الیاف زیست سازگار، حرکتی به سمت کربن صفر در صنعت نساجی

در سال های اخیر، استفاده بیش از حد از نفت خام منجر به کاهش منابع و آلودگی محیط زیست شده است که جامعه ما را به شدت تحت تاثیر قرار داده است. تا به امروز، الیاف نساجی مصنوعی مانند پلی استر، نایلون، اسپندکس و الیاف اکریلیک عمدتاً از منابع نفتی می آیند. در این مقاله از نفیس نخ همراه ما باشید تا با الیاف زیست سازگار، حرکتی به سمت کربن صفر در صنعت نساجی بیشتر آشنا شوید. تهیه و تنظیم: الهام محمدی.

الیاف مختلف مصنوعی از منابع نفتی

سنتز این الیاف اغلب با انتشار گازهای گلخانه ای مانند CO ₂ و افزایش قیمت نفت همراه است. علاوه بر این، از آنجایی که یک منبع تجدید ناپذیر است، با معضل کاهش مواجه است. تقاضای انرژی نیز با پیشرفت علمی و فناوری اخیر و توسعه کلی سبک زندگی در حال افزایش است. شکل 2 برخی از مشکلات فراگیر مرتبط با این منابع غیرقابل تجزیه را توصیف می کند.

بیشتر بدانید: تابندگی و اثرات آن در خواص نخ

بنابراین، استفاده از مواد جدید زیست­سازگار با کاهش وابستگی به سوخت‌های فسیلی مانند منابع مبتنی بر نفت، توجه فزاینده‌ای را به خود جلب کرده است. با این حال، زیست سازگار بودن الیاف دلیلی بر زیست تخریب پذیری نیست ، بنابراین توسعه و ایجاد خواص زیست تخریب پذیری یک انگیزه و محرک مهم برای پیشرفت تحقیقات بر روی الیاف زیستی است.

برخی از مشکلات فراگیر مرتبط با منابع غیرقابل تجزیه

لزوم حرکت به سمت الیاف زیست سازگار

الیاف مصنوعی زیست سازگار از منابع تجدیدپذیر طبیعی استخراج و یا از ترکیبات زیستی تجدید پذیر سنتز می شود. اغلب ترکیبات زیستی، سازگار با محیط و طبیعت، تجدید پذیر و زیست تخریب پذیر است. مواد زیستی، به عنوان تنها منبع کربن بیولوژیکی تجدیدپذیر، می تواند ظرف یک دهه احیا شود، در حالی که منابع فسیلی به میلیون ها سال برای بازسازی نیاز دارند. علاوه بر این، صنعت مواد زیستی به دلیل فشار زیاد محصولات پتروشیمی بر محیط زیست به طور مداوم و سریع در حال توسعه است. بنابراین، تحقیق و توسعه پلیمرهای مصنوعی از منابع تجدیدپذیر، راه‌حلی امکان‌پذیر برای مشکلات کاهش انرژی و آلودگی محیطی در جامعه جهانی کنونی است. مواد خام الیاف زیست سازگار از منابع گسترده ای تهیه می شوند و اغلب ارزان و سازگار با محیط زیست هستنند.

از آنجایی که ماده اولیه الیاف زیست سازگار، مواد طبیعی است و تمام یا بخشی از اتم‌های کربن موجود در آن از مواد زیستی مشتق شده‌اند، می‌تواند انتشار گازهای گلخانه‌ای را در فرآیند استخراج و پردازش به الیاف کاهش دهد. اکثر الیاف زیست سازگار زیست تخریب پذیر هستند که می توانند با جذب و واجذب و یا سنتز انرژی شیمیایی باکتری ها، قارچ ها و سایر میکروارگانیسم ها در محیط با شرایط خاص یا بدون شرایط خاص و حتی در یک محیط کمپوست طبیعی تجزیه شوند و می توانند به CO ₂ و آب تجزیه شوند. CO ₂ منتشر شده در این فرآیند می تواند توسط گیاهان از طریق فتوسنتز خالص در محیط جذب و مورد استفاده قرار گیرد تا درشت مولکول های طبیعی حاوی کربن جدید برای تحقق چرخه کربن در این فرآیند، همانطور که در شکل 3 نشان داده شده است، به دست آید.

فرایند تولید و جذب و واجذب CO2

1. الیاف زیست سازگار و زیست تخریب پذیر

در سال‌های اخیر، پلیمرهای زیست تخریب‌پذیر و الیاف حاصل از آنها بسیار مهم شده‌اند، زیرا الیاف مصنوعی به سختی در محیط طبیعی تجزیه می‌شوند، که به صورت جدی سبب الودگی محیط زیست شده است. استفاده از الیاف سازگار و زیست تخریب پذیر، می تواند به طور قابل توجهی انتشار کربن را کاهش داده و محیط زیست را بهبود بخشد. همانطور که در شکل 4 نشان داده شده است، آنها بر اساس منبع الیاف و زیست تخریب پذیری طبقه بندی می شوند . الیاف زیست تخریب پذیر را می توان نه تنها از ترکیبات زیستی بلکه از الیاف با  پایه نفتی نیز به دست آورد.

