ارزیابی تجزیه پذیری پلیمرها با استاندارد Iso 14855-2

ارزیابی تجزیه‌پذیری پلیمرها با استاندارد Iso 14855-2

 پلیمرها برحسب قابلیت‌هایشان مثل سبکی وزن، مقاومت در برابر مواد شیمیایی و پایداری در محیط، عملیات‌پذیری آسان و غیره به طور وسیعی برای کاربردهای مختلف صنعتی مورد استفاده قرار می‌گیرند. به دلیل پایداری پلیمرها در محیط، تغییر ساختاری آنها بعد از استفاده بسیار مشکل است. هنگامی که پلیمرها در طبیعت دفع می‌شوند، ‌به مدت بسیار طولانی بدون این‌که تجزیه شوند، باقی می‌مانند. یکی از روش‌های حل مشکل تجزیه‌ناپذیری پلیمرهای استفاده شده، توسعه پلیمرهای تجزیه‌پذیر است. پلیمرهای تجزیه‌پذیر در نهایت با ریزجاندارها (میکرو ارگانیسم‌ها) در طبیعت، به دی اکسید کربن (CO2) و آب (H2O) تجزیه می‌شوند. گونه‌های متفاوتی از پلاستیک‌های تجزیه‌پذیر به وجود آمده‌اند که در این میان پلی کاپرولاکتون (Poly Caprolactone) که آن را به اختصار PCL می‌نامند به عنوان یک پلاستیک تجزیه‌پذیر از پلیمرهای آلیفاتیک (Aliphatic)، مشتق از پیوند شیمیایی نفت خام بسط و گسترش پیدا کرده است. PCL مقاومت خوبی در برابر آب، روغن و کلر دارد، دارای دمای ذوب پایین (60 C)، ویسکوزیته مذاب پایین بوده و عملیات بر روی آن آسان است.

PCL به طور عمده برای پلی یورتان‌های ترموپلاستیک، رزین برای پوشش‌های سطحی، چسب‌ها، چرم و پارچه‌های مصنوعی استفاده می‌شوند. همچنین در ساخت سخت‌کننده‌ها برای کفش و آتل‌های ارتوپدی، کیسه‌های کاملا تجزیه‌پذیر، نخ‌های بخیه و الیاف به کار برده می‌شود. PCL اغلب برای به دست آوردن یک ماده تجزیه‌پذیر خوب و کاهش در قیمت با نشاسته ترکیب می‌شود. محصولات پلی لاکتیک اسید (PLA) به خاطر خاصیت‌های زیست تخریب‌پذیری، تجزیه‌پذیری آبی، و قابل تجزیه بودن به واسطه منبع گیاهی خود مثل دانه ذرت، به طور گسترده‌ای مورد استفاده قرار می‌گیرد. این امر هم به جلوگیری از آلودگی محیط زیست و هم به داشتن جامعه‌ای سالم کمک می‌کند. استفاده از مواد زیست تخریب‌پذیر کاهش مصرف روغن را موجب شده و نیز دی‌اکسید کربن (CO2) تولید شده از سوزاندن این گونه پس‌ماندها در اتمسفر مثل دی‌اکسید کربن ساطع شده از گیاهان به هنگام فتوسنتز در اتمسفر است. به این مفهوم «انتشار صفر» می‌گویند. با این روش پدیده گلخانه‌ای کاهش می‌یابد. با در نظر گرفتن این نکات انتظار می‌رود که برای استفاده از مواد زیست تخریب‌پذیر و تجزیه‌پذیر تبلیغ شود. برای افزایش استفاده از این مواد در بازارهای تجاری واقعی، وجود استانداردهای بین‌المللی جهت ارزیابی تجزیه‌پذیری مواد بسیار مهم است. مصرف‌کنندگان خواستار این هستند که محصولات ساخته شده از پلاستیک‌های تجزیه‌پذیر، تجزیه‌پذیریشان را بر اساس یک استاندارد بین‌المللی نشان دهند.

انجمن زیست پلاستیک (Bioplastics) ژاپن (JBPA) سازمانی است که به طور داوطلبانه به وجود آمده و اکثریت اعضای این گروه را کمپانی‌های تولید پلاستیک و دیگر اعضا را گروه‌های مرتبط با صنعت پلاستیک تشکیل داده‌اند.

این انجمن با هدف تبلیغ و حمایت از عمومی شدن پلاستیک‌های تجزیه‌پذیر زیست توده‌ای که نقش مهمی را در حل مشکلات تکنیکی بازیافت دارند، آغاز به کار کرده است. JBPA دو سیستم شناسایی مرتبط با محصولات پلاستیک‌های تجزیه‌پذیر و محصولات پلاستیک‌های بر پایه زیست توده‌ای را به نام‌های سیستم‌های تشخیصی Greenpla و Biomasspla پایه‌ریزی کرده است.

