مقدمة
اللجنين القائم على البلاستيك الحيوي هي فئة من المواد القائمة على الحيوية التي تستخدم اللجنين، وهو بوليمر حيوي عطري رئيسي من الخشب وغيره من الكتلة الحيوية اللجنوسليلوزية، كمادة خام أو معدل أو حشو أو مكون هيكلي في البلاستيك. وهي تجذب اهتمامًا صناعيًا وعلميًا قويًا لأن اللجنين وفير ومتجدد وقادر على إضفاء وظائف مفيدة مثل الحماية من الأشعة فوق البنفسجية والسلوك المضاد للأكسدة والصلابة ومقاومة اللهب، مع توفير مسار لتقليل الاعتماد على البوليمرات المشتقة من الوقود الأحفوري.
في الممارسة العملية، يغطي المصطلح عدة عائلات من المواد: اللجنين الممزوج مع البوليمرات الحيوية المعروفة مثل PLA أو PBS، واللجنين المعدل كيميائيًا إلى مكونات لدنة حرارية أو متصلدة بالحرارة، والمونومرات أو الأوليغومرات المشتقة من اللجنين المحولة إلى بوليمرات جديدة تمامًا. وقد كان تقدم البحث سريعًا، لكن المجال لا يزال يواجه تحديات مستمرة في قابلية المعالجة والهشاشة والتوافق الطوري والتحكم في الرائحة/اللون وتباين تيارات اللجنين الصناعية.
التاريخ والتطوير
لطالما تم التعامل مع اللجنين كمنتج ثانوي منخفض القيمة لعمليات اللب ومعالجة الكتلة الحيوية، وغالبًا ما يُحرق لاستعادة الطاقة بدلاً من ترقيته إلى مواد. وقد نما الاهتمام باللجنين للبلاستيك مع إدراك علماء البوليمرات لبنيته العطرية ومحتواه العالي من الكربون وتفاعليته متعددة الوظائف كأصول مفيدة لتعزيز المركبات وتعديل البوليمرات وتخليق البوليمرات العطرية.
في الآونة الأخيرة، تحول المجال من المزج الاستكشافي إلى الهندسة الجزيئية المدروسة أكثر. وقد وصفت الأعمال المنشورة اللجنين القائم على اللدائن الحرارية والبوليسترات المطعمة باللجنين والبلاستيك البوليستيري القابل للتحلل الحيوي المحتوي على اللجنين ومسارات تحويل اللجنين إلى بوليسترات حيوية، مما يعكس الانتقال من إثبات المفهوم إلى التصميم الموجه نحو التطبيق. كما زاد النشاط الصناعي، مع مواد بلاستيكية حيوية قائمة على اللجنين مسجلة ببراءات اختراع وجهود تجارية مثل مزائج اللجنين-الزيت اللدنة الحرارية الموضوعة كبدائل أقل كربونًا للبلاستيك التقليدي.
البنية الكيميائية والخصائص الرئيسية
اللجنين هو جزيء كبير بوليفينولي غير متجانس وغير منتظم مبني من وحدات فينيل بروبانويد. ويعتمد تركيبه بشدة على المصدر النباتي وعملية الاستخلاص، ولهذا السبب يمكن أن تختلف اللجنينات التقنية مثل الكرافت والسلفيت والأورجانوسولف اختلافًا جوهريًا في الوزن الجزيئي ومحتوى المجموعات الوظيفية والتفاعلية والنقاء.
تشمل مزايا الخصائص الرئيسية:
- الثراء العطري، الذي يمكن أن يحسن الصلابة وتشكيل الفحم والاستقرار الحراري.
- مجموعات الهيدروكسيل الفينولية والأليفاتية، التي تمكن من التفاعلات الإسترية والإيثرية وتشكيل اليوريثان وتفاعلات التطعيم.
- الامتصاص الجوهري للأشعة فوق البنفسجية والسلوك المضاد للأكسدة، المفيد في التعبئة والتغليف والطلاءات والمواد الخارجية.
- التأثير المحتمل كمثبط للهب، المرتبط بارتفاع محصول الفحم أثناء التحلل الحراري.