طبقه بندی الیاف بر اساس منبع الیاف و زیست تخریب پذیری

روش فرایند نمودن الیاف مصنوعی معمولی سوزاندن است که باعث رهایش مقدار زیادی گازهای گلخانه ای در هوا میشود.  الیاف پلی لاکتیک اسید (PLA) به طور طبیعی توسط هیدرولیز پیوندهای استری در اثر دفن در خاک تجزیه می شود . علاوه بر این، میکروارگانیسم هایی مانند اکتینومیست در محیط، تجزیه زیستی آن را تسریع می کنند. CO ₂ تولید شده پس از تجزیه زیستی مستقیماً وارد مواد آلی خاک شده یا توسط گیاهان جذب شده و وارد هوا نشده و باعث ایجاد اثر گلخانه ای نمی شود که برای حفاظت از محیط زیست بسیار مفید است. بنابراین، الیاف PLA در حال حاضر به‌عنوان مهم‌ترین ماده  زیست سازگار و زیست تخریب پذیر شناخته می‌شود و به طور گسترده در بسته‌بندی مواد غذایی، حمل‌ونقل، نساجی و صنایع الکترونیک استفاده می‌شود.

برای اطلاع بیشتر کلیک کنید: مقدمه ای بر الیاف پلی استر بازیافتی

(PHA) Polyhydroxy fatty acid یک پلی استر درون سلولی است که توسط میکروارگانیسم های مختلف سنتز می شود. PHA یک ماده زیستی است که میکروارگانیسم‌ها می‌توانند تقریباً در همه محیط‌ها مانند کمپوست، خاک و آب دریا تجزیه شوند و محصولات پس از تجزیه عمدتاً بر پایه آب و کربن هستند و محیط را آلوده نمی‌کنند.

2. الیاف زیست سازگار مبتنی بر مواد نفتی

اگرچه برخی از مواد الیاف شیمیایی عمدتاً از پایه های نفتی می آیند، پیوندهای استری آنها به راحتی توسط میکروارگانیسم ها یا آنزیم های بیولوژیکی هیدرولیز و تجزیه می شوند، بنابراین زیست تخریب پذیری خوبی از خود نشان می دهند. دی متیل اگزالات (DMO)، یک ترکیب ضروری برای تهیه اسید پلی گلیکولیک (PGA)، از زغال سنگ از طریق هیدروژناسیون، هیدرولیز و پلیمریزاسیون تهیه می شود. PGA زیست تخریب پذیری خوبی دارد که می تواند در عرض 2 تا 5 ماه به طور کامل تجزیه شود. محصولات حاصل از تخریب آن،  آب و CO ₂ هستند که کاملا غیر سمی و بی ضرر هستند.

اغلب برای بخیه های جراحی قابل جذب با زیست سازگاری و زیست تخریب پذیری بالا استفاده می شود. پلی بوتیلن آدیپات کو-ترفتالات (PBAT) یک پلیمر مصنوعی بر اساس منابع فسیلی است. به عنوان یک پلاستیک زیست تخریب پذیر با بیشترین پتانسیل تجاری، زیست تخریب پذیری PBAT با وزن مولکولی پلیمر مرتبط است.پلی کاپرولاکتون (PCL) به طور گسترده در مواد منسوجات پزشکی و بسته بندی های پایدار به عنوان یک پلی استر آلیفاتیک استفاده می شود. PCL در کمپوست در دمای 50 درجه سانتی گراد و پس از 91 روز کاملاً توسط میکروارگانیسم ها تجزیه میشود.

3. الیاف غیر زیست تخریب پذیر بر پایه مواد نفتی

الیاف شیمیایی مانند پلی استر، نایلون، پلی پروپیلن و اسپندکس، الیافی مبتنی بر نفت و غیرقابل تجزیه زیستی هستند. مشکلات آلودگی محیطی بیشتر توسط ضایعات این الیاف ایجاد می شود .این الیاف زیست تخریب ناپذیر مبتنی بر نفت دارای نقطه ذوب بالا، بلورینگی بالا، ساختار مولکولی پایدار، خواص مکانیکی عالی، و مقاومت در برابر خوردگی هیدرولیتیکی و شیمیایی هستند و در محیط طبیعی بسیار کند تجزیه می شوند.  هنگامی که این مواد دور ریخته شوند، برای مدت بسیار طولانی بدون تخریب در محیط زیست باقی خواهند ماند و باعث مشکلات زیست محیطی بسیاری می شود.

