Biopolimery nieulegające biodegradacji
Do tej grupy biopolimerów należą biotworzywa produkowane z surowców roślinnych (skrobi, celulozy lub ligniny) lub innego surowca biologicznego. Tak wytwarzane mogą być np. bio-PE, bio-PET, bio-PA. Określenie ''bio'' dotyczy jedynie pochodzenia surowców, z których są otrzymywane, odzwierciedlając mniejszy negatywny wpływ na środowisko.
Przykładem niebiodegradowalnego polimeru pochodzenia biologicznego jest bio-PE, który jest otrzymywany z etanolu produkowanego z trzciny cukrowej, buraka cukrowego lub z pszenicy, czyli z surowców odnawialnych. Bio-PE ma właściwości takie same jak PE otrzymywany z surowców kopalnych. Nie ulega też biodegradacji, podobnie jak PE otrzymywany metodami konwencjonalnymi. Z badania [9] porównującego oddziaływanie bio-PE na środowisko z oddziaływaniem PE otrzymywanego metodami konwencjonalnymi wynika jasno, że:
- biopolietylen ma ponad 10-krotnie mniejszy wpływ na zmianę klimatu niż konwencjonalny polimer
- zużycie zasobów kopalnych w przypadku materiału pochodzenia biologicznego jest ujemne (w trakcie produkcji powstają zasoby kopalne), podczas gdy do produkcji PE tradycyjną metodą potrzeba blisko 0,03 kilograma ropy na m2 folii
- materiał konwencjonalny przyczynia się do generowania ponad 4-krotnie większego smogu w okresie letnim.
Z drugiej strony:
- biopolimer przyczynia się w większym stopniu do zakwaszenia środowiska
- PE z trzciny cukrowej oddziałuje 3-krotnie silniej na eutrofizację gleb niż tradycyjny polietylen
- podczas gdy PE nie wpływa na eutrofizację wód, każdy m2 folii bio-PE powoduje uwalnianie do wód około 0,075 grama fosfatów odpowiedzialnych za nadmierne nawożenie gleb
- emisja cząstek PM10, czyli niebezpiecznych dla człowieka zawieszonych w powietrzu cząstek stałych o średnicy nie większej niż 10 µm, jest 6-krotnie większa w przypadku biopolimeru niż polimeru konwencjonalnego
- zużycie ziemi uprawnej do produkcji trzciny cukrowej to około 0,085 m2 na m2 folii, podczas gdy produkcja PE z nafty nie wymaga użycia ziemi uprawnej
- zużycie energii jest ponad 4-krotnie większe w przypadku biopolimeru
- zużycie wody jest blisko 30-krotnie większe w przypadku produkcji z trzciny cukrowej.
Bio-PET (biopolitereftalan etylenu) jest aktualnie najczęściej stosowanym niebiodegradowalnym bioplastikiem. Atutem jest jego wysoka trwałość, podobna do PET opartego na paliwach kopalnych. Biopolimer może być stosowany w tych samych zastosowaniach, co PET, czyli m.in. w butelkach oraz foliach elastycznych. Dodatkowo legislacja w różnych krajach (np. w Japonii, Kanadzie czy w Stanach Zjednoczonych) prowadząca do ograniczenia emisji gazów cieplarnianych przyczynia się do rozwoju rynku bio-PET. Ponadto strategie takich firm, jak PepsiCo i Coca-Cola, idące w kierunku zrównoważonych opakowań dla swoich napojów, również wspomagają segment bio-PET.
Biopolimery z surowców nieodnawialnych
Inną grupą biotworzyw są biopolimery, które pochodzą z surowców nieodnawialnych, ale ulegają biodegradacji. Biotworzywa z surowców nieodnawialnych to przede wszystkim:
- syntetyczne poliestry alifatyczne - polikaprolakton (PCL)
- poli[adypinian 1,4-butylenu-co-tereftalan 1,4-butylenu] (PBAT)
- syntetyczne i półsyntetyczne kopolimery alifatyczne (AC)
- syntetyczne kopolimery alifatyczno-aromatyczne (ACC)
- polimery rozpuszczalne w wodzie - alkohol(poliwinylowy) (PVOH).
