The Plasticization Effect of Hydroxylated Palm Stearin Plasticizer (HPS) Towards High-Density Polyethylene (HDPE) Via Compression Moulding

يعمّ العالم فيضٌ من البلاستيك، وهي مادة يُحتفى بمتانتها ولكن تُنتقد لاستمرار بقائها. يأتي جزء كبير من هذه النفايات البلاستيكية من المواد ذات الاستخدام الواحد التي تُستخدم لفترة وجيزة ثم يتم التخلص منها، مما يثقل كاهل المكبات ويلوث النظم البيئية. واستجابةً لذلك، يبحث العلماء باستمرار عن طرق لجعل هذه المواد أكثر قابلية للإدارة، إما بجعلها تتحلل بشكل أسرع أو بإيجاد طرق جديدة لمعالجتها باستخدام موارد متجددة. ويتضمن أحد المسارات الواعدة تعديل التركيبة الكيميائية للبلاستيك الشائع لجعل التعامل معه أسهل أو لإدخال مكونات حيوية يمكن أن تساعد في النهاية على تحلل المادة. وفي قلب هذا الجهد يكمن مفهوم "الملدن" (plasticizer)، وهو مادة تُضاف إلى البلاستيك الصلب لجعله أكثر نعومة ومرونة، تماماً مثل إضافة الزيت إلى العجين لتسهيل عجنه. وبينما كانت الملدنات الاصطناعية هي المعيار السائد لفترة طويلة، يتجه الباحثون بشكل متزايد نحو البدائل النباتية لتقليل الاعتماد على الوقود الأحفوري وتحسين الملف البيئي لهذه المواد.

في دراسة حديثة، استكشف باحثون من جامعة تكنولوجي مارا (Universiti Teknologi MARA) في ماليزيا حلاً نباتياً محدداً لواحد من أكثر أنواع البلاستيك شيوعاً في الاستخدام اليوم: البولي إيثيلين عالي الكثافة (HDPE). هذا هو البلاستيك القوي والصلب المستخدم في صنع كل شيء، من عبوات الحليب إلى زجاجات المنظفات. وقد بحث الفريق في مكون جديد معدل كيميائياً مشتق من زيت النخيل، يُعرف باسم "هيدروكسيلات دهن النخيل" (hydroxylated palm stearin)، أو HPS. وكان هدفهم هو معرفة ما إذا كانت هذه المادة الطبيعية يمكن أن تعمل كملدن فعال للبولي إيثيلين عالي الكثافة، مما يحسن كيفية تدفق البلاستيك عند صهره وتشكيله، دون تدمير قوته الأساسية. ومن خلال خلط كميات مختلفة من مشتق زيت النخيل هذا في البلاستيك، هدف الباحثون إلى إنشاء مادة هجينة حيوية يسهل تصنيعها وقد تكون أكثر رفقاً بالبيئة، مع الاحتفاظ بالخصائص المفيدة التي تجعل البولي إيثيلين عالي الكثافة مستخدماً على نطاق واسع.

بدأ الباحثون بأخذ حبيبات صلبة من البولي إيثيلين عالي الكثافة وخلطها مع مسحوق HPS في آلة تسخن وتخلط المزيج حتى يصبح مزيجاً متجانساً سائلاً. واختبروا ثلاث وصفات مختلفة، بإضافة 10، و20، و30 بالمائة من مشتق زيت النخيل حسب الوزن. وبمجرد إدخال HPS، انخفضت مقاومة الآلة بشكل كبير. وكلما زادت كمية مشتق زيت النخيل المضافة، أصبح خلط المادة أسهل. وفي المزيج الذي يحتوي على أعلى كمية من HPS، انخفض الجهد المطلوب لخلط البلاستيك بنسبة تقارب 80 بالمائة مقارنة بالبلاستيك النقي. وأشار هذا إلى أن المكون النباتي قد نجح في الانزلاق بين السلاسل الطويلة لجزيئات البلاستيك، مما سمح لها بالانزلاق فوق بعضها البعض بحرية أكبر. وهذا الانخفاض في المقاومة يعني أن المادة ستكون أسهل بكثير وأقل استهلاكاً للطاقة في عمليات التصنيع داخل المصنع.

