Bioplasty – budúcnosť plastikárskeho priemyslu

Bez moderných plastov by takýto veľký rozvoj v automobilovom, leteckom a medicínskom priemysle nebol možný. Väčšina plastov vzniká ako výsledok spracovania základnej neobnoviteľnej suroviny – ropy – a nie sú biologicky rozložiteľné, čo je ich hlavnou nevýhodou. Ak sa pozrieme z globálneho hľadiska, nepretržitá ťažba ropy vedie priamo k vyčerpaniu jej zdrojov. Ide o závažný problém, aj keď v súčasnosti nie taký citeľný ako problém množstva odpadu vznikajúceho po použití plastov . Mali by ste si uvedomiť, že doba ich rozkladu v prírodnom prostredí môže byť až niekoľko generácií.

Problém odpadu – aké sú štatistiky?

Výskum ukazuje, že 75 %plastov, ktoré boli uvedené na trh od začiatku ich výroby, sa už stalo odpadom. Ide o 6,3 miliardy ton , z ktorých menej ako 10 %bolo recyklovaných a 12 %bolo podrobených energetickému zhodnoteniu. To znamená, že približne 5 miliárd ton plastov sa vyzbiera na skládkach , ale aj vyhodí do lesov, vôd, pláží a nelegálnych skládok roztrúsených po celom svete. Práve odpad, ktorý sa vyskytuje v morskom prostredí, má najväčší vplyv na prírodné prostredie a človeka. V súčasnosti je najväčším problémom komunálny odpad vrátane jednorazových obalov . Hoci tvorí približne 8 %z celkovej hmotnosti všetkých odpadkov, vďaka nízkej mernej hmotnosti zaberá značný objem, ktorý tvorí takmer 30 %objemu všetkého odpadu. Do tejto skupiny patria najmä fľaše vyrobené z polyetyléntereftalátu (PET) a nákupné tašky, raňajkové tašky alebo fóliové obaly z polyetylénu (PE) alebo polypropylénu (PP). Najväčším príjemcom obalov je potravinársky priemysel , ktorý spotrebuje asi 60 %všetkých obalov.

Ekologická alternatíva – bioplasty

Vzhľadom na narastajúci problém s nakladaním s plastovým odpadom prebieha výskum zameraný na vývoj nových biologicky odbúrateľných polymérnych materiálov , hovorovo označovaných ako bioplasty . Takéto materiály by mali mať užitočné vlastnosti porovnateľné s vlastnosťami získanými konvenčnými metódami. V priemyselnom meradle sa získavajú z obnoviteľných aj petrochemických surovín. V porovnaní s tradičnými plastmi vyrábanými z fosílnych zdrojov majú bioplasty množstvo cenných výhod. V prvom rade umožňujú úsporu surovín vďaka využívaniu cyklicky sa obnovujúcej biomasy. Navyše ich výroba a použitie sú uhlíkovo neutrálne, čo znamená, že ich spracovanie neprispieva k tvorbe oxidu uhličitého. Niektoré typy bioplastov sú navyše biologicky odbúrateľné.

Aké sú typy bioplastov?

Bioplasty možno rozdeliť do troch skupín v závislosti od zdroja pôvodu a biologickej odbúrateľnosti:

• plasty pochádzajúce z obnoviteľných surovín , ale nie biologicky odbúrateľné – napr. polyamid (PA), polyetyléntereftalát (PET),

• biologicky odbúrateľné plasty , ale nie z obnoviteľných surovín – napr. 1,4-butylén-1,4-butylén-1,4-butadiéntereftalát (PBAT) alebo polykaprolaktón (PCL),

• biomateriály odvodené z obnoviteľných surovín (biodegradovateľné polyméry), biodegradovateľné – napr. polylaktid, tj materiál na báze kyseliny polymliečnej (PLA), polyglykolid na báze kyseliny glykolovej (PGA) alebo modifikovaný škrob.

Z uvedených materiálov hrá dominantnú úlohu PLA (polylaktid), ktorý kvantitatívne predstavuje približne 40 %všetkých biodegradovateľných polymérov. Často sa nazýva „dvojitá zelená“, pretože je biologicky odbúrateľný a pochádza z obnoviteľných surovín. Polylaktid je polymér s vlastnosťami podobnými polystyrénu, pretože je tuhý a krehký. Vyznačuje sa teplotou skleného prechodu cca. 57 °C a bod topenia v rozmedzí 170-180 °C. Má tiež dobré pevnostné vlastnosti (modul pevnosti 60 MPa).

