Біопластик – майбутнє індустрії пластмас

Без сучасного пластику такі масштабні розробки в автомобільній, аерокосмічній та медичній промисловості були б неможливі. Більшість пластмас виробляються в результаті переробки основної невідновлюваної сировини – сирої нафти – і не піддаються біологічному розкладанню, що є їх головним недоліком. Якщо дивитися з глобальної точки зору, безперервна експлуатація сирої нафти безпосередньо призводить до виснаження її ресурсів. Це серйозна проблема, хоча на даний момент не така помітна, як проблема кількості відходів, які утворюються після використання пластику . Слід знати, що час їх розкладання в природному середовищі може досягати кількох поколінь.

Проблема відходів – яка статистика?

Дослідження показують, що 75%пластику, який був представлений на ринку з початку їх виробництва, вже стали відходами. Це 6,3 мільярда тонн , з яких менше 10%було перероблено, а 12%піддано енергоутилізації. Це означає, що близько 5 мільярдів тонн пластику збирається на звалищах , а також викидається в лісах, на водоймах, на пляжах і на незаконних звалищах, розкиданих по всьому світу. Саме відходи, що виникають у морському середовищі, мають найбільший вплив на природне середовище та людину. Наразі найбільшою проблемою є побутові відходи, зокрема одноразова тара . Незважаючи на те, що він становить приблизно 8%від загальної маси всього сміття, через низьку питому вагу він займає значний об’єм, становлячи майже 30%від об’єму всіх відходів. Ця група включає в основному пляшки з поліетилентерефталату (PET) і пакети для покупок, пакети для сніданків або упаковку з фольги з поліетилену (PE) або поліпропілену (PP). Найбільшим одержувачем упаковки є харчова промисловість , яка споживає близько 60%усієї упаковки.

Екологічна альтернатива – біопластик

У зв’язку зі зростаючою проблемою поводження з пластиковими відходами проводяться дослідження для розробки нових біорозкладних полімерних матеріалів , які в просторіччі називають біопластиками . Такі матеріали повинні мати корисні властивості, порівняні з отриманими звичайними методами. Їх отримують у промислових масштабах як з відновлюваної , так і з нафтохімічної сировини. У порівнянні з традиційним пластиком, виготовленим з викопних джерел, біопластик має низку цінних переваг. Перш за все, вони дозволяють економити сировину завдяки використанню циклічно оновлюваної біомаси. Крім того, їх виробництво та використання є вуглецево-нейтральними, що означає, що їх переробка не сприяє утворенню вуглекислого газу. Крім того, деякі види біопластику є біорозкладними.

Які бувають види біопластику?

Біопластик можна розділити на три групи залежно від джерела походження та здатності до біологічного розкладання:

• пластики, отримані з відновлюваної сировини , але не піддаються біологічному розкладанню – наприклад, поліамід (PA), поліетилентерефталат (PET),

• біологічно розкладаний пластик , але не з відновлюваної сировини – наприклад, 1,4-бутилен 1,4-бутилен 1,4-бутадієн терефталат (PBAT) або полікапролактон (PCL),

• матеріали на біологічній основі, отримані з відновлюваної сировини (біорозкладані полімери), біологічно розкладані – наприклад, полілактид, тобто матеріал на основі полімолочної кислоти (PLA), полігліколід на основі гліколевої кислоти (PGA) або модифікований крохмаль.

Серед перерахованих вище матеріалів домінуючу роль відіграє PLA (полілактид), який кількісно становить приблизно 40%усіх біорозкладаних полімерів. Його часто називають «подвійним зеленим», оскільки він біологічно розкладається та одержується з відновлюваної сировини. Полілактид — це полімер із властивостями, подібними до полістиролу, оскільки він жорсткий і крихкий. Він характеризується температурою склування прибл. 57°C і температурою плавлення в діапазоні 170-180°C. Також має хороші міцнісні властивості (модуль міцності 60 МПа).

Де використовуються біологічно розкладані матеріали?

Група біопластиків на основі біорозкладаних полімерів знайшла застосування в двох областях. Перший з них — це вузькоспеціалізована галузь медицини та тканинної інженерії , де з цього виду пластику виготовляють такі елементи, як біорозсмоктуючі хірургічні нитки, брекети, кліпси, імплантати, капсули для контрольованого дозування ліків тощо. Другий напрям — пов’язані з масовим виробництвом упаковки, фольги для харчових продуктів, фольги для термоформування, мішків для сміття, лотків, чашок, пляшок, столових приладів, садової фольги, одноразових виробів, елементів інтер’єру, матеріалів для покриття паперу та для друку. Заміна упаковки, виготовленої зі звичайного пластику, біорозкладаними замінниками є частиною тенденції економіки сталого розвитку та зменшення відходів.

Недоліки біопластику

Незважаючи на багато переваг, слід пам’ятати, що біорозкладні полімерні матеріали мають і недоліки, які обмежують їх широке використання. З цієї причини вони все ще програють у багатьох сферах своїм аналогам, які не піддаються біологічному розкладанню. По-перше, біорозкладаний біопластик коштує дорожче , ніж той, що зараз є на ринку, хоча варто зазначити, що ціна на нього постійно знижується . Прогнозується, що в найближчі роки вона може зрівнятися з ціною класичних полімерних матеріалів нафтохімічного походження. Багато з них поступаються звичайним матеріалам також з точки зору механічних властивостей, тобто вони занадто крихкі або жорсткі або мають занадто низьку міцність на розрив. У зв’язку з частим використанням цих матеріалів для виробництва харчової упаковки також необхідні відповідні бар’єрні властивості . Вони важливі через проникність кисню, вуглекислого газу та водяної пари, які можуть негативно вплинути на упакований продукт. Крім того, через чутливість біологічно розкладаних полімерів до тепла, вологості та напруги зсуву вони більш вимогливі до виробничого процесу, ніж їхні аналоги, що не біологічно розкладаються. З цих причин біопластик може частково деградувати вже на етапі переробки. Зазначені недоліки біорозкладаних полімерних матеріалів є основою для проведення досліджень у галузі покращення їхніх властивостей або обмеження несприятливих функціональних особливостей.

