Pomimo ich wielu oczywistych zalet, nie należy zapominać o problemach związanych z użytkowaniem tworzyw sztucznych na tak wielką skalę. Przede wszystkim, jedną z ich najważniejszych wad jest brak biodegradowalności. Ponadto, produkowane są one z ropy naftowej, czyli nieodnawialnego surowca, którego zasoby mogą się w niedalekiej przyszłości wyczerpać. Jeśli weźmiemy pod uwagę również problem powstawania ogromnej ilości odpadów z tworzyw sztucznych (niektóre z nich rozkładają się w środowisku naturalnym nawet kilkaset lat!), widzimy wyraźnie, jak istotna jest kwestia rozwoju ekologicznych rozwiązań dotyczących materiałów polimerowych.

Coraz większy problem z zalegającymi odpadami

Nie da się ukryć, że odpady z tworzyw sztucznych stanowią obecnie ogromny problem na całym świecie. Ich skalę pokazują badania, według których aż 75% wyprodukowanych dotychczas tworzyw sztucznych jest obecnie odpadem. Przekładając te dane na liczby – jest to aż 6,3 mld ton plastikowych śmieci. Nie lepiej wyglądają też statystyki związane z ponownym wykorzystaniem tych tworzyw - mniej niż 10% z nich zostało poddanych recyklingowi, a tylko 12% odzyskowi energetycznemu. Pozostała część, czyli około 5 mld ton, zalega obecnie na wysypiskach oraz w różnych nieprzeznaczonych do tego miejscach, takich jak lasy, łąki, nielegalne wysypiska śmieci oraz plaże, przy czym największą szkodę wywołują odpady zalegające w środowisku morskim.

Źródłem generującym największą ilość plastikowych odpadów są jednorazowe opakowania plastikowe, wykorzystywane głównie przez przemysł spożywczy. Należy tutaj wymienić takie opakowania jak wykonane z polietylenu i polipropylenu torby na zakupy, torebki śniadaniowe oraz rożnego rodzaju folie, a także butelki z PET.

Biodegradowalne tworzywa sztuczne - ekologiczne rozwiązanie problemu z odpadami

Rozwiązaniem problemu z zagospodarowaniem stale rosnącej ilości odpadów z tworzyw sztucznych mogą być biotworzywa, czyli biodegradowalne materiały polimerowe. Aby mogły one skutecznie zastąpić stosowane obecnie konwencjonalne tworzywa sztuczne, muszą posiadać podobne do nich właściwości użytkowe. Warto zaznaczyć, że posiadają one także dodatkowe zalety, takie jak uleganie biodegradacji czy oszczędność surowców poprzez wykorzystanie do produkcji odnawialnej biomasy. Oprócz tego nie powodują one produkcji dwutlenku węgla podczas procesów produkcyjnych i przetwórczych.

Rodzaje biotworzyw - podział

Biorąc pod uwagę takie kryteria jak źródło pochodzenia oraz podatność na biodegradację, wyróżnia się następujące typy biotworzyw:

• materiały wytwarzane z surowców odnawialnych, ale które nie są biodegradowalne (poliamid (PA), politereftalan etylu (PET)),
• tworzywa biodegradowalne, ale nie pochodzące z odnawialnych surowców - przykłady takich tworzyw to poliadypinian 1,4-butylenu-co-tereftalan 1,4-butylenu (PBAT) oraz polikaprolakton (PCL),
• biotworzywa produkowane z surowców odnawialnych oraz ulegające biodegradacji - np. polilaktyd, skrobia modyfikowana.

Najczęściej wykorzystywanym biotworzywem jest polilaktyd, który stanowi ok. 40% wszystkich wykorzystywanych biodegradowalnych polimerów. Warto zauważyć, że jednocześnie jest on produkowany z surowców oraz ulega biodegradacji. Charakteryzuje się podobnymi do polistyrenu cechami, takimi jak sztywność i kruchość, oraz dobrymi właściwościami wytrzymałościowymi (moduł wytrzymałości dla tego tworzywa to 60 MPa).

Gdzie mogą być stosowane biotworzywa?

Biotworzywa produkowane z biodegradowalnych polimerów znajdują zastosowanie przede wszystkim w masowej produkcji opakowań. Z tego powodu, mogą stanowić skuteczne rozwiązanie rosnącej ilości odpadów z nieulegających biodegradacji konwencjonalnych materiałów. Mogą być z nich wytwarzane opakowania oraz folie przeznaczone dla przemysłu spożywczego, butelki, sztućce, torby na odpady, jak również elementy wyposażenia wnętrz czy też materiały stosowane do powlekania papieru. Drugim istotnym obszarem dla zastosowania biotworzyw jest medycyna i inżynieria tkankowa, gdzie wykorzystywane są do wytwarzania nici chirurgicznych, implantów czy też kapsułek do dozowania leków.

Jakie są ograniczenia w stosowaniu biodegradowalnych materiałów polimerowych?

Niestety pomimo szeregu korzystnych cech biotworzyw, możliwości ich zastosowania limitowane są przez ich wady. Przede wszystkim uwagę może zwracać stosunkowo wysoka cena - biodegradowalne biotworzywa są droższe od obecnie występujących na rynku materiałów, przy czym poziom ich cen stale się obniża. Co więcej, wykazują one gorsze właściwości mechaniczne, np. zbyt dużą kruchość lub sztywność oraz zbyt niską odporność na rozciąganie.

