Oksy i biodegradowalne termoplasty

Prezentujemy tekst Edyty Gibas oraz Grażyny Rymarz z Instytutu Inżynierii Materiałów Polimerowych i Barwników w Toruniu z Oddziału Zamiejscowego Farb i Tworzyw w Gliwicach. Dotyczy on problematyki Oksy i biodegradowalnych termoplastów.

Nowe trendy ekologiczne wymusiły zapotrzebowanie na materiały polimerowe o ograniczonym „czasie życia”. Z uwagi na podstawową zasadę, na której powinna opierać się gospodarka odpadami opakowaniowymi tzn. przeciwdziałanie ich powstawaniu, na świecie od wielu lat prowadzone są badania nad nowymi materiałami opakowaniowymi, „przyjaznymi” dla środowiska, ulegającymi stosunkowo szybkiemu rozkładowi w środowisku naturalnym, do których zaliczają się oksy- i biodegradowalne termoplasty.

Skąd zainteresowanie materiałami degradowanymi?

Zainteresowanie polimerami ulegającymi rozkładowi w środowisku naturalnym rozpoczęło się przed 40 latami, kiedy to uświadomiono sobie, że najczęściej używane materiały opakowaniowe, tj. poliolefiny czy PET są akumulowane w środowisku, ponieważ czas ich rozkładu wynosi ponad 500 lat. Wzrost ilości odpadów jest jednym z najważniejszych problemów środowiskowych Unii Europejskiej.

Poliolefiny należą do najbardziej popularnych tworzyw sztucznych masowych, ze względu na stosunkowo łatwe przetwórstwo, niską cenę, funkcjonalność, obojętność biologiczną i estetykę. Różnorodne kierunki ich zastosowania wymuszają konieczność takiej ich modyfikacji, aby były one z jednej strony odporne przez długi czas na warunki panujące w środowisku, w którym są stosowane (np. folia ogrodnicza, rury do transportu wody i gazu, osłony kabli energetycznych), a z drugiej powinny ulegać w miarę szybkiemu rozkładowi po zużyciu (dotyczy to przede wszystkim opakowań jednorazowych).

Polimery degradowalne są materiałami czułymi na różne czynniki fizyczne, chemiczne czy biologiczne powodujące ich degradację. Niektóre z tych materiałów mogą być wytwarzane ze źródeł odnawialnych w przeciwieństwie do polimerów produkowanych w oparciu o surowce z ropy naftowej (np. takich jak polietylen czy polipropylen). Jest wiele sposobów zwiększenia degradowalności łańcucha polimeru, który może ulegać hydrolizie, utlenianiu, termo- lub fotodegradacji i biodegradacji. Fotodegradacja zachodząca pod wpływem promieni UV polega na wzbudzeniu reakcji rodnikowych prowadzących do skracania łańcucha polimerowego.

Chemiczna degradacja polega na pękaniu wiązań łańcucha polimerowego i zmniejszaniu ciężaru cząsteczkowego, a biologiczna na wykorzystaniu polimeru jako źródła energii i węgla przez organizmy powodujące jego rozkład. Właściwy proces biodegradacyjny przebiega w wyniku kolonizacji powierzchni polimeru przez grzyby mikroskopowe i bakterie. Niektóre polimery są podatne na biodegradację w wyniku działania enzymów czy mikroorganizmów, podczas gdy inne dopiero w zaawansowanych stadiach rozpadu mogą się stać biodegradowalne.

Każdy typ degradacji polimeru różni się mechanizmem molekularnym, przy czym degradacja jednego rodzaju polimeru może przebiegać równocześnie według różnych mechanizmów.

Biodegradowalność w świetle standardów międzynarodowych

Podstawową cechą materiałów biodegradowalnych jest ich stosunkowo łatwa degradacja przebiegająca od kilku miesięcy do kilku lat w porównaniu do klasycznych polimerów petrochemicznych, które mogą ulegać rozkładowi ponad 500 lat. Biodegradacja stanowi wieloetapowy proces z ciągiem reakcji chemiczno-biologicznych i wywołana jest enzymatycznym działaniem mikroorganizmów (bakterii, grzybów i enzymów). Przydatność materiałów i opakowań do biodegradacji oraz kompostowania określają odpowiednie uregulowania prawne.

W Unii Europejskiej obowiązuje norma EN 13432 „Opakowania - Wymagania dotyczące opakowań przydatnych do odzysku przez kompostowanie i biodegradację - Program badań i kryteria oceny do ostatecznej akceptacji opakowań”, zharmonizowana z dyrektywą 94/62/WE. Norma ta dotyczy kompostowalności samych opakowań, bez uwzględnienia kompostowalności jakichkolwiek zawartych w nich pozostałości produktów.

Opakowania i materiały opakowaniowe przydatne do kompostowania oraz obróbki w warunkach beztlenowych powinny wykazywać zdolność do biodegradacji i dezintegracji (rozpadu, fragmentacji) podczas obróbki biologicznej, a produkty tego procesu nie powinny wpływać negatywnie na jakość uzyskanego kompostu.

Według niniejszej normy czas badań biodegradacji w warunkach tlenowych powinien wynosić maksymalnie sześć miesięcy. Dla badanego materiału biodegradacja powinna wynosić, co najmniej 90 proc. całości lub 90 proc. maksymalnego rozkładu odpowiedniej substancji referencyjnej (wzorca odniesienia). Wartość graniczna dla biodegradacji ustalona jest na podstawie przemiany węgla zawartego w badanym materiale w CO2 i biomasę. Czas badań w warunkach beztlenowych powinien wynosić maksymalnie dwa miesiące. Biodegradacja oznaczona na podstawie wytworzonego biogazu powinna wynosić 50 proc. lub poniżej wartości teoretycznej dla badanego materiału.