พลาสติกชีวภาพ – อนาคตของอุตสาหกรรมพลาสติก

หากไม่มีพลาสติกสมัยใหม่ การพัฒนาที่สำคัญเช่นนี้ในอุตสาหกรรมยานยนต์ การบินและอวกาศ และการแพทย์จะไม่สามารถทำได้ พลาสติกส่วนใหญ่ผลิตขึ้นจากกระบวนการผลิตวัตถุดิบพื้นฐานที่ไม่สามารถหมุนเวียนได้ ซึ่งก็คือน้ำมันดิบ และไม่สามารถย่อยสลายได้ทางชีวภาพ ซึ่งเป็นข้อเสียเปรียบหลัก เมื่อมองจากมุมมองทั่วโลก การใช้น้ำมันดิบอย่างต่อเนื่องจะนำไปสู่การสูญเสียทรัพยากรโดยตรง นี่เป็นปัญหาสำคัญแม้ว่าจะไม่เห็นได้ชัดเจนในขณะนี้เท่ากับ ปัญหาปริมาณขยะที่เกิดขึ้นหลังการใช้พลาสติก คุณควรตระหนักว่าเวลาในการย่อยสลายในสภาพแวดล้อมทางธรรมชาติอาจนานถึงหลายชั่วอายุคน

ปัญหาของเสีย – สถิติคืออะไร?

การวิจัยระบุว่า 75%ของพลาสติกที่ออกสู่ตลาดตั้งแต่เริ่มต้นการผลิตกลายเป็นขยะไปแล้ว นี่คือ 6.3 พันล้านตัน ซึ่งน้อยกว่า 10%ถูกรีไซเคิล และ 12%ต้องนำกลับมาใช้ใหม่เป็นพลังงาน ซึ่งหมายความว่า พลาสติกประมาณ 5 พันล้านตันถูกรวบรวมไว้ในหลุมฝังกลบ แต่ยังถูกทิ้งในป่า ผืนน้ำ ชายหาด และหลุมฝังกลบที่ผิดกฎหมายซึ่งกระจายอยู่ทั่วโลก เป็นขยะที่เกิดขึ้นในสิ่งแวดล้อมทางทะเลที่ส่งผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อมทางธรรมชาติและมนุษย์มากที่สุด ปัจจุบัน ปัญหาที่ใหญ่ที่สุดคือขยะในชุมชน รวมถึง บรรจุภัณฑ์แบบใช้ครั้งเดียวทิ้ง แม้ว่าจะคิดเป็นประมาณ 8%ของน้ำหนักรวมของขยะทั้งหมด แต่เนื่องจากน้ำหนักเฉพาะที่ต่ำทำให้มีปริมาณมาก ซึ่งคิดเป็นเกือบ 30%ของปริมาตรของขยะทั้งหมด กลุ่มนี้รวมถึงขวดส่วนใหญ่ที่ทำจากโพลีเอทิลีนเทเรฟทาเลต (PET) และถุงช้อปปิ้ง ถุงอาหารเช้าหรือบรรจุภัณฑ์ฟอยล์ที่ทำจากโพลีเอทิลีน (PE) หรือโพลีโพรพิลีน (PP) ผู้รับบรรจุภัณฑ์รายใหญ่ที่สุดคือ อุตสาหกรรมอาหาร ซึ่งใช้ประมาณ 60%ของบรรจุภัณฑ์ทั้งหมด

ทางเลือกในระบบนิเวศ – พลาสติกชีวภาพ

เนื่องจากปัญหาการจัดการขยะพลาสติกที่เพิ่มมากขึ้น จึงมีการวิจัยเพื่อพัฒนา วัสดุพอลิเมอร์ที่ย่อยสลายได้ทางชีวภาพ ชนิดใหม่ ซึ่งเรียกขานว่า พลาสติกชีวภาพ วัสดุดังกล่าวควรมีคุณสมบัติที่เป็นประโยชน์เทียบเท่ากับวัสดุที่ได้จากวิธีการทั่วไป พวกเขาได้รับในระดับอุตสาหกรรมจากทั้งวัตถุดิบ หมุนเวียน และปิโตรเคมี เมื่อเปรียบเทียบกับพลาสติกแบบดั้งเดิมที่ผลิตจากแหล่งฟอสซิลแล้ว พลาสติกชีวภาพมีข้อดีหลายประการ ประการแรก พวกมันช่วยให้ประหยัดวัตถุดิบได้ด้วยการใช้ชีวมวลหมุนเวียนตามวัฏจักร นอกจากนี้ การผลิตและการใช้งานยังเป็นกลางทางคาร์บอน ซึ่งหมายความว่ากระบวนการผลิตไม่ก่อให้เกิดก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ นอกจากนี้พลาสติกชีวภาพบางชนิดยังย่อยสลายได้

พลาสติกชีวภาพมีกี่ประเภท?