Добавки, що змінюють властивості біорозкладаної пластмаси

Біопластик містить, окрім полімерів, інші матеріали та добавки, які разом визначають можливості обробки та характеристики кінцевого продукту. Це можуть бути добавки, що використовуються для стабілізації матеріалів, пігменти, різні наповнювачі або пластифікуючі добавки ( пластифікатори ). Хоча пластифікуючі добавки становлять невеликий відсоток усіх компонентів пластику, для біорозкладаного пластику надзвичайно важливо, щоб усі вони також були біологічно розкладаними. Добавки, що вводяться під час обробки, не змінюють структуру біополімеру, а лише вступають у реакцію з його структурою. При цьому змінюються фізико-хімічні властивості матеріалів, надаючи виробам необхідні придатні для використання властивості. Паралельно з динамічним розвитком біопластику, призначеного для спеціалізованої упаковки, зростає потреба в пластифікуючих добавках, які будуть сумісні з біологічно розкладаними полімерами та нададуть пластику бажаних властивостей.

Новий біопроект у PCC Group

В результаті спільної роботи дослідницьких відділів PCC MCAA і PCC Exol в рамках проекту CITREX розробляється нова група продуктів. Це пластифікуючі продукти, призначені для спеціального пакування, плівок, харчових ламінатів , а також потенційного використання у виробництві іграшок. Розробка продуктів, які відповідають вимогам ринку і водночас є інноваційними продуктами, є головною проблемою для досліджень. Як синтез таких продуктів, так і їх застосування вимагають ретельного визнання в багатьох областях, включаючи ті, що стосуються шляху синтезу, методів аналізу, можливих застосувань та інформації про споживачів і конкурентів на цільовому ринку. Тому основною метою проекту є не тільки розробка пластифікуючих добавок, але, перш за все, отримання знань про властивості та застосування цих продуктів.

Вимоги до пластифікаторів для біопластику

Ключові критерії, яким повинні відповідати пластифікуючі добавки, призначені для біологічно розкладаних полімерів :

• відсутність міграції пластифікатора з біопластику під впливом високої температури та тривалості зберігання

Зменшення міграції пластикових добавок є ключовим аспектом у розробці їх структур. Явище міграції можна розмовно визначити як «витік» пластичного пластифікатора. У випадку з готовим виробом це може призвести до втрати властивостей матеріалу та погіршення його естетики – зміни кольору виробу чи спотворення його форми.

На практиці міграцію можна обмежити, регулюючи відповідну молекулярну масу пластифікатора (його масу) і змінюючи його хімічну структуру в бік більш розгалуженої або лінійної.

• біорозкладаність

Пластифікуюча добавка, яка додається до біопластику, повинна відповідати критерію біорозкладаності. Це означає, що він повинен легко піддаватися природному процесу розкладання, наприклад шляхом компостування, що не призводить до утворення шкідливих речовин. Одним із шляхів підвищення здатності до біологічного розкладу продукції є використання в хімічному синтезі сировини природного походження, наприклад карбонових кислот та іншої сировини, що біологічно розкладається.

Описані вище критерії стосуються як модифікації хімічної структури, так і вибору сировини, що використовується, при збереженні відповідної молекулярної маси сполуки, що синтезується. Їх виконання є величезним дослідницьким завданням з точки зору розробки відповідних пластифікуючих добавок та проведення їх синтезу. Тому реалізація проекту вимагає багатьох лабораторних тестів для отримання сполук повторюваної якості та структури.

Інноваційність продуктів, що розробляються

Привабливість нового продукту на ринку також є результатом його інноваційності . Пластифікуючі добавки, розроблені в рамках проекту CITREX, характеризуються інноваційним поєднанням природних карбонових (бурштинової та лимонної) біокислот, поліолів виробництва PCC Rokita та лаурилового спирту , що використовується в косметичних продуктах, і тому нетоксичні. При цьому вироблена продукція має строго певну молекулярну масу, яка покликана обмежити міграцію добавок з кінцевого продукту. Основною метою при проектуванні нових молекулярних структур було створення такої молекули, яка б взаємодіяла з біополімером, що міститься в біопластиках (за принципом «подібне притягує подібне»), що також впливає на зниження процесу міграції та сприятиме відповідність вимогам до пластифікуючих добавок. Отримання лабораторного зразка продукту є першим, попереднім етапом досліджень, які проводяться в рамках проекту CITREX. Водночас, це початок наступного етапу – перевірки застосовних властивостей даної продукції. Ретельний аналіз властивостей цих продуктів є основою для вибору цільового застосування.

Майбутнє ринку біопластику

Ринок біопластику та біодобавок, безумовно, є перспективним і стрімко розвивається, що особливо помітно останнім часом. Це пов’язано, зокрема, зі збільшенням обізнаності споживачів про негативний вплив пластику на навколишнє середовище . Свідомі споживачі все частіше звертаються до екологічних замінників упаковки та одноразових виробів зі звичайного пластику. В результаті постійно зростає попит на різні елементи з біопластику, такі як контейнери або столові прилади з PLA.