Nu de wereld wordt geconfronteerd met toenemende milieu-uitdagingen, van de versnellende klimaatverandering tot plasticvervuiling in oceanen en stortplaatsen, is de urgentie om over te stappen op duurzame materialen nog nooit zo groot geweest. Zowel mondiale industrieën, overheden als consumenten zijn op zoek naar innovatieve alternatieven die de schade aan het milieu kunnen verminderen en tegelijkertijd de prestaties en functionaliteit van conventionele materialen kunnen behouden. Deze eis is niet slechts een trend – het is een fundamentele transformatie die wordt aangedreven door wetenschap, beleid en publiek bewustzijn.
De kern van deze transformatie is de noodzaak om de materiële productie koolstofvrij te maken, de afhankelijkheid van eindige fossiele hulpbronnen te verminderen en de accumulatie van niet-afbreekbaar afval te minimaliseren. Traditionele op aardolie gebaseerde kunststoffen, hoewel veelzijdig en goedkoop, leveren een belangrijke bijdrage aan de uitstoot van broeikasgassen en ecologische achteruitgang op de lange termijn. Hun weerstand tegen degradatie – ooit gezien als een voordeel – is nu een van de meest urgente milieuproblemen van de planeet geworden.
Als antwoord op deze uitdagingen zijn biogebaseerde, milieuvriendelijke harsen naar voren gekomen als een van de meest veelbelovende materiaalklassen voor een duurzamere toekomst. Deze harsen worden gesynthetiseerd uit hernieuwbare biomassabronnen, waaronder maïszetmeel, suikerriet, cellulose, algen en landbouwafval. Omdat ze zijn afgeleid van de koolstof die door levende planten wordt opgevangen, bieden biogebaseerde harsen een gesloten koolstofcyclus: ze absorberen koolstofdioxide tijdens de groei en geven deze pas vrij tijdens afbraak of verbranding, waardoor de netto CO₂-uitstoot aanzienlijk wordt verminderd.
Veel biogebaseerde harsen zijn ontwikkeld met opties voor het einde van hun levensduur in gedachten. In tegenstelling tot conventionele kunststoffen die eeuwenlang in het milieu kunnen blijven bestaan, zijn bioharsen vaak biologisch afbreekbaar of composteerbaar, waardoor ze zeer geschikt zijn voor toepassingen zoals verpakkingen, waarbij een korte levensduur van producten aansluit bij de behoefte aan verantwoorde verwijdering.
Naast hun ecologische eigenschappen winnen biogebaseerde harsen aan momentum als gevolg van technologische vooruitgang en materiaalverbeteringen. Vroege beperkingen met betrekking tot mechanische sterkte, hittebestendigheid en schaalbaarheid worden gestaag aangepakt door middel van moleculaire engineering, mengtechnieken en innovaties in de biopolymeerchemie. Als gevolg hiervan vinden deze harsen nu commerciële toepassingen in diverse sectoren – van voedselverpakkingen en auto-onderdelen tot elektronica en consumptiegoederen.
De verschuiving naar biogebaseerde milieuvriendelijke harsen weerspiegelt een bredere visie: een visie waarin economische ontwikkeling wordt losgekoppeld van aantasting van het milieu, en waarin de materialen die we gebruiken zo hernieuwbaar, circulair en onschadelijk mogelijk zijn. Deze visie wordt steeds meer ondersteund door regelgevingskaders, duurzaamheidscertificeringen en veranderende consumentenvoorkeuren.
Biogebaseerde milieuvriendelijke harsen verwijzen naar polymeermaterialen die voornamelijk zijn gemaakt van hernieuwbare biologische hulpbronnen. In tegenstelling tot traditionele op aardolie gebaseerde harsen zijn ze niet afhankelijk van beperkte fossiele brandstoffen, maar worden ze gesynthetiseerd met behulp van plantaardige grondstoffen zoals maïszetmeel, suikerriet, sojabonen, cellulose, zeewier, enz. Deze materialen kunnen niet alleen de afhankelijkheid van niet-hernieuwbare hulpbronnen effectief verminderen, maar ook de uitstoot van broeikasgassen tijdens hun levenscyclus aanzienlijk verminderen.
Veel gebruikt bij de productie van biologisch afbreekbare kunststoffen zoals polymelkzuur (PLA). Door het fermentatieproces worden deze grondstoffen omgezet in melkzuur en verder gepolymeriseerd tot kunststofharsen.
Kan worden gebruikt voor het maken van polyurethaan, biogebaseerde epoxyharsen, enz. Vergeleken met traditionele materialen op petrochemische basis verbruiken deze producten minder energie tijdens het productieproces.
Ze zijn afkomstig van hout, katoen of landbouwafval en kunnen worden gebruikt als versterkingsmateriaal of harsmatrices om de mechanische eigenschappen en hernieuwbaarheid te verbeteren.
Met hun snelle groei en hoge capaciteit voor koolstoffixatie zijn ze een van de opkomende duurzame hulpbronnen die geschikt zijn voor de bereiding van hoogwaardige bioharsen.
Biogebaseerde harsen absorberen koolstofdioxide tijdens de groeifase, waardoor gedeeltelijk ‘koolstofopslag’ wordt bereikt, wat de koolstofuitstoot tijdens de productie en het gebruik ervan tot op zekere hoogte kan compenseren, waardoor een ‘gesloten koolstofcyclus’ wordt bereikt.
Het gebruik van landbouwresiduen of hernieuwbare plantaardige materialen kan het risico op uitputting van de olievoorraden helpen verminderen en groene productie ondersteunen.
Veel biogebaseerde harsen zijn composteerbaar, afbreekbaar of recycleerbaar en kunnen in het natuurlijke circulatiesysteem terechtkomen om de milieuvervuiling door plastic afval te verminderen.
PLA (polymelkzuur) is een typisch biogebaseerd materiaal dat industrieel gecomposteerd en afgebroken kan worden;
Hoewel de grondstoffen van biobased PET (polyethyleentereftalaat) deels afkomstig zijn uit biomassa, is de structuur dezelfde als die van petrochemisch PET en zijn de afbraakprestaties zwakker.