4. الیاف زیستی با زیست تخریب پذیری طولانی و سخت

اگرچه برخی از الیاف شیمیایی دارای خواص زیستی هستند، اما تجزیه پذیری زیستی آنها به دلیل کریستالی بودن بالا و خواص حرارتی عالی آنها محدود است و تجزیه آنها را دشوار می کند. مونومر الکل دوتایی مورد استفاده در الیاف بیولوژیکی پلی تری متیلن ترفتالات (PTT)، 1و3پروپان دیول (PDO) زیست سازگار است که از مواد خام غیر دانه ای مانند نشاسته و گلیسیرین مشتق شده است. PTT زیست سازگار را می توان با استریفیکاسیون مستقیم یا ترانس استریفیکاسیون با اسید ترفتالیک و PDO تهیه کرد الیاف PTT نسبت به سایر الیاف پلی استر دارای انعطاف پذیری بهتر، مدول کششی کمتر و ازدیاد طول پارگی بیشتر است. با این حال، الیاف پلی استر PTT زیست سازگار نزدیک به الیاف پلی استر است و بنابراین، زیست تخریب پذیری ندارد. مزیت زیست محیطی این الیاف این است که می توانند به طور موثر ردپای کربن محصولات را کاهش دهند، اما تجزیه محصولات پس از دور ریختن از طریق محیط طبیعی دشوار است. جدول 1 استحکام کششی و زیست تخریب پذیری الیاف مختلف مبتنی بر نفت و الیاف زیستی را نشان می دهد.

استحکام کششی و زیست تخریب پذیری الیاف مختلف

نسل اول الیاف زیست سازگار، از محصولات غلات ، نسل دوم مواد زیست سازگار از محصولات غیرغذایی مانند ضایعات غذایی، نسل سوم، با کربن منفی مانند خزه و CO 2

 مواد اولیه زیستی نسل اول برای تولید الیاف نساجی

منشا مختلف الیاف زیستی را در شکل 5 مشاهده میکنید. در ابتدا، بسیاری از پلیمرهای زیست سازگار از محصولات کشاورزی به دست می آمدند. این مواد اولیه زیست سازگار نسل اول عمدتاً نشاسته استخراج شده از محصولات زراعی مانند ذرت، گندم، سیب زمینی، چغندر، برنج و روغن نباتی و شکر به دست آمده از مواد خام مانند ساکارز تخمیرشده بود که به پلیمرها تبدیل میشد. با این حال، تولید مواد اولیه زیستی مبتنی بر محصولات غذایی به کمبود مواد غذایی منجرمیشود. همچنین در صورت ادامه روند اخیر، پیش بینی می شود در آینده عرضه نشاسته و شکر با محدودیت مواجه شود.

مواد زیستی نسل دوم برای تولید الیاف نساجی

در حال حاضر، انتخاب مواد خام زیستی  به طور فزاینده ای بر روی اجزای غیر غذایی مواد گیاهی متمرکز شده است. نسل دوم مواد زیستی از پردازش و استفاده از پلیمرهای کربوهیدراتی مانند سلولز و لیگنین استخراج شده از محصولات غیر غذایی مانند باگاس ، ذرت، نخلستان و سایر ضایعات فرآوری مواد غذایی و کشاورزی به دست می‌آیند . از آنجایی که آنها از محصولات غیر غذایی می آیند، بر تقاضای غذا در زندگی روزمره مردم تأثیر نمی گذارند.

لیگنین دومین پلیمر طبیعی فراوان در زیست توده گیاهی و منبع اصلی تجدیدپذیر با ساختار اروماتیک روی زمین است، بنابراین یک ماده خام ایده آل برای تولید مواد شیمیایی اروماتیک بیولوژیکی در نظر گرفته می شود. وانیلین و مشتقات آن در میان ترکیبات اروماتیک زیست سازگار که می توانند از لیگنین مشتق شوند، ترکیبات زیست سازگار امیدوارکننده ای در نظر گرفته می شوند.

بیشتر بدانید: مروری بر ریسندگی با سرعت بالا (HSS) و ساختار نخ‌های HOY

مواد خام نسل سوم زیستی برای تولید الیاف نساجی

نسل سوم پلیمرهای زیستی از خزه، CO ₂ و سلولز باکتریایی استخراج شده و پردازش و سنتز می شود. این نوع زیست توده ها از هر نقطه ای در طبیعت بدست می آید. الیاف زیست سازگار تولید شده از این نوع مواد خام دارای پتانسیل بالایی است. با این حال، فناوری محدود در جنبه های مختلف به طور گسترده توسعه و اعمال نشده است

الیاف ساخته شده از پلی یورتان ترموپلاستیک مبتنی بر CO ₂  شرکت Covestro از فناوری ریسندگی مذاب استفاده می کند که در آن TPU ذوب می شود و در نهایت به الیاف پردازش می شود.

تولید نخ الاستیک با جایگزینی جزئی مواد خام از منابع فسیلی با CO2 می تواند جایگزینی برای نخ الاستیک ذاتی در آینده شود و پایداری مواد خام را بهبود بخشد. کای و همکاران (2021) یک مسیر بیوشیمیایی ترکیبی برای سنتز نشاسته از CO ₂ و هیدروژن در یک سیستم بدون سلول گزارش کرد. آنها می توانند CO2 را با 22 نانومول CO2 در دقیقه در هر میلی گرم از کاتالیزور کل به نشاسته تبدیل کنند که8.5  برابر بیشتر از ذرت است.