Biotworzywa – przyszłość przemysłu tworzyw sztucznych

Znajdujemy je między innymi w artykułach gospodarstwa domowego, sprzęcie sportowym, produktach biurowych, elektronice czy chociażby opakowaniach. Bez nowoczesnych tworzyw sztucznych nie byłby również możliwy tak duży rozwój w branży automotive, przemyśle lotniczym, kosmicznym czy medycynie.

Większość tworzyw sztucznych powstaje w wyniku przerobu podstawowego surowca nieodnawialnego – ropy naftowej – i nie są biodegradowalne, co jest ich zasadniczą wadą. Patrząc z perspektywy globalnej, nieustanna eksploatacja ropy naftowej prowadzi wprost do wyczerpania się jej zasobów. Jest to znaczący problem, choć obecnie jeszcze nie tak bardzo odczuwalny, jak problem ilości odpadów powstających po użytkowaniu tworzyw sztucznych. Należy mieć świadomość, że ich czas rozkładu w środowisku naturalnym może wynosić nawet kilka pokoleń.

Problem zalegających odpadów – jakie są statystyki?

Badania wskazują, że 75% tworzyw sztucznych, które zostały wprowadzone na rynek od chwili rozpoczęcia ich produkcji, stało się już odpadem. To 6,3 mld ton, z których mniej niż 10% zostało poddanych recyklingowi, a 12% odzyskowi energetycznemu. Oznacza to, że około 5 mld ton tworzyw sztucznych jest gromadzonych na składowiskach, ale także zalega w lasach, wodach, plażach i na nielegalnych wysypiskach rozsianych po całym świecie. Właśnie te odpady, które zalegają w środowisku morskim, mają największy wpływ na środowisko naturalne i człowieka.

Obecnie największym problemem są odpady komunalne, a w tym opakowania jednorazowe. Pomimo iż stanowią one około 8% masy wszystkich śmieci, to ze względu na mały ciężar właściwy zajmują znaczną objętość, stanowiąc niemal 30% objętości wszystkich odpadów. Do tej grupy należą przede wszystkim butelki wykonane z poli(tereftalanu etylenu) (PET) oraz torby na zakupy, torebki śniadaniowe czy folie do pakowania przedmiotów i żywności wykonane z polietylenu (PE) lub polipropylenu (PP). Największym odbiorcą opakowań jest przemysł spożywczy, który zużywa około 60% wszystkich opakowań.

Ekologiczna alternatywa – biotworzywa

Ze względu na narastający problem z zagospodarowaniem odpadów z tworzyw sztucznych prowadzone są badania w celu opracowania nowych biodegradowalnych materiałów polimerowych, potocznie określanych jako biotworzywa. Materiały takie powinny wykazywać właściwości użytkowe porównywalne do tworzyw sztucznych otrzymanych metodami konwencjonalnymi. Są one otrzymywane na skalę przemysłową zarówno z surowców odnawialnych, jak i petrochemicznych.

W porównaniu do tradycyjnych tworzyw wytwarzanych ze źródeł kopalnych biotworzywa posiadają szereg cennych zalet. Przede wszystkim pozwalają oszczędzać surowce dzięki wykorzystywaniu cyklicznie odnawiającej się biomasy. Ponadto ich produkcja i zastosowanie są neutralne węglowo, co oznacza, że ich przetwórstwo nie przyczynia się do wzrostu produkcji dwutlenku węgla. Co więcej, niektóre typy biotworzyw ulegają biodegradacji.

Jakie są rodzaje biotworzyw?

Biotworzywa można podzielić na trzy grupy w zależności od źródła pochodzenia oraz zdolności do biodegradacji:

• tworzywa pochodzące z surowców odnawialnych, lecz nie ulegające biodegradacji – np. poliamid (PA), politereftalan etylu (PET),

• tworzywa ulegające biodegradacji, lecz nie pochodzące z surowców odnawialnych – np. poliadypinian 1,4-butylenu-co-tereftalan 1,4-butylenu (PBAT) czy polikaprolakton (PCL),

• biotworzywa pochodzące z surowców odnawialnych (polimerów biodegradowalnych), ulegające biodegradacji – np. polilaktyd, czyli tworzywo na bazie polikwasu mlekowego (PLA), poliglikolid na bazie kwasu glikolowego (PGA) czy też modyfikowana skrobia.

Wśród wymienionych materiałów dominującą rolę odgrywa PLA (polilaktyd), który ilościowo stanowi ok. 40% wszystkich polimerów biodegradowalnych. Często nazywany jest podwójnie zielonym, ponieważ jest zarówno biodegradowalny, jak i otrzymywany z surowców odnawialnych. Polilaktyd to polimer o właściwościach zbliżonych do polistyrenu, gdyż jest sztywny i kruchy. Charakteryzuje się temperaturą zeszklenia ok. 57°C i temperaturą topnienia w zakresie 170–180°C. Wykazuje także dobre właściwości wytrzymałościowe (moduł wytrzymałości 60 MPa).

