Биопластик – будущее индустрии пластмасс

Без современных пластмасс не был бы возможен такой большой рост в автомобильной, авиационной и космической промышленностях, а также в медицине.

Большинство пластмасс образуется в результате переработки основного не возобновляемого сырья – нефти – и они не биоразлагаются, что является их существенным недостатком. С точки зрения глобальной перспективы, постоянная эксплуатация нефти прямо ведет к истощению ее ресурсов. Это существенная проблема, хотя в настоящее время еще не так сильно ощущаемая, как проблема с количеством отходов, образующихся после использования пластмасс. Следует иметь в виду, что их время разложения в природной среде может составлять даже несколько поколений.

Проблема залегающих отходов – какова статистика?

Исследования показывают, что 75% пластмасс, которые были выпущены на рынок с момента их производства, уже стало отходами. Это 6,3 млрд тонн, из которых менее 10% были подвержены переработке, а 12% энергетическому восстановлению. Это означает, что примерно 5 млрд тонн пластмасс хранится на свалках, в лесах, водоемах, на пляжах и на незаконных свалках, разбросанных по всему миру. Именно такие отходы, залегающие в морской среде, оказывают наибольшее влияние на окружающую среду и человека.

В настоящее время самой большой проблемой являются коммунальные отходы, в том числе одноразовые упаковки. Несмотря на то, что они составляют примерно 8% массы всего мусора, из-за небольшого удельного веса занимают значительный объем, составляя почти 30% объема всех отходов. К этой группе относятся, прежде всего, бутылки, изготовленные из полиэтилентерефталата (ПЭТ), и пакеты, а также пленки для упаковки предметов и продуктов питания, изготовленные из полиэтилена (ПЭ) или полипропилена (ПП). Крупнейшим приобретателем упаковки является пищевая промышленность, которая потребляет около 60% всех упаковок.

Экологическая альтернатива – биопластик

Из-за растущей проблемы с распределением пластиковых отходов проводятся исследования в целях разработки новых биоразлагаемых полимерных материалов, сокращенно называемых также биопластиком. Такие материалы должны обладать эксплуатационными свойствами, сопоставимыми со свойствами пластмасс, полученных традиционными методами. Их производят в промышленных масштабах, как из возобновляемого, так и нефтехимического сырья.

По сравнению с традиционными пластмассами, производимыми из ископаемого сырья, биопластмассы имеют ряд ценных преимуществ. Прежде всего, они позволяют экономить сырье при использовании периодически обновляющейся биомассы. Кроме того, их производство и применение нейтральны с точки зрения выбросов углерода, что означает, что их переработка не способствует повышению уровня углекислого газа в атмосфере. Более того, некоторые типы биопластика поддаются биодеградации.

Какие существуют виды биопластика?

Биопластмассы можно разделить на три группы в зависимости от источника происхождения и способности к биодеградации:

• пластмассы, полученные из возобновляемого сырья, но не поддающиеся биоразложению, напр., полиамид (ПА), полиэтилентерефталат (ПЭТ),

• биоразлагаемые пластмассы, но не производимые из возобновляемого сырья – напр., полибутиратадипинтерефталат (PBAT) или поликапролактон (PCL),

• биопластмассы, полученные из возобновляемого сырья (биоразлагаемых полимеров), поддающиеся биоразложению – напр., полилактид, т.е. пластик на основе биополимера молочной кислоты (ПЛА), полигликолид на основе гликолевой кислоты (ПГА) или же модифицированный крахмал.

Среди перечисленных материалов доминирующую роль играет ПЛА (полилактид), который количественно составляет прибл. 40% всех биоразлагаемых полимеров. Его часто называют двойным зеленым, потому что он и биоразлагается, и производится из возобновляемого сырья. Полилактид – это полимер со свойствами, близкими к полистиролу, поскольку отличается жесткостью и хрупкостью. Характеризуется температурой стеклования на уровне прибл. 57°C и температурой плавления в диапазоне 170-180°C. Проявляет также хорошие прочностные характеристики (модуль упругости 60 МПа).

Где используются биоразлагаемые биопластмассы?

Группа биопластмасс на основе биоразлагаемых полимеров нашла применение в двух областях. Первая из них, высокоспециализированная, это отрасль медицины и тканевой инженерии, где они используются для производства таких элементов, как рассасывающиеся хирургические нити, скобы, клипсы, имплантаты, капсулы для контролируемого дозирования лекарственных препаратов и т.п. Вторая связана с производством в крупных масштабах упаковки, пленки, предназначенных для пищевых продуктов, пленки для термоформовки, мешков для мусора, лотков, стаканчиков, бутылок, столовых приборов, огородной пленки, изделий одноразового использования, элементов интерьера, материалов для покрытия бумаги и для печати. Замена упаковок, изготовленных из обычных пластмасс, биоразлагаемыми аналогами вписывается в тенденции экономики сбалансированного развития и сокращения отходов.

Недостатки биопластика

Несмотря на множество преимуществ, следует помнить, что биоразлагаемые полимерные материалы имеют также недостатки, которые лимитируют их широкое применение. Из-за этого они по-прежнему уступают во многих применениях своим не биоразлагаемым аналогам. Прежде всего, биоразлагаемые биопластмассы дороже доступных в настоящее время на рынке материалов, хотя стоит подчеркнуть, что их цена постоянно снижается. Ожидается, что в ближайшие годы она может сравнять с ценой классических полимеров нефтехимического происхождения. Многие из них уступают обычным пластмассам также с точки зрения механических свойств, т.е. они слишком хрупкие или жесткие, либо имеют слишком малую прочность на растяжение.