พลาสติกชีวภาพสามารถแบ่งออกได้เป็นสามกลุ่มตามแหล่งกำเนิดและความสามารถในการย่อยสลายทางชีวภาพ:

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

• พลาสติกย่อยสลายได้ แต่ไม่ใช่จากวัตถุดิบหมุนเวียน เช่น 1,4-บิวทิลีน 1,4-บิวทิลีน 1,4-บิวทาไดอีนเทเรฟทาเลต (PBAT) หรือโพลีคาโพรแลคโตน (PCL)

• วัสดุชีวภาพที่ได้มาจากวัตถุดิบที่นำกลับมาใช้ใหม่ได้ (โพลิเมอร์ที่ย่อยสลายได้ทางชีวภาพ) ที่ย่อยสลายได้ทางชีวภาพ เช่น พอลิแลคไทด์ เช่น วัสดุที่มีกรดโพลีแลกติก (PLA) พอลิไกลโคไลด์ที่มี กรดไกลโคลิก (PGA) หรือแป้งดัดแปร

ในบรรดาวัสดุที่กล่าวมาข้างต้น PLA (โพลีแลคไทด์) มีบทบาทที่โดดเด่น ซึ่งคิดเป็นสัดส่วนเชิงปริมาณประมาณ 40%ของโพลิเมอร์ที่ย่อยสลายได้ทางชีวภาพทั้งหมด มักถูกเรียกว่า ‘double green’ เนื่องจากย่อยสลายได้ทางชีวภาพและได้มาจากวัตถุดิบที่นำกลับมาใช้ใหม่ได้ พอลิแลคไทด์เป็นพอลิเมอร์ที่มีคุณสมบัติคล้ายพอลิสไตรีน คือมีความแข็งและเปราะ มีลักษณะเด่นคืออุณหภูมิการเปลี่ยนสถานะคล้ายแก้วประมาณ 57°C และจุดหลอมเหลวในช่วง 170-180°C นอกจากนี้ยังมีคุณสมบัติความแข็งแรงที่ดี (โมดูลความแข็งแรง 60 MPa)

วัสดุชีวภาพที่ย่อยสลายได้ทางชีวภาพถูกนำมาใช้ที่ไหน?

กลุ่มของพลาสติกชีวภาพที่ใช้โพลิเมอร์ที่ย่อยสลายได้ทางชีวภาพพบการใช้งานในสองด้าน สาขาแรกคือสาขา การแพทย์เฉพาะทางและวิศวกรรมเนื้อเยื่อ ซึ่งพลาสติกประเภทนี้ใช้ในการผลิตส่วนประกอบต่างๆ เช่น เส้นไหมผ่าตัดที่สามารถดูดซึมได้ทางชีวภาพ เหล็กดัดฟัน คลิป รากฟันเทียม แคปซูลสำหรับควบคุมปริมาณยา เป็นต้น ส่วนที่สองคือ เกี่ยวข้องกับการผลิตจำนวนมากของบรรจุภัณฑ์ ฟอยล์สำหรับผลิตภัณฑ์อาหาร ฟอยล์เทอร์โมฟอร์ม ถุงขยะ ถาด ถ้วย ขวด ช้อนส้อม ฟอยล์สำหรับสวน ผลิตภัณฑ์ใช้แล้วทิ้ง องค์ประกอบการออกแบบภายใน วัสดุเคลือบกระดาษ และสำหรับการพิมพ์ การเปลี่ยนบรรจุภัณฑ์ที่ผลิตจากพลาสติกธรรมดาด้วยวัสดุทดแทนที่ย่อยสลายได้ทางชีวภาพเป็นส่วนหนึ่งของกระแสเศรษฐกิจแห่งการพัฒนาอย่างยั่งยืนและการลดของเสีย

