Bioplasty – budoucnost plastikářského průmyslu

Bez moderních plastů by tak velký rozvoj v automobilovém, leteckém a lékařském průmyslu nebyl možný. Většina plastů vzniká jako výsledek zpracování základní neobnovitelné suroviny – ropy – a nejsou biologicky rozložitelné, což je jejich hlavní nevýhoda. Při pohledu z globální perspektivy vede neustálá těžba ropy přímo k vyčerpání jejích zdrojů. Jde o významný problém, i když v současnosti ne tak nápadný jako problém množství odpadu vznikajícího po použití plastů . Měli byste si uvědomit, že doba jejich rozkladu v přirozeném prostředí může být až několik generací.

Problém odpadů – jaké jsou statistiky?

Výzkum ukazuje, že 75 %plastů, které byly uvedeny na trh od začátku jejich výroby, se již stalo odpadem. To je 6,3 miliardy tun , z nichž méně než 10 %bylo recyklováno a 12 %podrobeno energetickému využití. To znamená, že přibližně 5 miliard tun plastů se shromáždí na skládkách , ale také se vyhodí do lesů, vod, pláží a nelegálních skládek roztroušených po celém světě. Právě odpad, který se vyskytuje v mořském prostředí, má největší dopad na přírodní prostředí a člověka. V současnosti je největším problémem komunální odpad včetně jednorázových obalů . Přestože tvoří přibližně 8 %celkové hmotnosti veškerého odpadu, vzhledem k nízké měrné hmotnosti zaujímá značný objem, který tvoří téměř 30 %objemu veškerého odpadu. Do této skupiny patří především lahve z polyethylentereftalátu (PET) a nákupní tašky, snídaňové sáčky nebo fóliové obaly z polyethylenu (PE) nebo polypropylenu (PP). Největším příjemcem obalů je potravinářský průmysl , který spotřebuje asi 60 %všech obalů.

Ekologická alternativa – bioplasty

Vzhledem k rostoucím problémům s nakládáním s plastovým odpadem probíhá výzkum s cílem vyvinout nové biologicky odbouratelné polymerní materiály , hovorově označované jako bioplasty . Takové materiály by měly mít užitečné vlastnosti srovnatelné s vlastnostmi získanými konvenčními metodami. Získávají se v průmyslovém měřítku z obnovitelných i petrochemických surovin. Ve srovnání s tradičními plasty vyrobenými z fosilních zdrojů mají bioplasty řadu cenných výhod. V prvé řadě umožňují úsporu surovin díky využití cyklicky se obnovující biomasy. Jejich výroba a použití jsou navíc uhlíkově neutrální, což znamená, že jejich zpracování nepřispívá k produkci oxidu uhličitého. Některé typy bioplastů jsou navíc biologicky rozložitelné.

Jaké jsou druhy bioplastů?

Bioplasty lze rozdělit do tří skupin podle zdroje původu a biologické rozložitelnosti:

• plasty získané z obnovitelných surovin , ale biologicky nerozložitelné – např. polyamid (PA), polyethylentereftalát (PET),

• biologicky odbouratelné plasty , nikoli však z obnovitelných surovin – např. 1,4-butylen 1,4-butylen 1,4-butadien tereftalát (PBAT) nebo polykaprolakton (PCL),

• biomateriály odvozené z obnovitelných surovin (biodegradabilní polymery), biologicky odbouratelné – např. polylaktid, tj. materiál na bázi kyseliny polymléčné (PLA), polyglykolid na bázi kyseliny glykolové (PGA) nebo modifikovaný škrob.

Z výše uvedených materiálů hraje dominantní roli PLA (polylaktid), který kvantitativně tvoří přibližně 40 %všech biodegradabilních polymerů. Často se nazývá „double green“, protože je biologicky rozložitelný a získává se z obnovitelných surovin. Polylaktid je polymer s vlastnostmi podobnými polystyrenu, protože je tuhý a křehký. Vyznačuje se teplotou skelného přechodu cca. 57 °C a bod tání v rozmezí 170-180 °C. Má také dobré pevnostní vlastnosti (modul pevnosti 60 MPa).

