологической основе набирают обороты благодаря технологическим достижениям и усовершенствованию материалов. Ранние ограничения, связанные с механической прочностью, термостойкостью и масштабируемостью, постоянно устраняются с помощью молекулярной инженерии, методов смешивания и инноваций в химии биополимеров. В результате эти смолы теперь находят коммерческое применение в различных секторах — от упаковки пищевых продуктов и автомобильных деталей до электроники и потребительских товаров.
Переход к экологически чистым смолам биологического происхождения отражает более широкое видение: экономическое развитие отделено от ухудшения состояния окружающей среды, а материалы, которые мы используем, являются максимально возобновляемыми, экологически безопасными и безвредными. Это видение все чаще поддерживается нормативно-правовой базой, сертификатами устойчивого развития и изменением потребительских предпочтений.
Экологически чистые смолы на биологической основе относятся к полимерным материалам, которые в основном производятся из возобновляемых биологических ресурсов. В отличие от традиционных смол на нефтяной основе, они не зависят от ограниченных ресурсов ископаемого топлива, а синтезируются с использованием растительного сырья, такого как кукурузный крахмал, сахарный тростник, соевые бобы, целлюлоза, морские водоросли и т. д. Эти материалы могут не только эффективно снизить зависимость от невозобновляемых ресурсов, но и значительно сократить выбросы парниковых газов в течение их жизненного цикла.
Обычно используется в производстве биоразлагаемых пластиков, таких как полимолочная кислота (PLA). В процессе ферментации это сырье преобразуется в молочную кислоту и далее полимеризуется в пластиковые смолы.
Может использоваться для производства полиуретана, эпоксидных смол биологического происхождения и т. д. По сравнению с традиционными материалами нефтехимического происхождения, эти продукты потребляют меньше энергии в процессе производства.
Полученные из древесины, хлопка или сельскохозяйственных отходов, они могут использоваться в качестве армирующих материалов или смоляных матриц для улучшения механических свойств и возможности возобновления.
Обладая быстрым ростом и высокой способностью связывать углерод, они являются одним из новых устойчивых ресурсов, подходящих для приготовления высокоэффективных биосмол.
Смолы на биологической основе поглощают углекислый газ на стадии роста, частично обеспечивая «связывание углерода», что может в определенной степени компенсировать выбросы углерода во время их производства и использования, тем самым достигая «замкнутого углеродного цикла».
Использование сельскохозяйственных отходов или возобновляемых растительных материалов может помочь снизить риск истощения нефтяных ресурсов и поддержать экологически чистое производство.
Многие смолы на биологической основе подлежат компостированию, разложению или вторичной переработке и могут попадать в систему естественной циркуляции, чтобы уменьшить загрязнение окружающей среды пластиковыми отходами.
PLA (полимолочная кислота) — типичный материал биологического происхождения, который можно компостировать и разлагать в промышленных масштабах;
Хотя сырье для ПЭТ на биологической основе (полиэтилентерефталат) частично получено из биомассы, его структура такая же, как у нефтехимического ПЭТ, а его способность к разложению слабее.
Это различие имеет решающее значение для практических приложений. При проектировании продукции следует выбирать соответствующий тип биосмолы в зависимости от ее назначения (например, упаковка, предметы медицинского назначения, автомобильные детали и т. д.).
Упаковочная промышленность: например, пластиковые пакеты на биологической основе, пищевые контейнеры, кофейные капсулы и т. д.;
Строительство и отделка дома: используется для производства напольных покрытий, биоэпоксидных клеев и т. д.;
Производство автомобилей: используется для изготовления легких компонентов, внутренних панелей и т. д.;
Материалы для 3D-печати: PLA — наиболее распространенная экологически чистая нить для 3D-печати;
Электронная продукция: Разработка безгалогенных, биовозобновляемых материалов для печатных плат.
Поскольку проблемы глобального изменения климата, загрязнения окружающей среды и все более дефицита ископаемой энергии становятся все более серьезными, поиск устойчивых альтернативных материалов стал важным направлением для производства и материаловедения. В этом контексте экологически чистые смолы на биологической основе, как новый экологически чистый материал, привлекли большое внимание научных исследований и промышленного сообщества из-за их возобновляемых источников, низкого воздействия на окружающую среду и постепенного улучшения функциональных характеристик.
По сравнению с традиционными смолами на основе нефти, смолы на биологической основе имеют очевидные преимущества в сокращении выбросов углерода. Их сырье обычно поступает из таких растений, как кукуруза, сахарный тростник, соевые бобы или водоросли. Эти растения поглощают углекислый газ посредством фотосинтеза во время своего роста, тем самым в определенной степени нейтрализуя выбросы углерода, образующиеся в процессе производства. Смолы на нефтяной основе в основном производят только выбросы углерода на протяжении всего своего жизненного цикла и не имеют процесса поглощения углерода.