Dit onderscheid is cruciaal voor praktische toepassingen. Bij het ontwerpen van producten moet het juiste type biohars worden geselecteerd op basis van het doel (zoals verpakking, medische benodigdheden, auto-onderdelen, enz.).
Verpakkingsindustrie: zoals biobased plastic zakken, voedselcontainers, koffiecapsules, etc.;
Bouw en woningdecoratie: gebruikt voor de productie van vloercoatings, bio-epoxylijmen, enz.;
Automobielproductie: gebruikt voor lichtgewicht componenten, interieurpanelen, enz.;
3D-printmaterialen: PLA is het meest voorkomende milieuvriendelijke 3D-printfilament;
Elektronische producten: Ontwikkeling van halogeenvrije, bio-hernieuwbare printplaatmaterialen.
Nu de uitdagingen van de mondiale klimaatverandering, de milieuvervuiling en de steeds schaarser wordende fossiele energie steeds ernstiger worden, is het zoeken naar duurzame alternatieve materialen een belangrijke richting geworden voor de productie- en materiaalwetenschap. In deze context hebben biogebaseerde milieuvriendelijke harsen, als opkomend groen materiaal, grote aandacht getrokken van wetenschappelijk onderzoek en industriële gemeenschappen vanwege hun hernieuwbare bronnen, lage impact op het milieu en geleidelijk verbeterde functionele prestaties.
Vergeleken met traditionele op aardolie gebaseerde harsen hebben biogebaseerde harsen duidelijke voordelen bij het verminderen van de koolstofemissies. Hun grondstoffen zijn meestal afkomstig van planten zoals maïs, suikerriet, sojabonen of algen. Deze planten nemen tijdens hun groei koolstofdioxide op via fotosynthese, waardoor de koolstofuitstoot die tijdens het productieproces ontstaat, tot op zekere hoogte wordt geneutraliseerd. Op aardolie gebaseerde harsen produceren in principe alleen koolstofemissies gedurende hun hele levenscyclus en missen een koolstofputproces.
Als we polymelkzuur (PLA) als voorbeeld nemen, kan de uitstoot van broeikasgassen die tijdens het productieproces wordt gegenereerd met ongeveer 60% worden verminderd in vergelijking met polystyreen. Als het eindproduct kan worden gecomposteerd of biologisch afgebroken, kan de vrijkomende koolstof ook weer door planten worden opgenomen, waardoor de ‘gesloten koolstofcyclus’ verder wordt gerealiseerd.
Een belangrijk kenmerk van biogebaseerde harsen is de hernieuwbare bron van grondstoffen. Maïs en suikerriet kunnen bijvoorbeeld elk jaar worden geplant en geoogst, in tegenstelling tot minerale hulpbronnen zoals olie en aardgas, waarvoor miljoenen jaren van geologische evolutie nodig zijn om zich te vormen.
Dit hernieuwbare pad, gebaseerd op ‘beplanting-gebruik-degradatie-herbeplanting’ verlicht niet alleen de afhankelijkheid van niet-hernieuwbare hulpbronnen, maar vergroot ook de veerkracht en controleerbaarheid van de materiële toeleveringsketen. Met de vooruitgang van de recyclingtechnologie voor agrarische bijproducten en afval zal de diversiteit en milieuvriendelijkheid van grondstoffenbronnen verder worden verbeterd.
Veel biogebaseerde harsen zijn biologisch afbreekbaar en kunnen onder bepaalde omstandigheden door micro-organismen worden afgebroken tot water, koolstofdioxide en biomassa. PLA, polyhydroxyalkanoaten (PHA), harsen op basis van zetmeel, enz. kunnen bijvoorbeeld volledig worden afgebroken in industriële composteringsomgevingen, en kunnen onder bepaalde omstandigheden ook langzaam worden afgebroken in bodem en waterlichamen.
Dit kenmerk is van groot belang voor het verminderen van de ‘witte vervuiling’ en het terugdringen van plastic afval in de zee. Vergeleken met traditionele kunststoffen, die er vaak honderden jaren over doen om te worden afgebroken, worden bioharsen na het einde van hun levenscyclus gemakkelijker door het ecosysteem opgenomen, wat helpt om een echt groene gesloten kringloop te bereiken.
Het grootschalige gebruik en de willekeurige verwijdering van traditionele petrochemische kunststoffen hebben tot ernstige milieuproblemen geleid, waaronder de accumulatie van stortplaatsen, plasticvervuiling in de zee en de inname van plastic door wilde dieren. Biogebaseerde harsen kunnen, vanwege hun afbreekbaarheid en niet-giftige eigenschappen, de negatieve impact op de lange termijn op de natuurlijke omgeving en het ecosysteem aanzienlijk verminderen.
Sommige biogebaseerde harsen vermijden ook het gebruik van giftige katalysatoren en additieven van zware metalen tijdens het productieproces, waardoor de potentiële risico's voor het milieu en de menselijke gezondheid verder worden verminderd.
In het verleden was een van de grootste twijfels over bioharsen of hun prestaties konden voldoen aan de behoeften van praktische toepassingen. Met de ontwikkeling van de materiaalkunde, polymerisatieprocessen en composietmodificatietechnologieën hebben moderne biogebaseerde harsen aanzienlijke verbeteringen in de functionele prestaties aangebracht, vergelijkbaar met sommige traditionele kunststoffen, en in sommige opzichten zelfs beter.
Door copolymerisatie, verknoping, nanoverbetering en andere middelen hebben moderne bioharsen aanzienlijke verbeteringen aangebracht op het gebied van treksterkte, slagvastheid, flexibiliteit en andere aspecten. Bijvoorbeeld:
Gemodificeerd PLA kan een slagvastheid hebben die dicht bij ABS of PS ligt;
Het toevoegen van natuurlijke vezels (zoals bamboevezels en hennepvezels) kan de structurele stabiliteit en sterkte van het materiaal vergroten;
Biogebaseerde polyamiden (zoals PA11) worden op grote schaal gebruikt in auto's, elektronica, sportuitrusting en andere gebieden met hoge eisen aan sterkte en taaiheid.