  سازمان جهانی استانداردسازی

 (ISO)

 فدراسیون جهانی است که اعضای آن را گروه‌های استاندارد ملی تشکیل می‌دهند. استانداردهای بین‌المللی به طور معمول در کمیته‌های فنی (TC) اجرا می‌شوند. هر کمیته فنی دارای چند کمیته فرعی (SC) برای موضوع‌های مربوط و هر کمیته فرعی تشکیل شده از گروه‌های کاری (WG) بسیاری است. کمیته فنی شماره 61 (TC61)، مربوط به پلاسیتک است. گروه کاری 22 (WG22) به عنوان یک کارگروه جدید برای «تجزیه‌پذیری» زیر نظر کمیته فرعی شماره 5 (SC5) با موضوعیت «خواص شیمیایی فیزیکی» توسط کمیته فنی 61 (TC61) در سال 1993 دایر شد. برگزارکننده این گروه کاری دکتر ساوادا (sawada) با برخورداری از حمایت JBPA بود. به عبارتی این گروه با اصرار و تاکید ژاپن بر الزام وجود یک گروه کاری جدید برای «تجزیه‌پذیری» در کمیته فنی 61، تشکیل شد. استانداردهای مربوط به تجزیه‌پذیری پلاستیک‌ها در سازمان جهانی استاندارد (ISO) در Tc6l/sc5/WG22 مورد بحث و بررسی قرار می‌گیرند. به تازگی بحثی با موضوع پلاستیک‌های با ساختار زیست پایه، پایه‌گذاری شده است.

برای موضوع تجزیه‌پذیری پلاستیک‌ها در کمیته مربوطه 11 استاندارد تصویب شده و یک استاندارد در حال بررسی است. از بین آنها 9 استاندارد برای آزمایش تجزیه‌پذیری پلاستیک‌ها، یک استاندارد برای مشخصات و یک استاندارد برای آماده‌سازی نمونه‌های آزمایش تجزیه‌پذیری تعریف شده‌اند. 9 استاندارد مربوط به تجزیه‌پذیری بر اساس آزمایش‌های محیطی مثل حلالیت آبی، تبدیل شدن به کود و خاک دسته‌بندی می‌شوند.

ISO 14855 که در سه مرحله انجام می‌شود، در مجموع به 150 گرم از نمونه آزمایشی نیازمندیم در حالی که در تست آزمایشگاهی  Iso 14855-2 تنها به 10 گرم از نمونه آزمایشی نیاز داریم. گروه پلاستیک‌های تجزیه‌پذیر (BPS) که قبلا با نام گروه IBPA (گروه پلاستیک‌های تجزیه‌پذیر ژاپن) فعالیت می‌کردند، قبل از به ثبت رساندن  Iso 14855-2  یک آزمایش دوره‌ای را بر اساس گزینه‌های استاندارد  Iso 14855-2  برنامه‌ریزی کردند؛ این آزمایش دوره‌ای به مدت 4 سال در ژاپن به اجرا درآمد و بعد از آن دکتر اوماتسو (Uematsu) به پشتوانه گروه BPS،  Iso 14855-2 را در سال 2003 به عنوان روش جدید سنجش تجزیه‌پذیری در آزمایشگاه‌ها به

 TC61/SC5/WG22 معرفی کرد. پس از آن نیز هفت کشور (سوئد، ایتالیا، بلژیک، چین، هند، ایالات متحده آمریکا و ژاپن) به صورت بین‌المللی درباره تجزیه‌پذیری هوازی مواد پلاستیکی، در شرایط یکسان و با استفاده از دستگاه‌های آنالیزور میکروبی اکسایشی (در این روش باحضور اکسیژن به وسیله میکروبی خاص، میزان تجزیه‌پذیری نمونه را اندازه‌ می‌گیرند)، بر اساس آزمایش‌های دوره‌ای، تحقیقی انجام دادند.

تجزیه‌پذیری نمونه‌ها به سایز و شکل آنها بستگی دارد و تا به امروز تجزیه‌ نمونه‌های متعددی بر اساس

 Iso 14855-2  در شکل‌ها و سایزهای متفاوت در یک آزمایش دوره‌ای بین‌المللی مورد مطالعه قرار گرفته است.

در این آزمایش، روش آماده‌سازی نمونه‌ها در تمامی استانداردهای ISO برای تجزیه‌پذیری نیز مورد بررسی قرار می‌گیرد و به عنوان استانداردی جدید به TC61/SC5/WG22 معرفی شده است. استاندارد معرفی شده توسط دکتر کونیوکا (Kunioka) با عنوان ISO/DTS 10210 در حال بررسی و مذاکره است.

تا به امروز مقالات و تحقیقات زیادی درباره پلاستیک‌های تجزیه‌پذیر بر پایه  Iso 14855-2  ارایه نشده، اما درباره ترکیبات پلیمری تجزیه‌پذیر مشتمل بر PLA و فیبرهای کتان تحقیقاتی انجام شده است. از آنجا که در زندگی به میزان زیادی از پلیمرها به شکل فیلم‌های پلیمری استفاده می‌کنیم، در ادامه مطلب به توضیحی مختصر درباره چگونگی سنجش تجزیه‌پذیری پلیمرها و آزمایش فیلم‌های PLA در شرایط تحت کنترل، بر اساس  Iso 14855-2  و پیش از آن نحوه سنجش تجزیه‌پذیری بر اساس  Iso 14855-2 می‌پردازیم.

