پیشرفت های صورت گرفته در عرصه الیاف زیست پایه

به گزارش سرویس اطلاع‌رسانی نساجی امروز،  با این حال واژه "الیاف زیست پایه" اغلب آزادانه مورد استفاده قرار می گیرد. الیاف زیست پایه در یک تعریف گسترده شامل هر نوع لیفی می شود که دارای منشا بیولوژیکی باشد و می توان آن را به سه دسته مهم تقسیم کرد: الیاف طبیعی زیست پایه(برای مثال پشم، پنبه، کنف، کتان، جوت)؛ الیاف بازیابی شده(برای مثال سلولز، پروتئین، کیتوسان) و الیاف مصنوعی زیست پایه(برای مثال پلی لاکتیک اسید). ممکن است بعضی از تعاریف این سه دسته مهم را شامل نشود برای مثال الیاف مصنوعی زیست پایه چون اصلاح شیمیایی شده اند اغلب از این تعریف مستثنی هستند.

علاوه بر آن هر گروه می تواند تعاریف مختلفی داشته باشد. برای مثال بعضی از سازمان ها الیاف بازیابی شده را به عنوان الیاف سلولز بازیابی شده تعریف می کنند(برای مثال ویسکوز، مودال، لایوسل) در حالی که در تعاریف دیگر الیاف بازیابی شده مشابه سلولز (برای مثال الیف پروتئین سویا، الیاف کیتوسان) و حتی الیاف سلولزی اصلاح شده(برای مثال الیاف استات) را نیز در بر می گیرد.

از سوی دیگر واژه های زیست پایه و زیست تجزیه پذیر اغلب به جای هم به کار می روند ولی الیاف زیست پایه لزوما زیست تجزیه پذیر نیستند و بالعکس. به طور خلاصه تمامی الیاف طبیعی و بازیابی شده زیست تجزیه پذیر هستند اما الیاف مصنوعی زیست پایه می توانند زیست تجزیه پذیر باشند(برای مثال پلی لاکتیک اسید) و یا زیست تجزیه پذیر نباشند(برای مثال پلی تری متیلن ترفتالات زیست پایه).

در این مقاله نگاهی خواهیم داشت به پیشرفت هایی که در عرصه فناوری ها و بازار برخی از شاخص ترین الیاف زیست پایه صورت گرفته است.

الیاف طبیعی زیست پایه

الیاف طبیعی بر اساس منشا آن ها سه نوع هستند: معدنی، حیوانی و گیاهی. الیاف گیاهی و الیاف حیوانی زیست پایه هستند اما الیاف معدنی(برای مثال آزبست) جزو الیاف زیست پایه به حساب نمی آید. الیاف طبیعی حیوانی شامل موی حیوان(برای مثال پشم، کشمیر، شتر) و پیله(ابریشم) و الیاف گیاهی شامل الیاف به دست آمده از دانه(برای مثال پنبه)، پوسته(برای مثال کنف، جوت، کتان، رامی) و برگ(برای مثال آناناس) گیاهان می شوند.

استفاده از الیاف طبیعی به دوران قبل از تاریخ ثبت شده برمی گردد. امروزه بازار الیاف نساجی طبیعی زیست پایه تحت سلطه پنبه بوده و این لیف حدود 90 درصد سهم بازار را به خود اختصاص می دهد و پس از آن الیاف پشم، الیاف به دست آمده از پوست و برگ درختان و ابریشم قرار دارند.

پنبه به تنهایی نزدیک به یک چهارم تولیدات جهانی الیاف نساجی را به خود اختصاص می دهد. بر اساس برآورد کمیته مشورتی بین المللی پنبه(ICAC)، تولید جهانی پنبه در سال 23-2022، 24/55 میلیون تن بوده که نسبت به 25/18میلیون تن در سال 22-2021 کمتر شده است. با این حال آینده کشت پنبه تحت تاثیر عواملی چون نیاز به زمین های زراعی وسیع، مصرف آب زیاد و استفاده گسترده از کودها و آفت کش ها با محدودیت هایی روبروست. پاسخ صنعت الیاف به این مسایل و مشکلات پرورش پنبه ارگانیک یا تولید الیاف از پوست و برگ گیاهان می باشد که نیازمند زمین کمتر و مصرف آب، کود و آفت کش پایین تر هستند.