De nieuwe generatie bioharsen heeft technische doorbraken geboekt op het gebied van warmtevervormingstemperatuur, smeltindex, thermische ontledingstemperatuur, enz., waardoor het aanpasbaar is aan verschillende verwerkingsmethoden zoals spuitgieten, extrusie, blaasvormen en 3D-printen. Bijvoorbeeld:
PLA-materialen met verbeterde thermische stabiliteit kunnen de structurele stabiliteit behouden bij hoge temperaturen en zijn niet gemakkelijk te vervormen;
Biobased polyesters zoals PBS (barnsteenzuurcopolymeer) hebben goede smeltlaseigenschappen en flexibiliteit en zijn geschikt voor het thermovormen van verpakkingen.
De verwerkingsparameters van veel biogebaseerde harsen (zoals smeltpunt, viscositeit, koelsnelheid) liggen dicht bij die van traditionele kunststoffen, zodat ze kunnen worden geproduceerd en gegoten zonder grootschalige transformatie van bestaande apparatuur, waardoor de kosten van bedrijfstransformatie worden verlaagd en de marktacceptatie wordt verbeterd.
Door het ontwerp en de wijziging van de chemische structuur kunnen bioharsen verschillende functionele aanpassingen realiseren, zoals:
Waterbestendigheid, oliebestendigheid, vlamvertraging en UV-bestendigheid;
Gecontroleerde afgiftefunctie (gebruikt voor landbouwfilms of medicijndragers);
Antibacteriële en meeldauwresistentie (voordelen in medische en voedselverpakkingen).
Dankzij deze aanpassingsmogelijkheden kan het zich aanpassen aan een breed scala aan toepassingen, van verpakkingen voor consumentenproducten, behuizingen van elektronische producten, auto-onderdelen tot afbreekbare landbouwfolies.
Met de ontwikkeling van materiaalkunde en groene technologie zijn biogebaseerde, milieuvriendelijke harsen niet alleen in het laboratoriumstadium gebleven, maar hebben ze ook commerciële toepassing in veel industrieën bereikt. Hieronder worden de toepassingsvoorbeelden en de voordelen van de vijf belangrijkste gebieden van verpakking, bouw en woningbouw, medische sector, automobielsector en landbouw in detail geïntroduceerd.
Verpakkingen zijn een van de meest gebruikte gebieden voor biogebaseerde harsen, vooral in wegwerpconsumptiegoederen en voedselverpakkingen. Veel voorkomende toepassingen zijn onder meer:
Biologisch afbreekbare plastic zakken: boodschappentassen, vuilniszakken en expresstassen gemaakt van PLA, PBAT, harsen op zetmeelbasis, enz., die na gebruik kunnen worden afgebroken onder industriële composteringsomstandigheden, waardoor de "witte vervuiling" wordt verminderd;
Voedselcontainers en serviesgoed: kommen, vorken, lepels en kopjes gemaakt van materialen zoals PLA en PHA zijn niet giftig, kunnen in contact komen met voedsel en laten bij hoge temperaturen geen schadelijke stoffen vrij;
Express-buffermaterialen: plantenvezels of geschuimde biogebaseerde materialen worden gebruikt ter vervanging van polystyreenschuim voor het verpakken en bufferen van transportartikelen, wat niet alleen de plasticvervuiling vermindert, maar ook op natuurlijke wijze kan worden afgebroken.
De bouw- en woningindustrieën transformeren geleidelijk in de richting van koolstofarme en milieuvriendelijke richtingen. Biogebaseerde harsen worden voornamelijk gebruikt in coatingmaterialen, lijmen en decoratieve componenten in dergelijke toepassingen:
Bio-epoxyhars vloercoatings: Epoxymaterialen op basis van plantaardige oliën of natuurlijke polyolen hebben een goede hechting, slijtvastheid en chemische stabiliteit en geven geen irriterende gassen af;
Kleefstoffen voor meubels: Kleefstoffen gesynthetiseerd uit soja-eiwit of andere biogebaseerde monomeren kunnen worden gebruikt voor het verlijmen van platen, het bevestigen van oppervlakken, enz., ter vervanging van traditionele op formaldehyde gebaseerde lijmen en het verminderen van vervuiling binnenshuis.
In de medische industrie worden extreem hoge eisen gesteld aan de biocompatibiliteit en veiligheid van materialen. Biogebaseerde harsen hebben unieke voordelen op de volgende aspecten:
Chirurgische wegwerpinstrumenten: Wegwerpspuiten, chirurgische pincetten, hemostatische tangen, enz. Gemaakt van materialen zoals PLA en PHA zijn niet alleen veilig en niet-giftig, maar worden ook afgebroken tijdens de verwijdering van medisch afval;
Biologisch absorbeerbare hechtingen: hechtingen gemaakt van PLA, PGA (polyglycolzuur), enz. kunnen op natuurlijke wijze worden afgebroken en in het menselijk lichaam worden opgenomen, waardoor secundaire chirurgie en verwijdering van hechtingen worden vermeden en de pijn van de patiënt wordt verlicht;
Geneesmiddeldragers en membranen met langdurige afgifte: De snelheid van de geneesmiddelafgifte wordt gecontroleerd door gebruik te maken van de bioharsstructuur, die wordt gebruikt voor gerichte toediening of subcutane systemen voor langdurige afgifte.
Naarmate het streven van de auto-industrie naar energiebesparing, emissiereductie en lichtgewichting toeneemt, worden biogebaseerde materialen geleidelijk geïntroduceerd in de voertuigproductie. Typische toepassingen zijn onder meer:
Materialen voor auto-interieur: zoals rugleuningen, deurbekleding, dashboards etc. zijn gemaakt van PLA-composietmaterialen of biogebaseerde polyamiden (zoals PA11), die zowel mooi als milieuvriendelijk zijn;
Lichtgewicht composietpanelen: Natuurlijke vezels (zoals jute- en hennepvezels) worden gecombineerd met bioharsen om structurele lichaamsdelen of energie-absorberende structuren te maken, het gewicht van het hele voertuig te verminderen en de brandstofefficiëntie te verbeteren.
