พลาสติกชีวภาพ – อนาคตของอุตสาหกรรมพลาสติก

หากไม่มีพลาสติกสมัยใหม่ การพัฒนาที่สำคัญในอุตสาหกรรมยานยนต์ อวกาศ และการแพทย์ก็คงไม่สามารถเกิดขึ้นได้

พลาสติกส่วนใหญ่ผลิตขึ้นจากกระบวนการแปรรูปวัตถุดิบพื้นฐานที่ไม่สามารถนำกลับมาใช้ใหม่ได้ เช่น น้ำมันดิบ และไม่สามารถย่อยสลายได้ทางชีวภาพ ซึ่งเป็นข้อเสียเปรียบหลัก เมื่อมองจากมุมมองทั่วโลก การใช้น้ำมันดิบอย่างต่อเนื่องจะส่งผลให้ทรัพยากรของน้ำมันหมดลงโดยตรง ซึ่งถือเป็นปัญหาสำคัญ แม้ว่าในขณะนี้จะไม่ชัดเจนเท่ากับ ปัญหาปริมาณขยะที่เกิดขึ้นหลังจากใช้พลาสติกก็ตาม คุณควรทราบว่าระยะเวลาการย่อยสลายของพลาสติกในสิ่งแวดล้อมธรรมชาติอาจใช้เวลานานถึงหลายชั่วอายุคน

ปัญหาขยะมีสถิติอะไรบ้าง?

การวิจัยระบุว่าพลาสติก 75%ที่ถูกนำออกสู่ตลาดนับตั้งแต่เริ่มการผลิตได้กลายเป็นขยะไปแล้ว นี่คือ 6.3 พันล้านตัน ซึ่งน้อยกว่า 10%ได้ รับการรีไซเคิล และ 12%ได้รับการกู้คืนเป็นพลังงาน ซึ่งหมายความว่า พลาสติกประมาณ 5 พันล้านตันถูกเก็บรวบรวมในหลุมฝังกลบ แต่ยังถูกทิ้งในป่า แหล่งน้ำ ชายหาด และหลุมฝังกลบที่ผิดกฎหมายซึ่งกระจายอยู่ทั่วโลก ขยะที่เกิดขึ้นในสภาพแวดล้อมทางทะเลมีผลกระทบสูงสุดต่อสิ่งแวดล้อมธรรมชาติและมนุษย์

ปัจจุบัน ปัญหาที่ใหญ่ที่สุดคือขยะในเขตเทศบาล รวมถึง บรรจุภัณฑ์แบบใช้ครั้งเดียว แม้ว่าจะคิดเป็นประมาณ 8%ของน้ำหนักขยะทั้งหมด แต่เนื่องจากมีน้ำหนักจำเพาะต่ำ จึงมีปริมาตรที่สำคัญ โดยคิดเป็นเกือบ 30%ของปริมาตรขยะทั้งหมด กลุ่มนี้ประกอบด้วยขวดที่ทำจากโพลีเอทิลีนเทเรฟทาเลต (PET) และถุงช้อปปิ้ง ถุงอาหารเช้า หรือบรรจุภัณฑ์ฟอยล์ที่ทำจาก โพลีเอทิลีน (PE) หรือ โพลีโพรพิลีน (PP) เป็นหลัก โดยอุตสาหกรรมอาหาร เป็นผู้รับบรรจุภัณฑ์รายใหญ่ที่สุด ซึ่งบริโภคบรรจุภัณฑ์ประมาณ 60%ของทั้งหมด

ทางเลือกที่เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม – ไบโอพลาสติก

เนื่องจากปัญหาการจัดการขยะพลาสติกที่เพิ่มมากขึ้น จึงได้มีการทำการวิจัยเพื่อพัฒนา วัสดุพอลิเมอร์ที่ย่อยสลายได้ทางชีวภาพ ชนิดใหม่ ซึ่งเรียกกันทั่วไปว่า ไบโอพลาสติก วัสดุดังกล่าวควรมีคุณสมบัติที่มีประโยชน์เทียบเท่ากับคุณสมบัติที่ได้จากวิธีการทั่วไป โดยได้มาจากวัตถุดิบ หมุนเวียน และปิโตรเคมีในระดับอุตสาหกรรม

เมื่อเปรียบเทียบกับพลาสติกแบบดั้งเดิมที่ผลิตจากแหล่งฟอสซิลแล้ว ไบโอพลาสติกมีข้อดีหลายประการ ประการแรกคือ ไบโอพลาสติกช่วยให้ประหยัดวัตถุดิบได้เนื่องจากใช้ชีวมวลหมุนเวียนเป็นวัฏจักร นอกจากนี้ การผลิตและการใช้งานยังเป็นกลางทางคาร์บอน ซึ่งหมายความว่าการแปรรูปจะไม่ก่อให้เกิดก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ นอกจากนี้ ไบโอพลาสติกบางประเภทยังย่อยสลายได้ทางชีวภาพอีกด้วย

ไบโอพลาสติกมีประเภทอะไรบ้าง?