Kde se používají biologicky odbouratelné materiály na biologické bázi?

Skupina bioplastů na bázi biologicky odbouratelných polymerů našla uplatnění ve dvou oblastech. První z nich je vysoce specializovaný obor medicíny a tkáňového inženýrství , kde se z tohoto typu plastů vyrábí takové prvky, jako jsou bioresorbovatelné chirurgické nitě, rovnátka, klipy, implantáty, kapsle pro řízené dávkování léků apod. Druhou oblastí je související s hromadnou výrobou obalů, fólie určené pro potravinářské výrobky, termoformovací fólie, odpadové sáčky, tácy, kelímky, lahve, příbory, zahradní fólie, jednorázové výrobky, prvky interiérového designu, potahové hmoty na papír a pro potisk. Nahrazování obalů vyrobených z konvenčních plastů biodegradabilními náhražkami je součástí trendu ekonomiky udržitelného rozvoje a snižování odpadů.

Nevýhody bioplastů

Navzdory mnoha výhodám je třeba mít na paměti, že biologicky odbouratelné polymerní materiály mají také nevýhody, které omezují jejich široké použití. Z tohoto důvodu stále v mnoha oblastech prohrávají se svými biologicky nerozložitelnými protějšky. Za prvé, biodegradabilní bioplasty jsou dražší než ty, které jsou v současnosti na trhu, i když stojí za zmínku, že jejich cena neustále klesá . Předpokládá se, že v příštích letech se může vyrovnat ceně klasických polymerních materiálů petrochemického původu. Mnohé z nich jsou horší než běžné materiály také z hlediska mechanických vlastností, tj. jsou příliš křehké nebo tuhé nebo mají příliš nízkou pevnost v tahu. Vzhledem k častému používání těchto materiálů pro výrobu potravinových obalů jsou vyžadovány také odpovídající bariérové vlastnosti . Jsou důležité z důvodu propustnosti kyslíku, oxidu uhličitého a vodní páry, které mohou nepříznivě ovlivnit balený produkt. Navíc, vzhledem k citlivosti biodegradabilních polymerů na teplo, vlhkost a smykové namáhání, jsou náročnější ve výrobním procesu než jejich biologicky nerozložitelné protějšky. Z těchto důvodů mohou být bioplasty částečně degradovány již ve fázi zpracování. Uvedené nevýhody biodegradabilních polymerních materiálů jsou základem pro výzkum v oblasti zlepšování jejich vlastností nebo omezení nepříznivých funkčních vlastností.

Aditiva upravující vlastnosti biodegradabilních plastů

Bioplasty obsahují kromě polymerů i další materiály a přísady, které společně určují možnosti zpracování a vlastnosti finálního produktu. Mohou to být přísady používané ke stabilizaci materiálů, pigmenty, různá plniva nebo plastifikační přísady ( plastifikátory ). Přestože plastifikační přísady představují malé procento všech složek v plastu, pro biologicky rozložitelné plasty je nesmírně důležité, aby všechny byly také biologicky rozložitelné. Aditiva zaváděná během zpracování nemění strukturu biopolymeru, ale pouze reagují s jeho strukturou. Tím se mění fyzikálně-chemické vlastnosti materiálů a dodávají produktům požadované užitné vlastnosti. Souběžně s dynamickým rozvojem bioplastů určených pro speciální obaly roste potřeba plastifikačních přísad, které budou kompatibilní s biodegradabilními polymery a dodají plastům požadované vlastnosti.