PCL to biodegradowalny polimer, należący do grupy poliestrów alifatycznych, otrzymywany z kaprolaktonu. Jest stosowany jako plastyfikator zwiększający elastyczność innych tworzyw sztucznych, dosyć łatwo miesza się z innymi polimerami. Jest także używany w połączeniu ze skrobią do wyrobu utwardzalnego tworzywa, z którego produkowane są jednorazowe talerze czy kubki, które można utylizować przez kompostowanie. PCL jest stosowany w medycynie, m.in. do produkcji implantów oraz wchłanialnych nici chirurgicznych.
PBAT
Wytwarzane są również polimery biodegradowalne na bazie surowców ropopochodnych, do których należy m.in. PBAT (poli[adypinian 1,4-butylenu-co-tereftalan 1,4-butylenu]). Jest on bardzo elastyczny, o wydłużeniu przy zerwaniu ponad 1000%, temperaturze zeszklenia ok. -22°C i temperaturze topnienia ok. 120-130°C.
Syntetyczne kopolimery alifatyczno-aromatyczne (ACC)
Oprócz wymienionych produktów, otrzymywane są poliestry zawierające fragmenty pochodzące z surowców nie tylko odnawialnych. Są to np. (bio)degradowalne poliestry całkowicie alifatyczne lub alifatyczno-aromatyczne.
Wśród nich najlepiej znane są poliestry produkowane przez BASF (Ecoflex), zawierające fragmenty estrów kwasu tereftalowego, adypinowego oraz glikolu tetrametylenowego [1,4-butanodiolu]. Mieszaniny tych poliestrów z PLA noszą nazwę Ecovio. Umożliwiają one wytworzenie serii polimerów różniących się sztywnością i temperaturą topnienia. Temperatura mięknienia (DSC) Ecoflexu wynosi 110-115°C, Ecovio - do 155°C, twardość (Shore D) - 32 dla Ecoflexu i 59 dla jednego z gatunków Ecovio.
Obecnie BASF stopniowo przestawia się na produkcję polimerów biobased/biodegradable ze względu na dostępność wszystkich składników Ecoflexu wytwarzanego z odnawialnych surowców [10].
Polimery rozpuszczalne w wodzie - alkohol(poliwinylowy) (PVAL)
Folie z PVAL otrzymywane metodą wytłaczania z rozdmuchiwaniem stosowane są do produkcji opakowań rozpuszczalnych w wodzie. Ulegają degradacji w środowisku wodnym.
Kompozyty
Dostępne są również różne kompozyty zawierające składniki naturalne (często zwane biokompozytami). Kompozyt stanowi mieszaninę podstawowego polimeru lub tworzywa oraz wypełniaczy, które poprawiają chemiczne lub mechaniczne właściwości materiału lub obniżają jego cenę. W biokompozytach spotykamy naturalne włókna (np. konopie) lub organiczne wypełniacze, takie jak np. mączka drzewna. Również podstawowy polimer (np. PLA wypełniony naturalnymi włóknami) musi być biodegradowalny. Błędem jest myślenie, że jeśli materiał zawiera naturalne wypełniacze (np. skrobię lub mączkę drzewną), wówczas z niebiodegradowalnego stanie się biodegradowalny.
Na podstawie przeprowadzonej analizy literaturowej należy spodziewać się w najbliższym czasie wzrostu produkcji biopolimerów, nie tylko ze względu na rosnącą świadomość środowiskową konsumentów i producentów opakowań, ale przede wszystkim z powodu rozwoju lepszych i tańszych metod pozyskiwania materiałów biodegradowalnych. Dużą zaletą stosowania biopolimerów jest również fakt, że nie ma potrzeby budowy dodatkowej infrastruktury technologicznej, ponieważ polimery biodegradowalne można przetwarzać stosując większość standardowych technologii przetwórstwa tworzyw sztucznych.
Dr Karol Niciński, Barbara Stankiewicz, dr inż. Jacek Hamerliński
Źródła
