Bioplastics – de toekomst van de kunststofindustrie

Zonder moderne kunststoffen zou een dergelijke grote ontwikkeling in de auto-, ruimtevaart- en medische industrie niet mogelijk zijn. De meeste kunststoffen worden geproduceerd als resultaat van de verwerking van niet-hernieuwbare basisgrondstof – ruwe olie – en zijn niet biologisch afbreekbaar, wat hun grootste nadeel is. Vanuit een mondiaal perspectief gezien leidt de voortdurende exploitatie van ruwe olie rechtstreeks tot de uitputting van zijn hulpbronnen. Dit is een aanzienlijk probleem, hoewel op dit moment niet zo merkbaar als het probleem van de hoeveelheid afval die ontstaat na het gebruik van kunststoffen . U moet zich ervan bewust zijn dat hun ontbindingstijd in de natuurlijke omgeving tot meerdere generaties kan oplopen.

Afvalprobleem – wat zijn de statistieken?

Onderzoek wijst uit dat 75%van de kunststoffen die sinds het begin van hun productie op de markt zijn gebracht, al afval zijn geworden. Dit is 6,3 miljard ton , waarvan minder dan 10%is gerecycled en 12%is onderworpen aan energierecuperatie. Dit betekent dat ongeveer 5 miljard ton plastic wordt verzameld op stortplaatsen , maar ook wordt weggegooid in bossen, wateren, stranden en illegale stortplaatsen verspreid over de hele wereld. Het is het afval dat in het mariene milieu voorkomt dat de grootste impact heeft op het natuurlijke milieu en de mens. Momenteel is het grootste probleem het gemeentelijk afval, inclusief eenmalige verpakkingen . Hoewel het ongeveer 8%van het totale gewicht van al het afval uitmaakt, neemt het vanwege het lage soortelijk gewicht een aanzienlijk volume in beslag, namelijk bijna 30%van het volume van al het afval. Deze groep omvat voornamelijk flessen van polyethyleentereftalaat (PET) en boodschappentassen, ontbijtzakken of folieverpakkingen van polyethyleen (PE) of polypropyleen (PP). De grootste ontvanger van verpakkingen is de voedingsindustrie , die ongeveer 60%van alle verpakkingen verbruikt.

Een ecologisch alternatief – bioplastics

Vanwege het groeiende probleem met het beheer van plastic afval, wordt er onderzoek gedaan naar de ontwikkeling van nieuwe biologisch afbreekbare polymere materialen , in de volksmond bioplastics genoemd. Dergelijke materialen dienen bruikbare eigenschappen te hebben die vergelijkbaar zijn met die verkregen met conventionele methoden. Ze worden op industriële schaal gewonnen uit zowel hernieuwbare als petrochemische grondstoffen. Vergeleken met traditionele kunststoffen geproduceerd uit fossiele bronnen, hebben biokunststoffen een aantal waardevolle voordelen. Ten eerste zorgen ze ervoor dat grondstoffen worden bespaard door het gebruik van cyclisch vernieuwende biomassa. Bovendien zijn de productie en het gebruik ervan CO2-neutraal, wat betekent dat de verwerking ervan niet bijdraagt aan de productie van kooldioxide. Bovendien zijn sommige soorten bioplastic biologisch afbreekbaar.

Welke soorten bioplastics zijn er?

Afhankelijk van de herkomst en biologische afbreekbaarheid kunnen bioplastics in drie groepen worden verdeeld:

• kunststoffen afgeleid van hernieuwbare grondstoffen , maar niet biologisch afbreekbaar – bijv. polyamide (PA), polyethyleentereftalaat (PET),

• biologisch afbreekbare kunststoffen , maar niet van hernieuwbare grondstoffen – bijv. 1,4-butyleen 1,4-butyleen 1,4-butadieentereftalaat (PBAT) of polycaprolacton (PCL),

• biobased materialen afgeleid van hernieuwbare grondstoffen (biologisch afbreekbare polymeren), biologisch afbreekbaar – bijv. polylactide, dwz materiaal op basis van polymelkzuur (PLA), polyglycolide op basis van glycolzuur (PGA) of gemodificeerd zetmeel.

Van de bovengenoemde materialen wordt de dominante rol gespeeld door PLA (polylactide), dat kwantitatief goed is voor ongeveer 40%van alle biologisch afbreekbare polymeren. Het wordt vaak ‘dubbel groen’ genoemd omdat het zowel biologisch afbreekbaar is als afgeleid van hernieuwbare grondstoffen. Polylactide is een polymeer met eigenschappen die vergelijkbaar zijn met polystyreen, omdat het stijf en bros is. Het wordt gekenmerkt door een glasovergangstemperatuur van ca. 57°C en een smeltpunt in het bereik van 170-180°C. Het heeft ook goede sterkte-eigenschappen (60 MPa-sterktemodule).