Biotworzywa są wykorzystywane do produkcji opakowań dedykowanych przemysłowi spożywczemu, a to oznacza dodatkowe wymagania odnośnie ich właściwości barierowych – aby odpowiednio chronić zapakowaną w nie żywność, powinny charakteryzować się niską przepuszczalnością m.in. pary wodnej, tlenu oraz dwutlenku węgla. Mniejsza odporność biotworzyw na temperaturę, wilgoć oraz naprężenia w stosunku do standardowo wykorzystywanych tworzyw sztucznych zwiększa także ryzyko częściowej degradacji tych materiałów już na etapie ich przetwórstwa.

Lista tych niekorzystnych cech jest dłuższa niż można by oczekiwać, jednak stanowi ona podstawę do prowadzenia prac rozwojowych w kierunku doskonalenia biotworzyw. Poprawa właściwości użytkowych jest bowiem szansą na poszerzenie ich aplikacji oraz zastępowanie nimi obecnie stosowanych materiałów nie ulegających biodegradacji.

Dodatki do tworzyw biodegradowalnych

Tak jak i w przypadku konwencjonalnych tworzyw sztucznych, również biotworzywa wymagają stosowania substancji dodatkowych poprawiających ich właściwości oraz wpływających na procesy przetwórcze. Należą do nich m.in. dodatki stabilizujące, plastyfikatory, pigmenty czy też wypełniacze. W przypadku biotworzyw istotne jest, aby również wszystkie dodatkowe substancje, mimo że wykorzystywane w stosunkowo niewielkich ilościach, również ulegały biodegradacji. W przypadku opakowań specjalistycznych szczególnie ważną grupą dodatków są środki plastyfikujące, które zapewniają biopolimerom odpowiednie cechy użytkowe.

Bio-projekt badawczo-rozwojowy w Grupie PCC

Działy badawcze Grupy PCC pracują na co dzień intensywnie nad stałym poszerzaniem portfolio produktowego, a jednym z najnowszych projektów realizowanych wspólnie przez spółki PCC Exol oraz PCC MCAA jest rozwój nowej grupy dodatków plastyfikujących. Przeznaczone będą do produkcji materiałów opakowaniowych stosowanych w przemyśle spożywczym (folie i opakowania specjalistyczne), ale potencjalnie także będą mogły znaleźć zastosowanie w zabawkach. Rozwój nowej grupy produktowej jest sporym wyzwaniem ze względu na szereg wymagań, które muszą spełnić opracowywane dodatki. Ważne jest również odpowiednie rozpoznanie rynku, analiza potrzeb konsumentów, jak również same prace badawczo rozwojowe – opracowanie metod syntezy i analizy, technologii produkcji oraz zbadanie właściwości aplikacyjnych nowych produktów.

Jakie wymagania muszą spełniać dodatki plastyfikujących stosowane w biotworzywach?

Wśród najważniejszych wymagań, jakie muszą spełnić substancje plastyfikujące wykorzystywane w produkcji biodegradowalnych polimerów, znajdują się:

• brak migracji dodatku plastyfikującego z biomateriału pod wpływem działania wysokiej temperatury oraz podczas przechowywania.

Ograniczenie migracji plastyfikatorów z tworzyw sztucznych jest ważną kwestią podczas opracowywania ich struktur. Zjawisko to można inaczej określić jako tzw. „wyciekanie” plastyfikatora z materiału. W efekcie gotowy produkt może częściowo tracić swoje właściwości użytkowe oraz ulegać odbarwieniu lub zniekształceniom. Występowanie niekorzystnego zjawiska migracji może być minimalizowane dzięki odpowiedniemu dopasowaniu masy cząsteczkowej dodatku, a także poprzez zmiany jego budowy chemicznej (w zależności od potrzeb - w kierunku budowy liniowej lub rozgałęzionej).

• podatność na biodegradację

Plastyfikatory dodawane do polimerów biodegradowalnych również muszą charakteryzować się biodegradowalnością. Zwiększenie zdolności tych dodatków do naturalnego rozkładu można zapewnić dzięki zastosowaniu surowców pochodzenia naturalnego (np. biokwasów karboksylowych).

Co decyduje o innowacyjności opracowywanych produktów?

Innowacyjność produktów zwiększa ich atrakcyjność i konkurencyjność na rynku dodatków do tworzyw sztucznych. Grupa plastyfikatorów opracowywanych w Grupie PCC cechuje się innowacyjnym połączeniem biokwasów karboksylowych naturalnego pochodzenia, polioli i alkoholu laurylowego, który jest stosowany m.in. w kosmetykach. Otrzymywane dodatki posiadają ściśle określony ciężar cząsteczkowy, co ma na celu ograniczenie ich migracji z końcowego produktu. Pierwszym etapem prowadzonych badań jest przygotowanie próbek laboratoryjnych, które w kolejnym kroku będą mogły zostać poddać testom aplikacyjnym.

Jaka przyszłość czeka biodegradowalne tworzywa sztuczne?

biodegradowalnych materiałów polimerowych i biododatków charakteryzuje się wysoką dynamiką rozwoju. Jedną z przyczyn tego rozwoju jest między innymi wzrastająca świadomość konsumentów odnośnie niekorzystnego wpływu tworzyw sztucznych na otaczającą nas naturę. Świadomi konsumenci coraz częściej sięgają po ekologiczne i biodegradowalne zamienniki opakowań i produktów jednorazowych wykonanych z konwencjonalnych tworzyw sztucznych. Zwiększa to popyt na rynku na różnego rodzaju produkty wytworzone z biotworzyw, jak chociażby pojemniki czy sztućce wykonane z polilaktydu.