پرورش پنبه ارگانیک در سال های اخیر شاهد پیشرفت هایی بوده است. بر اساس داده های Textile Exchange، میزان تولید پنبه ارگانیک در سال 21/2020، 342265 میلیون تن بوده که در مقایسه با سال 20-2019، 37 درصد افزایش داشته و 1/4درصد کل پنبه های کشت شده را نیز به خود اختصاص داده است. با این حال بر اساس گزارش سازمان توسعه و همکاری اقتصادی(OECD) مجموع تولیدات پنبه همچنان پایین است و بر اساس پیش بینی ها تنها 5/1 درصد رشد سالیانه خواهد داشت و تا سال 2030 تولید آن به 28 میلیون تن خواهد رسید.

از سوی دیگر بعضی از الیاف به دست آمده از پوست و برگ گیاهان دارای خصوصیات و مزایای منحصر به فردی هستند نظیر استحکام و انعطاف پذیری بیشتر که امکان استفاده از آن ها در طیف گسترده ای از موارد کاربردی را فراهم می کند و بازار بزرگی ایجاد می نماید. با این حال این الیاف معایبی نیز دارند نظیر سختی پردازش یا ریسندگی، گران بودن و راحتی کمتر در مقایسه با پنبه که باعث می شود رقابت پذیری آن ها در مقابل سایر الیاف محبوب خدشه دار شود.

علاوه بر آن تولید الیاف حاصل از برگ و پوست گیاهان به شدت وابسته به آب و هوا، قیمت، مشوق های اقتصادی کشاورزان و سایر عوامل می باشد. تمامی عوامل گفته شده از پتانسیل سهم داشتن این الیاف از رشد الیاف طبیعی می کاهد. به گزارش سازمان غذا و کشاورزی(FAO)، مجموع تولید توو و الیاف کتان در سال 2005 به بالاترین مقدار خود یعنی 1/5میلیون تن(شامل موارد کاربردی نساجی و غیرنساجی) و در سال 2011 به پایین ترین مقدار خود یعنی 0/49 میلیون تن رسیده است. میانگین رشد سالانه از سال 1961 تا 2021 تنها 0/4 درصد بوده است.

الیاف بازیابی شده

تاریخچه الیاف سلولزی به بیشتر از 160 سال قبل برمی گردد. ریون که در سال 1846 به منظور جایگزینی برای ابریشم توسعه یافته است، نخستین لیف سلولزی جهان و همچنین نخستین لیف بشرساخت است. الیاف سلولزی از منابع طبیعی سلولز مانند پالپ پنبه و پالپ چوب؛ حل کردن آن ها در مواد شیمیایی و تبدیل به الیاف حاصل می شوند. سلولز که بخشی از تمامی گیاهان مهم است، زیست پایه و زیست تجزیه پذیر بوده و تجزیه آن به هیچ وجه باعث تولید ذرات میکروپلاستیکی نمی شود. بنابراین تولیدکنندگان الیاف سلولزی ادعای پایدار بودن می کنند که همین باعث رشد سالانه بیش از 5 درصدی تولید این الیاف در سال های اخیر شده است.

با این حال موانعی نیز وجود دارد که از رشد بیشتر الیاف سلولزی جلوگیری می کند. برای مثال تامین مواد اولیه خام الیاف سلولزی به شدت وابسته به چوب و پنبه است اما تولید پنبه راکد بوده و مقدار سلولز به دست آمده از چوب نیز کم است. از طرفی آنالیز چرخه عمر گهواره تا گور که مزایای سلولز را ثابت کند وجود ندارد، در واقع فرایند استاندارد تولید سلولز ممکن است شامل شستشو و سفیدگری با کلر یا سایر مواد شیمیایی باشد که باعث تشدید آلاینده ها می شود.