ไบโอพลาสติกสามารถแบ่งได้เป็น 3 กลุ่ม ขึ้นอยู่กับแหล่งที่มาและความสามารถในการย่อยสลายทางชีวภาพ:

• พลาสติกที่มาจากวัตถุดิบหมุนเวียน แต่ไม่สามารถย่อยสลายได้ทางชีวภาพ เช่น โพลิเอไมด์ (PA) โพลิเอทิลีนเทเรฟทาเลต (PET)

–

• พลาสติกที่ย่อยสลายได้ทางชีวภาพ แต่ไม่ได้มาจากวัตถุดิบหมุนเวียน เช่น 1,4-บิวทิลีน 1,4-บิวทิลีน 1,4-บิวทาไดอีนเทเรฟทาเลต (PBAT) หรือโพลีคาโปรแลกโทน (PCL)

–

• วัสดุชีวภาพที่ได้จากวัตถุดิบหมุนเวียน (โพลิเมอร์ที่ย่อยสลายได้ทางชีวภาพ) ที่ย่อยสลายได้ทางชีวภาพ เช่น โพลีแลกไทด์ เช่น วัสดุที่ทำจากกรดโพลีแลกติก (PLA) โพลีไกลโคไลด์ที่ทำจาก กรดไกลโคลิก (PGA) หรือแป้งที่ดัดแปลง

ในบรรดาวัสดุที่กล่าวถึงข้างต้น PLA (โพลีแล็กไทด์) มีบทบาทหลัก ซึ่งคิดเป็นประมาณ 40%ของพอลิเมอร์ที่ย่อยสลายได้ทั้งหมด มักเรียกกันว่า "โพลีกรีนสองชั้น" เนื่องจากย่อยสลายได้ทางชีวภาพและได้มาจากวัตถุดิบหมุนเวียน โพลีแล็กไทด์เป็นพอลิเมอร์ที่มีคุณสมบัติคล้ายกับโพลีสไตรีน เนื่องจากมีความแข็งและเปราะ มีลักษณะเฉพาะคือมีอุณหภูมิเปลี่ยนสถานะเป็นแก้วประมาณ 57°C และมีจุดหลอมเหลวในช่วง 170-180°C นอกจากนี้ยังมีคุณสมบัติความแข็งแรงที่ดี (โมดูลความแข็งแรง 60 MPa)

วัสดุชีวภาพที่ย่อยสลายได้ใช้ที่ไหน?

กลุ่มพลาสติกชีวภาพที่ใช้พอลิเมอร์ที่ย่อยสลายได้ทางชีวภาพมีการใช้งานในสองด้าน ด้านแรกเป็นสาขาเฉพาะทางของ การแพทย์และวิศวกรรมเนื้อเยื่อ ซึ่งพลาสติกประเภทนี้ใช้ในการผลิตองค์ประกอบต่างๆ เช่น ไหมผ่าตัดที่ย่อยสลายได้ทางชีวภาพ อุปกรณ์จัดฟัน คลิป อิมแพลนต์ แคปซูลสำหรับควบคุมปริมาณยา เป็นต้น ด้านที่สองเกี่ยวข้องกับการผลิตบรรจุภัณฑ์จำนวนมาก ฟอยล์สำหรับผลิตภัณฑ์อาหาร ฟอยล์สำหรับขึ้นรูปด้วยความร้อน ถุงขยะ ถาด ถ้วย ขวด ช้อนส้อม ฟอยล์สำหรับตกแต่งสวน ผลิตภัณฑ์แบบใช้แล้วทิ้ง องค์ประกอบการออกแบบภายใน วัสดุเคลือบกระดาษ และสำหรับการพิมพ์ การทดแทนบรรจุภัณฑ์ที่ผลิตจากพลาสติกทั่วไปด้วยวัสดุทดแทนที่ย่อยสลายได้ทางชีวภาพเป็นส่วนหนึ่งของแนวโน้มของเศรษฐกิจเพื่อการพัฒนาอย่างยั่งยืนและการลดขยะ

