Tyrania wskaźnika szybkości płynięcia

Przemysł tworzyw sztucznych stoi przed poważnymi wyzwaniami w nadchodzących latach 2025-2030. Europejski Pakt Plastikowy (https://europeanplasticspact.org/) zobowiązuje się do stosowania średnio 25-30% tworzyw sztucznych pochodzących z recyklingu w gotowych produktach i opakowaniach z tworzyw sztucznych. Obecnie, zgodnie z raportem opublikowanym przez Europejski Pakt Plastikowy, średni udział tworzyw sztucznych pochodzących z recyklingu w 2021 r. nadal wynosił zaledwie 10%.

Na razie nie ma prawnego obowiązku dotyczącego obligatoryjnego udziału recyklingu i jasne jest, że europejscy decydenci szukają powodów i możliwości. Istnieją obejścia, jak np. regulacja w sprawie pojazdów wycofanych z eksploatacji (End-of-life vehicles Regulation), zgodnie z którą w projektach rozpoczynających się od 2025 r. przy projektowaniu nowych pojazdów udział tworzyw sztucznych pochodzących z recyklingu ma wynieść początkowo 6%, a następnie 25%. W praktyce będzie to miało wpływ na samochody wchodzące do produkcji w latach 2030-31. W przygotowaniu jest również regulacja dotycząca branży budowlanej, projekt ma zostać wkrótce opublikowany.

Regulacja będzie miała wpływ na każdy obszar przemysłu. Większość przetwórców tworzyw sztucznych uważa, że ich produkty nie będą objęte regulacją dotyczącą obowiązkowej zawartości recyklatu, która będzie wchodzić w życie stopniowo od 2025 roku. Uważają, że w celu zachowania jakości nigdy nie będą stosować regranulatów w swoich produktach, wolą płacić podatki i różnego rodzaju opłaty.

Recykling tworzyw sztucznych nie jest nowością, utrzymuje się z tego wiele firm w całej Europie. Z dotychczasowych doświadczeń wynika, że z jednej strony brakuje wysokiej jakości regranulatów, a z drugiej strony nawet wysokiej jakości regranulat można wykorzystać jedynie w ograniczonym zakresie. Do roku 2020 regranulaty wykorzystywano głównie w celu obniżenia kosztów materiałowych oraz do produkcji tanich, mało wymagających technicznie produktów. Sytuacja ulegnie jednak zmianie, a powszechne stosowanie regranulatów stanie się zarówno oczekiwaniem, jak i obowiązkiem od 2030 roku. Na samych Węgrzech należy się liczyć ze zużyciem 100-150 tys. ton wysokiej jakości regranulatów. Czy będzie aż tyle?

Uznając ten fakt, rozpoczęto dobrowolny międzynarodowy projekt pod patronatem Węgierskiego Stowarzyszenia Przemysłu Tworzyw Sztucznych, z udziałem firm węgierskich, polskich, rumuńskich oraz innych pochodzących z Europy Środkowej, w celu oceny i określenia potrzeb branży w zakresie regranulatów. Projekt obejmuje opracowanie norm dotyczących regranulatów, następnie, przy pomocy recyklerów, określenie standardowych idealnych strumieni odpadów. Uczestnicy projektu wywodzą się z krajowego przemysłu tworzyw sztucznych i w wolnym czasie realizują to zadanie. Należy zauważyć, że nie ma wykonawcy, nie ma zewnętrznego finansowania, a zatem nie ma zewnętrznego wpływu ani presji. Głównym celem jest profesjonalne dobro publiczne, tj. stworzenie szerokiego konsensusu w branży tworzyw sztucznych w zakresie stosowania regranulatów i obowiązkowego udział recyklingu.

