Biyoplastikler – plastik endüstrisinin geleceği

Modern plastikler olmadan, otomotiv, havacılık ve tıp endüstrilerinde bu kadar büyük bir gelişme mümkün olmazdı.

Plastiklerin çoğu, temel yenilenemeyen ham maddenin – ham petrol – işlenmesi sonucu üretilir ve biyolojik olarak parçalanamazlar, bu da onların başlıca dezavantajıdır. Küresel bir bakış açısından bakıldığında, ham petrolün sürekli sömürülmesi doğrudan kaynaklarının tükenmesine yol açar. Bu önemli bir sorundur, ancak şu anda plastiklerin kullanımından sonra oluşan atık miktarı sorunu kadar fark edilmez. Doğal ortamda ayrışma sürelerinin birkaç jenerasyona kadar çıkabileceğinin farkında olmalısınız.

Atık sorunu – istatistikler nelerdir?

Araştırmalar, üretiminin başlangıcından bu yana piyasaya sürülen plastiklerin %75’inin halihazırda atık haline geldiğini gösteriyor. Bu, 6,3 milyar tondur ve bunun %10’dan azı geri dönüştürülmüş ve %12’si enerji geri kazanımına tabi tutulmuştur. Bu, yaklaşık 5 milyar ton plastiğin çöplüklerde toplandığı , ancak aynı zamanda dünyanın dört bir yanına dağılmış ormanlara, sulara, plajlara ve yasadışı çöplüklere atıldığı anlamına geliyor. Doğal çevre ve insan üzerinde en büyük etkiye sahip olan, deniz ortamında oluşan atıktır.

Şu anda en büyük sorun, tek kullanımlık ambalajlar da dahil olmak üzere belediye atıklarıdır. Tüm çöplerin toplam ağırlığının yaklaşık %8’ini oluşturmasına rağmen, düşük özgül ağırlığı nedeniyle önemli bir hacim kaplayarak tüm atıkların hacminin neredeyse %30’unu oluşturmaktadır. Bu grup esas olarak polietilen tereftalattan (PET) yapılmış şişeleri ve polietilenden (PE) veya polipropilenden (PP) yapılmış alışveriş çantalarını, kahvaltı çantalarını veya folyo ambalajları içerir. Ambalajın en büyük alıcısı, tüm ambalajların yaklaşık %60’ını tüketen gıda endüstrisidir.

Ekolojik bir alternatif – biyoplastikler

Plastik atıkların yönetimiyle ilgili büyüyen sorun nedeniyle, günlük dilde biyoplastik olarak adlandırılan yeni biyolojik olarak parçalanabilir polimer malzemeler geliştirmek için araştırmalar yürütülmektedir. Bu tür malzemeler, geleneksel yöntemlerle elde edilenlere benzer yararlı özelliklere sahip olmalıdır. Endüstriyel ölçekte hem yenilenebilir hem de petrokimyasal hammaddelerden elde edilirler.

Fosil kaynaklardan üretilen geleneksel plastiklerle karşılaştırıldığında, biyoplastiklerin bir dizi değerli avantajı vardır. Her şeyden önce, döngüsel olarak yenilenen biyokütlenin kullanımı sayesinde hammaddelerin tasarruf edilmesini sağlarlar. Ayrıca, üretimleri ve kullanımları karbon-nötrdür, yani işlenmeleri karbondioksit üretimine katkıda bulunmaz. Dahası, bazı biyoplastik türleri biyolojik olarak parçalanabilir.

Biyoplastik çeşitleri nelerdir?

Biyoplastikler, kökenlerine ve biyolojik olarak parçalanabilirliklerine göre üç gruba ayrılabilir:

• yenilenebilir ham maddelerden türetilen ancak biyolojik olarak parçalanmayan plastikler – örneğin poliamid (PA), polietilen tereftalat (PET),

• biyolojik olarak parçalanabilir plastikler , ancak yenilenebilir ham maddelerden değil – örneğin 1,4-bütilen 1,4-bütilen 1,4-bütadien tereftalat (PBAT) veya polikaprolakton (PCL),

• yenilenebilir ham maddelerden türetilen biyobazlı malzemeler (biyolojik olarak parçalanabilir polimerler), biyolojik olarak parçalanabilir – örneğin polilaktit, yani polilaktik asit bazlı malzeme (PLA), glikolik asit bazlı poliglikolid (PGA) veya modifiye nişasta.

Yukarıda belirtilen malzemeler arasında baskın rol, tüm biyolojik olarak parçalanabilir polimerlerin yaklaşık %40’ını niceliksel olarak oluşturan PLA (polilaktit) tarafından oynanır. Hem biyolojik olarak parçalanabilir hem de yenilenebilir ham maddelerden türetildiği için sıklıkla ‘çift yeşil’ olarak adlandırılır. Polilaktit, sert ve kırılgan olduğu için polistirene benzer özelliklere sahip bir polimerdir. Yaklaşık 57°C’lik bir cam geçiş sıcaklığı ve 170-180°C aralığında bir erime noktası ile karakterize edilir. Ayrıca iyi mukavemet özelliklerine (60 MPa mukavemet modülü) sahiptir.