ومع ذلك، جاءت سهولة المعالجة المتزايدة هذه مقابل مقايضة في القوة. فعندما قام الباحثون بشد شرائط البلاستيك المصبوبة لاختبار متانتها، وجدوا أن المادة تصبح أضعف مع زيادة كمية HPS. فقد كان البولي إيثيلين عالي الكثافة النقي يتحمل قدراً كبيراً من القوة قبل أن ينكسر، لكن المزيج الذي يحتوي على 30 بالمائة من HPS فقد ما يقرب من نصف تلك القوة. كما أصبحت المادة أقل مرونة؛ فبينما كان البلاستيك النقي قادراً على التمدد إلى ما يقرب من خمسة أضعاف طوله الأصلي قبل أن ينقطع، تمدد المزيج الذي يحتوي على أكبر كمية من HPS إلى أقل من ثلث تلك المسافة. وعند النظر عن كثب إلى الأسطح المكسورة تحت مجهر قوي، رأى الفريق أن البلاستيك النقي كان له بنية ضيقة ومتماسكة. وفي المقابل، أظهرت المزيجات مع HPS ثقوباً أو فجوات صغيرة داكنة، مما يشرح أن المادتين لم تندمجا تماماً في مادة واحدة سلسة. وهذه الفجوات، جنباً إلى جنب مع المساحة المتزايدة بين سلاسل البلاستيك، فسرت سبب جعل المادة أكثر نعومة وأقل قدرة على تحمل الأحمال الثقيلة.

كما درست الدراسة كيفية سلوك البلاستيك تحت تأثير الحرارة. فعند التسخين، ينصهر البولي إيثيل_عالي الكثافة النقي عند درجة حرارة محددة، لكن إضافة HPS خفضت درجة انصهاره قليلاً، مما يجعل المادة جاهزة للتشكيل عند درجة حرارة أقل. ومن المثير للاهتمام أن المكون النباتي بدا وكأنه يشجع البلاستيك على بدء تكوين بنيته البلورية عند درجة حرارة أعلى قليلاً أثناء تبريده. وبالرغم من هذه التحولات، ظلت كمية البنية البلورية داخل البلاستيك ثابتة إلى حد كبير، مما يعني أن الطبيعة الأساسية للبولي إيثيلين عالي الكثافة قد تم الحفاظ عليها حتى مع تليينها. ومع ذلك، تعرضت مقاومة الحرارة للمادة لضربة؛ حيث استطاع البلاستيك النقي تحمل درجات حرارة تصل إلى أكثر من 400 درجة مئوية قبل أن يبدأ في التحلل، لكن المزيج الذي يحتوي على أكبر كمية من HPS بدأ في التحلل عند درجة حرارة أقل بكثير، بانخفاض تجاوز 100 درجة. ويشير هذا إلى أنه بينما يجعل المكون الجديد البلاستيك أسهل في الصهر والتشكيل، فإنه أيضاً يجعل المنتج النهائي أكثر حساسية للحرارة العالية.

أخيراً، استخدم الباحثون تقنية تحلل الضوء الذي تمتصه المادة للتحقق من وجود أي تفاعلات كيميائية بين البولي إيثيلين عالي الكثافة ومشتق زيت النخيل. وأظهرت النتائج عدم تشكل أي روابط كيميائية جديدة؛ حيث كانت المادتان تقعان جنباً إلى جنب ببساطة، وتتفاعلان فيزيائياً بدلاً من التفاعل كيميائياً. وأكد هذا أن HPS عمل كملدن حقيقي، حيث يعمل عن طريق الفصل الفيزيائي لسلاسل البلاستيك بدلاً من تغييرها كيميائياً. وتخلص الدراسة إلى أن هيدروكسيلات دهن النخيل هي خيار حيوي وقابل للاستخدام لجعل البولي إيثيلين عالي الكثافة أسهل في المعالجة، مما يقلل بشكل كبير من الطاقة اللازمة لصهر وخلط البلاستيك. وبينما يؤدي ذلك إلى إضعاف المادة وتقليل مقاومتها للحرارة، فإن النتائج تقدم مساراً واضحاً نحو إنشاء مزيج بلاستيكي أكثر استدامة، شريطة أن يجد العمل المستقبلي طرقاً لتحسين مدى اندماج المكون النباتي مع البلاستيك الاصطناعي للحفاظ على القوة.