Podstawową ideą projektu jest to, że przetwórcy tworzyw sztucznych chcą w dalszym ciągu obsługiwać swoich klientów w podobnej jakości i ilości jak dotychczas. Zasadniczo nie zmienią swoich technologii przetwarzania, tak więc producenci folii będą nadal produkować folię a producenci rur będą nadal produkować rury, itd.
Tworzywo sztuczne charakteryzuje się dużą zaletą, która jest jednocześnie wadą pod względem recyklingu. Dzięki stosunkowo łatwej modyfikacji zespołów i łańcuchów cząsteczkowych można wytworzyć szeroką gamę produktów. Aby wytworzyć produkt z tworzywa sztucznego o określonym przeznaczeniu, potrzebny jest polimer o określonych parametrach technicznych. Jednym z najważniejszych parametrów, poza rodzajem polimeru - którym mogą być PE, PP, PCW, PS, PET, żeby wymienić tylko te najważniejsze – jest wskaźnik szybkości płynięcia. Ale czym jest wskaźnik szybkości płynięcia?? Pozwolę sobie zacytować literaturę:

"Wskaźnik szybkości płynięcia, popularnie zwany MFI (charakteryzuje płynność stopionego tworzywa sztucznego przy danej temperaturze i obciążeniu) dostarcza istotnych wskazówek dotyczących stosowania różnych surowców… Z punktu widzenia producenta wartość MFI wskazuje, że dany produkt odpowiada oczekiwanej wartości średniej masy cząsteczkowej. Warto podkreślić: im wyższa średnia masa cząsteczkowa, tym polimer jest twardszy i ma wyższe wartości fizykomechaniczne, dzięki czemu z góry wiadomo, że wyższa wartość MFI będzie oznaczać niższą jakość produktu końcowego."¹

Wszystko to oznacza, że nie możemy dowolnie łączyć wskaźnika szybkości płynięcia i końcowego produktu z tworzywa sztucznego, MFR określa, co z czego można wyprodukować. Weźmy za przykład polipropyleny, wśród których zidentyfikowano 77 różnych grup produktów według procesu produkcyjnego/zastosowania i zakresu wskaźnika szybkości płynięcia. Zostały one dalej podzielone według typu polipropylenu, homopolimeru, kopolimeru udarowego i kopolimeru losowego. Oznacza to, że jeśli obecna struktura produktów z tworzyw polipropylenowych ma zostać utrzymana, konieczne będzie wyprodukowanie setek różnych regranulatów polipropylenowych ze względu na regulacje, które będą stopniowo wprowadzane po 2025 roku. Zwracam tylko uwagę na fakt, że w przypadku polietylenu liczba ta zbliża się już do tysiąca.
Dostępne obecnie praktyki recyklingu opierają się na zbieraniu, sortowaniu, czyszczeniu i recyklingu mechanicznym odpadów. Ostateczny wynik, jakość regranulatów, zależy od jakości, czystości i jednorodności odpadów. Im bardziej jednorodne, lepiej posortowane i czystsze odpady, tym bardziej prawdopodobne jest, że końcowym rezultatem będzie nadający się do użytku regranulat z tworzyw sztucznych o niewielkich różnicach w parametrach fizycznych.

Z powyższego łatwo wywnioskować, że wystarczająco zaawansowany system selektywnej gospodarki odpadami, odpowiednia logistyka i zdolności recyklingowe o wystarczającej wielkości mogą teoretycznie zaspokoić różnorodne potrzeby przemysłu tworzyw sztucznych.

Teoretycznie tak, ale należy zauważyć, że np. jedna rolka folii polipropylenowej produkowanej w największych ilościach może ważyć ponad 100 kg, podczas gdy zebrany materiał opakowaniowy cukierków czy czekolad to zaledwie kilka gramów. Konkluzja ta nie uwzględnia faktu, że miejsce produkcji i użytkowania gotowego produktu z tworzywa sztucznego jest różne. Dobrym tego przykładem jest BOPP, gdzie mniej niż 10% węgierskiej produkcji BOPP jest przeznaczone do użytku krajowego. Oczywiście każdy, kto ma wystarczająco dużo wyobraźni i czasu, może nakreślić sobie system zbierania, przetwarzania i logistyki odpadów, który rozwiązuje te problemy, optymalizuje i zarządza strumieniami odpadów w większym regionie geograficznym, na przykład w Europie. Jednak ani wyobraźnia, ani regulacje prawne nie są w stanie przezwyciężyć zasad zmiany wskaźnika szybkości płynięcia podczas recyklingu.