در حاضر محققان به راهکارهای جدیدی برای حل این مشکلات دست یافته اند. تولیدکنندگان با آنالیز چرخه عمر بر اساس فناوری های نوآورانه مزایای مربوط به پایداری این الیاف را نشان داده اند برای مثال فرایندهای کارآمد از نظر مصرف انرژی برای جداسازی تمیز سلولز از لیگنین و همی سلولز یا سیستم های بازیافت حلقه بسته برای جداسازی و استفاده مجدد از آب، گاز و مواد شیمیایی در فرایندهای تولیدی.

سلولز را می توان از کاه، باگاس(تفاله ای که پس از استخراج شکر از نیشکر حاصل می شود)، بامبو، دیواره سلولی جلبک سبز و غشای بیشتر قارچ ها به دست آورد. با استفاده از فناوری های جدید می توان از این مواد اولیه به جای چوب و پنبه در تولید الیاف سلولزی استفاده کرد. برای مثال شرکت چینی  Qingdao Yuanhai New Material Technologyدر سال 2019 نخستین کارخانه تجاری تولید الیاف آلجینات را افتتاح کرد. ظرفیت تولید این کارخانه 5000 تن در سال است. الیاف آلجینات در منسوجات بی بافت، پوشاک و منسوجات پزشکی مورد استفاده قرار می گیرند.

برای کاهش مصرف چوب و پنبه الیاف مشابه سلولز نیز توسعه یافته اند. برای مثال می توان به الیاف کیتوسان و الیاف پروتئین اشاره کرد. کیتوسان یک پلیمر زیستی مشابه سلولز است که از کیتین-دومین پلیمر طبیعی در جهان پس از سلولز از نظر حجم تولید سالانه-به دست می آید. الیاف کیتوسان زیست پایه؛ زیست تجزیه پذیر، غیرسمی و زیست سازگار هستند. با این حال این الیاف دارای محدودیت هایی نیز می باشند نظیر استحکام حرارتی و مکانیکی ضعیف. در حال حاضر چندین شرکت کارخانجات تولید الیاف کیتوسان را در مقیاس صدها تن در سال احداث کرده اند.

الیاف مصنوعی زیست پایه

الیاف مصنوعی زیست پایه از سنتز بیولوژیکی یا شیمیایی مواد اولیه ارگانیک تجدیدپذیر تولید می شوند. پلی لاکتیک اسید نخستین الیاف مصنوعی زیست پایه است که برای اولین بار بیشتر از 150 سال پیش تولید شد اما تا اواخر دهه 1980 و اوایل دهه 1990 و زمانی که شرکت های دوپونت و کارگیل کاربردهای لاکتیک اسید، لاکتید و پلی لاکتیک اسید را کشف کردند، هنوز به تولید تجاری نرسیده بود. کارگیل برای نخستین بار در سال 1994 در کارخانه ای با ظرفیت 6000 تن در سال به تولید الیاف پلی لاکتیک اسید و توسعه یک فرایند مداوم برای تولید لاکتید بر اساس فرایند تقطیر واکنشی پرداخت.

در حال حاضر بازار الیاف مصنوعی زیست پایه تحت سلطه الیاف پلی تری متیلن ترفتالات(PTT)، الیاف پلی لاکتیک اسید(PLA)، الیاف پلی اتیلن ترفتالات(PET) و الیاف پلی آمید(PA) است. الیاف پلی بوتیلن سوکسینات(PBS)، الیاف پلی هیدروکسی آلکونات(PHAs) و چند لیف دیگر نیز نشانه های مثبتی از خود نشان داده اند. الیاف PLA، PBS و PHAs زیست تجزیه پذیر و الیاف PTT، PA و PET زیست تجزیه ناپذیر هستند.