Если взять в качестве примера полимолочную кислоту (PLA), то выбросы парниковых газов, образующиеся в процессе ее производства, можно сократить примерно на 60% по сравнению с полистиролом. Если конечный продукт может быть компостирован или биоразложен, высвободившийся углерод также может снова поглощаться растениями, что еще больше реализует «замкнутый цикл углеродного цикла».
Важной особенностью смол на биологической основе является возобновляемый источник сырья. Например, кукурузу и сахарный тростник можно сажать и собирать каждый год, в отличие от минеральных ресурсов, таких как нефть и природный газ, для формирования которых требуются миллионы лет геологической эволюции.
Этот возобновляемый путь, основанный на принципе «посадка-использование-деградация-пересадка», не только снижает зависимость от невозобновляемых ресурсов, но также повышает устойчивость и управляемость цепочки поставок материалов. С развитием технологий переработки побочных продуктов и отходов сельского хозяйства разнообразие и экологичность источников сырья будут еще больше улучшаться.
Многие смолы на биологической основе являются биоразлагаемыми и при определенных условиях могут разлагаться микроорганизмами на воду, углекислый газ и биомассу. Например, PLA, полигидроксиалканоаты (PHA), смолы на основе крахмала и т. д. могут полностью разлагаться в условиях промышленного компостирования, а также могут медленно разлагаться в почве и водоемах при определенных обстоятельствах.
Эта особенность имеет большое значение для борьбы с «белым загрязнением» и сокращением количества морского пластикового мусора. По сравнению с традиционными пластиками, разложение которых часто занимает сотни лет, биосмолы легче усваиваются экосистемой после окончания своего жизненного цикла, что помогает достичь по-настоящему «зеленого» замкнутого цикла.
Крупномасштабное использование и беспорядочная утилизация традиционных нефтехимических пластиков привели к серьезным экологическим проблемам, включая накопление отходов на свалках, загрязнение морской среды пластиком и поедание пластика дикими животными. Смолы на биологической основе, благодаря своей разлагаемости и нетоксичным свойствам, могут значительно снизить долгосрочное негативное воздействие на природную среду и экосистему.
Некоторые смолы на биологической основе также позволяют избежать использования токсичных катализаторов и добавок тяжелых металлов в процессе производства, что еще больше снижает потенциальные риски для окружающей среды и здоровья человека.
В прошлом одним из самых больших сомнений в отношении биосмол было то, смогут ли их характеристики удовлетворить потребности практического применения. С развитием материаловедения, процессов полимеризации и технологий модификации композитов современные смолы на биологической основе значительно улучшили функциональные характеристики, сравнимые с некоторыми традиционными пластиками, а в некоторых аспектах даже превосходящие их.
Благодаря сополимеризации, сшиванию, наноулучшению и другим средствам современные биосмолы значительно улучшили прочность на разрыв, ударопрочность, гибкость и другие аспекты. Например:
Модифицированный PLA может иметь ударопрочность, близкую к ABS или PS;
Добавление натуральных волокон (таких как бамбуковые волокна и волокна конопли) может повысить структурную стабильность и прочность материала;
Полиамиды биологического происхождения (такие как PA11) широко используются в автомобилях, электронике, спортивном оборудовании и других областях с высокими требованиями к прочности и ударной вязкости.
Новое поколение биосмол совершило технический прорыв в области температуры тепловой деформации, индекса плавления, температуры термического разложения и т. д., что делает его пригодным для различных методов обработки, таких как литье под давлением, экструзия, выдувное формование и 3D-печать. Например:
PLA-материалы с улучшенной термостабильностью могут сохранять структурную стабильность при высоких температурах и их нелегко деформировать;
Полиэфиры биологического происхождения, такие как PBS (сополимер янтарной кислоты), обладают хорошими свойствами термосваривания и гибкостью и подходят для термоформования упаковки.
Параметры обработки многих смол на биологической основе (такие как температура плавления, вязкость, скорость охлаждения) близки к параметрам традиционных пластмасс, поэтому их можно производить и формовать без крупномасштабной трансформации существующего оборудования, что снижает затраты на трансформацию предприятия и улучшает признание рынка.
Благодаря разработке и модификации химической структуры биосмолы могут достигать различных функциональных настроек, таких как:
Водонепроницаемость, маслостойкость, огнестойкость и устойчивость к ультрафиолетовому излучению;
Функция контролируемого высвобождения (используется для сельскохозяйственных пленок или носителей лекарств);
Антибактериальная устойчивость и устойчивость к плесени (преимущества в медицинской и пищевой упаковке).