Landbouw is the industry most closely related to the natural environment. The widespread use of traditional plastics has caused continuous pressure on the soil and ecological environment. The introduction of bio-based resins provides a solution for the green transformation of agriculture:
Afbreekbare landbouwmulch: Een folie gemaakt van op zetmeel of PLA gebaseerde materialen vervangt de traditionele PE-folie. Het wordt gebruikt voor het afdekken na het zaaien en wordt automatisch afgebroken in de grond nadat de groei van het gewas is beëindigd, waardoor handmatig recyclen niet meer nodig is;
Meststofdrager met gecontroleerde afgifte: een coatingstructuur gemaakt van biohars regelt de afgiftesnelheid van voedingsstoffen, verbetert de efficiëntie van de meststof en vermindert het risico op eutrofiëring van waterlichamen;
Zaailingpotten en zaailingsdozen: Ze zijn gemaakt van een mengsel van natuurlijke vezels en bioharsen en kunnen direct in de grond worden geplant en op natuurlijke wijze worden afgebroken door de groei van plantenwortels zonder de bodemkwaliteit aan te tasten.
Naarmate het mondiale bewustzijn van duurzame ontwikkeling en milieubescherming groeit, worden traditionele petrochemische kunststoffen geleidelijk in twijfel getrokken vanwege hun negatieve impact op het milieu. In deze context zijn biogebaseerde, milieuvriendelijke harsen, als hernieuwbaar en afbreekbaar materiaal, snel in opkomst en worden ze een belangrijke motor voor groene transformatie in veel industrieën. Dit type hars maakt gebruik van hernieuwbare hulpbronnen zoals plantaardig zetmeel, cellulose, plantaardige olie, melkzuur, enz. als grondstoffen, waardoor de afhankelijkheid van aardoliebronnen tijdens het gebruik wordt verminderd, terwijl ook de koolstofemissies en de milieuvervuiling aanzienlijk worden verminderd.
De verpakkingsindustrie is een van de meest gebruikte en snelst groeiende gebieden voor biogebaseerde harsen. Dit is voornamelijk te wijten aan de dubbele vraag van de industrie naar milieubescherming en functionaliteit van materialen.
Biogebaseerde harsen zoals polymelkzuur (PLA) en polyhydroxyalkanoaten (PHA) kunnen worden verwerkt tot afbreekbare plastic zakken, voedselverpakkingsfolies, bubbelfolies, meeneemdozen en rietjes. Na gebruik kunnen deze producten worden afgebroken tot kooldioxide en water via industriële of thuiscomposteringsomgevingen, waardoor het probleem van "witte vervuiling" effectief wordt opgelost.
Vergeleken met traditionele kunststoffen zijn bioharsverpakkingen veiliger en bevatten ze geen schadelijke additieven zoals bisfenol A, dat voldoet aan de veiligheidseisen van materialen die met voedsel in contact komen. Tegelijkertijd hebben sommige biogebaseerde materialen uitstekende zuurstof- en vochtbarrière-eigenschappen, die de houdbaarheid van voedsel verlengen en geschikt zijn voor een verscheidenheid aan verpakkingsbehoeften, zoals gekoeld voedsel, vers fruit en groenten.
Veel landen over de hele wereld voeren geleidelijk plasticverboden of plasticbeperkingen in, en de vraag van consumenten naar duurzame verpakkingen is snel gegroeid, waardoor het marktaandeel van bioharsverpakkingen is gestegen. Bedrijven gebruiken groene verpakkingen ook als een belangrijk middel om hun merk te differentiëren en zo hun milieu-imago te versterken.
In de auto-industrie en de productie van elektronische producten vervangen biogebaseerde harsen geleidelijk een aantal traditionele technische kunststoffen om te voldoen aan de vele eisen van de industrie aan lichtgewicht, duurzame en milieuvriendelijke materialen.
Autofabrikanten maken actief gebruik van biogebaseerde composietmaterialen om deurinterieurpanelen, dashboards, tapijtkussens, motorkapisolatiematerialen, enz. te vervaardigen. Deze materialen zijn niet alleen lichter, wat helpt het gewicht van het hele voertuig te verminderen en de brandstofefficiëntie te verbeteren, maar ook vanwege hun koolstofarme productieproces zijn ze in lijn met de koolstofarme transformatietrend van de auto-industrie.
In huishoudelijke apparaten, smartphones, laptops en andere producten worden biogebaseerde kunststoffen gebruikt om behuizingen, toetsenbordcomponenten, draadcoatingmaterialen, enz. te vervaardigen. De vlamvertraging, mechanische sterkte en thermische stabiliteit voldoen in principe aan de eisen van consumentenelektronicaproducten. Sommige merken zoals Sony, Samsung, Dell, etc. hebben biogebaseerde materialen in hun producten geïntroduceerd om te reageren op duurzame ontwikkelingsdoelstellingen.
Voldoe aan de RoHS- en REACH-voorschriften
Het gebruik van bioharsen helpt bedrijven te voldoen aan de milieubeschermingseisen van de Europese RoHS (Restriction of Hazardous Substances Regulation) en REACH (Registration, Evaluation, Authorization and Restriction of Chemicals), en vermindert exportbarrières veroorzaakt door het niet naleven van milieunormen.
Op het gebied van dagelijkse consumptiegoederen worden biogebaseerde milieuvriendelijke harsen geleidelijk een belangrijke kracht bij het bevorderen van een groene levensstijl. Het verhoogt niet alleen de toegevoegde waarde van producten, maar komt ook tegemoet aan het streven van consumenten naar concepten voor milieubescherming.
Door de natuurlijke grondstofbron en de niet-toxiciteit zijn bioharsen ideale materialen voor het maken van kinderspeelgoed. Vergeleken met de risico's van zware metalen, weekmakers, enz. die mogelijk aanwezig zijn in traditioneel plastic speelgoed, is biogebaseerd speelgoed veiliger en milieuvriendelijker, en wordt het breed verwelkomd door ouders en de markt.