القيود المهمة لا تقل أهمية:
- الهشاشة وانخفاض الاستطالة ← ناتجة عن البنية العطرية الصلبة لللجنين وسوء التوافق الطوري مع العديد من البوليمرات ← الحل: التلدين أو المواد المتوافقة أو التطعيم أو المزج التفاعلي.
- عدم استقرار المعالجة وضيق نافذة التركيب ← ناتجة عن الوزن الجزيئي المتغير والرماد المتبقي والرطوبة في اللجنينات التقنية ← الحل: التجزئة والتنقية والتجفيف المتحكم وتوحيد المواد الخام.
- اللون الداكن والرائحة ← ناتجة عن الكروموفورات والمركبات المتبقية من العملية ← الحل: الهدرجة وإزالة الرماد والتبييض أو الاستخدام في المنتجات غير الحرجة للمظهر.
مثال عملي على التركيب هو استخدام اللجنين بتحميل منخفض إلى متوسط كمادة مضافة معززة أو وظيفية في مصفوفات البوليسترات القابلة للتحلل الحيوي، حيث يمكن أن يحسن الصلابة ومقاومة الأشعة فوق البنفسجية مع الحاجة إلى مادة متوافقة لتجنب فقدان شديد في المتانة. وفي مسار آخر، تم استخدام إسترة السليلوز واللجنين مع الأحماض الدهنية طويلة السلسلة لإنشاء بلاستيك حيوي كامل القائم على الحيوية مع قابلية معالجة محسنة من خلال التشابك الفيزيائي المشترك والروابط المتقاطعة والترابط الهيدروجيني.
عمليات الإنتاج والمواد الخام الأولية
المواد الخام الأولية لـالبلاستيك الحيوي القائم على اللجنين هي عمومًا:
- بقايا الخشب من لب الكرافت أو لب السلفيت أو معالجة الأورجانوسولف
- البقايا الزراعية مثل القش وغيرها من الكتلة الحيوية اللجنوسليلوزية
- الكتلة الحيوية النباتية المخصصة في بعض سلاسل التوريد الناشئة
تشمل مسارات المعالجة النموذجية:
- المزج المباشر لللجنين مع PLA أو PBS أو PBAT أو أنظمة قائمة على النشا لتقليل التكلفة وتعديل الأداء.
- التوافق التفاعلي، مثل الإسترة أو التطعيم أو الإيبوكسدة، لتحسين التشتت والالتصاق البيني.
- إزالة البلمرة والترقية إلى أوليغومرات أو مونومرات عطرية لبوليمرات جديدة مثل البوليسترات.
- تركيب اللدائن الحرارية مع الزيوت الحيوية أو غيرها من الملدنات لتحسين تدفق الذوبان وتقليل الهشاشة.
تطور تقني ملحوظ هو استخدام الإسترة في درجة حرارة الغرفة للسليلوز واللجنين لإنتاج بلاستيك حيوي قابل للمعالجة وعالي القوة بهيكل ثلاثي التشابك. ومسار آخر هو تحويل اللجنين التقني إلى مواد قابلة لإعادة المعالجة حراريًا تجمع بين أداء المتلدنات الحرارية وقابلية إعادة التدوير في المعالجة.
التطبيقات وأسواق الاستخدام النهائي
تتناسب البلاستيك الحيوي القائمة على اللجنين بشكل أفضل مع التطبيقات التي تكون فيها الاستدامة والصلابة ومقاومة الأشعة فوق البنفسجية وتقليل التكلفة أكثر أهمية من الوضوح البصري أو الليونة الشديدة.