بر اساس پیش بینی European Bioplastics e.V.  و سایر منابع، الیاف مصنوعی زیست پایه پتانسیل رشد بالای حدود 25 درصدی را از سال 2022 تا 2027 دارند. البته اندازه بازار این الیاف تا سال 2022 تنها 200000 تا 300000 تن بوده که بسیار کوچک تر از بازار الیاف بازیابی شده(بیش از 5/7 میلیون تن) و الیاف نساجی طبیعی زیست پایه(تقریبا 27 میلیون تن) می باشد. بر اساس این اطلاعات و تجزیه و تحلیل ها می توان چنین تخمین زد که امکان تولید تقریبا 3 میلیون تن الیاف بازیابی شده بیشتر، 2 میلیون تن الیاف طبیعی زیست پایه بیشتر و 5/0 میلیون تن الیاف مصنوعی زیست پایه بیشتر در صنعت جهانی الیاف در سال 2027 در مقایسه با سال 2022 وجود دارد.

الیاف پلی لاکتیک اسید

پلی لاکتیک اسید از مشتقات محصولات کشاورزی بوده و می توان با تخمیر میکروبی مونومرهای آن را تولید کرد. این پلیمر برای تبدیل شدن به الیاف از طریق فرایند ذوب ریسی مناسب است. فرایند ذوب ریسی در مقایسه با فرایند حلال ریسی که در تولید الیاف سلولزی مصنوعی مورد استفاده قرار می گیرد ارزان تر بوده و الیافی با ویژگی های بهتر تولید می کند. الیاف پلی لاکتیک اسید غیرسمی و کاملا زیست تجزیه پذیر هستند.

بر اساس پیش بینی دیگری از European Bioplastics e.V.  ظرفیت جهانی پلیمرهای پلی لاکتیک اسید به دلیل احداث یک سری کارخانجات بزرگ در آسیا، آمریکای شمالی و اروپا دارای نرخ رشد ترکیبی سالانه 39 درصد خواهد بود و از 460000 تن به 38/2 میلیون تن خواهد رسید. در سال 2022 حدود 10 درصد این ظرفیت یا 50000 تن در بخش الیاف مورد استفاده قرار گرفت.

از نظر تاریخی همیشه رشد بخش الیاف کمی پایین تر از کل بازار پلی لاکتیک اسید بوده است و چنانچه این روند ادامه داشته باشد، الیاف پلی لاکتیک اسید می توانند با نرخ رشد ترکیبی سالانه بین 35-30 درصد از سال 2022 تا سال 2027 رشد کرده و به ظرفیتی بین 186000 و 224000 تن در سال برسند.

پلی لاکتیک اسید اصلاح نشده یک سری محدودیت هایی دارد نظیر شکنندگی به ویژه در دمای پایین تر از F° 45 و دمای خمش گرمایی پایین. چشم انداز بسیار مثبت برای بازار این الیاف منجر به بروز نوآوری هایی برای اصلاح پلی لاکتیک اسید به ویژه از سه طریق شده است: اصلاح شیمیایی، اصلاح فیزیکی و اصلاح با عامل سازگار کننده.

روش های اصلاح شیمیایی شامل کوپلیمریزاسیون دسته ای، کوپلیمریزاسیون پیوندی، اتصالات عرضی، گسترش زنجیره پلیمری برای بهبود استحکام کششی، مدول کششی، ثبات حرارتی و زیست سازگاری الیاف پلی لاکتیک اسید است. در اصلاح فیزیکی از مواد ترموپلاستیک(مانند پلی اتر-اتر کتون)، رزین های زیست تجزیه پذیر(برای مثال پلی کاپرولاکتون)، الاستومرها، لاستیک ها، نانوذرات، پلیمرهای دسته ای، پلیمرهای پیوندی یا سایر الیاف برای بهبود استحکام کششی، مدول کششی، ثبات حرارتی، بلورینگی، زیست تجزیه پذیری، زیست سازگاری و ازدیاد طول تا حد پارگی استفاده می شود. از عوامل سازگار کننده(برای مثال پلی بوتیلن سوکسینات و اتیلن گلایکول متاکریلات) برای بهبود استحکام کششی ویژه الیاف پلی لاکتیک اسید استفاده می شود.