Gdzie są wykorzystywane biotworzywa biodegradowalne?

Grupa biotworzyw opartych na polimerach biodegradowalnych znalazła zastosowanie w dwóch obszarach. Pierwszy z nich, wysokospecjalistyczny, to gałąź medycyny i inżynierii tkankowej, gdzie wykorzystywane są do produkcji takich elementów, jak bioresorbowalne nici chirurgiczne, klamry, klipsy, implanty, kapsułki do kontrolowanego dozowania leków itp.. Drugi związany jest z produkcją na masową skalę do wytwarzania opakowań, folii dedykowanych do produktów spożywczych, folii do termoformowania, toreb na odpady, tacek, kubków, butelek, sztućców, folii ogrodniczych, produktów jednorazowego użytku, elementów wyposażenia wnętrz, materiałów do powlekania papieru oraz do drukowania. Zastąpienie opakowań produkowanych z konwencjonalnych tworzyw sztucznych przez biodegradowalne zamienniki wpisuje się w trend gospodarki zrównoważonego rozwoju i redukcji odpadów.

Wady biotworzyw

Pomimo wielu zalet, należy pamiętać, że biodegradowalne materiały polimerowe mają także wady, które limitują ich powszechne zastosowanie. Z tego względu ustępują one nadal w wielu zastosowaniach ich odpowiednikom nie ulegającym biodegradacji. Przede wszystkim biodegradowalne biotworzywa są droższe od obecnie występujących na rynku, aczkolwiek warto podkreślić, że ich cena stale maleje. Przewiduje się, że w najbliższych latach może zrównać się z ceną klasycznych tworzyw polimerowych pochodzenia petrochemicznego. Wiele z nich ustępuje konwencjonalnym tworzywom również pod względem właściwości mechanicznych, tj. są zbyt kruche lub sztywne albo mają za małą wytrzymałość na rozciąganie.

Z uwagi na częste wykorzystywanie tych materiałów do wytwarzania opakowań produktów spożywczych wymaga się od nich również odpowiednich właściwości barierowych. Są one istotne ze względu na przenikalność tlenu, dwutlenku węgla i pary wodnej, które mogą niekorzystnie wpływać na zapakowany produkt. Ponadto z uwagi na wrażliwość polimerów biodegradowalnych na ciepło, wilgotność i naprężenia ścinające są one bardziej wymagające w procesie przetwórczym niż ich nie biodegradowalne odpowiedniki. Z tych względów biotworzywa mogą ulegać częściowej degradacji już na etapie procesu przetwórczego. Wymienione wady biodegradowalnych materiałów polimerowych stanowią podstawę prowadzenia prac badawczych w zakresie poprawy ich właściwości lub ograniczenia występujących niekorzystnych cech użytkowych.

Dodatki modyfikujące właściwości tworzyw biodegradowalnych

Biotworzywa zawierają oprócz polimerów inne materiały i substancje dodatkowe, które wspólnie decydują o możliwości przetwarzania i o ostatecznej charakterystyce produktu. Mogą to być dodatki służące do stabilizacji materiałów, pigmenty, różne wypełniacze czy dodatki uplastyczniające (plastyfikatory). Chociaż dodatki plastyfikujące stanowią niewielki procent wszystkich składników w tworzywie, niezmiernie istotne dla biodegradowalnych tworzyw jest, aby wszystkie one również były biodegradowalne. Dodatki wprowadzane w trakcie procesów przetwórstwa nie wpływają na zmianę struktury biopolimeru, a jedynie oddziałują z jego strukturą. Powoduje to zmianę właściwości fizykochemicznych materiałów, nadając produktom wymagane właściwości użytkowe.

Równolegle z dynamicznym rozwojem biotworzyw dedykowanych do opakowań specjalistycznych, rośnie zapotrzebowanie na dodatki plastyfikujące, które będą kompatybilne z biodegradowalnymi polimerami oraz nadadzą tworzywom pożądane właściwości.

Nowy bio-projekt w Grupie PCC

W wyniku wspólnych prac działów badawczych spółek PCC MCAA i PCC Exol w ramach projektu CITREX rozwijana jest nowa grupa produktowa. Są to produkty plastyfikujące dedykowane do opakowań specjalistycznych, folii, laminatów do żywności, ale również o potencjalnym zastosowaniu w zabawkach. Opracowanie produktów odpowiadających wymaganiom rynkowym i jednocześnie stanowiących innowację produktową stanowi duże wyzwanie badawcze. Zarówno synteza takich produktów, jak i ich aplikacja, wymagają dokładnego rozpoznania w wielu obszarach, między innymi dotyczących ścieżki syntezy, metod analizy, możliwych aplikacji oraz informacji na temat konsumentów i konkurentów na rynku docelowym. Zatem podstawowym celem projektu jest nie tylko opracowanie samych dodatków plastyfikujących, ale przede wszystkim zdobycie wiedzy z obszaru właściwości i aplikacji tych produktów.