Возможность индивидуальной настройки позволяет адаптировать его к широкому спектру применений: от упаковки потребительских товаров, корпусов электронных продуктов, автомобильных деталей до разлагаемых сельскохозяйственных пленок.
С развитием материаловедения и «зеленых» технологий экологически чистые смолы на биологической основе не только остались на лабораторной стадии, но и нашли коммерческое применение во многих отраслях промышленности. Ниже будут подробно представлены примеры его применения и преимущества пяти основных областей: упаковки, строительства и дома, медицины, автомобилестроения и сельского хозяйства.
Упаковка является одной из наиболее широко используемых областей применения смол на биологической основе, особенно в одноразовых потребительских товарах и упаковке пищевых продуктов. Общие приложения включают в себя:
Биоразлагаемые пластиковые пакеты: пакеты для покупок, мешки для мусора и экспресс-пакеты из PLA, PBAT, смол на основе крахмала и т. д., которые после использования могут разлагаться в условиях промышленного компостирования, уменьшая «белое загрязнение»;
Пищевая тара и столовая посуда: миски, вилки, ложки и чашки из таких материалов, как PLA и PHA, нетоксичны и могут контактировать с пищевыми продуктами, не выделяют вредных веществ при высоких температурах;
Экспресс-буферные материалы: растительные волокна или вспененные материалы на биологической основе используются вместо пенополистирола для упаковки и буферизации транспортных средств, что не только снижает загрязнение пластиком, но также может разлагаться естественным путем.
Строительная и домашняя промышленность постепенно трансформируются в сторону низкоуглеродных и экологически чистых направлений. Смолы на биологической основе в основном используются в лакокрасочных материалах, клеях и декоративных компонентах в таких областях:
Покрытия для пола из биоэпоксидной смолы: Эпоксидные материалы на основе растительных масел или натуральных полиолов обладают хорошей адгезией, износостойкостью и химической стабильностью, не выделяют раздражающих газов;
Клеи для мебели. Клеи, синтезированные из соевого белка или других мономеров биологического происхождения, можно использовать для склеивания плит, фиксации поверхностей и т. д., заменяя традиционные клеи на основе формальдегида и уменьшая загрязнение помещений.
В медицинской промышленности предъявляются чрезвычайно высокие требования к биосовместимости и безопасности материалов. Смолы на биологической основе обладают уникальными преимуществами в следующих аспектах:
Одноразовые хирургические инструменты: одноразовые шприцы, хирургические щипцы, кровоостанавливающие щипцы и т. д., изготовленные из таких материалов, как PLA и PHA, не только безопасны и нетоксичны, но и разлагаются при утилизации медицинских отходов;
Биорассасывающиеся шовные материалы: шовные материалы, изготовленные из PLA, PGA (полигликолевой кислоты) и т. д., могут естественным образом разлагаться и впитываться в организме человека, что позволяет избежать повторного хирургического вмешательства и снятия швов, а также облегчает боль пациента;
Носители лекарств и мембраны с пролонгированным высвобождением. Скорость высвобождения лекарственного средства контролируется с помощью структуры биосмолы, которая используется для адресной доставки или подкожных систем с пролонгированным высвобождением.
По мере того, как автомобильная промышленность стремится к энергосбережению, сокращению выбросов и уменьшению веса, материалы на биологической основе постепенно внедряются в производство автомобилей. Типичные области применения включают в себя:
Материалы салона автомобиля: такие как спинки сидений, дверные обшивки, приборные панели и т. д., изготовлены из композитных материалов PLA или полиамидов биологического происхождения (например, PA11), которые одновременно красивы и экологически безопасны;
Легкие композитные панели: натуральные волокна (такие как волокна джута и конопли) в сочетании с биосмолами используются для изготовления деталей кузова или энергопоглощающих конструкций, снижения веса всего автомобиля и повышения топливной экономичности.
Сельское хозяйство is the industry most closely related to the natural environment. The widespread use of traditional plastics has caused continuous pressure on the soil and ecological environment. The introduction of bio-based resins provides a solution for the green transformation of agriculture:
Разлагаемая сельскохозяйственная мульча: пленка, изготовленная из материалов на основе крахмала или PLA, заменяет традиционную полиэтиленовую пленку. Используется для укрытия после посева и автоматически разлагается в почве после окончания роста урожая, устраняя необходимость ручной переработки;
Носитель удобрений с контролируемым высвобождением: структура покрытия из био-смолы контролирует скорость высвобождения питательных веществ, повышает эффективность удобрений и снижает риск эвтрофикации водоемов;
Горшки для рассады и ящики для рассады: изготовленные из смеси натуральных волокон и биосмол, их можно сажать непосредственно в почву и естественным образом разлагать по мере роста корней растений, не влияя на качество почвы.