Serviesgoed, tandenborstels, kammen, cosmetische verpakkingen en andere dagelijkse benodigdheden zijn begonnen bioplastics zoals PLA en PBS te gebruiken. Deze producten zijn afbreekbaar en vrij van vervuiling, terwijl ze voldoen aan de prestatie-eisen en worden milieuvriendelijke alternatieven op het gebied van hotels, luchtvaart en hoogwaardige consumptiegoederen.
Steeds meer merken beginnen bioharsen te gebruiken ter vervanging van traditionele materialen om hun inzet voor milieubescherming te demonstreren. Sommige schoonheidsmerken gebruiken bijvoorbeeld bioplastic verpakkingsflessen, wat niet alleen het concept van duurzaamheid weerspiegelt, maar ook consumenten aantrekt die zich zorgen maken over de bescherming van het milieu.
Hoewel de huidige toepassing in de bouw- en textielindustrie relatief klein is, krijgen biogebaseerde milieuvriendelijke harsen geleidelijk de aandacht vanwege hun unieke voordelen en een groot ontwikkelingspotentieel.
Biogebaseerde harsen kunnen worden gemengd met natuurlijke vezels (zoals hennep-, vlas- en bamboevezels) om composietpanelen, vloeren, decoratieve panelen, isolatiematerialen enz. te produceren. Deze materialen hebben goede mechanische eigenschappen en thermische stabiliteit. Terwijl ze voldoen aan de behoeften van bouwconstructies, verkleinen ze de ecologische voetafdruk van gebouwen en helpen ze de scores van groene gebouwcertificeringen zoals LEED en BREEAM te verbeteren.
Biogebaseerde epoxyharsen en polyurethaanharsen worden veel gebruikt in watergedragen coatings, vloerverven, kitten en andere bouwproducten. Ze bevatten geen VOS (vluchtige organische stoffen), verbeteren de luchtkwaliteit binnenshuis en zijn geschikt voor plaatsen met hoge gezondheidseisen zoals ziekenhuizen en scholen.
In de textielindustrie worden biogebaseerde harsen gebruikt om nieuwe milieuvriendelijke stoffen te produceren, zoals alternatieve polyestervezels, gecoate stoffen en niet-geweven stoffen. Deze materialen voelen niet alleen goed aan en zijn ademend, maar kunnen onder bepaalde omstandigheden ook biologisch worden afgebroken, waardoor de belasting van weggegooide kleding voor het milieu wordt verminderd.
Nu mensen steeds meer aandacht besteden aan milieukwesties, is de duurzaamheid van traditionele op aardolie gebaseerde kunststoffen geleidelijk een mondiaal aandachtspunt geworden. Als een van de oplossingen zijn biogebaseerde milieuvriendelijke harsen (Bio-based Resins) een belangrijke ontwikkelingsrichting geworden op het gebied van materiaalkunde en groene productie vanwege hun hernieuwbare bronnen, potentiële afbreekbaarheid en lage ecologische voetafdruk. In het daadwerkelijke promotie- en toepassingsproces worden biogebaseerde harsen nog steeds geconfronteerd met een reeks complexe en met elkaar verweven uitdagingen.
Hoewel biogebaseerde harsen duidelijke voordelen hebben op het gebied van milieuprestaties, wordt de promotie ervan nog steeds ernstig beperkt door het "kostenknelpunt" op economisch niveau. Vergeleken met het volwassen petrochemische plasticproductiesysteem bevinden bioharsen zich nog in de ontwikkelingsfase en ontberen ze schaaleffecten. Het productieproces omvat meerdere complexe schakels, zoals de extractie, conversie en polymerisatie van grondstoffen, met hoge technische barrières en een lage productie-efficiëntie, wat resulteert in hoge eenheidskosten.
De marktprijs van bioharsen wordt vaak beïnvloed door schommelingen op de internationale markt voor ruwe olie. In perioden van lage olieprijzen is het kostenvoordeel van op aardolie gebaseerde kunststoffen duidelijker, waardoor bedrijven onvoldoende motivatie hebben om te investeren in relatief dure biogebaseerde alternatieven. Deze ‘oneerlijke concurrentie’ op economisch vlak heeft de marktpenetratie van biogebaseerde materialen grotendeels onderdrukt.
Om deze impasse te doorbreken is enerzijds beleidsondersteuning nodig, zoals het bieden van belastingvoordelen, groene inkoopprikkels of mechanismen voor de handel in koolstof om het enthousiasme van bedrijven voor de adoptie van bioharsen te vergroten; aan de andere kant moeten wetenschappelijke onderzoeksinstellingen en bedrijven technologische doorbraken in belangrijke processen versnellen, de efficiëntie van de omzetting van grondstoffen verbeteren en de productiekosten verlagen.
De grondstoffen van bioharsen zijn voornamelijk afkomstig uit hernieuwbare biomassa, zoals maïs, suikerriet, houtafval, algen etc. Als grootschalige commerciële productie gerealiseerd moet worden, zal de vraag naar grondstoffen voor bioharsen zeer groot zijn, wat kan leiden tot de volgende twee hoofdproblemen:
Concurrentie met voedselzekerheid: Wanneer voedselgewassen in grote hoeveelheden worden gebruikt in de materialenindustrie, zal dit gevolgen hebben voor de toewijzing van landbouwgrond en de voedselvoorziening. Zo wordt maïszetmeel vaak gebruikt als grondstof voor polymelkzuur (PLA). Als er geen redelijke planning is, kan dit het fenomeen van "voedsel en industrie die strijden om land" verergeren.
Overexploitatie van landbronnen: Om aan de industriële behoeften te voldoen, kunnen sommige regio's ecologisch gevoelige gebieden, zoals bossen en wetlands, transformeren in energiegewassen of industriële gewasaanplantingsbases, wat milieurisico's met zich meebrengt, zoals verminderde biodiversiteit, spanningen in de watervoorraden en verminderde koolstofputten.
