دانشمندان دانشگاه کیوتو پلیمر سفید الهام گرفته از طبیعت برای بسته بندی تولید کردند

هنر بسته بندی/ بین الملل:  پژوهشگران دانشگاه کیوتو فناوری DFP را توسعه داده اند که با ایجاد ساختارهای متخلخل در پلیمر و استفاده از نور، به جای افزودن رنگدانه، موجب سفید شدن آن می شود. این فرایند مبتنی بر ایجاد فوم، خاصیت آب گریزی به مواد می دهد و در پلیمرهایی از جمله PET به کار گرفته شده است. پژوهشگران می گویند DFP می تواند جایگزینی برای رنگدانه دی اکسید تیتانیوم و پوشش های مبتنی بر PFAS در کاربردهای بسته بندی باشد.

دانشمندان دانشگاه کیوتو در ژاپن می گویند در طبیعت، ساختارهای فومی که عمدتا از هوا تشکیل شده اند، با پراکنده کردن نور، پدیده ای نوری موسوم به «سفیدی ساختاری» ایجاد می کنند. تیم پژوهشی با الهام از این پدیده طبیعی، فناوری مبتنی بر فوم را برای ایجاد رنگ سفید در پلیمرهای بسته بندی توسعه داده است.

این فناوری که Deep Foam Photolithography یا DFP نام دارد، با استفاده از نور و یک حلال ملایم، پلیمرها را رنگ می کند. نور، پلیمر را به قطعات مولکولی کوچک تر تجزیه می کند و این قطعات با حلال واکنش می دهند. در نتیجه، ماده متورم شده و ساختاری باز و متخلخل ایجاد می کند.

این ساختار متخلخل نور را پراکنده می کند و در نتیجه چیزی ایجاد می شود که پژوهشگران آن را «سفیدی شدید» می نامند. علاوه بر این، فوم به ساختاری زبر تبدیل می شود که خاصیت آب گریزی بالایی دارد؛ ویژگی ای که به گفته پژوهشگران «شبیه به ویژگی های موجود در برگ نیلوفر آبی» است.

Easan Sivaniah، استاد مؤسسه علوم سلول-مواد یکپارچه (ICEMS) دانشگاه کیوتو می گوید: «DFP می تواند برای سفید و آب گریز کردن بسته بندی های پلیمری از طریق ساختار خود پلیمر مورد استفاده قرار گیرد، بدون اینکه نیاز به افزودن رنگدانه های سفید یا پوشش های فلوئوردار باشد.»

او می افزاید: «برای بسته بندی، این فناوری می تواند به ویژه برای فیلم ها و سایر مواد پلیمری نازک جالب باشد؛ جایی که می توان ویژگی های نوری و سطحی را با دقت بسیار بالایی کنترل کرد.»

Sivaniah یکی از نویسندگان اصلی این مطالعه است که در ICEMS و با همکاری پژوهشگران حوزه نساجی در دانشگاه Donghua چین انجام شده و در مجله Nature منتشر شده است.

کاربردهای بسته بندی

این دانشمند می گوید علاوه بر فیلم های انعطاف پذیر، لیبل ها و پوشش های سطحی نیز می توانند از کاربردهای بالقوه این فناوری باشند. او اضافه می کند: «همچنین علاقه مندیم بررسی کنیم که آیا این فناوری در نهایت می تواند برای بسته بندی های قالب گیری شده نیز به کار رود یا خیر.» تیم پژوهشی تاکید می کند که ساختارهای زیست تقلیدی می توانند نور را به رنگ تبدیل کنند.

Sivaniah می گوید: «ما DFP را در چندین پلیمر از جمله PET، پلی استایرن، پلی کربنات، سلولز تری استات، پلی سولفون و پلی متیل متاکریلات آزمایش کرده ایم.» او توضیح می دهد که استفاده از DFP در PET برای بسته بندی اهمیت ویژه ای دارد، زیرا PET در حال حاضر به طور گسترده در کاربردهای تجاری مورد استفاده قرار می گیرد. او می افزاید: «همچنین می خواهیم پلیمرهایی مانند PE و PP را بررسی کنیم، اگرچه هنوز این فرایند را در این مواد آزمایش نکرده ایم.»

به گفته او، تیم پژوهشی هنوز نمی داند DFP چه تاثیر بالقوه ای بر قابلیت بازیافت بسته بندی خواهد داشت. «این موضوعی است که باید به طور دقیق آزمایش شود.»

او توضیح می دهد: «یکی از جنبه های جذاب این فناوری این است که سفیدی و آب گریزی از ساختار پلیمر ناشی می شوند، نه از افزودن یک رنگدانه جداگانه یا پوشش PFAS. اما پیش از هرگونه ادعا درباره قابلیت بازیافت، باید بررسی کنیم که مواد تحت تیمار DFP در فرایندهای واقعی بازیافت چگونه رفتار می کنند.»

او همچنین می گوید: «یکی از نگرانی های مرتبط این است که آیا این فناوری می تواند به گسترش میکروپلاستیک ها منجر شود یا خیر. با این حال، شواهدی در اختیار داریم که نشان می دهد این فرایند را می توان برای پلاستیک هایی با زیست جذب پذیری مناسب نیز به کار برد.»