По мере того как глобальная осведомленность об устойчивом развитии и защите окружающей среды растет, традиционные пластики, полученные на основе нефтехимии, постепенно подвергаются сомнению из-за их негативного воздействия на окружающую среду. В этом контексте экологически чистые смолы на биологической основе, как возобновляемый и разлагаемый материал, быстро появляются и становятся важным фактором экологически чистой трансформации во многих отраслях. В этом типе смолы в качестве сырья используются возобновляемые ресурсы, такие как растительный крахмал, целлюлоза, растительное масло, молочная кислота и т. д., что снижает зависимость от нефтяных ресурсов во время использования, а также значительно снижает выбросы углекислого газа и загрязнение окружающей среды.
Упаковочная промышленность является одной из наиболее широко используемых и быстрорастущих областей использования смол на биологической основе. В основном это связано с двойным спросом отрасли на защиту окружающей среды и функциональность материалов.
Из смол на биологической основе, таких как полимолочная кислота (PLA) и полигидроксиалканоаты (PHA), можно изготавливать разлагаемые пластиковые пакеты, пленки для упаковки пищевых продуктов, пузырьковые пленки, коробки на вынос и соломинки. После использования эти продукты могут разлагаться на углекислый газ и воду в промышленных или домашних условиях компостирования, эффективно решая проблему «белого загрязнения».
По сравнению с традиционными пластиками упаковка из биосмолы более безопасна и не содержит вредных добавок, таких как бисфенол А, что соответствует требованиям безопасности материалов, контактирующих с пищевыми продуктами. В то же время некоторые материалы на биологической основе обладают превосходными барьерными свойствами для кислорода и влаги, что продлевает срок хранения пищевых продуктов и подходит для различных упаковочных нужд, таких как охлажденные продукты, свежие фрукты и овощи.
Многие страны мира постепенно вводят запреты на использование пластика или ограничения на использование пластика, а потребительский спрос на экологически чистую упаковку быстро растет, что приводит к увеличению доли рынка упаковки из биосмолы. Компании также используют зеленую упаковку как важное средство дифференциации бренда для укрепления своего экологического имиджа.
В автомобильной промышленности и производстве электронной продукции смолы на биологической основе постепенно заменяют некоторые традиционные конструкционные пластмассы, чтобы удовлетворить многочисленные требования отрасли к легким, прочным и экологически чистым материалам.
Автопроизводители активно используют композитные материалы на биологической основе для изготовления внутренних панелей дверей, приборных панелей, ковровых накладок, изоляционных материалов капота и т. д. Эти материалы не только легче, что помогает снизить вес всего автомобиля и повысить топливную эффективность, но также благодаря низкоуглеродистому производственному процессу они соответствуют тенденции низкоуглеродной трансформации автомобильной промышленности.
В бытовой технике, смартфонах, ноутбуках и других продуктах пластики на биологической основе используются для изготовления корпусов, компонентов клавиатуры, материалов для покрытия проводов и т. д. Его огнестойкость, механическая прочность и термическая стабильность в основном отвечают требованиям, предъявляемым к продуктам бытовой электроники. Некоторые бренды, такие как Sony, Samsung, Dell и т. д., внедрили в свою продукцию материалы на биологической основе в целях достижения целей устойчивого развития.
Соответствует требованиям RoHS и REACH.
Использование биосмол помогает компаниям соблюдать требования по защите окружающей среды европейских RoHS (Директива об ограничении использования опасных веществ) и REACH (Регистрация, оценка, авторизация и ограничение химических веществ), а также снижает экспортные барьеры, вызванные несоблюдением экологических стандартов.
В сфере товаров повседневного спроса экологически чистые смолы на биологической основе постепенно становятся важной силой в продвижении экологически чистого образа жизни. Это не только увеличивает добавленную стоимость продукции, но и отвечает требованиям потребителей к концепциям защиты окружающей среды.
Благодаря натуральному сырью и нетоксичности биосмола является идеальным материалом для изготовления детских игрушек. По сравнению с рисками, связанными с тяжелыми металлами, пластификаторами и т. д., которые могут присутствовать в традиционных пластиковых игрушках, игрушки на биологической основе более безопасны и более экологичны и широко приветствуются родителями и рынком.
В столовой посуде, зубных щетках, расческах, косметической упаковке и других предметах первой необходимости начали использовать биопластики, такие как PLA и PBS. Эти продукты разлагаются и не загрязняют окружающую среду, но при этом отвечают требованиям к производительности и становятся экологически чистой альтернативой в сфере отелей, авиации и высококачественных потребительских товаров.