Kde sa používajú biologicky odbúrateľné materiály na biologickej báze?

Skupina plastov na bio báze na báze biodegradovateľných polymérov našla uplatnenie v dvoch oblastiach. Prvou z nich je vysoko špecializovaný odbor medicíny a tkanivového inžinierstva , kde sa z tohto druhu plastov vyrábajú také prvky, ako sú bioresorbovateľné chirurgické nite, ortézy, spony, implantáty, kapsuly na kontrolované dávkovanie liekov a pod. súvisiace s hromadnou výrobou obalov, fólií určených na potravinárske výrobky, termoformovacích fólií, odpadových vriec, podnosov, pohárov, fliaš, príborov, záhradných fólií, jednorazových výrobkov, interiérových prvkov, poťahových materiálov na papier a na potlač. Nahrádzanie obalov vyrobených z konvenčných plastov biodegradovateľnými náhradami je súčasťou trendu ekonomiky trvalo udržateľného rozvoja a znižovania odpadu.

Nevýhody bioplastov

Napriek mnohým výhodám by sa malo pamätať na to, že biodegradovateľné polymérne materiály majú aj nevýhody, ktoré obmedzujú ich široké použitie. Z tohto dôvodu stále v mnohých oblastiach prehrávajú so svojimi biologicky nerozložiteľnými náprotivkami. Po prvé, biodegradovateľné bioplasty sú drahšie ako tie, ktoré sú v súčasnosti na trhu, aj keď je potrebné poznamenať, že ich cena neustále klesá . Predpokladá sa, že v najbližších rokoch sa môže rovnať cene klasických polymérnych materiálov petrochemického pôvodu. Mnohé z nich sú horšie ako bežné materiály aj z hľadiska mechanických vlastností, tj sú príliš krehké alebo tuhé alebo majú príliš nízku pevnosť v ťahu. Vzhľadom na časté používanie týchto materiálov na výrobu obalov na potraviny sú potrebné aj vhodné bariérové vlastnosti . Sú dôležité z dôvodu priepustnosti kyslíka, oxidu uhličitého a vodných pár, ktoré môžu nepriaznivo ovplyvniť balený produkt. Navyše, vzhľadom na citlivosť biodegradovateľných polymérov na teplo, vlhkosť a šmykové namáhanie, sú náročnejšie vo výrobnom procese ako ich biologicky nerozložiteľné náprotivky. Z týchto dôvodov môžu byť bioplasty čiastočne degradované už v štádiu spracovania. Uvedené nevýhody biodegradovateľných polymérnych materiálov sú základom pre výskum v oblasti zlepšovania ich vlastností alebo obmedzovania nepriaznivých funkčných vlastností.

Prísady upravujúce vlastnosti biodegradovateľných plastov

Bioplasty obsahujú okrem polymérov aj ďalšie materiály a prísady, ktoré spolu určujú možnosti spracovania a vlastnosti finálneho produktu. Môžu to byť prísady používané na stabilizáciu materiálov, pigmenty, rôzne plnivá alebo plastifikačné prísady ( zmäkčovadlá ). Aj keď plastifikačné prísady predstavujú malé percento všetkých zložiek v plaste, pre biologicky odbúrateľné plasty je mimoriadne dôležité, aby všetky boli aj biologicky odbúrateľné. Aditíva zavedené počas spracovania nemenia štruktúru biopolyméru, ale iba reagujú s jeho štruktúrou. Tým sa menia fyzikálno-chemické vlastnosti materiálov, čím sa dodávajú výrobkom požadované úžitkové vlastnosti. Súbežne s dynamickým vývojom bioplastov určených na špeciálne balenie rastie potreba plastifikačných prísad, ktoré budú kompatibilné s biodegradovateľnými polymérmi a dodajú plastom požadované vlastnosti.

