Bioplaster – plastindustrins framtid

Utan modern plast skulle en sådan stor utveckling inom fordons-, flyg- och medicinindustrin inte vara möjlig. De flesta plaster produceras som ett resultat av bearbetning av grundläggande icke-förnybar råvara – råolja – och är inte biologiskt nedbrytbar, vilket är deras största nackdel. Sett ur ett globalt perspektiv leder den kontinuerliga exploateringen av råolja direkt till utarmning av dess resurser. Detta är ett betydande problem, även om det inte är lika märkbart för tillfället som problemet med mängden avfall som genereras efter användning av plast . Du bör vara medveten om att deras nedbrytningstid i den naturliga miljön kan vara upp till flera generationer.

Problem med avfall – vad är statistiken?

Forskning visar att 75 %av plasten som har introducerats på marknaden sedan starten av produktionen redan har blivit avfall. Detta är 6,3 miljarder ton , varav mindre än 10 %har återvunnits och 12 %har blivit föremål för energiåtervinning. Det betyder att cirka 5 miljarder ton plast samlas in på soptippar , men också slängs i skogar, vatten, stränder och illegala deponier utspridda runt om i världen. Det är det avfall som förekommer i havsmiljön som har störst påverkan på naturmiljön och människan. För närvarande är det största problemet kommunalt avfall, inklusive engångsförpackningar . Även om det utgör cirka 8 %av den totala vikten av allt sopor, upptar det på grund av den låga specifika vikten en betydande volym, vilket utgör nästan 30 %av volymen av allt avfall. Denna grupp omfattar främst flaskor av polyetentereftalat (PET) och shoppingkassar, frukostkassar eller folieförpackningar av polyeten (PE) eller polypropen (PP). Den största mottagaren av förpackningar är livsmedelsindustrin , som förbrukar cirka 60 %av alla förpackningar.

Ett ekologiskt alternativ – bioplast

På grund av det växande problemet med hanteringen av plastavfall bedrivs forskning för att utveckla nya biologiskt nedbrytbara polymermaterial , i dagligt tal kallade bioplaster . Sådana material bör ha användbara egenskaper jämförbara med de som erhålls med konventionella metoder. De erhålls i industriell skala från både förnybara och petrokemiska råvaror. Jämfört med traditionell plast framställd från fossila källor har bioplast ett antal värdefulla fördelar. Först och främst tillåter de att råvaror sparas tack vare användningen av cykliskt förnyande biomassa. Deras produktion och användning är dessutom kolneutrala, vilket innebär att deras förädling inte bidrar till produktionen av koldioxid. Dessutom är vissa typer av bioplast biologiskt nedbrytbara.

Vilka typer av bioplast finns det?

Bioplaster kan delas in i tre grupper beroende på ursprungskälla och biologisk nedbrytbarhet:

• plast som härrör från förnybara råvaror , men inte biologiskt nedbrytbara – t.ex. polyamid (PA), polyetylentereftalat (PET),

• biologiskt nedbrytbar plast , men inte från förnybara råvaror – t.ex. 1,4-butylen 1,4-butylen 1,4-butadientereftalat (PBAT) eller polykaprolakton (PCL),

• biobaserade material som härrör från förnybara råvaror (bionedbrytbara polymerer), biologiskt nedbrytbara – t.ex. polylaktid, dvs polymjölksyrabaserat material (PLA), polyglykolid baserad på glykolsyra (PGA) eller modifierad stärkelse.

Bland de tidigare nämnda materialen spelar den dominerande rollen av PLA (polylaktid), som kvantitativt står för cirka 40 %av alla biologiskt nedbrytbara polymerer. Det kallas ofta "dubbelgrönt" eftersom det både är biologiskt nedbrytbart och härrör från förnybara råvaror. Polylaktid är en polymer med egenskaper som liknar polystyren, eftersom den är styv och skör. Den kännetecknas av en glastemperatur på ca. 57°C och en smältpunkt i intervallet 170-180°C. Den har också goda hållfasthetsegenskaper (60 MPa hållfasthetsmodul).

