Przegląd wybranych opakowaniowych polimerów biodegradowalnych

Tworzywa biodegradowalne zaczynają zdobywać coraz większą rynkową popularność. Choć w tej chwili są jeszcze w dużej mierze melodią przyszłości, to jednak warto się im bliżej przyjrzeć.

- Zgodnie z wymaganiami ochrony środowiska odpady opakowaniowe (opakowania poużytkowe) powinny być przydatne do odzysku energii lub recyklingu materiałowego, chemicznego lub organicznego. Chodzi tu o kompostowanie lub obróbkę beztlenową. Problemy techniczne i ekonomiczne związane z recyklingiem materiałowym i chemicznym odpadów opakowaniowych z tworzyw sztucznych sprawiły, że zaczęto poszukiwać nowych materiałów, które można poddać recyklingowi organicznemu – przekonuje w swoich opracowaniach dr Hanna Żakowska z Centralnego Ośrodka Badawczo-Rozwojowego Opakowań.

Poszukiwania poszły w kierunku uzyskania polimerów ulegających biodegradacji. Takie polimery mogłyby zastąpić tradycyjne tworzywa sztuczne. Prace w tym zakresie koncentrowały się głównie na opracowaniu technologii wytwarzania polimerów biodegradowalnych, przydatnych do kompostowania, a szczególnie polimerów opierających się na surowcach naturalnych odnawialnych (np. skrobia, celuloza, białka). Sam termin polimerów biodegradowalnych odnosi się do związków wielkocząsteczkowych, które ulegają degradacji i są poddawane destrukcyjnemu metabolizmowi do dwutlenku węgla i wody przez mikroorganizmy w warunkach naturalnych.

Minione lata przyniosły zauważalny postęp w zakresie wytwarzania biodegradowalnych materiałów nowej generacji. Dodatkowo rynek surowców przeznaczonych do ich wytwarzania dość szybko się rozwija. Głownie sprawa dotyczy skrobi i kwasu polimlekowego. Stąd też zaliczenie skrobi do biomateriałów przyszłości jest jak najbardziej uzasadnione.

Wyniki badań przeprowadzonych przez firmę konsultingową PIRA wskazują na to, że roczny wskaźnik wzrostu wykorzystania tworzyw biodegradowalnych na świecie osiągnie wartość około 22 proc. - z 43 tys. ton zużytych do produkcji opakowań w 2006 r. do 116 tys. ton już w 2011 r.

Szacuje się, że ponad połowa światowej produkcji tworzyw sztucznych jest stosowana do wytwarzania opakowań jednorazowego użytku. Zmiana stylu życia konsumentów oraz wzrastające zapotrzebowanie na artykuły wygodne w użytkowaniu są bardzo silnymi bodźcami do opracowywania nowych rozwiązań w dziedzinie opakowań. W medycynie polimery resorbowalne stosowane są jako nici chirurgiczne lub implanty czasowe, które po spełnieniu swojej funkcji ulegają rozkładowi do nietoksycznych związków usuwanych z organizmu. W przemyśle tekstylnym tworzywa biodegradowalne wykorzystuje się do produkcji bielizny, odzieży wierzchniej, wypełnień kołder i poduszek, tekstyliów sanitarnych i medycznych jednorazowego użytku, a także wyrobów technicznych, czyli włóknin rolniczych, sieci rybackich i lin.

Innowacje na polu tworzyw sztucznych, tak jak w każdej innej dziedzinie, powinny być zgodne z ideą zrównoważonego rozwoju. Biodegradowalne tworzywa sztuczne spełniają ten warunek. Obecnie najpopularniejsze tworzywa tego typu powstają z liniowego alifatycznego poliestru - poli(kwasu mlekowego) (PLA). Surowcem wyjściowym do jego produkcji jest skrobia (np. z ziaren zbóż, głównie kukurydzy) lub sacharoza (z buraków cukrowych). Cukry te fermentowane są do kwasu L-mlekowego, który przekształcany jest w monomery - laktydy, one z kolei poddawane są polimeryzacji do polilaktydu (PLA), a cały proces trwa kilka godzin.