Все больше и больше брендов начинают использовать биосмолы для замены традиционных материалов, чтобы продемонстрировать свою приверженность защите окружающей среды. Например, некоторые косметические бренды используют флаконы для упаковки из биопластика, что не только отражает концепцию устойчивого развития, но и привлекает потребителей, заботящихся о защите окружающей среды.
Хотя в настоящее время область применения в строительной и текстильной промышленности относительно невелика, экологически чистые смолы на биологической основе постепенно привлекают внимание благодаря своим уникальным преимуществам и демонстрируют большой потенциал развития.
Смолы на биологической основе можно смешивать с натуральными волокнами (такими как волокна конопли, льна и бамбука) для производства композитных панелей, полов, декоративных панелей, изоляционных материалов и т. д. Эти материалы обладают хорошими механическими свойствами и термической стабильностью. Удовлетворяя потребности строительных конструкций, они сокращают выбросы углекислого газа зданиями и помогают улучшить показатели сертификации экологически чистых зданий, таких как LEED и BREEAM.
Эпоксидные смолы на биологической основе и полиуретановые смолы широко используются в покрытиях на водной основе, красках для полов, герметиках и других строительных продуктах. Они не содержат ЛОС (летучих органических соединений), улучшают качество воздуха в помещениях и подходят для мест с высокими требованиями к здоровью, таких как больницы и школы.
В текстильной промышленности смолы на биологической основе используются для производства новых экологически чистых тканей, таких как альтернативные полиэфирные волокна, ткани с покрытием и нетканые материалы. Эти материалы не только приятны на ощупь и воздухопроницаемы, но также могут подвергаться биологическому разложению при определенных условиях, что снижает нагрузку на окружающую среду от выброшенной одежды.
Поскольку люди уделяют все больше и больше внимания проблемам окружающей среды, экологичность традиционных пластиков на основе нефти постепенно стала предметом глобального внимания. В качестве одного из решений экологически чистые смолы на биологической основе (Bio-based Resins) стали важным направлением развития в области материаловедения и экологически чистого производства благодаря их возобновляемым источникам, потенциальной способности к разложению и низкому углеродному следу. В реальном процессе продвижения и применения смол на биологической основе все еще сталкиваются с рядом сложных и взаимосвязанных проблем.
Хотя смолы на биологической основе имеют очевидные преимущества с точки зрения экологических показателей, их продвижение по-прежнему сильно ограничено «узким местом» затрат на экономическом уровне. По сравнению со зрелой нефтехимической системой производства пластмасс, биосмолы все еще находятся на стадии разработки и не имеют эффекта масштаба. Его производственный процесс включает в себя множество сложных звеньев, таких как добыча сырья, конверсия и полимеризация, с высокими техническими барьерами и низкой эффективностью производства, что приводит к высоким удельным затратам.
На рыночную цену биосмол часто влияют колебания международного рынка сырой нефти. В периоды низких цен на нефть ценовое преимущество пластиков на основе нефти становится более очевидным, из-за чего у компаний отсутствует достаточная мотивация инвестировать в относительно дорогостоящие альтернативы на биологической основе. Эта «несправедливая конкуренция» на экономическом уровне в значительной степени подавила проникновение на рынок материалов биологического происхождения.
Чтобы выйти из этого тупика, с одной стороны, необходима политическая поддержка, такая как предоставление налоговых льгот, стимулов для экологически чистых закупок или механизмов торговли выбросами углерода, чтобы повысить энтузиазм компаний по внедрению биосмол; с другой стороны, научно-исследовательским учреждениям и компаниям необходимо ускорить технологические прорывы в ключевых процессах, повысить эффективность переработки сырья и снизить производственные затраты.
Сырье для биосмол в основном поступает из возобновляемой биомассы, такой как кукуруза, сахарный тростник, древесные отходы, водоросли и т. д. Если будет достигнуто крупномасштабное коммерческое производство, спрос на сырье для биосмол будет очень большим, что может привести к следующим двум ключевым проблемам:
Конкуренция с продовольственной безопасностью. Когда продовольственные культуры используются в больших количествах в обрабатывающей промышленности, это окажет влияние на распределение сельскохозяйственных земель и снабжение продовольствием. Например, кукурузный крахмал часто используется в качестве сырья для получения полимолочной кислоты (PLA). Если нет разумного планирования, это может усугубить явление «конкуренции продуктов питания и промышленности за землю».
Чрезмерная эксплуатация земельных ресурсов. Для удовлетворения промышленных потребностей некоторые регионы могут превращать экологически чувствительные территории, такие как леса и водно-болотные угодья, в базы для выращивания энергетических культур или технических культур, вызывая экологические риски, такие как сокращение биоразнообразия, напряженность в отношении водных ресурсов и сокращение поглотителей углерода.