Om een duurzame grondstoffenvoorziening voor bioharsen te bereiken, is het niet alleen noodzakelijk om hoogproductieve en stressbestendige energiegewassen te ontwikkelen (zoals zoete sorghum, cassave, microalgen, enz.), maar ook om het gebruik van hulpbronnen uit landbouwafval en bijproducten uit de bosbouw te bevorderen. Bovendien zal het opzetten van een traceerbaarheidsmechanisme voor de bron van grondstoffen bedrijven en consumenten helpen hun impact op het milieu te beoordelen en de transparantie van de toeleveringsketen te verbeteren.
De meeste biobased harsen hebben afbreekbare eigenschappen, vooral polymeren zoals PLA en PHA. Hun ‘afbreekbaarheid’ betekent echter niet dat ze snel kunnen worden afgebroken in de natuurlijke omgeving. Veel bioharsen vereisen zelfs specifieke omstandigheden (zoals hoge temperatuur, hoge luchtvochtigheid en aërobe omgeving) om het afbraakproces in industriële composteringsfaciliteiten te voltooien.
Het probleem is dat de meeste delen van de wereld nog geen compleet industrieel composteringssysteem hebben opgezet, vooral in ontwikkelingslanden en afgelegen stedelijke gebieden, waar afval nog steeds voornamelijk wordt gestort of verbrand. Zelfs in ontwikkelde landen in Europa en de Verenigde Staten zijn er regionale verschillen in de dekking van industriële compostering.
Dit creëert een echte tegenstrijdigheid: als de biohars die beweert milieuvriendelijk te zijn in het verkeerde behandelingssysteem in de traditionele afvalketen terechtkomt, zal het niet alleen er niet in slagen zijn groene missie te verwezenlijken, maar kan het ook een gênante situatie van ‘pseudo-milieubescherming’ vormen.
Om dit probleem op te lossen moeten er inspanningen worden geleverd op twee niveaus: ten eerste moet de overheid de bouw van infrastructuur voor afvalclassificatie en biologisch afbreekbare behandeling versnellen; ten tweede moeten materiaalonderzoek en -ontwikkeling evolueren in de richting van "gezinsvriendelijk composteren" of "milieudegradatie" om het vermogen van materialen om zich aan te passen aan een verscheidenheid aan verwijderingsomgevingen te vergroten.
Met het verbeteren van het milieubewustzijn komen er producten op de markt met labels als ‘biobased’, ‘afbreekbaar’ en ‘milieuvriendelijk’. De huidige mondiale definitie van deze concepten is echter nog niet uniform, en verschillende landen en instellingen hanteren verschillende normen, waardoor consumenten en fabrikanten gemakkelijk in verwarring kunnen raken.
Zo is ‘biobased’ niet hetzelfde als ‘afbreekbaar’; een materiaal kan uit biomassa worden gewonnen, maar kan vanwege de stabiele structuur niet in de natuurlijke omgeving worden afgebroken. Op dezelfde manier kan "afbreekbaar" ook worden onderverdeeld in meerdere typen, zoals biologisch afbreekbare, biocomposteerbare en in water oplosbare afbraak, die elk verschillende omgevingsomstandigheden vereisen.
Hoewel sommige internationale organisaties, zoals het Europees Comité voor Normalisatie (CEN), ASTM International, ISO, etc. een aantal technische normen en certificeringssystemen hebben uitgegeven, zoals EN 13432 en ASTM D6400, is hun invloedssfeer nog steeds beperkt en ontbreekt het aan mondiale valuta. De complexe en kostbare certificeringsprocedures ontmoedigen ook kleine en middelgrote ondernemingen.
Het is bijzonder urgent om een uniform, levendig en gemakkelijk te begrijpen etiketteringssysteem op te zetten. Regelgevers moeten duidelijke richtlijnen voor productclassificatie en etikettering formuleren en mondiale mechanismen voor wederzijdse erkenning bevorderen om de consumentenrechten te beschermen en de marktorde te zuiveren.
Naast de bovengenoemde vier grote uitdagingen brengen biogebaseerde harsen ook de volgende realistische kwesties met zich mee in het promotieproces:
Prestatiestabiliteit: Sommige bioharsen zijn nog steeds inferieur aan traditionele kunststoffen in termen van thermische stabiliteit, mechanische sterkte en UV-bestendigheid, wat hun toepassing beperkt in scenario's met hoge prestaties, zoals auto's, de bouw en elektronica.
Gebrek aan consumentenbewustzijn: Veel consumenten hebben beperkte kennis van de milieubeschermende effecten, het gebruik en de verwijderingsmethoden van "biogebaseerde" materialen, en kunnen producten zelfs misbruiken vanwege misverstanden over degradatie, wat op zijn beurt de waarde ervan voor het milieu aantast.
Moeilijkheden bij het integreren van de industriële keten: Er is nog geen volledig gesloten kringloopsysteem gerealiseerd, van de verwerving, verwerking en het gebruik van grondstoffen tot recycling, vooral niet in grensoverschrijdende toeleveringsketens en de integratie tussen bedrijfstakken. Er bestaan nog steeds coördinatiebarrières.
Met de voortdurende vooruitgang van de technologie zijn de prestaties van biogebaseerde harsen voortdurend verbeterd, waardoor ze zeer concurrerend zijn in een verscheidenheid aan toepassingsgebieden. Traditionele biogebaseerde harsen zoals polymelkzuur (PLA) en polyhydroxyalkanoaten (PHA) hadden in de beginperiode vooral te kampen met onbevredigende prestaties vergeleken met op petrochemie gebaseerde harsen, zoals een lagere thermische stabiliteit en sterkteproblemen die gemakkelijk worden aangetast door vocht. De afgelopen jaren hebben materiaalwetenschappers een aantal innovatieve benaderingen gevolgd om deze problemen geleidelijk op te lossen.