| قطاع الاستخدام النهائي | الدور النموذجي لللجنين | المصفوفة أو الشكل المعتاد | مستوى الملاءمة |
|---|---|---|---|
| أفلام التعبئة والتغليف | حشو معزز، مضاد أكسدة، مكون حاجز للأشعة فوق البنفسجية | PLA، PBS، مزائج النشا | قوي |
| طلاءات الطعام والورق <category-237></category-237> | مادة مضافة وظيفية، معدل حاجز | الطلاءات، المركبات | متوسط إلى قوي |
| الزراعة | أفلام التغطية، مواد التحلل المتحكم | مزائج البوليسترات الحيوية | قوي |
| الديكورات الداخلية للسيارات | تحسين الصلابة والتقادم الحراري | المركبات اللدنة الحرارية | متوسط |
| منتجات البناء والخارجية | تثبيت الأشعة فوق البنفسجية، مقاومة اللهب | مقاطع وألواح مركبة | قوي |
| الطباعة ثلاثية الأبعاد والراتنجات الخاصة | مقدم راتنج قائم على الحيوية أو معدل | تركيبات تفاعلية | ناشئ |
| الرغاوي والمواد اللاصقة | استبدال أو استبدال جزئي للفينول | المتلدنات الحرارية والراتنجات الهجينة | ناشئ |
| سلائف ألياف الكربون | تيار سلائف عطري | ألياف مثبتة | ناشئ |
| التعبئة الطبية الشفافة | استخدام محدود | معظم أنظمة اللجنين | ملاءمة ضعيفة |
التعبئة والتغليف هي واحدة من أكثر المجالات نشاطًا لأن اللجنين يمكن أن يحسن الاستقرار الحراري وقوة الشد في أفلام البوليمرات الحيوية مع توفير فوائد مضادة للأكسدة وحماية من الأشعة فوق البنفسجية أيضًا. والزراعة سوق واعدة أخرى، خاصة للأفلام القابلة للتحلل الحيوي والمنتجات ذات العمر المتحكم، وتشير أدبيات براءات الاختراع صراحة إلى مواد بلاستيكية حيوية قائمة على اللجنين مخصصة للاستخدام الزراعي. وعلى النقيض، تبقى التطبيقات التي تتطلب وضوحًا عاليًا أو رائحة منخفضة جدًا أو صلابة تأثير ممتازة صعبة على تركيبات اللجنين غير المعدلة.
الجوانب البيئية والاستدامة
تعتمد حالة الاستدامة لـالبلاستيك الحيوي القائمة على اللجنين على ثلاث حجج رئيسية:
- التجدد: اللجنين مشتق من الكتلة الحيوية، وليس الهيدروكربونات الأحفورية.
- كفاءة الموارد: يمكن أن يحسن تثمين منتج ثانوي من اللب أو المصفاة الحيوية من الاستخدام الكلي للكتلة الحيوية.
- الاستبدال الوظيفي: قد يستبدل اللجنين جزئيًا البوليمرات أو الحشوات أو مضادات الأكسدة أو مثبتات الأشعة فوق البنفسجية المشتقة من البترول.
ومع ذلك، يعتمد الأداء البيئي بشكل كبير على التركيب ومسار نهاية العمر. فالمواد المحتوية على اللجنين ليست قابلة للتحلل الحيوي أو التحويل إلى سماد تلقائيًا؛ يعتمد التحلل الحيوي على نظام البوليمر بأكمله والبلورية والمواد المضافة وظروف التخلص. بعض أنظمة اللجنين مصممة لتكون قابلة للتحويل إلى سماد، بينما يُوصف البعض الآخر بشكل أفضل بأنها قائمة على الحيوية ولكنها غير قابلة للتحلل الحيوي بسهولة.
توافق إعادة التدوير محدد أيضًا بالتركيب. يمكن أحيانًا مزج اللجنين في أنظمة البولي أوليفينات أو البوليسترات دون منع إعادة التدوير الميكانيكي، لكن عدم التوافق الشديد يمكن أن يقلل من جودة المواد المعاد تدويرها. والمواد الخام القائمة على الحيوية لا تلغي الحاجة إلى التدقيق في دورة الحياة، لأن التعديل الكيميائي والتنقية والنقل يمكن أن تؤثر ماديًا على البصمة الكربونية والاقتصاديات.