علاوه بر سه روش فوق نوآوری های فنی برای الیاف پلی لاکتیک اسید نیز بر روی این بخش ها تمرکز دارند: فناوری های تخمیر، جداسازی و خالص سازی ماده اولیه خام پلی لاکتیک اسید یعنی لاکتیک اسید، فناوری های رنگرزی سبز برای الیاف و نخ های پلی لاکتیک اسید، طراحی کارخانجات ذوب ریسی در مقیاس صنعتی و ایجاد ویژگی های مازاد برای الیاف پلی لاکتیک اسید مانند عملکرد کندکنندگی شعله و ضدباکتریایی.

الیاف پلی هیدورکسی آلکانوت ها(PHAs) و پلی بوتیلن سوکسینات(PBS)

پلی هیدروکسی آلکانوت ها در محیط های آبی و خاکی زیست تجزیه پذیر هستند. شاخص ترین پلی هیدروکسی آلکانوت که به صورت تجاری در دسترس است پلی هیدروکسی بوتیرات(PHB) و پلی هیدروکسی بوتیرات هیدروکسی والرات(PHBV) می باشد. در حال حاضر شرکت آمریکایی Danimer Scientific  و شرکت های چینی، آلمانی، ایتالیایی و برزیلی مهم ترین تامین کنندگان پلی هیدروکسی آلکانوت ها به شمار می روند.

شرکت دانیمر ساینتیفیک برآورد می کند که بازار پلی هیدروکسی آلکونات پتانسیل رسیدن به 230 میلیون تن در سال را دارد. با این حال امروزه صنعت پلی هیدروکسی آلکانوت همچنان در مراحل اولیه رشد خود قرار دارد و ظرفیت جهانی آن حدود 50000 تن در سال است. علاوه بر آن الیاف تنها قسمتی از کاربردهای پلی هیدروکسی آلکانوت ها هستند. در سال 2022 مجموع تولید جهانی الیاف پلی هیدروکسی آلکانوت ها کمتر از 1000 تن بوده است.

الیاف PHBV زیست سازگار و زیست تجزیه پذیر هستند و در نتیجه برای استفاده در منسوجات پزشکی یک ماده اولیه ایده آل به شمار می روند. در حال حاضر شرکت چینی Tianan بزرگ ترین تامین کننده PHBV است. با این حال الیاف PHBV دارای محدودیت هایی نیز هستند نظیر شکنندگی، ثبات حرارتی پایین و فرایندپذیری سخت. در حال حاضر محققان از روش های کوپلیمریزاسیون دسته ای، کوپلیمریزاسیون پیوندی، اصلاح فیزیکی و غیره برای حل این مشکلات استفاده می کنند.

پلی هیدروکسی بوتیرات که ساده ترین پلی هیدروکسی آلکانوت با خواصی مشابه پلی پروپیلن است، با پردازش گلوکز یا نشاسته توسط باکتری تولید می شود. شرکت آلمانی Biomer با استفاده از اکسترودر رزین را به الیاف چندفیلامنتی مورد استفاده در چسب های جراحی تاری پودی تبدیل می کند.

از سوی دیگر پلی بوتیلن سوکسینات یک پلی استر زیست پایه با خواصی مشابه پلی اتیلن است. این الیاف دارای خواص مکانیکی و زیست تجزیه پذیری عالی بوده و ثبات حرارتی آن خوب است که باعث می شود کاربردهای زیادی داشته باشد از بسته بندی مواد غذایی گرفته تا محصولات بهداشتی. در حال حاضر تولید الیاف پلی بوتیلن سوکسینات در مقیاس تجاری همچنان در مراحل ابتدایی خود قرار دارد. با این حال یک محصول برجسته و قابل توجه برای دهه آینده به شمار می رود.

الیاف مصنوعی زیست پایه زیست تجزیه ناپذیر

بازار الیاف مصنوعی زیست پایه زیست تجزیه ناپذیر تحت سلطه الیاف پلی تری متیلن ترفتالات زیست پایه و پس از آن الیاف پلی آمید و الیاف پلی اتیلن ترفتالات زیست پایه قرار دارد.  با توجه به کند بودن رشد بخش های مربوط به الیاف پلی تری متیلن ترفتالات و پلی اتیلن ترفتالات، مهم ترین عامل رشد ظرفیت این بازار الیاف زیست پایه پلی آمید است.