ข้อเสียของไบโอพลาสติก

แม้จะมีข้อดีหลายประการ แต่ควรจำไว้ว่า วัสดุโพลีเมอร์ที่ย่อยสลายได้ ยังมีข้อเสียที่จำกัดการใช้งานอย่างแพร่หลาย ด้วยเหตุนี้ จึงยังคงด้อยกว่าวัสดุที่ไม่ย่อยสลายได้ในหลายด้าน ประการแรก ไบโอพลาสติกที่ย่อยสลายได้มีราคาแพงกว่า วัสดุที่มีอยู่ในตลาดปัจจุบัน แม้ว่าจะต้องสังเกตว่า ราคาลดลงอย่างต่อเนื่อง ก็ตาม คาดการณ์ว่าในอีกไม่กี่ปีข้างหน้า ราคาอาจเท่ากับราคาของวัสดุโพลีเมอร์คลาสสิกจากปิโตรเคมี วัสดุหลายชนิดด้อยกว่าวัสดุทั่วไปในแง่ของคุณสมบัติเชิงกล เช่น เปราะหรือแข็งเกินไป หรือมีความแข็งแรงในการดึงต่ำเกินไป

เนื่องจากวัสดุเหล่านี้ถูกใช้บ่อยครั้งใน การผลิตบรรจุภัณฑ์อาหาร จึงจำเป็นต้อง มีคุณสมบัติกั้น ที่เหมาะสม มีความสำคัญเนื่องจากออกซิเจน คาร์บอนไดออกไซด์ และไอน้ำสามารถซึมผ่านได้ ซึ่งอาจส่งผลเสียต่อผลิตภัณฑ์ที่บรรจุได้ นอกจากนี้ เนื่องจากโพลีเมอร์ที่ย่อยสลายได้ทางชีวภาพมีความไวต่อความร้อน ความชื้น และความเค้นเฉือน จึงทำให้ต้องใช้ความละเอียดอ่อนมากกว่าโพลีเมอร์ที่ไม่ย่อยสลายได้ทางชีวภาพในกระบวนการผลิต ด้วยเหตุนี้ ไบโอพลาสติกจึงอาจเสื่อมสภาพได้บางส่วนตั้งแต่ในขั้นตอนการแปรรูปแล้ว ข้อเสียที่กล่าวถึงของวัสดุโพลีเมอร์ที่ย่อยสลายได้ทางชีวภาพเป็นพื้นฐานสำหรับการทำวิจัยในสาขาการปรับปรุงคุณสมบัติของวัสดุหรือจำกัดคุณสมบัติการทำงานที่ไม่พึงประสงค์

สารเติมแต่งที่ปรับเปลี่ยนคุณสมบัติของพลาสติกที่ย่อยสลายได้ทางชีวภาพ

ไบโอพลาสติกประกอบด้วยวัสดุและสารเติมแต่งอื่นๆ นอกเหนือจาก พอลิเมอร์ ซึ่งร่วมกันกำหนดความเป็นไปได้ในการแปรรูปและคุณลักษณะของผลิตภัณฑ์ขั้นสุดท้าย สารเติมแต่งเหล่านี้อาจเป็น สารเติมแต่งที่ใช้เพื่อทำให้วัสดุ เม็ดสี สารตัวเติมต่างๆ หรือสารเติมแต่งพลาสติก ( พลาสติไซเซอร์ ) เสถียร แม้ว่าสารเติมแต่งพลาสติกจะมีสัดส่วนเพียงเล็กน้อยของส่วนประกอบทั้งหมดในพลาสติก แต่สิ่งสำคัญอย่างยิ่งสำหรับพลาสติกที่ย่อยสลายได้ทางชีวภาพคือพลาสติกทั้งหมดจะต้องย่อยสลายได้ทางชีวภาพเช่นกัน สารเติมแต่งที่ใส่เข้าไประหว่างการแปรรูปจะไม่เปลี่ยนโครงสร้างของไบโอโพลีเมอร์ แต่จะทำปฏิกิริยากับโครงสร้างเท่านั้น ซึ่งจะทำให้คุณสมบัติทางฟิสิกเคมีของวัสดุเปลี่ยนไป ทำให้ผลิตภัณฑ์มีคุณสมบัติการใช้งานตามที่ต้องการ