Waar worden biologisch afbreekbare biobased materialen gebruikt?

Een groep biobased plastics op basis van biologisch afbreekbare polymeren vond toepassing in twee gebieden. De eerste is een zeer gespecialiseerde tak van geneeskunde en tissue engineering , waar dit soort kunststoffen wordt gebruikt om onder meer bioresorbeerbare chirurgische draden, beugels, clips, implantaten, capsules voor gecontroleerde dosering van medicijnen, enz. te produceren. Het tweede gebied is met betrekking tot massaproductie van verpakkingen, folies voor voedingsproducten, dieptrekfolies, afvalzakken, trays, bekers, flessen, bestek, tuinfolies, wegwerpproducten, interieurelementen, papiercoatingmaterialen en voor bedrukking. Vervanging van verpakkingen die zijn geproduceerd uit conventionele kunststoffen door biologisch afbreekbare substituten maakt deel uit van de trend van de economie van duurzame ontwikkeling en vermindering van afval.

Nadelen van bioplastics

Ondanks vele voordelen, moet er rekening mee worden gehouden dat biologisch afbreekbare polymeermaterialen ook nadelen hebben die hun wijdverbreide gebruik beperken. Om deze reden verliezen ze op veel gebieden nog steeds van hun niet-biologisch afbreekbare tegenhangers. Ten eerste zijn biologisch afbreekbare bioplastics duurder dan die momenteel op de markt zijn, al is het vermeldenswaard dat hun prijs voortdurend daalt . Er wordt voorspeld dat het in de komende jaren gelijk kan zijn aan de prijs van klassieke polymeermaterialen van petrochemische oorsprong. Veel van deze materialen zijn inferieur aan conventionele materialen, ook in termen van mechanische eigenschappen, dwz ze zijn te bros of stijf of ze hebben een te lage treksterkte. Door het veelvuldige gebruik van deze materialen voor de productie van voedselverpakkingen zijn ook geschikte barrière-eigenschappen vereist. Ze zijn belangrijk vanwege de doorlaatbaarheid van zuurstof, kooldioxide en waterdamp, die het verpakte product nadelig kunnen beïnvloeden. Bovendien zijn ze, vanwege de gevoeligheid van biologisch afbreekbare polymeren voor hitte, vochtigheid en schuifspanningen, veeleisender in het productieproces dan hun niet-biologisch afbreekbare tegenhangers. Om deze redenen kunnen bioplastics al gedeeltelijk worden afgebroken in het stadium van de verwerking. De genoemde nadelen van biologisch afbreekbare polymere materialen vormen de basis voor onderzoek op het gebied van het verbeteren van hun eigenschappen of het beperken van ongunstige functionele eigenschappen.

Additieven die de eigenschappen van biologisch afbreekbare kunststoffen wijzigen

Bioplastics bevatten naast polymeren ook andere materialen en additieven die samen de verwerkingsmogelijkheden en de uiteindelijke producteigenschappen bepalen. Dit kunnen additieven zijn die worden gebruikt om materialen te stabiliseren, pigmenten, verschillende vulstoffen of weekmakende additieven ( weekmakers ). Hoewel weekmakende additieven een klein percentage van alle componenten in het plastic vertegenwoordigen, is het voor biologisch afbreekbare kunststoffen uitermate belangrijk dat ze ook allemaal biologisch afbreekbaar zijn. Additieven die tijdens de verwerking worden geïntroduceerd, veranderen de structuur van het biopolymeer niet, maar reageren alleen met de structuur ervan. Hierdoor veranderen de fysisch-chemische eigenschappen van de materialen, waardoor de producten de gewenste bruikbare eigenschappen krijgen. Parallel aan de dynamische ontwikkeling van bioplastics voor specialistische verpakkingen, is er een groeiende behoefte aan weekmakeradditieven die compatibel zijn met biologisch afbreekbare polymeren en die de kunststoffen de gewenste eigenschappen geven.