Nový bioprojekt v skupine PCC

Výsledkom spoločnej práce výskumných oddelení PCC MCAA a PCC Exol je vývoj novej produktovej skupiny v rámci projektu CITREX. Ide o plastifikačné produkty určené na špeciálne obaly, fólie, potravinové lamináty , ale aj potenciálne využitie pri výrobe hračiek. Vývoj produktov, ktoré spĺňajú požiadavky trhu a zároveň ide o produktovú inováciu, je veľkou výzvou pre výskum. Syntéza takýchto produktov aj ich aplikácia si vyžadujú dôkladné rozpoznanie v mnohých oblastiach, vrátane tých, ktoré sa týkajú cesty syntézy, metód analýzy, možných aplikácií a informácií o spotrebiteľoch a konkurentoch na cieľovom trhu. Základným cieľom projektu je preto nielen vývoj plastifikačných prísad, ale predovšetkým získanie vedomostí o vlastnostiach a aplikáciách týchto produktov.

Požiadavky na zmäkčovadlá pre bioplasty

Kľúčové kritériá, ktoré musia spĺňať plastifikačné prísady určené pre biodegradovateľné polyméry , sú:

• žiadna migrácia zmäkčovadla z bioplastov vplyvom vysokej teploty a doby skladovania

Zníženie migrácie plastových prísad je kľúčovým aspektom pri vývoji ich štruktúr. Fenomén migrácie možno hovorovo definovať ako „únik“ plastifikátora. V prípade hotového výrobku môže dôjsť k strate vlastností materiálu a zhoršeniu jeho estetiky – odfarbenie výrobku alebo deformácia jeho tvaru.

V praxi je možné migráciu obmedziť úpravou vhodnej molekulovej hmotnosti zmäkčovadla (jeho hmotnosti) a úpravou jeho chemickej štruktúry smerom k viac rozvetvenej alebo lineárnej.

• biologická odbúrateľnosť

Plastifikačná prísada pridaná do bioplastu musí spĺňať kritérium biologickej odbúrateľnosti. To znamená, že by mal ľahko prejsť prirodzeným procesom rozkladu, napr. kompostovaním, pri ktorom nedochádza k tvorbe škodlivých látok. Jedným zo spôsobov zvýšenia biologickej odbúrateľnosti produktov je použitie surovín prírodného pôvodu, ako sú karboxylové kyseliny a iné biodegradovateľné suroviny v chemickej syntéze.

Vyššie opísané kritériá sa vzťahujú na modifikáciu chemickej štruktúry a výber použitých surovín pri zachovaní vhodnej molekulovej hmotnosti syntetizovanej zlúčeniny. Ich naplnenie je obrovskou výskumnou výzvou z hľadiska navrhovania vhodných plastifikačných prísad a vykonávania ich syntézy. Preto realizácia projektu vyžaduje mnoho laboratórnych testov na získanie zlúčenín opakovateľnej kvality a štruktúry.

Inovácia vyvíjaných produktov

Atraktivita novinky na trhu vyplýva aj z jej inovatívnosti . Plastifikačné prísady vyvinuté v rámci projektu CITREX sa vyznačujú inovatívnou kombináciou prírodných karboxylových (jantárových a citrónových) biokyselín, polyolov vyrábaných PCC Rokita a laurylalkoholu používaného v kozmetických výrobkoch, a preto sú netoxické. Vyrábané produkty majú zároveň presne definovanú molekulovú hmotnosť, ktorá má obmedziť migráciu aditív z finálneho produktu. Hlavným cieľom pri návrhu nových molekulárnych štruktúr bolo vytvoriť takú molekulu, ktorá by interagovala s biopolymérom obsiahnutým v bioplastoch (na princípe „podobné priťahuje podobné“), čo má tiež vplyv na zníženie migračného procesu a prispeje k spĺňajúce požiadavky na plastifikačné prísady. Získanie laboratórnej vzorky produktu je prvou, predbežnou fázou výskumu realizovaného v rámci projektu CITREX. Zároveň je to začiatok ďalšej etapy, ktorou je testovanie aplikačných vlastností daných produktov. Dôkladné preskúmanie vlastností týchto produktov je základom pri výbere cielených aplikácií.

Budúcnosť trhu s bioplastmi

Trh s bioplastmi a bioaditívami je určite sľubným a rýchlo rastúcim trhom, čo je badateľné najmä v poslednom období. Je to spôsobené okrem iného zvyšovaním povedomia spotrebiteľov o negatívnom vplyve plastov na životné prostredie . Uvedomelí spotrebitelia sa čoraz viac obracajú na ekologické náhrady obalov a jednorazových výrobkov z bežných plastov. V dôsledku toho neustále rastie dopyt po rôznych prvkoch vyrobených z bioplastov, ako sú nádoby alebo príbory vyrobené z PLA.