Tworzywa biodegradowalne

Polimery biodegradowalne (potocznie także: tworzywa biodegradowalne) to materiały polimerowe zdolne do biologicznego rozkładu pod wpływem naturalnie występujących mikroorganizmów, takich jak bakterie, grzyby i glony. Proces biodegradacji obejmuje rozpad materiału oraz bioasymilację lub mineralizację produktów rozkładu; jego szybkość i zakres zależą m.in. od budowy chemicznej polimeru, stopnia krystaliczności i masy cząsteczkowej, kształtu wyrobu oraz warunków środowiska, w tym temperatury, wilgotności, dostępu tlenu i aktywności mikroorganizmów.

Biodegradowalność nie oznacza, że wyrób szybko rozłoży się w dowolnym środowisku. Wiele materiałów wymaga ściśle określonych warunków, np. kompostowania przemysłowego. Nie należy utożsamiać pojęć biodegradowalny i kompostowalny: wszystkie materiały kompostowalne są biodegradowalne, ale nie każdy polimer biodegradowalny spełnia wymagania kompostowania. Wyroby z certyfikatem kompostowania przemysłowego nie muszą rozkładać się w kompostowniku przydomowym, na składowisku ani po porzuceniu w środowisku.

Surowce i podział

Polimery biodegradowalne mogą być otrzymywane zarówno z surowców odnawialnych, jak i z surowców petrochemicznych, a także z kombinacji obu typów surowców. Z tego powodu pojęcie biodegradowalności należy odróżniać od biopochodzenia: nie każde tworzywo z biomasy jest biodegradowalne, a nie każdy materiał biodegradowalny pochodzi z surowców odnawialnych.

W ujęciu stosowanym dla biotworzyw wyróżnia się m.in.:

• materiały biopochodne i biodegradowalne – np. polilaktyd (PLA), polihydroksyalkanolany (PHA, w tym PHB i PHBV) oraz tworzywa na bazie skrobi;
• materiały biodegradowalne pochodzenia kopalnego lub częściowo kopalnego – np. poli(ε-kaprolakton) (PCL), PBAT i PBS;
• kompozycje skrobiowe i inne mieszanki, w których właściwości i mechanizm degradacji zależą od składu oraz od udziału składników biodegradowalnych i niebiodegradowalnych.

Przykłady materiałów

• PLA – polilaktyd, biopoliester otrzymywany z kwasu mlekowego, który może powstawać w wyniku fermentacji węglowodanów z kukurydzy, ziemniaków, trzciny cukrowej lub biomasy odpadowej. Właściwościami może przypominać PS lub PET, lecz jest wrażliwy na wilgoć i degradację podczas przetwórstwa; zwykle wymaga suszenia granulatu.
• PHA – polihydroksyalkanolany wytwarzane przez mikroorganizmy w procesach fermentacyjnych. Do tej grupy należą m.in. PHB i PHBV. Właściwości PHA zależą od struktury cząsteczkowej i składu; materiały te wykorzystuje się m.in. w zastosowaniach medycznych, np. do implantów i sztucznych tkanek.
• TPS i kompozycje skrobiowe – materiały oparte na termoplastycznej lub modyfikowanej skrobi. Stosuje się je m.in. w foliach giętkich i sztywnych, tackach, pojemnikach, torbach, wyrobach higienicznych, rolniczych oraz w materiałach zastępujących spieniony polistyren.
• PCL, PBAT i PBS – biodegradowalne poliestry pochodzenia kopalnego lub częściowo kopalnego, stosowane m.in. w mieszankach, foliach i wyrobach elastycznych.

Zastosowania i przetwórstwo

Najważniejszym obszarem zastosowań polimerów biodegradowalnych są opakowania, w tym folie, pojemniki, tacki, torby, kapsułki i wyroby jednorazowego użytku. Materiały te wykorzystuje się także w rolnictwie, artykułach higienicznych, gastronomii oraz w wybranych zastosowaniach medycznych i laboratoryjnych, takich jak materiały bioresorbowalne, implanty czy nici chirurgiczne.

Wiele polimerów biodegradowalnych można przetwarzać standardowymi technologiami przetwórstwa tworzyw sztucznych, m.in. wytłaczaniem, wytłaczaniem folii z rozdmuchem, termoformowaniem i formowaniem wtryskowym. Część z nich ma jednak węższe okno przetwórcze niż typowe tworzywa konwencjonalne i jest bardziej wrażliwa na temperaturę, wilgoć oraz naprężenia ścinające. Dotyczy to m.in. PLA oraz niektórych materiałów z grupy PHA.

Kompostowanie, recykling i ograniczenia

Właściwe zagospodarowanie odpadów z polimerów biodegradowalnych wymaga identyfikacji materiału i skierowania go do odpowiedniego strumienia odpadowego. Wyroby certyfikowane jako kompostowalne powinny trafiać do systemu zgodnego z zakresem certyfikacji, np. do kompostowania przemysłowego albo – jeśli mają odrębny certyfikat – do kompostowania przydomowego. Samo oznaczenie biodegradowalności nie jest równoznaczne z przydatnością do kompostowania.

Biodegradowalne tworzywa mogą także stwarzać problemy w recyklingu materiałowym konwencjonalnych polimerów. Przykładowo domieszka PLA w strumieniu PET pogarsza jakość recyklatu i utrudnia ponowne przetwórstwo, m.in. z powodu różnic temperatur przetwórstwa oraz higroskopijności PLA. Dlatego kluczowe znaczenie mają prawidłowe oznakowanie, selektywna zbiórka i skuteczne sortowanie, np. z użyciem metod optycznych.

Biodegradowalności nie należy mylić z samą fragmentacją tworzywa. Materiały, które rozpadają się na drobne fragmenty bez pełnej mineralizacji lub bioasymilacji, mogą nadal stanowić problem środowiskowy. Z tego powodu w ocenie takich materiałów istotne są warunki degradacji, zgodność z odpowiednimi normami oraz wpływ pozostałości na środowisko.