Z PLA można formować biodegradowalne powłoki, błony czy opakowania o dowolnych kształtach.

W najbardziej rozwiniętych krajach wytwarzane są już polimery biodegradowalne nowej generacji, które wykorzystuje się do produkcji opakowań. Materiały te są atrakcyjne z ekologicznego punktu widzenia, a w niedalekiej przyszłości mogą stać się opłacalne również z powodów ściśle ekonomicznych. Rozwój produkcji materiałów i opakowań biodegradowalnych, przydatnych do kompostowania, jest też ściśle związany z wprowadzanymi w wielu państwach przepisami dotyczącymi gospodarki odpadami opakowaniowymi oraz obowiązkowymi poziomami odzysku i recyklingu takich odpadów.

Dla przykładu w USA i kilku krajach zachodniej Europy biodegradowalne polimery powstają na skalę przemysłową i znalazły zastosowanie głównie w branży opakowaniowej, medycynie i przemyśle kosmetycznym. Warto wiedzieć - i jest to sporą zaletą tego typu produktów - że te produkty bazujące na naturalnych polisacharydach, szczególnie skrobi, mogą być wytwarzane na dużą skalę i to przy małych kosztach.

Do polimerów, z których produkowane są biodegradowalne materiały opakowaniowe a także uzyskały one certyfikaty przydatności do kompostowania zgodnie z normą DIN 54900 należą m.in. Ecoflex firmy BASF, BAK firmy Bayer, Bioplast firmy Biotec, Eco PLA firmy Cargill Dow Polymers, LACEA firmy Mitsui Chemicals Europe, Biopol firmy Monsanto Europe oraz Mater-Bi firmy Novamont. Niemal osobną kategorią jest polimer NatureWorks, a to z tego względu, że jego udział w światowym rynku to ok. 43 proc. Od niego też warto zacząć omówienie poszczególnych produktów.

Polimer NatureWorks PLA jest stosowany w produkcji opakowań foliowych i sztywnych przeznaczonych do pakowania produktów spożywczych m.in. pudełka na wyroby cukiernicze, czy też butelki do wody, soków i mleka. Jest to biodegradowalne tworzywo wytwarzane z naturalnych surowców odnawialnych, o dużym połysku i przeźroczystości, posiadające właściwości barierowe w stosunku do gazów, zgrzewalne w szerokim zakresie temperatur, z pamięcią skrętu, odporna na tłuszcze i oleje, nadające się do pakowania produktów mlecznych, słodyczy i tzw. fast-food. Technologia produkcji NatureWorks pozwala na tworzenie naturalnych cukrów. Węgiel oraz inne składniki wykorzystuje się do otrzymania polilaktydu (PLA) w prostej reakcji fermentacji i rozkładu. Gdy zaś konsument pozbędzie się naczynia wykonanego z NatureWorks PLA, ulegnie ono rozkładowi na wodę, dwutlenek węgla oraz inne resztki organiczne.

Drugie w kolejności tworzywo Mater-Bi produkowane jest w formie granulatu. Stosowane jest jako materiał opakowaniowy do produkcji folii, a także do pakowania suchych produktów spożywczych, termoformowanych tacek i pojemników, do spienionych wyprasek i spienionego materiału wypełniającego wolne przestrzenie w opakowaniach transportowych. Tworzywo to dużą popularnością cieszy się w Niemczech, Włoszech, Norwegii, Austrii i Szwajcarii, gdzie jest wykorzystywane przy produkcji worków na odpady biodegradowalne, przeznaczone do kompostowania.