Для достижения устойчивого снабжения сырьем для биосмол необходимо не только выращивать высокоурожайные и устойчивые к стрессу энергетические культуры (такие как сахарное сорго, маниока, микроводоросли и т. д.), но и стимулировать использование ресурсов сельскохозяйственных отходов и побочных продуктов лесного хозяйства. Кроме того, создание механизма отслеживания источника сырья поможет компаниям и потребителям оценить свое воздействие на окружающую среду и повысить прозрачность цепочки поставок.
Большинство смол на биологической основе обладают разлагаемыми свойствами, особенно такие полимеры, как PLA и PHA. Однако их «разлагаемость» не означает, что они могут быстро разлагаться в естественной среде. Фактически, многим биосмолам требуются особые условия (например, высокая температура, высокая влажность и аэробная среда) для завершения процесса разложения на промышленных предприятиях по компостированию.
Проблема в том, что в большинстве частей мира еще не создана полноценная система промышленного компостирования, особенно в развивающихся странах и отдаленных городских районах, где мусор по-прежнему в основном вывозится на свалки или сжигается. Даже в развитых странах Европы и США существуют региональные различия в охвате промышленного компостирования.
Это создает настоящее противоречие: если биосмола, претендующая на звание экологически чистой, попадет в традиционную мусорную цепочку в неправильной системе очистки, она не только не сможет выполнить свою зеленую миссию, но также может создать неловкую ситуацию «псевдоэкологической защиты».
Чтобы решить эту проблему, необходимо предпринять усилия на двух уровнях: во-первых, правительству необходимо ускорить строительство инфраструктуры классификации отходов и биоразлагаемой переработки; во-вторых, исследования и разработки материалов должны развиваться в направлении «семейного компостирования» или «экологической деградации», чтобы повысить способность материалов адаптироваться к различным средам утилизации.
С повышением осведомленности об окружающей среде на рынке появляются продукты с такими маркировками, как «биологический», «разлагаемый» и «экологически чистый». Однако нынешнее глобальное определение этих понятий еще не унифицировано, а в разных странах и учреждениях действуют разные стандарты, что может легко сбить с толку потребителей и производителей.
Например, «биологический» — это не то же самое, что «разлагаемый»; материал может быть получен из биомассы, но не может разлагаться в естественной среде из-за своей стабильной структуры. Точно так же «разлагаемые» также можно разделить на несколько типов, таких как биоразлагаемые, биоразлагаемые и водорастворимые, каждый из которых требует различных условий окружающей среды.
Хотя некоторые международные организации, такие как Европейский комитет по стандартизации (CEN), ASTM International, ISO и т. д., выпустили некоторые технические стандарты и системы сертификации, такие как EN 13432 и ASTM D6400, сфера их влияния по-прежнему ограничена и не имеет глобального распространения. Сложные и дорогостоящие процедуры сертификации также отпугивают малые и средние предприятия.
Особенно актуально создание единой, наглядной и понятной системы маркировки. Регулирующие органы должны сформулировать четкие рекомендации по классификации и маркировке продуктов и продвигать глобальные механизмы взаимного признания для защиты прав потребителей и очищения рыночного порядка.
В дополнение к вышеупомянутым четырем основным проблемам, смолы на биологической основе также сопряжены со следующими реальными проблемами в процессе продвижения:
Стабильность эксплуатационных характеристик. Некоторые биосмолы по-прежнему уступают традиционным пластикам с точки зрения термической стабильности, механической прочности и устойчивости к ультрафиолетовому излучению, что ограничивает их применение в сценариях с высокими эксплуатационными характеристиками, таких как автомобили, строительство и электроника.
Недостаточная осведомленность потребителей. Многие потребители имеют ограниченные знания о воздействии на окружающую среду, методах использования и утилизации «биологических» материалов и могут даже неправильно использовать продукты из-за недопонимания о разложении, что, в свою очередь, влияет на их экологическую ценность.
Сложность интеграции производственной цепочки: Полная замкнутая система от приобретения, переработки и использования сырья до переработки еще не создана, особенно в трансграничных цепочках поставок и межотраслевой интеграции. Координационные барьеры все еще существуют.
Благодаря постоянному развитию технологий характеристики смол на биологической основе постоянно улучшаются, что делает их очень конкурентоспособными в различных областях применения. Традиционные смолы на биологической основе, такие как полимолочная кислота (PLA) и полигидроксиалканоаты (PHA), в первые дни в основном сталкивались с неудовлетворительными характеристиками по сравнению со смолами на нефтехимической основе, такими как более низкая термическая стабильность и проблемы с прочностью, на которые легко влияет влага. В последние годы ученые-материаловеды предприняли несколько инновационных подходов для постепенного решения этих проблем.