جلوگیری از استفاده از دی اکسید تیتانیوم

رایج ترین ماده سفیدکننده ای که در حال حاضر در بسته بندی، فیلم ها و پوشش ها استفاده می شود، دی اکسید تیتانیوم است. این ماده با ایجاد روشنایی و کدری، در تولید مواد سفید نقش دارد. با این حال، تیم پژوهشی درباره ایمنی این ترکیب معدنی نگرانی هایی را مطرح کرده است. اتحادیه اروپا در سال 2022 استفاده از آن را به عنوان افزودنی غذایی ممنوع کرد.

ICEMS معتقد است فناوری DFP می تواند در آینده جایگزین استفاده از دی اکسید تیتانیوم در صنعت بسته بندی شود. با این حال، Sivaniah اضافه می کند که دی اکسید تیتانیوم «رنگدانه سفید بسیار موثری» است.

او می گوید: «در این مرحله، DFP را صرفا یک جایگزین یک به یک توصیف نمی کنم.» او ادامه می دهد: «آنچه نشان داده ایم این است که می توان بدون استفاده از دی اکسید تیتانیوم، از طریق ساختار فیزیکی پلیمر، سفیدی بسیار شدیدی ایجاد کرد. گام بعدی، انجام مقایسه مستقیم تحت شرایط واقعی بسته بندی است.»

او همچنین به پرسش هایی اشاره می کند که در سال های اخیر به طور فزاینده ای درباره پیامدهای بهداشتی دی اکسید تیتانیوم مطرح شده اند. به گفته او، چنین پرسش هایی یک دهه پیش مطرح نبودند و تاکنون «هیچ حکم قطعی درباره این موضوع» وجود ندارد. پژوهشگران توضیح می دهند که DFP با تغییر ساختار فیزیکی ماده می تواند نیاز به PFAS را از بین ببرد.

اوایل سال جاری، Inter IKEA Group از یک دور سرمایه گذاری Series A به ارزش 13.4 میلیون یورو، معادل 15.6 میلیون دلار آمریکا، برای توسعه یک جایگزین مبتنی بر سلولز برای دی اکسید تیتانیوم حمایت کرد. این ماده توسط شرکت سوئیسی زیست مواد Seprify برای کاربردهای پوشش، محصولات آرایشی و مواد غذایی توسعه داده شده است.

Sivaniah ادامه می دهد: «عامل دیگر این است که فرمولاسیون های حاوی دی اکسید تیتانیوم اغلب به دلیل تفاوت چگالی میان افزودنی های دی اکسید تیتانیوم و سایر اجزا با مشکل ته نشینی مواجه می شوند. بنابراین، این مشکل نیز می تواند با این فناوری برطرف شود.»

همچنین یکی از سخنگویان Sidel پیش از این به Packaging Insights گفته بود که شکل دهی پریفرم های PET حاوی رنگدانه دی اکسید تیتانیوم با پیچیدگی های فنی همراه است. این فرایند به حرارت دهی طولانی تر و کنترل شده تری نیاز دارد تا توزیع یکنواخت ماده حاصل شود.

در یک پیشرفت مرتبط، دانشمندان دانشگاه Shanghai Jiao Tong در چین از نانوذرات دی اکسید تیتانیوم در یک ماتریس پلیمری کامپوزیتی استفاده کرده اند تا فیلمی برای افزایش ماندگاری کیوی تولید کنند.

مزایا و توسعه های آینده

تیم پژوهشی به ویژگی های مقاوم در برابر آب DFP اشاره کرده و بر مزایای ایمنی استفاده از این فناوری برای ایجاد رنگ سفید در بسته بندی تاکید دارد.

در حالی که PFAS به طور گسترده برای ایجاد مقاومت در برابر آب و روغن استفاده می شود، نگرانی ها درباره تاثیرات آن بر محیط زیست و سلامت انسان نیز در حال افزایش است و مقامات هند، آمریکا و اتحادیه اروپا اقداماتی را برای ممنوعیت استفاده از آن در بسته بندی مواد غذایی انجام داده اند.

پژوهشگران اضافه می کنند که DFP با تغییر ساختار فیزیکی خود ماده، نیاز به استفاده از PFAS برای ایجاد عملکردهای سطحی را از بین می برد. به گفته آنها، این فناوری یک «رویکرد کاملا متفاوت» برای مهندسی مواد بسته بندی ارائه می دهد.

Sivaniah می گوید: «گام بعدی، حرکت از نمونه های آزمایشگاهی به سمت فیلم های پلیمری و ساختارهای بسته بندی با قابلیت کاربرد تجاری است.» او ادامه می دهد: «می خواهیم عملکرد نوری، دوام، فرایندپذیری و قابلیت بازیافت را آزمایش کنیم و همچنین بررسی کنیم که DFP چگونه می تواند در فرایندهای تولید موجود ادغام شود. در نهایت، می خواهیم این فناوری را با شرکت های بسته بندی روی محصولات واقعی آزمایش کنیم.»