ข้อเสียของพลาสติกชีวภาพ

แม้จะมีข้อดีหลายประการ แต่ควรจำไว้ว่า วัสดุพอลิเมอร์ที่ย่อยสลายได้ทางชีวภาพ ก็มีข้อเสียที่จำกัดการใช้งานอย่างแพร่หลาย ด้วยเหตุผลนี้ พวกเขายังคงสูญเสียในหลายพื้นที่ให้กับส่วนที่ไม่ย่อยสลาย ประการแรก พลาสติกชีวภาพที่ย่อยสลายได้ทางชีวภาพมีราคาแพงกว่า ในตลาดปัจจุบัน แม้ว่าจะเป็นที่น่าสังเกตว่า ราคาของมันจะลดลงอย่างต่อเนื่อง มีการคาดการณ์ว่าในอีกไม่กี่ปีข้างหน้า ราคาของวัสดุโพลิเมอร์ดั้งเดิมจากปิโตรเคมีอาจเท่ากับราคา วัสดุหลายชนิดมีคุณสมบัติด้อยกว่าวัสดุทั่วไปในแง่ของคุณสมบัติเชิงกล กล่าวคือ เปราะหรือแข็งเกินไป หรือมีความต้านทานแรงดึงต่ำเกินไป เนื่องจากการใช้วัสดุเหล่านี้บ่อยครั้งใน การผลิตบรรจุภัณฑ์อาหาร จึงจำเป็นต้องมี คุณสมบัติการกั้น ที่เหมาะสมด้วย สิ่งเหล่านี้มีความสำคัญเนื่องจากการซึมผ่านของออกซิเจน คาร์บอนไดออกไซด์ และไอน้ำ ซึ่งอาจส่งผลเสียต่อผลิตภัณฑ์ที่บรรจุ นอกจากนี้ เนื่องจากความไวของโพลิเมอร์ที่ย่อยสลายได้ทางชีวภาพต่อความร้อน ความชื้น และความเค้นเฉือน จึงมีความต้องการในกระบวนการผลิตมากกว่าโพลีเมอร์ที่ไม่สามารถย่อยสลายได้ทางชีวภาพ ด้วยเหตุผลเหล่านี้ พลาสติกชีวภาพอาจถูกย่อยสลายบางส่วนแล้วในขั้นตอนของการประมวลผล ข้อเสียดังกล่าวของวัสดุพอลิเมอร์ที่ย่อยสลายได้ทางชีวภาพเป็นพื้นฐานสำหรับการทำวิจัยในด้านการปรับปรุงคุณสมบัติหรือจำกัดคุณสมบัติการทำงานที่ไม่เอื้ออำนวย

สารเติมแต่งที่ปรับเปลี่ยนคุณสมบัติของพลาสติกย่อยสลายได้

พลาสติกชีวภาพประกอบด้วย นอกเหนือไปจากโพลิเมอร์แล้ว ยังมีวัสดุและสารเติมแต่งอื่นๆ ที่ร่วมกันกำหนดความเป็นไปได้ในการประมวลผลและคุณลักษณะของผลิตภัณฑ์ขั้นสุดท้าย สิ่งเหล่านี้สามารถเป็น สารเติมแต่งที่ใช้เพื่อทำให้วัสดุคงตัว เม็ดสี สารตัวเติมต่างๆ หรือสารเติมแต่งที่ทำให้พลาสติก ( plasticizers ) แม้ว่าสารเติมแต่งพลาสติกจะเป็นเพียงส่วนเล็กๆ ของส่วนประกอบทั้งหมดในพลาสติก แต่สิ่งสำคัญอย่างยิ่งสำหรับพลาสติกที่ย่อยสลายได้ทางชีวภาพก็คือสารทั้งหมดนั้นสามารถย่อยสลายได้ทางชีวภาพเช่นกัน สารเติมแต่งที่ใช้ระหว่างกระบวนการผลิตจะไม่เปลี่ยนโครงสร้างของพอลิเมอร์ชีวภาพ แต่จะทำปฏิกิริยากับโครงสร้างเท่านั้น สิ่งนี้จะเปลี่ยนคุณสมบัติทางเคมีฟิสิกส์ของวัสดุ ทำให้ผลิตภัณฑ์มีคุณสมบัติตามที่ต้องการ ควบคู่ไปกับการพัฒนาแบบไดนามิกของพลาสติกชีวภาพสำหรับบรรจุภัณฑ์เฉพาะทาง มีความต้องการเพิ่มขึ้นสำหรับสารเติมแต่งพลาสติกที่จะเข้ากันได้กับโพลิเมอร์ที่ย่อยสลายได้ทางชีวภาพและจะทำให้พลาสติกมีคุณสมบัติตามที่ต้องการ