Благодаря инновациям в области биокатализаторов и технологии ферментативно-катализируемой полимеризации процесс синтеза смол на биологической основе был оптимизирован, а контроль молекулярных цепей стал более точным, тем самым эффективно улучшая термическую стабильность и механическую прочность смолы. С помощью этого метода исследователи могут ввести в молекулы смолы определенные функциональные группы, чтобы сделать их более термостойкими и химически стойкими, а также поддерживать хорошую стабильность в условиях высоких температур. Например, некоторые новые смолы PLA значительно увеличили температуру тепловой деформации за счет введения специальных сомономеров, тем самым расширяя область применения PLA в высокотемпературных средах.
С развитием нанотехнологий добавление наноматериалов, таких как нановолокна и нанонаполнители, к смолам на биологической основе значительно улучшило их механические свойства и прочность. Например, смешивание наночастиц графена или диоксида кремния с PLA может значительно улучшить его прочность на разрыв и ударопрочность. Этот композитный материал продемонстрировал большой потенциал применения в областях с чрезвычайно высокими требованиями к материалам, таких как аэрокосмическая и автомобильная промышленность.
С развитием технологий 3D-печати сценарии применения смол на биологической основе постоянно расширяются. В области 3D-печати смолы на биологической основе, такие как PLA и PHA, постепенно стали одними из основных материалов благодаря их хорошей пригодности для печати, нетоксичности и способности к разложению. Используя передовую технологию 3D-печати, смолы на биологической основе позволяют не только создавать сложные формы, но и корректировать механические и функциональные свойства материалов в соответствии с требованиями, что делает их все более широко используемыми в персонализированной настройке, медицинском обслуживании, строительстве и других областях.
Улучшение характеристик и технологический прогресс смол на биологической основе заложили основу для крупномасштабной замены ими традиционных пластиковых материалов. Поскольку технология продолжает развиваться, у нас есть основания полагать, что смолы на биологической основе будут играть важную роль в более востребованных областях в будущем.
Источник сырья для смол на биологической основе определяет их устойчивость и экономичность. В условиях растущей обеспокоенности по поводу воздействия на окружающую среду традиционные смолы первого поколения на биологической основе (такие как кукуруза, сахарный тростник и т. д.) сталкиваются с проблемами конкуренции за ресурсы и экологическими проблемами. Чтобы решить эту проблему, ученые и инженеры изучают сырье второго и третьего поколения, которое не только более экологично, но и эффективно повышает эффективность использования ресурсов.
Сырье второго поколения в основном включает в себя сельскохозяйственные отходы, такие как солома, древесная щепа, кожура и т. д. Эти материалы не участвуют в пищевой цепи человека, поэтому не влияют напрямую на вопросы продовольственной безопасности, и их часто рассматривают как отходы при переработке, поэтому использование этого сырья может значительно снизить производственные затраты. Например, целлюлозные материалы, полученные из соломы, во многих случаях могут заменить традиционные нефтехимические материалы. Они не только обладают хорошими механическими свойствами, но также могут достигать деградации в течение всего жизненного цикла. Эта идея «превратить отходы в драгоценные ресурсы» является важным направлением развития смол на биологической основе.
Биологическое сырье третьего поколения в основном включает водоросли, микроорганизмы и морские растения. These raw materials grow fast, do not rely on land resources, and require almost no additional agricultural inputs, which have huge environmental and economic advantages. As a bio-based raw material, algae can absorb a large amount of carbon dioxide in a very short time and convert it into biomass due to its efficient photosynthesis. Таким образом, водоросли являются не только устойчивым ресурсом, но и процесс их роста также помогает смягчить последствия изменения климата. Смолы на биологической основе, полученные из водорослей, не только обладают хорошими физическими и химическими свойствами, но также могут эффективно снижать выбросы парниковых газов, что делает их идеальным экологически чистым альтернативным материалом.
In terms of the raw material supply chain, with the emergence of these new raw materials, the production and supply chain patterns of global bio-based resins are also changing. Многие компании начали оптимизировать локализованные цепочки поставок и ресурсные циклы, стремясь сократить выбросы углекислого газа в производственный процесс. For example, farms in some regions have cooperated with joint enterprises to produce bio-based resins from agricultural waste to form a closed-loop supply chain system, which not only improves resource utilization efficiency, but also provides farmers with a new source of economic income. At the same time, some emerging production methods such as algae cultivation systems have also promoted the large-scale production of bio-based resins to a certain extent.
Инновации в области сырья и оптимизация цепочки поставок are not only technical factors that promote the development of bio-based resins, but also create more stable and sustainable conditions for their large-scale application.
