Bioplastics – de toekomst van de kunststofindustrie

Zonder moderne kunststoffen zou een dergelijke grote ontwikkeling in de automobiel-, lucht- en ruimtevaart- en medische industrie niet mogelijk zijn.

De meeste kunststoffen worden geproduceerd als resultaat van de verwerking van basis niet-hernieuwbare grondstoffen – ruwe olie – en zijn niet biologisch afbreekbaar, wat hun grootste nadeel is. Vanuit een wereldwijd perspectief gezien leidt de voortdurende exploitatie van ruwe olie rechtstreeks tot de uitputting van de hulpbronnen. Dit is een aanzienlijk probleem, hoewel op dit moment niet zo opvallend als het probleem van de hoeveelheid afval die wordt gegenereerd 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 geeft aan 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 energieterugwinning. Dit betekent dat ongeveer 5 miljard ton aan kunststoffen 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 ontstaat dat de grootste impact heeft op het natuurlijke milieu en de mens.

Op dit moment is het grootste probleem gemeentelijk afval, inclusief eenmalige verpakkingen . Hoewel het ongeveer 8%van het totale gewicht van al het afval uitmaakt, neemt het vanwege het lage soortelijke 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 voedingsmiddelenindustrie , 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 polymeermaterialen , in de volksmond bioplastics genoemd. Dergelijke materialen zouden nuttige eigenschappen moeten hebben die vergelijkbaar zijn met die verkregen door conventionele methoden. Ze worden op industriële schaal verkregen uit zowel hernieuwbare als petrochemische grondstoffen.

Vergeleken met traditionele kunststoffen die uit fossiele bronnen worden geproduceerd, hebben bioplastics een aantal waardevolle voordelen. Ten eerste maken ze het mogelijk om grondstoffen te besparen dankzij het gebruik van cyclisch hernieuwbare biomassa. Bovendien zijn hun productie en gebruik koolstofneutraal, wat betekent dat hun verwerking niet bijdraagt ​​aan de productie van koolstofdioxide. Bovendien zijn sommige soorten bioplastic biologisch afbreekbaar.

Welke soorten bioplastics zijn er?

Bioplastics kunnen worden onderverdeeld in drie groepen, afhankelijk van de bron van herkomst en de biologische afbreekbaarheid:

• kunststoffen die afkomstig zijn van hernieuwbare grondstoffen , maar niet biologisch afbreekbaar zijn – bijvoorbeeld polyamide (PA), polyethyleentereftalaat (PET),

• biologisch afbreekbare kunststoffen , maar niet uit hernieuwbare grondstoffen – bijvoorbeeld 1,4-butyleen 1,4-butyleen 1,4-butadieen tereftalaat (PBAT) of polycaprolacton (PCL),

• biogebaseerde materialen afgeleid van hernieuwbare grondstoffen (biologisch afbreekbare polymeren), biologisch afbreekbaar – bijv. polylactide, d.w.z. 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 ‘dubbelgroen’ genoemd omdat het zowel biologisch afbreekbaar is als afkomstig is 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 ongeveer 57°C en een smeltpunt in het bereik van 170-180°C. Het bezit ook goede sterkte-eigenschappen (sterktemodule van 60 MPa).

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 de geneeskunde en weefseltechnologie , waar dit type plastic wordt gebruikt om elementen te produceren zoals biologisch afbreekbare chirurgische draden, beugels, clips, implantaten, capsules voor gecontroleerde dosering van medicijnen, enz. Het tweede gebied is gerelateerd aan massaproductie van verpakkingen, folies voor voedingsproducten, thermoformfolies, afvalzakken, trays, bekers, flessen, bestek, tuinfolies, wegwerpproducten, interieurontwerpelementen, papiercoatingmaterialen en voor bedrukking. Vervanging van verpakkingen geproduceerd uit conventionele kunststoffen door biologisch afbreekbare vervangers maakt deel uit van de trend van de economie van duurzame ontwikkeling en vermindering van afval.

Nadelen van bioplastics

Ondanks de vele voordelen moet eraan worden herinnerd 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. Allereerst zijn biologisch afbreekbare bioplastics duurder dan die welke momenteel op de markt zijn, hoewel het vermeldenswaard is dat hun prijs voortdurend daalt . Er wordt voorspeld dat deze in de komende jaren gelijk kan zijn aan de prijs van klassieke polymeermaterialen van petrochemische oorsprong. Veel van hen zijn ook qua mechanische eigenschappen inferieur aan conventionele materialen, dwz ze zijn te bros of stijf of ze hebben een te lage treksterkte.

Vanwege het frequente gebruik van deze materialen voor de productie van voedselverpakkingen zijn ook geschikte barrière-eigenschappen vereist. Ze zijn belangrijk vanwege de permeabiliteit van zuurstof, koolstofdioxide en waterdamp, wat een negatief effect kan hebben op het verpakte product.