Var används biologiskt nedbrytbara biobaserade material?

En grupp biobaserade plaster baserade på biologiskt nedbrytbara polymerer fann tillämpning inom två områden. Den första av dem är en mycket specialiserad gren av medicin och vävnadsteknik , där denna typ av plast används för att producera sådana element som bioresorberbara kirurgiska trådar, hängslen, klämmor, implantat, kapslar för kontrollerad dosering av läkemedel, etc. Det andra området är relaterat till massproduktion av förpackningar, folier avsedda för livsmedelsprodukter, termoformningsfolier, avfallspåsar, brickor, koppar, flaskor, bestick, trädgårdsfolier, engångsprodukter, inredningselement, pappersbeläggningsmaterial och för tryckning. Ersättning av förpackningar tillverkade av konventionell plast med biologiskt nedbrytbara substitut är en del av ekonomins trend med hållbar utveckling och minskning av avfall.

Nackdelar med bioplast

Trots många fördelar bör man komma ihåg att biologiskt nedbrytbara polymermaterial också har nackdelar som begränsar deras utbredda användning. Av denna anledning förlorar de fortfarande på många områden till sina icke biologiskt nedbrytbara motsvarigheter. För det första är biologiskt nedbrytbara bioplaster dyrare än de som finns på marknaden för närvarande, även om det är värt att notera att deras pris ständigt sjunker . Det förutspås att det under de kommande åren kan vara lika med priset på klassiska polymermaterial av petrokemiskt ursprung. Många av dem är sämre än konventionella material även vad gäller mekaniska egenskaper, dvs de är för spröda eller styva eller de har för låg draghållfasthet. På grund av den frekventa användningen av dessa material för tillverkning av livsmedelsförpackningar krävs också lämpliga barriäregenskaper . De är viktiga på grund av permeabiliteten av syre, koldioxid och vattenånga, vilket kan påverka den förpackade produkten negativt. På grund av biologiskt nedbrytbara polymerers känslighet för värme, fukt och skjuvpåkänningar är de dessutom mer krävande i tillverkningsprocessen än deras icke biologiskt nedbrytbara motsvarigheter. Av dessa skäl kan bioplaster delvis brytas ned redan i bearbetningsskedet. De nämnda nackdelarna med biologiskt nedbrytbara polymera material är grunden för att bedriva forskning inom området för att förbättra deras egenskaper eller begränsa ogynnsamma funktionella egenskaper.

Tillsatser som modifierar egenskaperna hos biologiskt nedbrytbar plast

Bioplaster innehåller, förutom polymerer, andra material och tillsatser som tillsammans bestämmer bearbetningsmöjligheterna och slutproduktens egenskaper. Dessa kan vara tillsatser som används för att stabilisera material, pigment, olika fyllmedel eller mjukgörande tillsatser ( mjukgörare ). Även om mjukgörande tillsatser utgör en liten andel av alla komponenter i plasten är det extremt viktigt för biologiskt nedbrytbara plaster att alla också är biologiskt nedbrytbara. Tillsatser som införs under bearbetningen förändrar inte strukturen hos biopolymeren, utan reagerar bara med dess struktur. Detta förändrar materialens fysikalisk-kemiska egenskaper, vilket ger produkterna de nödvändiga användbara egenskaperna. Parallellt med den dynamiska utvecklingen av bioplaster dedikerade till specialförpackningar, finns ett växande behov av mjukgörande tillsatser som är kompatibla med biologiskt nedbrytbara polymerer och ger plasten de önskade egenskaperna.

Nytt bioprojekt i PCC-gruppen

Som ett resultat av gemensamt arbete av forskningsavdelningarna för PCC MCAA och PCC Exol utvecklas en ny produktgrupp som en del av CITREX-projektet. Dessa är mjukgörande produkter dedikerade till specialförpackningar, filmer, livsmedelslaminat , men också av potentiell användning i leksakstillverkning. Att utveckla produkter som uppfyller marknadens krav och samtidigt vara en produktinnovation är en stor forskningsutmaning. Både syntesen av sådana produkter och deras tillämpning kräver grundligt erkännande inom många områden, inklusive de som rör syntesvägen, analysmetoder, möjliga tillämpningar och information om konsumenter och konkurrenter på målmarknaden. Därför är det grundläggande målet med projektet inte bara att utveckla mjukgörande tillsatser, utan framför allt att få kunskap om dessa produkters egenskaper och användningsområden.