Nieuw bio-project in de PCC Group

Als resultaat van gezamenlijk werk van onderzoeksafdelingen van PCC MCAA en PCC Exol wordt een nieuwe productgroep ontwikkeld als onderdeel van het CITREX-project. Dit zijn plastificeerproducten voor speciale verpakkingen, films, voedsellaminaten , maar ook voor potentieel gebruik bij de productie van speelgoed. Het ontwikkelen van producten die voldoen aan de eisen van de markt en tegelijkertijd een productinnovatie zijn, is een grote onderzoeksuitdaging. Zowel de synthese van dergelijke producten als hun toepassing vereisen grondige erkenning op vele gebieden, waaronder die met betrekking tot het synthesepad, analysemethoden, mogelijke toepassingen en informatie over consumenten en concurrenten op de doelmarkt. Het basisdoel van het project is dan ook niet alleen het ontwikkelen van weekmakende additieven, maar vooral het verwerven van kennis over de eigenschappen en toepassingen van deze producten.

Eisen aan weekmakers voor bioplastics

De belangrijkste criteria waaraan moet worden voldaan door weekmakende additieven voor biologisch afbreekbare polymeren zijn:

• geen weekmakermigratie uit bioplastics onder invloed van hoge temperatuur en bewaartijd

Het verminderen van de migratie van plastic additieven is een belangrijk aspect bij het ontwikkelen van hun structuren. Het fenomeen van migratie kan in de volksmond worden gedefinieerd als de "lekkage" van plastic weekmaker. In het geval van een afgewerkt product kan dit leiden tot verlies van materiaaleigenschappen en verslechtering van de esthetiek – verkleuring van het product of vervorming van de vorm.

In de praktijk kan de migratie worden beperkt door het juiste molecuulgewicht van de weekmaker (zijn massa) aan te passen en zijn chemische structuur te wijzigen in een meer vertakte of lineaire.

• biologische afbreekbaarheid

Het aan de bioplastic toegevoegde weekmakeradditief moet voldoen aan het criterium van biologische afbreekbaarheid. Dit betekent dat het gemakkelijk een natuurlijk afbraakproces moet ondergaan, bijvoorbeeld door compostering, waarbij geen schadelijke stoffen ontstaan. Een van de manieren om de biologische afbreekbaarheid van producten te vergroten is het gebruik van grondstoffen van natuurlijke oorsprong, zoals carbonzuren en andere biologisch afbreekbare grondstoffen in de chemische synthese.

De hierboven beschreven criteria hebben betrekking op zowel de wijziging van de chemische structuur als de keuze van de gebruikte grondstoffen, terwijl het juiste molecuulgewicht van de te synthetiseren verbinding behouden blijft. Hun vervulling is een enorme onderzoeksuitdaging vanuit het oogpunt van het ontwerpen van geschikte weekmakende additieven en het uitvoeren van hun synthese. Daarom vereist de uitvoering van het project veel laboratoriumtests om verbindingen van herhaalbare kwaliteit en structuur te verkrijgen.

Innovatie van de producten die worden ontwikkeld

De aantrekkelijkheid van het nieuwe product op de markt vloeit ook voort uit zijn innovativiteit . De binnen het CITREX-project ontwikkelde weekmakeradditieven worden gekenmerkt door een innovatieve combinatie van natuurlijke carbonzuren (amber en citroenzuur), polyolen geproduceerd door PCC Rokita en laurylalcohol die in cosmetische producten worden gebruikt, en zijn daarom niet-toxisch. Tegelijkertijd hebben de vervaardigde producten een strikt gedefinieerd molecuulgewicht, dat bedoeld is om de migratie van additieven uit het eindproduct te beperken. Het belangrijkste doel bij het ontwerpen van nieuwe moleculaire structuren was om zo’n molecuul te creëren dat zou interageren met het biopolymeer in bioplastics (volgens het "like attracts like"-principe), wat ook een impact heeft op het verminderen van het migratieproces en zal bijdragen aan voldoen aan de eisen voor weekmakende additieven. Het verkrijgen van een laboratoriummonster van het product is de eerste, voorbereidende fase van het onderzoek dat wordt uitgevoerd als onderdeel van het CITREX-project. Tegelijkertijd is het het begin van de volgende fase, namelijk het testen van de applicatie-eigenschappen van de gegeven producten. Een grondig onderzoek van de eigenschappen van deze producten vormt de basis bij de selectie van de beoogde toepassingen.

De toekomst van de bioplastics-markt

De markt voor bioplastics en bio-additieven is zeker een veelbelovende en snelgroeiende markt, wat vooral de laatste tijd merkbaar is. Dit komt onder meer door het vergroten van het bewustzijn van de consument over de negatieve impact van kunststoffen op het milieu . Bewuste consumenten wenden zich steeds meer tot ecologische vervangers voor verpakkingen en wegwerpproducten gemaakt van conventionele kunststoffen. Hierdoor stijgt de vraag naar verschillende elementen van bioplastics, zoals containers of bestek van PLA, voortdurend.