ควบคู่ไปกับการพัฒนาไบโอพลาสติกที่มุ่งเน้นไปที่บรรจุภัณฑ์เฉพาะทางอย่างก้าวกระโดด ความต้องการสารเติมแต่งพลาสติกที่เข้ากันได้กับพอลิเมอร์ที่ย่อยสลายได้ทางชีวภาพก็เพิ่มขึ้นเช่นกัน และจะทำให้พลาสติกมีคุณสมบัติตามที่ต้องการ

โครงการชีวภาพใหม่ในกลุ่ม PCC

จากการทำงานร่วมกันของแผนกวิจัยของ PCC MCAA และ PCC Exol กลุ่มผลิตภัณฑ์ใหม่กำลังได้รับการพัฒนาเป็นส่วนหนึ่งของโครงการ CITREX ผลิตภัณฑ์เหล่านี้เป็น ผลิตภัณฑ์พลาสติไซเซอร์ที่มุ่งเน้นไปที่บรรจุภัณฑ์เฉพาะ ฟิล์ม แผ่นเคลือบอาหาร แต่ยังรวมถึงการใช้งานที่มีศักยภาพในการผลิตของเล่น การพัฒนาผลิตภัณฑ์ที่ตอบสนองความต้องการของตลาดและในขณะเดียวกันก็เป็นนวัตกรรมผลิตภัณฑ์ถือเป็นความท้าทายในการวิจัยที่สำคัญ ทั้งการสังเคราะห์ผลิตภัณฑ์ดังกล่าวและการใช้งานต้องได้รับการยอมรับอย่างถี่ถ้วนในหลายพื้นที่ รวมถึงพื้นที่ที่เกี่ยวข้องกับเส้นทางการสังเคราะห์ วิธีการวิเคราะห์ การใช้งานที่เป็นไปได้ และข้อมูลเกี่ยวกับผู้บริโภคและคู่แข่งในตลาดเป้าหมาย ดังนั้นเป้าหมายพื้นฐานของโครงการจึงไม่ใช่แค่การพัฒนาสารเติมแต่งพลาสติไซเซอร์เท่านั้น แต่เหนือสิ่งอื่นใดคือการได้รับความรู้เกี่ยวกับคุณสมบัติและการใช้งานของผลิตภัณฑ์เหล่านี้

อ่านเพิ่มเติมเกี่ยวกับ สารเติมแต่งพอลิเมอร์

ข้อกำหนดสำหรับพลาสติไซเซอร์สำหรับไบโอพลาสติก

เกณฑ์สำคัญที่ต้องปฏิบัติตามสำหรับ สารเติมแต่งพลาสติกที่ใช้กับพอลิเมอร์ที่ย่อยสลายได้ทางชีวภาพ ได้แก่:

• ไม่มีพลาสติไซเซอร์เคลื่อนตัว จากไบโอพลาสติกภายใต้อิทธิพลของอุณหภูมิสูงและระยะเวลาในการจัดเก็บ

–

การลดการเคลื่อนย้ายของสารเติมแต่งพลาสติกเป็นประเด็นสำคัญในการพัฒนาโครงสร้างของสารเติมแต่งดังกล่าว ปรากฏการณ์การเคลื่อนย้ายสามารถอธิบายได้โดยทั่วไปว่าเป็น "การรั่วไหล" ของสารพลาสติไซเซอร์สำหรับพลาสติก ในกรณีของผลิตภัณฑ์สำเร็จรูป อาจส่งผลให้คุณสมบัติของวัสดุสูญเสียไปและเสื่อมโทรมลง เช่น ผลิตภัณฑ์เปลี่ยนสีหรือผิดรูป

–

ในทางปฏิบัติ การโยกย้ายสามารถจำกัดได้โดยการปรับน้ำหนักโมเลกุลที่เหมาะสมของพลาสติไซเซอร์ (มวลของพลาสติไซเซอร์) และปรับโครงสร้างทางเคมีให้มีลักษณะแตกแขนงหรือเป็นเส้นตรงมากขึ้น

–

• ความสามารถในการย่อยสลายได้ทางชีวภาพ

–

สารเติมแต่งพลาสติกที่เติมลงในไบโอพลาสติกต้องเป็นไปตามเกณฑ์การย่อยสลายได้ทางชีวภาพ ซึ่งหมายความว่าจะต้องผ่านกระบวนการย่อยสลายตามธรรมชาติได้ง่าย เช่น การทำปุ๋ยหมัก ซึ่งจะไม่ก่อให้เกิดสารอันตราย วิธีหนึ่งในการเพิ่มความสามารถในการย่อยสลายได้ทางชีวภาพของผลิตภัณฑ์คือการใช้สารตั้งต้นจากธรรมชาติ เช่น กรดคาร์บอกซิลิกและสารตั้งต้นที่ย่อยสลายได้ทางชีวภาพอื่นๆ ในการสังเคราะห์ทางเคมี