Государственная политика играет важную роль в продвижении смол на биологической основе. Many countries and regions around the world have recognized the positive impact of bio-based materials on environmental protection and have promoted them through a series of policies and regulations. For example, the Green Deal and Plastic Strategy launched by the European Union clearly stated that the European Union will gradually phase out disposable plastic products and promote the use of degradable plastics and bio-based plastics. The introduction of these policies has forced companies to accelerate the research and development and application of bio-based materials to ensure that they remain competitive in a market with increasingly stringent environmental regulations.
In China, the government has also introduced a series of policies requiring all types of companies to reduce plastic pollution and encourage the development of bio-based and degradable materials. The National Development and Reform Commission of China has issued the "14th Five-Year Plan for Ecological and Environmental Protection", proposing to increase the research and development of environmentally friendly materials and make bio-based plastics a key direction for future development. С постепенным введением в действие «Приказа об ограничении использования пластика» спрос на смолы на биологической основе на китайском рынке также растет.
Экологическая ответственность и цели устойчивого развития предприятий также стали важными факторами в популяризации смол на биологической основе. Многие транснациональные компании, такие как Nike, Apple и Nestle, включили экологически чистые материалы в свои цепочки поставок и продвигают использование смол на биологической основе посредством политики экологически чистых закупок. Эти компании публично взяли на себя обязательство сокращать количество пластиковых отходов, продвигать переработку и повторное использование, а также активно участвовать в экологических закупках для содействия применению экологически чистых материалов в различных областях.
With the improvement of global green supply chain management, more and more companies have begun to realize that by adopting environmentally friendly materials such as bio-based resins, they can not only enhance their brand image and market competitiveness, but also achieve the goal of sustainable development by reducing carbon emissions and resource consumption. Эта модель политического продвижения и корпоративной ответственности является ключом к быстрому развитию смол на биологической основе.
Экологическая польза от смол на биологической основе гораздо больше, чем просто низкие выбросы углерода во время использования. Как добиться эффективной переработки и повторного использования после окончания жизненного цикла продукта, является ключом к достижению его всеобъемлющей устойчивости. Это требует интеграции смол на биологической основе в систему экономики замкнутого цикла для достижения замкнутого потока ресурсов.
Основная концепция экономики замкнутого цикла заключается в максимизации жизненного цикла ресурсов и сокращении образования отходов за счет тесной интеграции проектирования, использования и переработки. Для смол на биологической основе это означает, что возможность переработки, разложения и повторного использования материалов следует учитывать на этапе проектирования. For example, when designing a product, its future recycling method should be considered, and recyclable and decomposable materials should be used separately for easy disassembly and recycling. At the same time, renewable energy can also be used in the production process of bio-based resins to reduce carbon emissions in the production process, so as to truly achieve environmental friendliness throughout the life cycle from raw materials to final products.
Характеристики деградации смол на биологической основе также являются важной основой для их входа в систему экономики замкнутого цикла. В настоящее время доказано, что многие смолы на биологической основе, такие как PHA и PLA, способны разлагаться в естественной среде и уменьшать загрязнение окружающей среды. Различные смолы на биологической основе имеют разные скорости и методы разложения, поэтому при проектировании необходимо сделать соответствующий выбор для различных вариантов использования. Например, смолы биологического происхождения, используемые в упаковке пищевых продуктов и сельскохозяйственных пленках, должны обладать характеристиками быстрого разложения, в то время как продукты длительного использования, такие как автомобили и электроника, должны больше внимания уделять переработке и повторному использованию.
С продвижением концепции экономики замкнутого цикла все больше и больше компаний и правительств начали обращать внимание на то, как способствовать переработке и повторному использованию смол биологического происхождения посредством технологических инноваций, оптимизации дизайна и политического руководства. Например, некоторые европейские страны начали создавать систему переработки материалов на биологической основе, продвигать смешанную переработку биопластиков и традиционных пластиков и превращать их в новые материалы с помощью технологии химической переработки.
Благодаря интеграции системы замкнутого цикла материалов смолы на биологической основе могут не только сократить потери ресурсов на этапе использования, но также эффективно перерабатываться после окончания жизненного цикла продукта и возвращаться в производственный процесс, образуя настоящий замкнутый цикл. Эта концепция проектирования полного жизненного цикла является важным способом достижения устойчивого развития смол на биологической основе.
+86 18101032584
№ 60-1, Восточная дорога Цзичуань, промышленный парк Хайлин, район Хайлин, город Тайчжоу.
Copyright© Taizhou Huangyan Zeyu New Material Technology Co., Ltd. Все права защищены.
Полностью разлагаемое сырье