Учитывая частое использование этих материалов в производстве упаковки для пищевых продуктов, от них требуются соответствующие барьерные свойства. Они имеют существенное значение ввиду проницаемости кислорода, диоксида углерода и водяного пара, которые могут неблагоприятно влиять на упакованный продукт. Кроме того, учитывая чувствительность биоразлагаемых полимеров к теплоте, влажности и напряжению сдвига, они более требовательны к процессу переработки, чем их не биоразлагаемые аналоги. По этим причинам биопластмассы могут подвергаться частичной деградации уже на этапе процесса переработки. Перечисленные недостатки биоразлагаемых полимерных материалов являются основой для проведения научно-исследовательских работ в области улучшения их свойств либо ограничения возможных неблагоприятных эксплуатационных свойств.

Добавки, модифицирующие свойства биоразлагаемых пластмасс

Биопластмассы содержат, кроме полимеров, другие материалы и дополнительные вещества, которые совместно решают о возможности переработки и окончательной характеристике продукта. Это могут быть добавки, предназначенные для стабилизации материалов, пигменты, разные наполнители, или же пластифицирующие добавки (пластификаторы). Хотя пластифицирующие добавки составляют небольшой процент всех компонентов в пластике, крайне важно для биоразлагаемых пластмасс, чтобы все они также были биоразлагаемыми. Добавки, введенные в ходе процесса переработки, не влияют на изменение структуры биополимера, а только воздействуют на нее. Это приводит к изменению физико-химических свойств материалов, придавая продуктам необходимые эксплуатационные свойства.

Параллельно динамическому развитию биопластмасс, предназначенных для специализированных упаковок, растет потребность в пластифицирующих добавках, которые будут совместимы с биоразлагаемыми полимерами и придадут им желаемые свойства.

Новый био-проект Группы РСС

В результате совместных работ научно-исследовательских отделов компаний PCC MCAA и PCC Exol в рамках проекта CITREX развивается новая группа продуктов. Это пластификаторы, предназначенные для специализированных упаковок, пленок, ламинатов для пищевых продуктов, а также с возможностью применения в игрушках. Разработка продуктов, отвечающих требованиям рынка и одновременно инновационных – это большой вызов для исследователей. Как синтез таких продуктов, так и их применение требуют тщательных разведывательных работ во многих направлениях, в частности, касающихся путей синтеза, методов анализа, возможных применений и информации о потребителях и конкурентах на целевом рынке. Таким образом, основной целью проекта является не только разработка самих пластифицирующих добавок, но, прежде всего, приобретение знаний в области свойств и применений таких продуктов.

Требования, касающиеся пластифицирующих добавок для биопластика

Основные критерии, которым должны соответствовать пластифицирующие добавки для биоразлагаемых полимеров, это:

• отсутствие миграции пластификатора из биопластика под воздействием высокой температуры и времени хранения

Ограничение миграции добавки из пластика является ключевым аспектом при разработке их структуры. Явление миграции в обиходе можно назвать „вытеканием” пластификатора из пластика. В случае готового продукта это может привести к потере свойств материала и ухудшению его эстетики, что наблюдается в виде обесцвечивания продукта либо искажения его формы.

В практике миграцию можно ограничить путем подбора соответствующего молекулярного веса пластификатора (его массы), а также модификации его химической структуры к более разветвленной или линейной.

• биоразлагаемость

Пластифицирующая добавка, добавляемая в биопластик, должна соответствовать критерию биоразлагаемости. Это означает, что она должна легко поддаваться естественному процессу разложения, например, в результате компостирования, что не приводит к образованию вредных веществ. Одним из способов повышения биоразлагаемости продуктов является использование сырья природного происхождения, например, карбоновых биокислот и другого биоразлагаемого сырья в процессе химического синтеза.

Описанные выше критерии относятся как к модификации химической структуры, так и к выбору используемого сырья при одновременном сохранении соответствующей молекулярной массы синтезируемого соединения. Их выполнение представляет собой огромную исследовательскую задачу с точки зрения разработки соответствующих пластифицирующих добавок и их синтеза. Поэтому реализация проекта требует проведения множества лабораторных тестов для получения соединений с повторяемыми качеством и структурой.

Инновационность разрабатываемых продуктов

На привлекательность нового продукта на рынке влияет также его инновационность. Пластифицирующие добавки, разрабатываемые в рамках проекта CITREX, характеризуются инновационным сочетанием натуральных карбоновых биокислот (янтарной и лимонной), полиолов производства компании PCC Rokita и лаурилового спирта, используемого в косметических препаратах, а значит нетоксичного. Одновременно, производимые продукты имеют строго определенную молекулярную массу, которая должна, по идее, ограничить миграцию добавок из конечного продукта. Основной целью при разработке новых молекулярных структур было создание такой молекулы, которая в максимальной степени взаимодействовала бы с биополимером, содержащимся в биопластике (по принципу „подобное любит подобное”), что также влияет на ограничение процесса миграции и будет соответствовать требованиям, установленным для пластифицирующих добавок.

Получение лабораторного образца продукта – это первый, начальный этап исследований, проводимых в рамках проекта CITREX. Оно одновременно является началом следующего этапа, т.е. исследований применимых свойств данных продуктов. Внимательное изучение свойств этих продуктов является основанием при подборе целевых применений.

Будущее рынка биопластика

Рынок биопластика и биодобавок, безусловно, перспективен и быстро развивается, что особенно заметно в последнее время. Это связано, в частности, с растущей осведомленностью потребителей о негативном влиянии пластика на окружающую среду. Сознательные потребители все чаще выбирают экологически чистые заменители упаковок и одноразовых продуктов, изготовленных из традиционных пластмасс. Это повышает спрос на рынке на разного рода продукты, произведенные из биопластика, такие как, например, контейнеры или столовые приборы из ПЛА.