โครงการชีวภาพใหม่ในเครือ PCC Group

จากการทำงานร่วมกันของแผนกวิจัยของ PCC MCAA และ PCC Exol กลุ่มผลิตภัณฑ์ใหม่กำลังได้รับการพัฒนาโดยเป็นส่วนหนึ่งของโครงการ CITREX ผลิตภัณฑ์เหล่านี้คือผลิตภัณฑ์ที่ทำให้พลาสติกมีไว้สำหรับบรรจุภัณฑ์เฉพาะทาง ฟิล์ม ลามิเนตสำหรับอาหาร แต่ยังนำไปใช้ในการผลิตของเล่นได้อีกด้วย การพัฒนาผลิตภัณฑ์ที่ตอบสนองความต้องการของตลาดและในขณะเดียวกันก็เป็นนวัตกรรมผลิตภัณฑ์เป็นความท้าทายด้านการวิจัยที่สำคัญ ทั้งการสังเคราะห์ผลิตภัณฑ์ดังกล่าวและการประยุกต์ใช้จำเป็นต้องได้รับการยอมรับอย่างถี่ถ้วนในหลายด้าน รวมถึงที่เกี่ยวข้องกับเส้นทางการสังเคราะห์ วิธีการวิเคราะห์ การใช้งานที่เป็นไปได้ และข้อมูลเกี่ยวกับผู้บริโภคและคู่แข่งในตลาดเป้าหมาย ดังนั้น เป้าหมายพื้นฐานของโครงการจึงไม่ใช่แค่การพัฒนาสารเติมแต่งพลาสติกเท่านั้น แต่เหนือสิ่งอื่นใดคือการได้รับความรู้เกี่ยวกับคุณสมบัติและการใช้งานของผลิตภัณฑ์เหล่านี้

ข้อกำหนดสำหรับ plasticizers สำหรับพลาสติกชีวภาพ

เกณฑ์สำคัญที่ต้องปฏิบัติตาม โดยสารเติมแต่งที่ทำให้พลาสติกมีไว้สำหรับโพลิเมอร์ที่ย่อยสลายได้ทางชีวภาพ คือ:

• ไม่มีการโยกย้ายพลาสติไซเซอร์ จากพลาสติกชีวภาพภายใต้อิทธิพลของอุณหภูมิและเวลาการเก็บรักษาที่สูง

การลดการย้ายถิ่นของสารเติมแต่งพลาสติกเป็นส่วนสำคัญในการพัฒนาโครงสร้าง ปรากฏการณ์ของการโยกย้ายสามารถกำหนดเรียกขานได้ว่าเป็น "การรั่วไหล" ของพลาสติไซเซอร์ ในกรณีของผลิตภัณฑ์สำเร็จรูป อาจส่งผลให้คุณสมบัติของวัสดุสูญเสียไปและความสวยงามลดลง – สีของสินค้าเปลี่ยนไปหรือรูปร่างผิดเพี้ยนไป

ในทางปฏิบัติ การโยกย้ายสามารถจำกัดได้โดยการปรับน้ำหนักโมเลกุลที่เหมาะสมของพลาสติไซเซอร์ (มวลของมัน) และปรับเปลี่ยนโครงสร้างทางเคมีให้เป็นแบบแตกแขนงหรือเชิงเส้นมากขึ้น

• ความสามารถในการย่อยสลายทางชีวภาพ

สารเติมแต่งพลาสติกที่เติมลงในพลาสติกชีวภาพต้องเป็นไปตามเกณฑ์ความสามารถในการย่อยสลายทางชีวภาพ ซึ่งหมายความว่าควรผ่านกระบวนการย่อยสลายตามธรรมชาติได้ง่าย เช่น การหมัก ซึ่งไม่ส่งผลให้เกิดสารอันตราย วิธีหนึ่งในการเพิ่มความสามารถในการย่อยสลายทางชีวภาพของผลิตภัณฑ์คือการใช้วัตถุดิบที่มาจากธรรมชาติ เช่น กรดคาร์บอกซิลิกและวัตถุดิบอื่นๆ ที่ย่อยสลายได้ทางชีวภาพในการสังเคราะห์ทางเคมี