التأثير الاقتصادي والسوق العالمي
اللجنين جذاب اقتصاديًا لأنه غالبًا ما يكون متاحًا بتكلفة منخفضة نسبيًا مقارنة بمواد البوليمرات البكر، خاصة عند الحصول عليه من مصانع اللب <category-130></category-130> الحالية وتيارات معالجة الكتلة الحيوية. وقد شجع ذلك الاهتمام باللجنين كحشو لتقليل التكلفة وكمقدم بوليمر ذي قيمة مضافة.
لا يزال القيادة الصناعية ناشئة وليست موحدة بعد. ومن المساهمين البارزين:
- Lignin Industries، التي طورت حبيبات لدنة حرارية من اللجنين والزيت تسوق كبديل بلاستيكي قائم على الحيوية.
- نشاط براءات اختراع متعلق بـ UPM-Kymmene، يعكس اهتمام قطاع اللب الكبير بمواد البلاستيك الحيوي القائمة على اللجنين.
- منظمات أبحاث منتجات الغابات والمصافي الحيوية مثل المختبرات الوطنية الأمريكية ومراكز الجامعات التي تطور مسارات تحويل اللجنين إلى بلاستيك.
- مطورو المواد الخاصة الذين يستكشفون أفلام التعبئة والتغليف والمركبات والمواد القابلة لإعادة المعالجة المعدلة باللجنين.
تشير التعليقات الصناعية والبحثية الأخيرة إلى أن التسويق يتقدم، لكن التبني على نطاق واسع لا يزال يعتمد على اتساق المواد الخام واقتصاديات المزج وتكافؤ الأداء مع البلاستيك المعروف.
التحديات والابتكارات الحالية
الحواجز التقنية الرئيسية هي:
- التباين من دفعة لأخرى في اللجنينات التقنية
- سوء التوافق مع العديد من مصفوفات البوليمرات
- المتانة المحدودة بدون المواد المضافة أو التعديل التفاعلي
- اللون الداكن والرائحة
- توسيع نطاق تقنيات التجزئة والترقية
تعالج الابتكارات الحالية هذه القضايا من خلال:
- التجزئة والتنقية لتضييق توزيعات الخصائص.
- التطعيم التفاعلي والإسترة لتحسين الالتصاق البيني.
- كيمياء خالية من المحفزات أو منخفضة السمية لمعالجة أكثر خضرة.
- إزالة البلمرة إلى أوليغومرات عطرية لتخليق بوليمر أكثر توحيدًا.
- تصميم مركب هجين يجمع اللجنين مع ألياف السليلوز أو الزيوت الحيوية أو غيرها من البوليمرات الحيوية.
مثال مفيد على الجرعة هو تحميل اللجنين بنسبة منخفضة في أفلام البوليسترات القابلة للتحلل الحيوي، حيث يعمل اللجنين غالبًا كمادة مضافة متعددة الوظائف وليس بوليمر هيكلي رئيسي؛ والآلية عادة تعزيز الصلابة والحماية من الأشعة فوق البنفسجية والسلوك الزاحف للجذور الحرة، ولكن فقط إذا كان التشتت موحدًا بما فيه الكفاية.
النظرة المستقبلية
الأكثر احتمالاً للمستقبل القريب لـالبلاستيك الحيوي القائمة على اللجنين ليس استبدالًا عالميًا واحدًا للبلاستيك البترولي، بل محفظة من المواد الخاصة بالتطبيق. من المحتمل أن تتصدر التعبئة والتغليف والأفلام الزراعية والمنتجات الخارجية والطلاءات والأجزاء المركبة التسويق لأن هذه القطاعات يمكنها تحمل ملف لون وصلابة اللجنين مع الاستفادة من استدامته وخصائصه الوظيفية.
على المدى الطويل، قد تكمن الفرصة الأعلى قيمة في اتجاهين:
- البوليمرات عالية الأداء المشتقة من اللجنين، حيث يُحول اللجنين إلى لبنات بناء عطرية محددة لـالبلاستيك الحيوي القابل للضبط.
- مواد الاقتصاد الحيوي الهجين، حيث يعمل اللجنين كمعدل أداء ومنصة غنية بالكربون للتصنيع الدائري.