Gebaseerd op de innovatie van biokatalysatoren en door enzymen gekatalyseerde polymerisatietechnologie, is het syntheseproces van biogebaseerde harsen geoptimaliseerd en is de controle van moleculaire ketens nauwkeuriger geweest, waardoor de thermische stabiliteit en mechanische sterkte van de hars effectief zijn verbeterd. Via deze methode kunnen onderzoekers specifieke functionele groepen in de harsmoleculen introduceren, zodat ze een hogere hittebestendigheid en chemische resistentie hebben, en zelfs een goede stabiliteit behouden in omgevingen met hoge temperaturen. Sommige nieuwe PLA-harsen hebben bijvoorbeeld hun warmtevervormingstemperatuur aanzienlijk verhoogd door de introductie van speciale comonomeren, waardoor de toepassingsruimte van PLA in omgevingen met hoge temperaturen wordt uitgebreid.
Met de opkomst van nanotechnologie heeft de toevoeging van nanomaterialen zoals nanovezels en nanovulstoffen aan biogebaseerde harsen hun mechanische eigenschappen en taaiheid aanzienlijk verbeterd. Het mengen van grafeen- of silica-nanodeeltjes op nanoschaal met PLA kan bijvoorbeeld de treksterkte en slagvastheid aanzienlijk verbeteren. Dit composietmateriaal heeft een groot toepassingspotentieel getoond in gebieden met extreem hoge materiaalvereisten, zoals de lucht- en ruimtevaart- en auto-industrie.
Met de vooruitgang van de 3D-printtechnologie breiden de toepassingsscenario's van biogebaseerde harsen zich voortdurend uit. Op het gebied van 3D-printen zijn biogebaseerde harsen zoals PLA en PHA geleidelijk een van de mainstream-materialen geworden vanwege hun goede printbaarheid, niet-toxiciteit en afbreekbaarheid. Met behulp van geavanceerde 3D-printtechnologie kunnen biogebaseerde harsen niet alleen de vervaardiging van complexe vormen realiseren, maar ook de mechanische eigenschappen en functionele eigenschappen van materialen aanpassen aan de vraag, waardoor ze steeds vaker worden gebruikt in gepersonaliseerd maatwerk, medische zorg, bouw en andere gebieden.
De prestatieverbetering en technologische vooruitgang van biogebaseerde harsen hebben de basis gelegd voor hun grootschalige vervanging van traditionele plastic materialen. Naarmate de technologie zich verder ontwikkelt, hebben we reden om aan te nemen dat biogebaseerde harsen in de toekomst een belangrijke rol zullen spelen in gebieden waar veel vraag naar is.
De bron van grondstoffen voor biobased harsen bepaalt de duurzaamheid en zuinigheid ervan. Met de toenemende bezorgdheid over de gevolgen voor het milieu, worden traditionele biogebaseerde harsen van de eerste generatie (zoals maïs, suikerriet, enz.) geconfronteerd met de uitdagingen van concurrentie op het gebied van hulpbronnen en milieuproblemen. Om dit probleem op te lossen onderzoeken wetenschappers en ingenieurs grondstoffen van de tweede en derde generatie, die niet alleen milieuvriendelijker zijn, maar ook de efficiëntie van het gebruik van hulpbronnen effectief verbeteren.
Grondstoffen van de tweede generatie omvatten voornamelijk landbouwafval, zoals stro, houtsnippers, schillen, etc. Deze materialen nemen niet deel aan de menselijke voedselketen, hebben dus geen directe invloed op de voedselzekerheidskwesties en worden tijdens de verwerking vaak als afval beschouwd. Het gebruik van deze grondstoffen kan de productiekosten dus aanzienlijk verlagen. Cellulosematerialen bereid uit stro kunnen bijvoorbeeld in veel gevallen traditionele petrochemische materialen vervangen. Ze hebben niet alleen goede mechanische eigenschappen, maar kunnen ook degradatie gedurende de volledige levenscyclus bereiken. Dit idee van “afval in kostbare hulpbronnen” is een belangrijke richting om de ontwikkeling van biogebaseerde harsen te bevorderen.
Tot de derde generatie biobased grondstoffen behoren vooral algen, micro-organismen en zeeplanten. Deze grondstoffen groeien snel, zijn niet afhankelijk van landbronnen en vereisen vrijwel geen extra landbouwinputs, wat enorme ecologische en economische voordelen heeft. Algen kunnen als biobased grondstof in zeer korte tijd een grote hoeveelheid kooldioxide opnemen en door de efficiënte fotosynthese omzetten in biomassa. Daarom zijn algen niet alleen een duurzame hulpbron, maar helpt het groeiproces ervan ook de klimaatverandering te verzachten. Biogebaseerde harsen geproduceerd uit algen hebben niet alleen goede fysische en chemische eigenschappen, maar kunnen ook de uitstoot van broeikasgassen effectief verminderen, waardoor ze een ideaal groen alternatief materiaal zijn.
Wat de toeleveringsketen van grondstoffen betreft, veranderen met de opkomst van deze nieuwe grondstoffen ook de productie- en toeleveringsketenpatronen van mondiale biogebaseerde harsen. Veel bedrijven zijn begonnen met het optimaliseren van gelokaliseerde toeleveringsketens en hulpbronnencycli, waarbij ze ernaar streven de ecologische voetafdruk van het productieproces te verkleinen. Boerderijen in sommige regio's hebben bijvoorbeeld samengewerkt met gezamenlijke ondernemingen om biogebaseerde harsen te produceren uit landbouwafval om zo een gesloten ketensysteem te vormen, dat niet alleen de efficiëntie van het gebruik van hulpbronnen verbetert, maar boeren ook een nieuwe bron van economisch inkomen biedt. Tegelijkertijd hebben sommige opkomende productiemethoden, zoals algenkweeksystemen, tot op zekere hoogte ook de grootschalige productie van biogebaseerde harsen bevorderd.
Grondstofinnovatie en supply chain-optimalisatie are not only technical factors that promote the development of bio-based resins, but also create more stable and sustainable conditions for their large-scale application.
Overheidsbeleid speelt een belangrijke rol bij de promotie van biogebaseerde harsen. Veel landen en regio's over de hele wereld hebben de positieve impact van biogebaseerde materialen op de milieubescherming onderkend en deze gepromoot via een reeks beleidsmaatregelen en regelgeving. In de Green Deal en de Plastic Strategie die door de Europese Unie is gelanceerd, is bijvoorbeeld duidelijk gesteld dat de Europese Unie de plastic wegwerpproducten geleidelijk zal uitfaseren en het gebruik van afbreekbare plastics en biogebaseerde plastics zal bevorderen. De introductie van dit beleid heeft bedrijven gedwongen het onderzoek, de ontwikkeling en de toepassing van biogebaseerde materialen te versnellen om ervoor te zorgen dat ze concurrerend blijven op een markt met steeds strengere milieuregels.