سنجش تجزیه‌پذیری بر اساس  Iso 14855-2 

آزمایش تجزیه‌پذیری با استفاده از تجهیزات MODA، در یک نوع کود خاص و در دمای 54 درجه سانتی‌گراد انجام شد (شکل 2). 10 گرم از نمونه در کود فعال شده با 400 گرم شن دریا به خوبی مخلوط و به لوله واکنش منتقل شد. در این آزمایش از کود خالص به عنوان مرجع برای تعیین میزان CO2 تولید شده در کود فعال شده استفاده می‌کنند.

تست‌های تجزیه‌پذیری در دمای 58 درجه سانتی‌گراد و با جریان هوای بدون CO2 با نرخ  ml/min   10  به مدت

 130-30 روز انجام شد. کود فعال شده مورد استفاده در این آزمایش در طی 10 روز اول،  به ازای هر یک گرم از جامدهای فرار در این کود،50 گرم دی‌اکسید کربن (CO2) تولید کرد. تقریبا در همه موارد،2 مرتبه بازسازی آزمایشگاهی هم برای کود خالص و هم کود با نمونه انجام گرفت. میزان CO2 تولید شده یک بار در روز به وسیله اندازه‌گیری وزن ستون جاذب دی‌اکسید کربن و ستون جاذب آب، سنجیده شد. درصد تجزیه‌پذیری بر اساس میزان 

دی اکسید کربن تولید شده در لوله محتوی نمونه منهای میزان CO2 محاسبه شده از کود خالص و میزان تئوری دی اکسید کربن تولید شده توسط نمونه افزوده شده به دست می‌آید. به طور مثال 10 گرم از PLA می‌تواند به 3/18 گرم دی‌اکسید کربن تبدیل شود که از نظر تئوری 100٪ زیست تخریب‌پذیر به حساب می‌آید.

یک بار در هفته نمونه و کود به خوبی با هم مخلوط شدند و محتوای آب کنترل شد. میزان CO2 جذب شده در لوله‌های جذب، 40٪ از ظرفیت جذب تئوری را به دست آورد و مواد شیمیایی (آهک و سود سوزآور) در درون لوله عوض شدند. روند این آزمایش بر اساس  Iso 14855-2  انجام شد.

نتایج آزمایش زیست تخریب‌پذیری بر روی فیلم‌های PLA 

آزمایش‌های زیست تخریب‌پذیری بر روی فیلم‌های PLA توسط MODA بر طبق  Iso 14855-2 صورت گرفته است. فیلم‌ها در قطعات یک سانتی‌متر مربع و 5 سانتی‌متر مربع با کاتر برش داده شدند. سپس این فیلم‌ها توسط میکسر مکانیکی خرد شده و ذرات کوچک‌تر از 125 میکرون جداسازی شده و از سیستم حذف شدند. پودرهای PLA بین 125 و 250 میکرومتر از نمونه‌های خرد شده توسط میکسر مکانیکی به دست آمد و پودرهای سلولز به عنوان معیار سنجش به کار گرفته شدند.

نتایج آزمایش‌های زیست تخریب‌پذیری انجام شده بر روی پودرهای سلولز، پودرهای PLA به دست آمده از گلوله‌های خرد شده توسط میکسرهای مکانیکی، فیلم‌های PLA با مساحت 1 سانتی‌متر مربع و 5 سانتی‌متر مربع و فیلم‌های خرد شده با میکسر داخل کود در دمای 58 درجه سانتی‌گراد در شکل 4 نشان داده شده است. ضخامت فیلم 25 نانومتر است. منحنی تخریب‌پذیری پودر PLA به دست آمده از گلوله‌های خرد شده و فیلم PLA پنج سانتی‌متر مربعی شبیه به هم هستند. زیست تخریب‌پذیری فیلم‌های PLA خرد شده، آرام‌تر از نمونه‌های دیگر است. یکی از دلایل این است که فیلم‌های خرد شده همانطور که در شکل 3 نشان داده شده تا (جمع) شده‌اند. زیست تخریب‌پذیری فیلم‌های PLA یک سانتی‌متر مربعی سریع‌تر از پودرهای PLA به دست آمده از گلوله‌های خرد شده و فیلم‌های PLA 5 سانتی‌متر مربعی است. در ISO/DTS 10210، ابعاد یک سانتی‌متر مربع برای فیلم یا ورق نمونه مقرر شده است که انتخاب منطقی‌ای به نظر می‌رسد. با توجه به نتیجه به دست آمده در شکل 4، نمونه 5 سانتی‌متر مربعی نیز برای آزمایش‌های تجزیه‌پذیری، قابل قبول به نظر می‌رسد.

ماهنامه صنعت چاپ  (دی 1391)

مترجم:الهام شفیعی