Nový bioprojekt ve skupině PCC

Výsledkem společné práce výzkumných oddělení PCC MCAA a PCC Exol je vývoj nové produktové skupiny v rámci projektu CITREX. Jedná se o plastifikační produkty určené pro speciální obaly, fólie, potravinářské lamináty , ale také potenciální využití při výrobě hraček. Vývoj produktů splňujících požadavky trhu a zároveň produktové inovace je velkou výzkumnou výzvou. Syntéza takových produktů i jejich aplikace vyžadují důkladné uznání v mnoha oblastech, včetně těch, které se týkají cesty syntézy, metod analýzy, možných aplikací a informací o spotřebitelích a konkurentech na cílovém trhu. Základním cílem projektu je proto nejen vývoj plastifikačních přísad, ale především získání znalostí o vlastnostech a aplikacích těchto produktů.

Požadavky na změkčovadla pro bioplasty

Klíčová kritéria, která musí plastifikační přísady určené pro biodegradovatelné polymery splňovat, jsou:

• žádná migrace změkčovadla z bioplastů vlivem vysoké teploty a doby skladování

Snížení migrace plastových přísad je klíčovým aspektem při vývoji jejich struktur. Fenomén migrace lze hovorově definovat jako „únik“ plastifikátoru. V případě hotového výrobku může dojít ke ztrátě vlastností materiálu a zhoršení jeho estetiky – odbarvení výrobku nebo deformace jeho tvaru.

V praxi lze migraci omezit úpravou vhodné molekulové hmotnosti změkčovadla (jeho hmotnosti) a úpravou jeho chemické struktury směrem k rozvětvenější nebo lineárnější.

• biologická rozložitelnost

Plastifikační přísada přidaná do bioplastu musí splňovat kritérium biologické rozložitelnosti. To znamená, že by měl snadno projít přirozeným procesem rozkladu, např. kompostováním, při kterém nedochází k tvorbě škodlivých látek. Jednou z možností, jak zvýšit biologickou rozložitelnost produktů, je použití surovin přírodního původu, jako jsou karboxylové kyseliny a další biologicky rozložitelné suroviny v chemické syntéze.

Výše popsaná kritéria se týkají jak modifikace chemické struktury, tak výběru použitých surovin při zachování vhodné molekulové hmotnosti syntetizované sloučeniny. Jejich naplnění je obrovskou výzkumnou výzvou z hlediska navrhování vhodných plastifikačních přísad a provádění jejich syntézy. Realizace projektu proto vyžaduje mnoho laboratorních testů k získání sloučenin opakovatelné kvality a struktury.

Inovace vyvíjených produktů

Atraktivita nového produktu na trhu vyplývá i z jeho inovativnosti . Plastifikační přísady vyvinuté v rámci projektu CITREX se vyznačují inovativní kombinací přírodních karboxylových (jantarových a citrónových) biokyselin, polyolů vyráběných PCC Rokita a laurylalkoholu používaného v kosmetických přípravcích, a proto netoxické. Vyráběné produkty mají zároveň přesně definovanou molekulovou hmotnost, která má omezit migraci aditiv z finálního produktu. Hlavním cílem při návrhu nových molekulárních struktur bylo vytvořit takovou molekulu, která by interagovala s biopolymerem obsaženým v bioplastech (na principu „podobné přitahuje podobné“), což má rovněž vliv na snížení migračního procesu a přispěje k splňující požadavky na plastifikační přísady. Získání laboratorního vzorku produktu je první, předběžnou fází výzkumu prováděného v rámci projektu CITREX. Zároveň je to začátek další etapy, kterou je testování aplikačních vlastností daných produktů. Důkladné prověření vlastností těchto produktů je základem pro výběr cílených aplikací.

Budoucnost trhu s bioplasty

Trh s bioplasty a bioaditivy je jistě perspektivním a rychle rostoucím trhem, což je zvláště patrné v poslední době. Důvodem je mimo jiné rostoucí povědomí spotřebitelů o negativním dopadu plastů na životní prostředí . Uvědomělí spotřebitelé se stále více obracejí k ekologickým náhražkám obalů a jednorázových výrobků z konvenčních plastů. V důsledku toho neustále roste poptávka po různých prvcích vyrobených z bioplastů, jako jsou nádoby nebo příbory vyrobené z PLA.