Biotworzywa

Biotworzywa (ang. bioplastics) to zbiorcze określenie tworzyw polimerowych, które są pochodzenia biologicznego, ulegają biodegradacji albo łączą obie te cechy. Pojęcie nie jest więc równoznaczne ani wyłącznie z „tworzywem z biomasy”, ani wyłącznie z „tworzywem biodegradowalnym”.

W praktyce do biotworzyw zalicza się zarówno materiały wytwarzane z surowców odnawialnych, np. cukrów, skrobi, kukurydzy, trzciny cukrowej lub biomasy odpadowej, jak i niektóre tworzywa biodegradowalne otrzymywane z surowców petrochemicznych. Z drugiej strony część tworzyw biopochodnych, np. wybrane odmiany bio-PE, bio-PP, bio-PET lub bio-PA, może nie być biodegradowalna i zachowuje się użytkowo podobnie do odpowiedników konwencjonalnych.

Podstawowy podział

• biopochodne i biodegradowalne – np. polilaktyd (PLA), polihydroksyalkanolany (PHA, w tym PHB i PHBV), tworzywa na bazie skrobi;
• biopochodne, ale niebiodegradowalne – np. niektóre odmiany PE, PP, PET lub PA wytwarzane z udziałem surowców odnawialnych;
• biodegradowalne pochodzenia kopalnego lub częściowo kopalnego – np. PCL, PBAT i PBS.

Biodegradowalność oznacza zdolność materiału polimerowego do biologicznego rozkładu pod wpływem mikroorganizmów, takich jak bakterie, grzyby lub glony. Proces obejmuje rozpad materiału oraz jego mineralizację lub bioasymilację. Szybkość i zakres biodegradacji zależą m.in. od rodzaju polimeru, geometrii wyrobu, aktywności mikroorganizmów oraz warunków środowiska, takich jak temperatura, wilgotność i dostęp tlenu.

Nie należy utożsamiać biodegradowalności z kompostowalnością. Wszystkie tworzywa kompostowalne są biodegradowalne, ale nie każde tworzywo biodegradowalne spełnia wymagania kompostowania. Wiele materiałów oznaczonych jako kompostowalne wymaga warunków kompostowania przemysłowego i nie musi rozkładać się w kompostowniku przydomowym, na składowisku ani po porzuceniu w środowisku.

Przykłady materiałów

• PLA – polilaktyd otrzymywany z kwasu mlekowego, który może być wytwarzany przez fermentację węglowodanów pochodzących m.in. z kukurydzy, ziemniaków, trzciny cukrowej lub biomasy odpadowej;
• PHA – polihydroksyalkanolany wytwarzane przez mikroorganizmy w procesach fermentacyjnych; należą do nich m.in. PHB i PHBV;
• TPS i kompozycje skrobiowe – materiały oparte na termoplastycznej lub modyfikowanej skrobi;
• PCL, PBAT, PBS – biodegradowalne poliestry pochodzenia kopalnego lub częściowo kopalnego, często stosowane w mieszankach i wyrobach elastycznych;
• materiały z frakcji lignocelulozowych – rozwijane są technologie wykorzystujące celulozę, hemicelulozę i ligninę z odpadów rolniczych jako surowce lub komponenty dla biopolimerów i biokompozytów.

Zastosowania

Największym obszarem zastosowań biotworzyw są opakowania, w tym folie, pojemniki, tacki, kapsułki, torby i wyroby jednorazowego użytku. Materiały te są także wykorzystywane w rolnictwie, artykułach higienicznych, dobrach konsumpcyjnych, elektronice, transporcie oraz w wybranych zastosowaniach medycznych i laboratoryjnych.

W medycynie i technice laboratoryjnej stosuje się m.in. materiały bioresorbowalne, implanty, nici chirurgiczne oraz elementy jednorazowe. Przykładem rynkowego kierunku rozwoju są medyczne compoundy biotworzyw na bazie PLA lub biopochodnego PE przeznaczane do wyrobów takich jak pipety, przy zachowaniu wymagań dotyczących sterylizacji i zgodności materiałowej.

Właściwości i przetwórstwo

Biotworzywa mogą być projektowane tak, aby zapewniać właściwości zbliżone do tworzyw konwencjonalnych, a wiele z nich przetwarza się standardowymi technologiami, takimi jak wtryskiwanie, wytłaczanie, wytłaczanie folii z rozdmuchem czy termoformowanie. Jednocześnie część materiałów, zwłaszcza polimerów biodegradowalnych, jest bardziej wrażliwa na temperaturę, wilgoć i naprężenia ścinające. Przykładowo PLA jest higroskopijny i zazwyczaj wymaga suszenia granulatu przed przetwórstwem.

Korzyści środowiskowe biotworzyw zależą od konkretnego materiału, źródła surowca, technologii wytwarzania, trwałości wyrobu oraz sposobu zagospodarowania odpadu. Biopochodzenie może ograniczać wykorzystanie surowców kopalnych i w niektórych zastosowaniach obniżać ślad węglowy, ale nie oznacza automatycznie zerowej emisji ani braku wpływu na środowisko.

Zagospodarowanie odpadów i ograniczenia

Biotworzywa wymagają właściwej identyfikacji i skierowania do odpowiedniego strumienia odpadowego. Domieszka PLA w strumieniu recyklingu PET może pogarszać jakość recyklatu, a niektóre wyroby kompostowalne powinny trafiać wyłącznie do kontrolowanych systemów kompostowania. Problematyczne jest również mylenie biodegradacji z fragmentacją tworzywa, np. w przypadku materiałów z dodatkami powodującymi rozpad na drobne fragmenty bez pełnej mineralizacji.

Do ograniczeń biotworzyw należą często wyższy koszt, wymagania dotyczące oznakowania i selektywnej zbiórki, ograniczona infrastruktura kompostowania lub recyklingu, a w części zastosowań także konieczność poprawy właściwości mechanicznych, cieplnych albo barierowych poprzez modyfikację, mieszanie z innymi polimerami lub stosowanie dodatków.