Kolejne w zestawieniu tworzywo Bioplast składa się ze skrobi i polikaprolaktonu. Charakteryzuje się wytrzymałością mechaniczną podobną do polietylenu, ale jego parametry mogą ulegać zmianie w skrajnych warunkach wilgotności powietrza. Folie o nazwie Bioflex powstałe z tego materiału produkowane metodą rozdmuchu stosowane są do formowania toreb handlowych oraz worków na odpady. Folie te można drukować techniką flekso i offsetową bez konieczności aktywowania powierzchni, tak jak w przypadku polietylenu. Bioplast może być zastosowany również do wytwarzania siatek, np. do pakowania owoców i warzyw, etykiet oraz opakowań formowanych wtryskowo.

Czwarte na liście wymienianych jest tworzywo Biopol firmy Monsanto. Jest to kopolimer blokowy PHBV o strukturze poliestrowej. Jest jednym z pierwszych polimerów nowej generacji produkowanym z surowców naturalnych. Charakteryzuje się dużą stabilnością i wytrzymałością, a także odpornością na dużą wilgotność otoczenia w czasie użytkowania i magazynowania. Jest także materiałem barierowym dla aromatów. Biopol jest wytwarzany przez bakterie w procesie fermentacji glukozy i gromadzony w ich komórkach jako materiał zapasowy. Wyodrębniony z bakterii i oczyszczony polimer poddawany jest granulacji i w takiej formie może być stosowany w klasycznych technologiach przetwórstwa tworzyw sztucznych, np. przy wtrysku, wytłaczaniu, wytłaczaniu z rozdmuchem, powlekaniu i termoformowaniu.

Ciekawym biopolimerem jest również Ecoflex koncernu BASF. Tworzywo to powstaje z przerobu substancji petrochemicznych i jest całkowicie biodegradowalne i syntetyczne. Ecoflex jest kopoliestrem alifatyczno-aromatycznym. Nie zawiera żadnych składników pochodzenia roślinnego ani metali ciężkich. Swoją charakterystyką przypomina LDPE i LLDPE. W zakresie biodegradowalności i kompostowalności odpowiada wymaganiom stawianym przez normy: amerykańską ASTM D6400, europejską EN 13432 oraz japońską GreenPla. Podczas rozkładu nie pozostawia szkodliwych pozostałości. Zaletą Ecoflexu jest kompatybilność z materiałami pochodzenia roślinnego i możliwość łączenia go z takimi materiałami jak celuloza, skrobia, polilaktyd i PHA. Łączyć go można również z innymi syntetycznymi biodegradowalnymi polimerami jak np. polikaprolakton (PCL). Ecoflex może być przetwarzany na folie metodą rozdmuchu lub przez wylewanie bądź powlekanie.

Czas jeszcze na przedstawienie biopolimeru koncernu Bayer. Firma od niedawna rozwija technologię produkcji termoplastycznego, całkowicie biodegradowalnego poliestru amidowego BAK. Jest to polimer półkrystaliczny o dużej przezroczystości, dobrej wytrzymałości mechanicznej przy obciążeniach dynamicznych i statycznym rozciąganiu. Może być przetwarzany na tradycyjnych urządzeniach do przetwórstwa tworzyw termoplastycznych techniką rozdmuchu, wytłaczania, wtrysku. Temperatura przetwarzania zawiera się w granicach 130-250 st. C. BAK jest przydatny do termoformowania, może być barwiony, drukowany i zgrzewany, powinien być też przetwarzany stosunkowo szybko po wytworzeniu. Przed przetwórstwem powinien być też suszony przez dwie godziny w temperaturze 90 st. C. Folie uzyskane metodą rozdmuchu charakteryzują się wysokim oporem przedarcia i dobrymi cechami wytrzymałościowymi, porównywalnymi z foliami PE-LD.

Korzystano m.in. z raportu „Stan i Kierunki Rozwoju Biogospodarki” przygotowanego dla Ministerstwa Nauki i Szkolnictwa Wyższego przez Interdyscyplinarny Zespół do spraw Rozwoju Biogospodarki pod kierunkiem prof. dr hab. Adama Dubina, publikacji dr Hanny Żakowskiej z Centralnego Ośrodka Badawczo-Rozwojowego Opakowań oraz materiałów firmy BASF i innych firm.