เกณฑ์ที่อธิบายไว้ข้างต้นหมายถึงทั้งการปรับเปลี่ยนโครงสร้างทางเคมีและการคัดเลือกวัตถุดิบที่ใช้ โดยยังคงรักษามวลโมเลกุลที่เหมาะสมของสารประกอบที่กำลังสังเคราะห์ การตอบสนองเกณฑ์ดังกล่าวถือเป็นความท้าทายในการวิจัยครั้งใหญ่จากมุมมองของการออกแบบสารเติมแต่งพลาสติกที่เหมาะสมและการดำเนินการสังเคราะห์ ดังนั้น การดำเนินโครงการนี้จึงต้องมีการทดสอบในห้องปฏิบัติการหลายครั้งเพื่อให้ได้สารประกอบที่มีคุณภาพและโครงสร้างที่ทำซ้ำได้

นวัตกรรมของผลิตภัณฑ์ที่กำลังพัฒนา

ความน่าดึงดูดใจของผลิตภัณฑ์ใหม่ในตลาดยังเป็นผลมาจาก นวัตกรรม อีกด้วย สารเติมแต่งพลาสติกที่พัฒนาขึ้นภายในโครงการ CITREX มีลักษณะเฉพาะคือ การผสมผสานที่สร้างสรรค์ของไบโอกรดคาร์บอกซิลิก (อำพันและซิตริก) จากธรรมชาติ โพลี ออล ที่ผลิตโดย PCC Rokita และ แอลกอฮอล์ลอริล ที่ใช้ในผลิตภัณฑ์เครื่องสำอาง ดังนั้นจึงไม่มีพิษ ในขณะเดียวกัน ผลิตภัณฑ์ที่ผลิตยังมีน้ำหนักโมเลกุลที่กำหนดอย่างเคร่งครัด ซึ่งมีจุดประสงค์เพื่อจำกัดการเคลื่อนย้ายของสารเติมแต่งจากผลิตภัณฑ์ขั้นสุดท้าย เป้าหมายหลักในการออกแบบโครงสร้างโมเลกุลใหม่คือการสร้างโมเลกุลที่จะโต้ตอบกับไบโอโพลีเมอร์ที่มีอยู่ในไบโอพลาสติก (ตามหลักการ "เหมือนดึงดูดเหมือน") ซึ่งส่งผลกระทบต่อการลดกระบวนการเคลื่อนย้ายและจะช่วยให้ตอบสนองข้อกำหนดสำหรับสารเติมแต่งพลาสติกได้

การได้รับตัวอย่างผลิตภัณฑ์ในห้องปฏิบัติการเป็นขั้นตอนเบื้องต้นแรกของการวิจัยที่ดำเนินการเป็นส่วนหนึ่งของโครงการ CITREX ในเวลาเดียวกัน ถือเป็นจุดเริ่มต้นของขั้นตอนต่อไป นั่นคือการทดสอบคุณสมบัติการใช้งานของผลิตภัณฑ์ที่กำหนด การตรวจสอบคุณสมบัติของผลิตภัณฑ์เหล่านี้อย่างละเอียดถี่ถ้วนเป็นพื้นฐานในการเลือกแอปพลิเคชันเป้าหมาย

อนาคตของตลาดไบโอพลาสติก

ตลาดไบโอพลาสติกและสารเติมแต่งทางชีวภาพเป็นตลาดที่มีแนวโน้มดีและเติบโตอย่างรวดเร็ว โดยเห็นได้ชัดเจนเป็นพิเศษในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา สาเหตุหลักมาจากผู้บริโภคที่ตระหนักรู้ถึง ผลกระทบเชิงลบของพลาสติกที่มีต่อสิ่งแวดล้อม มากขึ้น ผู้บริโภคที่ใส่ใจสิ่งแวดล้อมหันมาใช้วัสดุทดแทนที่เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมสำหรับบรรจุภัณฑ์และผลิตภัณฑ์แบบใช้แล้วทิ้งที่ทำจากพลาสติกทั่วไปมากขึ้น ส่งผลให้ความต้องการส่วนประกอบต่างๆ ที่ทำจากไบโอพลาสติก เช่น ภาชนะหรือช้อนส้อมที่ทำจาก PLA เพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่อง