Krav på mjukgörare för bioplaster

De nyckelkriterier som ska uppfyllas av mjukgörande tillsatser avsedda för biologiskt nedbrytbara polymerer är:

• ingen migration av mjukgörare från bioplaster under inverkan av hög temperatur och lagringstid

Att minska migrationen av plasttillsatser är en nyckelaspekt i utvecklingen av deras strukturer. Fenomenet migration kan i vardagsspråk definieras som "läckage" av plastmjukgörare. När det gäller en färdig produkt kan det resultera i förlust av materialets egenskaper och försämring av dess estetik – en missfärgning av produkten eller förvrängning av dess form.

I praktiken kan migrationen begränsas genom att justera lämplig molekylvikt för mjukgöraren (dess massa) och modifiera dess kemiska struktur mot en mer grenad eller linjär struktur.

• biologisk nedbrytbarhet

Den mjukgörande tillsatsen som tillsätts bioplasten måste uppfylla kriteriet för biologisk nedbrytbarhet. Det innebär att det lätt ska genomgå en naturlig nedbrytningsprocess, t.ex. genom kompostering, vilket inte leder till att det bildas skadliga ämnen. Ett av sätten att öka produkternas biologiska nedbrytbarhet är användningen av råvaror av naturligt ursprung, såsom karboxylsyror och andra biologiskt nedbrytbara råvaror i kemisk syntes.

De ovan beskrivna kriterierna avser både modifiering av den kemiska strukturen och valet av använda råmaterial, samtidigt som den lämpliga molekylvikten för den förening som syntetiseras bibehålls. Deras uppfyllelse är en enorm forskningsutmaning ur synvinkeln att utforma lämpliga mjukgörande tillsatser och genomföra deras syntes. Därför kräver genomförandet av projektet många laboratorietester för att erhålla föreningar av repeterbar kvalitet och struktur.

Innovation av de produkter som utvecklas

Attraktionskraften hos den nya produkten på marknaden beror också på dess innovativitet . Mjukgörande tillsatser som utvecklats inom CITREX-projektet kännetecknas av en innovativ kombination av naturliga karboxylsyra (bärnsten och citron) biosyror, polyoler producerade av PCC Rokita och laurylalkohol som används i kosmetiska produkter, och därför giftfria. Samtidigt har de tillverkade produkterna en strikt definierad molekylvikt, vilket är avsett att begränsa migrationen av tillsatser från slutprodukten. Huvudmålet vid utformningen av nya molekylära strukturer var att skapa en sådan molekyl som skulle interagera med biopolymeren som finns i bioplasten (på "lika attraherar lika"-principen), vilket också har en inverkan på att minska migrationsprocessen och kommer att bidra till uppfylla kraven för mjukgörande tillsatser. Att erhålla ett laboratorieprov av produkten är det första, preliminära forskningsskedet som utförs som en del av CITREX-projektet. Samtidigt är det början på nästa steg, som är att testa appliceringsegenskaperna för de givna produkterna. En grundlig undersökning av egenskaperna hos dessa produkter ligger till grund för valet av de riktade applikationerna.

Framtiden för bioplastmarknaden

Marknaden för bioplaster och biotillsatser är förvisso en lovande och snabbt växande marknad, vilket märks särskilt på senare tid. Detta beror bland annat på att konsumenterna blir mer medvetna om plastens negativa påverkan på miljön . Medvetna konsumenter vänder sig alltmer till ekologiska substitut för förpackningar och engångsprodukter av konventionell plast. Som ett resultat av detta ökar efterfrågan på olika element av bioplast, såsom behållare eller bestick av PLA.