Bioplasty – budoucnost plastikářského průmyslu

Bez moderních plastů by tak velký rozvoj v automobilovém, leteckém a zdravotnickém průmyslu nebyl možný.

Většina plastů vzniká zpracováním 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 být vědomi toho, že doba jejich rozkladu v přirozeném prostředí může být až několik generací.

Problém odpadů – jaké jsou statistiky?

Výzkumy ukazují, 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 je shromážděno na skládkách , ale také vyhozeno do lesů, vod, pláží a nelegálních skládek roztroušených po celém světě. Právě odpady, které se vyskytují v mořském prostředí, mají největší dopad na přírodní prostředí a člověka.

V současné době 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. V průmyslovém měřítku se získávají z obnovitelných i petrochemických surovin.

Ve srovnání s tradičními plasty vyráběnými 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 druhu plastů vyrábí takové prvky, jako jsou bioresorbovatelné chirurgické nitě, rovnátka, klipy, implantáty, kapsle pro řízené dávkování léků atd. Druhá oblast se týká hromadné výroby obalů, fólií věnovaných potravinářským výrobkům, termoformovacích fólií, odpadových sáčků, tácků, kelímků, lahví, potahových materiálů pro interiéry a jednorázových designů, potisků. Nahrazování obalů vyrobených z konvenčních plastů biologicky rozložitelnými 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 oproti konvenčním materiálům horší i 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 i odpovídající bariérové ​​vlastnosti . Jsou důležité z důvodu propustnosti kyslíku, oxidu uhličitého a vodní páry, které mohou nepříznivě ovlivnit balený produkt.

Kromě toho jsou kvůli citlivosti biodegradabilních polymerů na teplo, vlhkost a smykové namáhání 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 zlepšení 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. To mění fyzikálně-chemické vlastnosti materiálů a dává 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 v rámci projektu CITREX vyvíjena nová produktová skupina. 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.

Přečtěte si více o přísadách do polymerů .

Požadavky na změkčovadla pro bioplasty

Klíčová kritéria, která musí plastifikační přísady určené pro biologicky odbouratelné 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 cest, 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 vztahují jak na úpravu chemické struktury, tak na výběr 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 produktech, 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 také vliv na omezení migračního procesu a přispěje ke splnění požadavků na plastifikační přísady.

Získání laboratorního vzorku produktu je první, předstupeň výzkumu realizovaného 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.