Biyobozunur biyobazlı malzemeler nerelerde kullanılır?

Biyolojik olarak parçalanabilir polimerlere dayalı bir grup biyobazlı plastik iki alanda uygulama bulmuştur. Bunlardan ilki, bu tür plastiklerin biyolojik olarak emilebilen cerrahi iplikler, diş telleri, klipsler, implantlar, ilaçların kontrollü dozlanması için kapsüller vb. gibi elemanları üretmek için kullanıldığı, tıp ve doku mühendisliğinin oldukça uzmanlaşmış bir dalıdır. İkinci alan, ambalajların, gıda ürünlerine adanmış folyoların, termoform folyoların, atık torbalarının, tepsilerin, bardakların, şişelerin, çatal bıçak takımlarının, bahçe folyolarının, tek kullanımlık ürünlerin, iç tasarım elemanlarının, kağıt kaplama malzemelerinin ve baskının seri üretimiyle ilgilidir. Geleneksel plastiklerden üretilen ambalajların biyolojik olarak parçalanabilir ikamelerle değiştirilmesi, sürdürülebilir kalkınma ve atık azaltma ekonomisi eğiliminin bir parçasıdır.

Biyoplastiklerin dezavantajları

Birçok avantajına rağmen, biyolojik olarak parçalanabilen polimer malzemelerin yaygın kullanımını sınırlayan dezavantajlarının da olduğu unutulmamalıdır. Bu nedenle, biyolojik olarak parçalanmayan muadillerine göre hala birçok alanda geride kalmaktadırlar. Öncelikle, biyolojik olarak parçalanabilen biyoplastikler şu anda piyasada bulunanlardan daha pahalıdır , ancak fiyatlarının sürekli azaldığını belirtmekte fayda vardır. Önümüzdeki yıllarda petrokimya kökenli klasik polimer malzemelerin fiyatına eşit olabileceği öngörülmektedir. Birçoğu mekanik özellikler açısından da geleneksel malzemelerden daha düşüktür, yani çok kırılgan veya serttirler veya çok düşük çekme mukavemetine sahiptirler.

Bu malzemelerin gıda ambalajı üretiminde sıklıkla kullanılması nedeniyle, uygun bariyer özelliklerine de ihtiyaç duyulmaktadır. Bunlar, paketlenmiş ürünü olumsuz etkileyebilecek oksijen, karbondioksit ve su buharı geçirgenliği nedeniyle önemlidir.

Ayrıca, biyolojik olarak parçalanabilir polimerlerin ısıya, neme ve kayma gerilmelerine duyarlılığı nedeniyle, biyolojik olarak parçalanmayan muadillerine göre üretim sürecinde daha zorludurlar. Bu nedenlerden dolayı, biyoplastikler işleme aşamasında kısmen parçalanabilir. Biyolojik olarak parçalanabilir polimerik malzemelerin belirtilen dezavantajları, özelliklerini iyileştirme veya olumsuz işlevsel özelliklerini sınırlama alanında araştırma yürütmenin temelini oluşturur.

Biyobozunur plastiklerin özelliklerini değiştiren katkı maddeleri

Biyoplastikler, polimerlere ek olarak, birlikte işleme olanaklarını ve nihai ürün özelliklerini belirleyen diğer malzemeler ve katkı maddeleri içerir. Bunlar , malzemeleri stabilize etmek için kullanılan katkı maddeleri, pigmentler, çeşitli dolgu maddeleri veya plastikleştirici katkı maddeleri ( plastikleştiriciler ) olabilir. Plastikleştirici katkı maddeleri, plastikteki tüm bileşenlerin küçük bir yüzdesini temsil etse de, biyolojik olarak parçalanabilir plastikler için hepsinin aynı zamanda biyolojik olarak parçalanabilir olması son derece önemlidir. İşleme sırasında eklenen katkı maddeleri, biyopolimerin yapısını değiştirmez, yalnızca yapısıyla reaksiyona girer. Bu, malzemelerin fizikokimyasal özelliklerini değiştirerek ürünlere gerekli kullanılabilir özellikleri kazandırır.

Uzman ambalajlamaya adanmış biyoplastiklerin dinamik gelişimine paralel olarak, biyolojik olarak parçalanabilir polimerlerle uyumlu olacak ve plastiklere istenen özellikleri kazandıracak plastikleştirici katkı maddelerine olan ihtiyaç artmaktadır.

PCC Grubunda yeni biyo-proje

PCC MCAA ve PCC Exol araştırma bölümlerinin ortak çalışması sonucunda, CITREX projesinin bir parçası olarak yeni bir ürün grubu geliştiriliyor. Bunlar , uzman paketleme, filmler, gıda laminatları için ayrılmış plastikleştirici ürünlerdir , ancak aynı zamanda oyuncak üretiminde potansiyel kullanıma sahiptir. Pazar gereksinimlerini karşılayan ve aynı zamanda bir ürün inovasyonu olan ürünlerin geliştirilmesi büyük bir araştırma zorluğudur. Bu tür ürünlerin hem sentezi hem de uygulamaları, sentez yolu, analiz yöntemleri, olası uygulamalar ve hedef pazardaki tüketiciler ve rakipler hakkında bilgiler dahil olmak üzere birçok alanda kapsamlı bir tanıma gerektirir. Bu nedenle, projenin temel amacı yalnızca plastikleştirici katkı maddeleri geliştirmek değil, her şeyden önce bu ürünlerin özellikleri ve uygulamaları hakkında bilgi edinmektir.