เกณฑ์ที่อธิบายไว้ข้างต้นอ้างอิงถึงทั้งการปรับเปลี่ยนโครงสร้างทางเคมีและการเลือกวัตถุดิบที่ใช้ โดยยังคงรักษาน้ำหนักโมเลกุลที่เหมาะสมของสารประกอบที่กำลังสังเคราะห์ ความสำเร็จของพวกเขาคือความท้าทายด้านการวิจัยอย่างมากจากมุมมองของการออกแบบสารเติมแต่งพลาสติกที่เหมาะสมและดำเนินการสังเคราะห์สารเหล่านี้ ดังนั้นการดำเนินโครงการจึงต้องมีการทดสอบในห้องปฏิบัติการหลายครั้งเพื่อให้ได้สารประกอบที่มีคุณภาพและโครงสร้างที่ทำซ้ำได้

นวัตกรรมของผลิตภัณฑ์ที่กำลังพัฒนา

ความน่าดึงดูดใจของผลิตภัณฑ์ใหม่ในตลาดเป็นผลมาจาก ความเป็นนวัตกรรมใหม่ สารเติมแต่งพลาสติกที่พัฒนาขึ้นภายในโครงการ CITREX มีลักษณะเฉพาะด้วย การผสมผสานนวัตกรรมของกรดชีวภาพธรรมชาติคาร์บอกซิลิก (อำพันและซิตริก) โพลิออล ที่ผลิตโดย PCC Rokita และ ลอริลแอลกอฮอล์ ที่ใช้ในผลิตภัณฑ์เครื่องสำอาง ดังนั้นจึงไม่เป็นพิษ ในขณะเดียวกัน ผลิตภัณฑ์ที่ผลิตจะมีน้ำหนักโมเลกุลที่กำหนดไว้อย่างเข้มงวด ซึ่งมีวัตถุประสงค์เพื่อจำกัดการเคลื่อนย้ายของสารเติมแต่งจากผลิตภัณฑ์ขั้นสุดท้าย เป้าหมายหลักในการออกแบบโครงสร้างโมเลกุลใหม่คือการสร้างโมเลกุลที่จะทำปฏิกิริยากับโพลิเมอร์ชีวภาพที่มีอยู่ในพลาสติกชีวภาพ (ตามหลักการ "like ดึงดูด like") ซึ่งมีผลกระทบต่อการลดกระบวนการย้ายถิ่นและจะนำไปสู่ เป็นไปตามข้อกำหนดสำหรับสารเติมแต่ง plasticizing การรับตัวอย่างผลิตภัณฑ์ในห้องปฏิบัติการเป็นขั้นตอนแรกเบื้องต้นของการวิจัยที่ดำเนินการโดยเป็นส่วนหนึ่งของโครงการ CITREX ในขณะเดียวกัน ก็เป็นจุดเริ่มต้นของขั้นตอนต่อไป นั่นคือการทดสอบคุณสมบัติการใช้งานของผลิตภัณฑ์ที่กำหนด การตรวจสอบคุณสมบัติของผลิตภัณฑ์เหล่านี้อย่างละเอียดเป็นพื้นฐานในการเลือกแอปพลิเคชันเป้าหมาย

อนาคตของตลาดพลาสติกชีวภาพ

ตลาดพลาสติกชีวภาพและสารเติมแต่งชีวภาพเป็นตลาดที่สดใสและเติบโตอย่างรวดเร็ว ซึ่งเห็นได้ชัดเจนเป็นพิเศษในช่วงเวลาที่ผ่านมา นี่เป็นเพราะการเพิ่มความตระหนักของผู้บริโภคเกี่ยวกับ ผลกระทบด้านลบของพลาสติกต่อสิ่งแวดล้อม ผู้บริโภคที่ใส่ใจหันมาใช้บรรจุภัณฑ์และผลิตภัณฑ์ที่ใช้แล้วทิ้งที่ทำจากพลาสติกทั่วไปมากขึ้น ส่งผลให้ความต้องการชิ้นส่วนต่างๆ ที่ทำจากพลาสติกชีวภาพเพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่อง เช่น ภาชนะหรือช้อนส้อมที่ทำจาก PLA