Wymagania dotyczące dodatków plastyfikujących do biotworzyw

Kluczowe kryteria, jakie muszą spełnić dodatki plastyfikujące dedykowane do polimerów biodegradowalnych, to:

• brak migracji plastyfikatora z biotworzywa pod wpływem wysokiej temperatury oraz czasu przechowywania.

Ograniczenie migracji dodatków z tworzyw jest kluczowym aspektem w opracowywaniu ich struktur. Zjawisko migracji potocznie można określić jako „wyciekanie” plastyfikatora z tworzywa sztucznego. W przypadku wyrobu gotowego może to skutkować utratą właściwości materiału oraz pogorszeniem jego estetyki, co jest obserwowane jako odbarwienie produktu lub zniekształcenie jego formy.

W praktyce migrację można ograniczyć przez dopasowanie odpowiedniego ciężaru cząsteczkowego plastyfikatora (jego masy) oraz modyfikację jego struktury chemicznej w kierunku bardziej rozgałęzionej lub liniowej.

• biodegradowalność

Dodatek plastyfikujący dodawany do biotworzywa musi spełniać kryterium biodegradowalności. Oznacza to, że powinien łatwo ulegać naturalnemu procesowi rozkładu, np. na drodze kompostowania, co nie skutkuje powstawaniem szkodliwych substancji. Jednym ze sposobów na zwiększenie biodegradowalności produktów jest stosowanie surowców pochodzenia naturalnego, takich jak biokwasy karboksylowe oraz inne biodegradowalne surowce w syntezie chemicznej.

Opisane powyżej kryteria odnoszą się zarówno do modyfikacji struktury chemicznej, jak i do doboru wykorzystywanych surowców, przy jednoczesnym zachowaniu odpowiedniej masy cząsteczkowej syntezowanego związku. Ich spełnienie stanowi ogromne wyzwanie badawcze z punktu widzenia zaprojektowania odpowiednich dodatków plastyfikujących i przeprowadzenia ich syntezy. Dlatego też realizacja projektu wymaga przeprowadzenia wielu prób laboratoryjnych w celu otrzymania związków o powtarzalnej jakości i strukturze.

Innowacyjność opracowywanych produktów

O atrakcyjności nowego produktu na rynku stanowi również jego innowacyjność. Dodatki plastyfikujące rozwijane w ramach projektu CITREX cechują się innowacyjnym połączeniem naturalnych biokwasów karboksylowych (bursztynowego i cytrynowego), polioli produkowanych przez PCC Rokita oraz alkoholu laurylowego, stosowanego w produktach kosmetycznych, a więc nietoksycznego. Jednocześnie wytwarzane produkty posiadają ściśle określoną masę cząsteczkową, która ma w założeniu ograniczyć migrację dodatków z finalnego produktu. Głównym celem przy projektowaniu nowych struktur cząsteczkowych było stworzenie takiej cząsteczki, która w jak największym stopniu oddziaływałaby z biopolimerem zawartym w biotworzywie (na zasadzie „podobne lubi podobne”), co również ma wpływ na ograniczenie procesu migracji i przyczyni się do sprostania wymaganiom stawianym dodatkom plastyfikującym.

Otrzymanie próbki laboratoryjnej produktu stanowi pierwszy, wstępny etap badań przeprowadzanych w ramach projektu CITREX. Stanowi on jednocześnie początek kolejnego etapu, czyli badania właściwości aplikacyjnych danych produktów. Dokładne zbadanie właściwości tych produktów stanowi podstawę w doborze docelowych aplikacji.

Przyszłość rynku biotworzyw

Rynek biotworzyw i biododatków jest na pewno rynkiem perspektywicznym i szybko rozwijającym się, co jest szczególnie zauważalne w ostatnim czasie. Spowodowane jest to między innymi wzrastającą świadomością konsumentów dotyczącą negatywnego wpływu tworzyw sztucznych na środowisko. Świadomi konsumenci coraz częściej sięgają po ekologiczne zamienniki opakowań i produktów jednorazowych wykonanych z konwencjonalnych tworzyw sztucznych. Zwiększa to zapotrzebowanie rynku na różnego rodzaju elementy wykonane z biotworzyw, takie jak pojemniki czy sztućce wykonane z PLA.