Polimer katkı maddeleri hakkında daha fazla bilgi edinin.

Biyoplastikler için plastikleştiricilere ilişkin gereklilikler

Biyolojik olarak parçalanabilir polimerlere yönelik plastikleştirici katkı maddelerinin karşılaması gereken temel kriterler şunlardır:

• yüksek sıcaklık ve depolama süresinin etkisi altında biyoplastiklerden plastikleştirici göçü olmaz

Plastik katkı maddelerinin göçünü azaltmak, yapılarını geliştirmede önemli bir husustur. Göç olgusu, halk arasında plastik plastikleştiricinin "sızması" olarak tanımlanabilir. Bitmiş bir ürün söz konusu olduğunda, malzemenin özelliklerinin kaybolması ve estetiğinin bozulmasıyla sonuçlanabilir – ürünün renginin değişmesi veya formunun bozulması.

Uygulamada, göç, plastikleştiricinin uygun moleküler ağırlığının (kütlesinin) ayarlanması ve kimyasal yapısının daha dallı veya doğrusal bir yapıya doğru değiştirilmesiyle sınırlandırılabilir.

• biyolojik olarak parçalanabilirlik

Biyoplastiğe eklenen plastikleştirici katkı maddesi biyolojik olarak parçalanabilirlik kriterini karşılamalıdır. Bu, zararlı maddelerin oluşumuna yol açmayan kompostlaştırma gibi doğal bir ayrışma sürecinden kolayca geçmesi gerektiği anlamına gelir. Ürünlerin biyolojik olarak parçalanabilirliğini artırmanın yollarından biri, kimyasal sentezde karboksilik asitler ve diğer biyolojik olarak parçalanabilir hammaddeler gibi doğal kökenli hammaddelerin kullanılmasıdır.

Yukarıda açıklanan kriterler, sentezlenen bileşiğin uygun moleküler ağırlığını korurken hem kimyasal yapının modifikasyonuna hem de kullanılan hammaddelerin seçimine atıfta bulunur. Bunların yerine getirilmesi, uygun plastikleştirici katkı maddelerinin tasarlanması ve sentezlerinin gerçekleştirilmesi açısından büyük bir araştırma zorluğudur. Bu nedenle, projenin uygulanması, tekrarlanabilir kalite ve yapıda bileşikler elde etmek için birçok laboratuvar testi gerektirir.

Geliştirilen ürünlerin yenilikçiliği

Yeni ürünün pazardaki çekiciliği aynı zamanda yenilikçiliğinden de kaynaklanmaktadır. CITREX projesi kapsamında geliştirilen plastikleştirici katkı maddeleri , doğal karboksilik (kehribar ve sitrik) biyo asitler , PCC Rokita tarafından üretilen polioller ve kozmetik ürünlerde kullanılan lauril alkolün yenilikçi bir kombinasyonu ile karakterize edilir ve bu nedenle toksik değildir. Aynı zamanda, üretilen ürünler, katkı maddelerinin nihai üründen göçünü sınırlamayı amaçlayan kesin olarak tanımlanmış bir moleküler ağırlığa sahiptir. Yeni moleküler yapıların tasarımındaki temel amaç, biyoplastiklerde bulunan biyopolimerle etkileşime girecek (benzer benzeri çeker ilkesine göre) ve göç sürecini azaltmada da etkili olacak ve plastikleştirici katkı maddeleri için gerekliliklerin karşılanmasına katkıda bulunacak bir molekül yaratmaktı.

Ürünün laboratuvar örneğini elde etmek, CITREX projesinin bir parçası olarak yürütülen araştırmanın ilk, ön aşamasıdır. Aynı zamanda, verilen ürünlerin uygulama özelliklerinin test edildiği bir sonraki aşamanın başlangıcıdır. Hedeflenen uygulamaların seçiminde bu ürünlerin özelliklerinin ayrıntılı bir şekilde incelenmesi esastır.

Biyoplastik pazarının geleceği

Biyoplastikler ve biyo-katkı maddeleri pazarı kesinlikle umut vadeden ve hızla büyüyen bir pazardır ve bu özellikle son zamanlarda dikkat çekmektedir. Bunun nedeni, diğerlerinin yanı sıra, tüketicilerin plastiklerin çevre üzerindeki olumsuz etkilerine ilişkin farkındalığının artmasıdır. Bilinçli tüketiciler, geleneksel plastiklerden yapılmış ambalajlar ve tek kullanımlık ürünler için giderek daha fazla ekolojik ikamelere yönelmektedir. Sonuç olarak, PLA’dan yapılmış kaplar veya çatal bıçak takımı gibi biyoplastiklerden yapılmış çeşitli elemanlara olan talepte sürekli bir artış vardır.