In China heeft de regering ook een reeks beleidsmaatregelen geïntroduceerd die alle soorten bedrijven verplichten de plasticvervuiling terug te dringen en de ontwikkeling van biogebaseerde en afbreekbare materialen aan te moedigen. De Nationale Ontwikkelings- en Hervormingscommissie van China heeft het "14e Vijfjarenplan voor ecologische en milieubescherming" uitgevaardigd, waarin wordt voorgesteld het onderzoek en de ontwikkeling van milieuvriendelijke materialen te vergroten en van biogebaseerde kunststoffen een sleutelrichting voor toekomstige ontwikkeling te maken. Met de geleidelijke implementatie van de ‘Plastic Restriction Order’ groeit ook de vraag naar biogebaseerde harsen op de Chinese markt.
De groene verantwoordelijkheid en duurzame ontwikkelingsdoelstellingen van ondernemingen zijn ook belangrijke factoren geworden bij het bevorderen van de popularisering van biogebaseerde harsen. Veel multinationale bedrijven, zoals Nike, Apple en Nestle, hebben milieuvriendelijke materialen in hun toeleveringsketens opgenomen en het gebruik van biogebaseerde harsen gepromoot via een groen inkoopbeleid. Deze bedrijven hebben zich publiekelijk geëngageerd om plastic afval te verminderen, recycling en hergebruik te bevorderen en actief deel te nemen aan groene inkoop om de toepassing van milieuvriendelijke materialen op verschillende gebieden te bevorderen.
Met de verbetering van het mondiale beheer van de groene toeleveringsketen zijn steeds meer bedrijven zich gaan realiseren dat ze door het gebruik van milieuvriendelijke materialen zoals biogebaseerde harsen niet alleen hun merkimago en concurrentievermogen op de markt kunnen verbeteren, maar ook het doel van duurzame ontwikkeling kunnen bereiken door de CO2-uitstoot en het verbruik van hulpbronnen te verminderen. Dit model van beleidsbevordering en bedrijfsverantwoordelijkheid is de sleutel tot de snelle ontwikkeling van biogebaseerde harsen.
De milieuvoordelen van biogebaseerde harsen zijn veel groter dan de lage CO2-uitstoot tijdens het gebruik. Hoe effectieve recycling en hergebruik na het einde van de levenscyclus van een product kunnen worden bereikt, is de sleutel tot het bereiken van de alomvattende duurzaamheid ervan. Dit vereist de integratie van biogebaseerde harsen in het systeem van de circulaire economie om een gesloten kringloop van hulpbronnen te bereiken.
Het kernconcept van de circulaire economie is het maximaliseren van de levenscyclus van hulpbronnen en het verminderen van de afvalproductie door de nauwe integratie van ontwerp, gebruik en recycling. Voor biogebaseerde harsen betekent dit dat er al in de ontwerpfase rekening moet worden gehouden met de recycleerbaarheid, afbreekbaarheid en hergebruik van materialen. Bij het ontwerpen van een product moet bijvoorbeeld rekening worden gehouden met de toekomstige recyclingmethode, en recycleerbare en afbreekbare materialen moeten afzonderlijk worden gebruikt voor eenvoudige demontage en recycling. Tegelijkertijd kan hernieuwbare energie ook worden gebruikt in het productieproces van biogebaseerde harsen om de CO2-uitstoot in het productieproces te verminderen, om zo echt milieuvriendelijkheid te bereiken gedurende de hele levenscyclus van grondstoffen tot eindproducten.
De afbraakeigenschappen van biogebaseerde harsen vormen ook een belangrijke basis voor hun intrede in het systeem van de circulaire economie. Momenteel is bewezen dat veel biogebaseerde harsen, zoals PHA en PLA, in de natuurlijke omgeving kunnen worden afgebroken en de vervuiling van de ecologische omgeving kunnen verminderen. Verschillende biogebaseerde harsen hebben verschillende afbraaksnelheden en -methoden, dus tijdens het ontwerp moeten overeenkomstige keuzes worden gemaakt voor verschillende toepassingen. Biogebaseerde harsen die worden gebruikt in voedselverpakkingen en landbouwfolies zouden bijvoorbeeld de kenmerken moeten hebben van snelle afbraak, terwijl langetermijnproducten zoals auto's en elektronische producten zich meer zouden moeten richten op recycling en hergebruik.
Met de promotie van het concept van de circulaire economie zijn steeds meer bedrijven en overheden aandacht gaan besteden aan de manier waarop ze de recycling en het hergebruik van biogebaseerde harsen kunnen bevorderen door middel van technologische innovatie, ontwerpoptimalisatie en beleidsbegeleiding. Sommige Europese landen zijn bijvoorbeeld begonnen met het opzetten van een recyclingsysteem voor biogebaseerde materialen, bevorderen de gemengde recycling van bioplastics en traditionele kunststoffen, en zetten deze om in nieuwe materialen door middel van chemische recyclingtechnologie.
Door de integratie van het circulaire materiaalsysteem kunnen biogebaseerde harsen niet alleen de verspilling van hulpbronnen tijdens de gebruiksfase verminderen, maar ook effectief worden gerecycled na het einde van de levenscyclus van het product en terug in het productieproces worden geplaatst om een echte gesloten kringloop te vormen. Dit ontwerpconcept voor de volledige levenscyclus is een belangrijke manier om de duurzame ontwikkeling van biogebaseerde harsen te bereiken.
+86 18101032584
Nr. 60-1, Jichuan East Road, HailingIndustrial Park, Hailing District, Taizhou City.
Copyright© Taizhou Huangyan Zeyu New Material Technology Co., Ltd. Alle rechten voorbehouden.
Volledig afbreekbare grondstof