امروزه غول های پتروشیمی یعنی شرکت های BASF، دوپونت و آرکما بازار پلی آمید زیست پایه را در اختیار گرفته اند. شرکت BASF در سال 2007 نایلون 6/10 Ultramid Balance را به بازار عرضه کرد که حدود 60 درصد آن را سباسیک اسید که از مشتقات روغن کرچک است، تشکیل می دهد. در سال 2009 دوپونت خانواده Zytel را ارایه کرد که شامل نایلون 10/10 و نایلون 6/10 به همراه کوپلیمرهای آن ها و آلیاژ آن ها با سایر پلیمرها می شود. نایلون 10/10 دوپونت حاوی صددرصد و نایلون 10/6 حاوی 63 درصد محتوای سباسیک اسید می باشد. شرکت چینی Cathey در سال 2021 با ظرفیت تولید سالانه 100000 تن PA56 که 45 درصد آن بر پایه منابع تجدیدپذیر است، وارد عرصه رقابت شد.

در حال حاضر ظرفیت جهانی تولید رزین های پلی آمید زیست پایه در صورj اندازه گیری بر حسب مقدار محتوای مواد زیست پایه آن ها بیش از 200 میلیون تن می باشد. از این میزان حدود 40000 تن برای تولید الیاف مورد استفاده قرار می گیرد. با توجه به گسترش ظرفیت کارخانجات پیش بینی می شود ظرفیت جهانی تولید الیاف پلی آمید زیست پایه تا سال 2027 بالغ بر 100000 تن شود.

از سوی دیگر پلی تری متیلن ترفتالات یک پلی استر آروماتیک خطی است که از 1و3-پروپاندیول(PDO) تهیه می شود. نسخه زیست پایه این پلیمر برای نخستین بار توسط کمپانی دوپونت و زمانی که الیاف پلی تری متیلن ترفتالات Sorona که از راه تخمیر زیست توده شکر و گلوکز و از 1و3-PDO زیست پایه ارایه شد، تجاری سازی شده است.

در حال حاضر الیاف پلی تری متیلن ترفتالات با ظرفیت تولید بیش از 200000 تن در سال مهم ترین الیاف مصنوعی زیست پایه به شمار می رود. از طرفی پلی اتیلن ترفتالات زیست پایه بیشتر در تولید بطری های پلاستیکی استفاده می شود و تنها حدود 10000 تن از آن به تولید الیاف اختصاص می یابد. تولیدکنندگان اصلی الیاف پلی تری متیلن فتالات زیست پایه کمپانی آمریکایی دوپونت و کمپانی چینی شنگونگ و گلوری هستند.

در حال حاضر تولیدکنندگان الیاف شرکت های نساجی را برای استفاده از الیاف پلی تری متیلن ترفتالات زیست پایه در پوشاک های اند، منسوجات خانگی و منسوجات صنعتی تحت فشار می گذارند. این الیاف دارای بازیابی کششس، نرمی و رنگ پذیری خوبی در صورت استفاده در پوشاک هستند ضمن این که انعطاف پذیری، راحتی پوشش، رنگ پذیری، مقاومت استاتیک و مقاومت در برابر مواد شیمایی آن ها در هنگام استفاده در منسوجات خانگی و منسوجات صنعتی عالی است.

امروزه در صنایع رزین PTT و PET زیست پایه مازاد ظرفیت وجود دارد. در نتیجه تا چند سال آینده برای هیچ پروژه ای در رابطه با تولید رزین زیست پایه PTT و PET در مقیاس بزرگ برنامه ریزی نشده است. با این حال احتمال رشد چشمگیر استفاده از الیاف PTT و PET در دوره پیش رو وجود دارد.

مرجع:

Jason Chen, “Advances in Bio-Based Fibers”, International Fiber Journal, September 2023