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 biokunststoffen al gedeeltelijk worden afgebroken in de fase van de verwerking. De genoemde nadelen van biologisch afbreekbare polymere materialen vormen de basis voor het uitvoeren van onderzoek op het gebied van het verbeteren van hun eigenschappen of het beperken van ongunstige functionele kenmerken.

Additieven die de eigenschappen van biologisch afbreekbare kunststoffen wijzigen

Bioplastics bevatten, naast polymeren , andere materialen en additieven die samen de verwerkingsmogelijkheden en de eigenschappen van het eindproduct bepalen. Dit kunnen additieven zijn die worden gebruikt om materialen te stabiliseren, pigmenten, verschillende vulstoffen of weekmakers ( weekmakers ). Hoewel weekmakers een klein percentage van alle componenten in het plastic vertegenwoordigen, is het voor biologisch afbreekbare plastics van groot belang dat ze allemaal ook biologisch afbreekbaar zijn. Additieven die tijdens de verwerking worden toegevoegd, veranderen de structuur van het biopolymeer niet, maar reageren alleen met de structuur ervan. Dit verandert de fysisch-chemische eigenschappen van de materialen, waardoor de producten de vereiste bruikbare eigenschappen krijgen.

Parallel aan de dynamische ontwikkeling van bioplastics die zijn gericht op specialistische verpakkingen, is er een groeiende behoefte aan weekmakers die compatibel zijn met biologisch afbreekbare polymeren en de plastics de gewenste eigenschappen geven.

Nieuw bioproject in de PCC Groep

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 plastificerende producten die zijn bedoeld voor speciale verpakkingen, films, voedsellaminaten , maar ook voor potentieel gebruik in de productie van speelgoed. De ontwikkeling 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 een grondige erkenning op veel gebieden, waaronder die met betrekking tot het synthesepad, analysemethoden, mogelijke toepassingen en informatie over consumenten en concurrenten op de doelmarkt. Daarom is het basisdoel van het project niet alleen om plastificerende additieven te ontwikkelen, maar vooral om kennis te vergaren over de eigenschappen en toepassingen van deze producten.

Lees meer over polymeeradditieven .

Eisen aan weekmakers voor bioplastics

De belangrijkste criteria waaraan plastificerende additieven voor biologisch afbreekbare polymeren moeten voldoen, zijn:

• geen migratie van weekmakers uit bioplastics onder invloed van hoge temperatuur en opslagtijd

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 het "lekken" van plastic weekmaker. In het geval van een afgewerkt product kan het resulteren in het verlies van de eigenschappen van het materiaal en verslechtering van de esthetiek ervan – een verkleuring van het product of vervorming van de vorm ervan.

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

• biologische afbreekbaarheid

Het aan het 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 chemische synthese.

De hierboven beschreven criteria hebben betrekking op zowel de modificatie van de chemische structuur als de selectie van 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 plastificerende additieven en het uitvoeren van hun synthese. Daarom vereist de implementatie van het project veel laboratoriumtests om verbindingen van herhaalbare kwaliteit en structuur te verkrijgen.

Innovatie van de te ontwikkelen producten

De aantrekkelijkheid van het nieuwe product op de markt is ook het gevolg van zijn innovativiteit . De binnen het CITREX-project ontwikkelde plastificerende additieven worden gekenmerkt door een innovatieve combinatie van natuurlijke carbonzuur (amber en citroenzuur), polyolen geproduceerd door PCC Rokita en laurylalcohol die wordt gebruikt in cosmetische producten, en zijn daarom niet-toxisch. Tegelijkertijd hebben de vervaardigde producten een strikt gedefinieerd moleculair gewicht, dat bedoeld is om de migratie van additieven uit het eindproduct te beperken. Het hoofddoel bij het ontwerp van nieuwe moleculaire structuren was om een ​​dergelijk molecuul te creëren dat zou interacteren met het biopolymeer dat in bioplastics zit (volgens het principe "gelijk trekt gelijk aan"), wat ook een impact heeft op het verminderen van het migratieproces en zal bijdragen aan het voldoen aan de vereisten voor plastificerende additieven.

Het verkrijgen van een laboratoriummonster van het product is de eerste, voorlopige 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 toepassingseigenschappen 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 bioplasticsmarkt

De markt voor bioplastics en bioadditieven is zeker een veelbelovende en snelgroeiende markt, wat vooral de laatste tijd merkbaar is. Dit komt onder meer door het toenemende bewustzijn van consumenten over de negatieve impact van plastics op het milieu . Bewuste consumenten wenden zich steeds meer tot ecologische vervangers voor verpakkingen en wegwerpproducten van conventionele plastics. Als gevolg hiervan is er een aanhoudende toename in de vraag naar verschillende elementen van bioplastics, zoals containers of bestek van PLA.