من المحتمل أن يتقدم المجال بأسرع ما يمكن حيث يتم دمج التحكم في العملية وتوحيد المواد الخام وتصميم نهاية العمر منذ البداية بدلاً من إضافتها في وقت متأخر من التطوير.
الملخص
تمثل البلاستيك الحيوي القائمة على اللجنين واحدة من أكثر الطرق الواعدة لتحويل منتج ثانوي رئيسي للكتلة الحيوية إلى بلاستيك ومواد شبيهة بالبلاستيك مفيدة. ويأتي جاذبيتها من مزيج نادر من الوفرة والوظيفة العطرية ونشاط الأشعة فوق البنفسجية ومضادات الأكسدة والميزة التكلفية المحتملة، لكن تبنيها الأوسع يعتمد على التغلب على الهشاشة والتباين وتحديات المعالجة من خلال التعديل الكيميائي والمزج والتحكم الأفضل في المواد الخام.
المراجع
- •
Applications of lignocellulosic fibers and lignin in bioplastics.Link
- •
Ultratough, processable bioplastics enabled by triple interlocking.Link
- •
Lignin-derived biomaterials for environmental application, advancements in sustainable leather and bioplastic production: A review.Link
- •
Lignins as promising renewable biopolymers and bioactive compounds.Link
- •
Lignin: An adaptable biodegradable polymer used in different applications.Link
- •
Lignin upgrading for sustainable materials and chemicals.Link
- •
Prospects and challenges of using lignin for thermoplastic materials.Link
- •
Lignin-derived biomaterials for environmental application.Link
- •
Technical lignins in polymer materials: A sustainable approach.Link
- •
A perspective of lignin processing and utilization technologies for composites and plastics.Link
- •
Sustainable solutions for plastics: The future role of lignins.Link
- •
The forest byproduct lignin can play a key role in new sustainable materials.Link
- •
Lignin-based bioplastic material, processes for preparing the same and uses in agriculture.Link
- •
Lignin-based bioplastic material.Link
- •
Lignin-based biodegradable plastic.Link
- •
Harnessing plant lignin for sustainable materials and chemicals.Link
- •
Sustainable bioplastic using lignin extracted from Neolamarckia cadamba.Link
- •
Sustainability through lignin valorization: Recent innovations and emerging applications.Link
- •
Lignin valorization to bioplastics with an aromatic hub.Link
- •
Lignin-based smart materials.Link
- •
Lignin-based Renol out to eliminate fossil-based plastics.Link
- •
A comprehensive mini-review on lignin-based nanomaterials for food packaging, antimicrobial, and agricultural applications.Link
- •
From synthesis methods to applications of lignin-graft-polyester.Link
- •
A review on the lignin biopolymer and its integration in the elaboration of sustainable materials.Link
- •
Utilization of lignin in biopolymeric packaging films.Link
- •
Lignin Industries' next-gen bioplastic solution.Link
- •
Lignin-sourced aromatics for biodegradable flexible copolyesters.Link
- •
Exceptional performance, sustainable functionality, and application perspectives of lignin in bioplastic food packaging: A review.Link
- •
Technical lignin valorization in biodegradable polyester-based plastics (BPPs).Link
- •
Industrial polymers now sustainably made from lignin.Link
- •
Unprofitable lignin to become valuable plastic.Link
- •
New lignin based material to replace fossil plastics and adhesives.Link
- •
Lignin reinforcement in polybutylene succinate copolymers.Link
- •
Lignin beyond the status quo: Recent and emerging composite applications.Link
- •
Transformation of kraft lignin into a biodegradable biopolymer.Link
- •
Cleaner, greener plastics from wood.Link
- •
A trashed treasure: Lignin could become a large and renewable source of organic compounds.Link
- •
UIC engineers develop plant-based plastic alternative for use in shopping bags.Link
- •
Recent strides toward transforming lignin into plastics and aqueous flow batteries.Link
- •
Lignin Industries.Link
- •
Scientists have demonstrated that it is possible to efficiently turn industrially processed lignin into high-performance plastics.Link
- •
Recent strides toward transforming lignin into plastics and aqueous flow batteries.Link