W przypadku polipropylenu i polietylenu, nawet w trakcie pierwotnego przetwarzania, następuje znaczna degradacja makrocząsteczek polimeru, a podczas recyklingu łańcuchy polimerowe są poddawane dalszemu szokowi termicznemu i ścinaniu. Masa cząsteczkowa maleje, a wskaźnik szybkości płynięcia wzrasta. W praktyce oznacza to, że pierwotne włókno cięte o MFR² 3-4,2 - typowy surowiec do produkcji tkanych worków - może głównie nadawać się do produkcji typów o wskaźniku szybkości płynięcia MFR 5-6-7-8, w większości do włókien przeznaczonych do wtryskiwania (IM). Jednocześnie zmianie ulega wskaźnik szybkości płynięcia i metoda przetwarzania. Z każdym cyklem recyklingu wskaźnik szybkości płynięcia będzie rósł, a obszary zastosowania będą się zawężać, aż w końcu po kilku cyklach otrzymamy regranulat, którego nie będzie można do niczego wykorzystać. Oczywiście możliwe jest zmniejszenie degradacji cząsteczkowej i tempa wzrostu wskaźnika szybkości płynięcia za pomocą dodatków i delikatnego przetwarzania.

Jednak w przypadku tworzyw poliolefinowych stosowanych w największych ilościach pewne jest, że przy recyklingu mechanicznym nie ma możliwości wytworzenia regranulatów nadających się do produkcji gotowych wyrobów z tworzyw sztucznych o tej samej jakości co polimery pierwotne. Regranulaty można wytwarzać, ale trzeba znaleźć właściwy dla nich zakres zastosowania. Problem polega na tym, że w obszarach zastosowań charakteryzujących się niższym wskaźnikiem szybkości płynięcia, zużycie „pierwotnych” granulatów jest większe niż w obszarach o wyższym wskaźniku szybkości płynięcia. W przypadku polipropylenu, większość włókien i folii oraz rur produkowana jest poniżej MFR 4, co stanowi prawie połowę krajowego zużycia polipropylenu. Są to zazwyczaj technologie ciągłe, tzn. jedna maszyna lub niewielka ich liczba o dużej wydajności wypuszcza produkty w sposób ciągły. Polipropyleny o wyższym wskaźniku szybkości płynięcia są zwykle stosowane do formowania wtryskowego, które wytwarzają liczone w sztukach gotowe produkty z tworzyw sztucznych w sposób etapowy.

Problem polega na tym, że nie możemy zapewnić regranulatu dla produktów z tworzyw sztucznych o niskim wskaźniku szybkości płynięcia. Dlatego wystąpi znaczna nadpodaż w obszarach o wysokim wskaźniku szybkości płynięcia. Innymi słowy, nie będzie regranulatu dla folii polipropylenowych i włókien rafii, podczas gdy wystąpi nadpodaż w obszarze produktów formowanych wtryskowo. Stosowany obecnie recykling mechaniczny, polegający na selektywnej zbiórce odpadów, może być rozwiązaniem jedynie dla 25-30% wyrobów z tworzyw sztucznych na bazie poliolefin. Co dalej? Czy rok 2025 jest już bardzo blisko?

Jednym z rozwiązań jest produkcja kompaundów z recyklingu, ale jest to również oparte na recyklingu mechanicznym, który wymaga dobrej jakości odpadów. Dodanie nadmiernie skompensowanego pierwotnego polimeru może zmniejszyć lub nawet zrównoważyć wzrost wskaźnika szybkości płynięcia, ale nie może przeciwdziałać degradacji łańcuchów polimerowych i cząsteczek dodanego regranulatu. Oznacza to, że dodając różne dodatki, możliwe jest uzyskanie kompaundów z recyklingu pierwotnego o parametrach fizycznych podobnych jak "nowe", ale można to osiągnąć tylko przy użyciu znacznej ilości dodatków. Czy taki jest cel? Stosowanie większej ilości dodatków? Wypełnienie dotychczas "czystych" folii polietylenowych i polipropylenowych nieulegających rozpuszczaniu jeszcze większą ilością związków?

Ważną rolę będzie odgrywał recykling chemiczny, który na razie oznacza głównie pirolizę. Jednakże zakłady znajdują się nadal w fazie pilotażowej. Oznacza to, że istnieje ułamek wymaganych wydajności, mniej niż 1%. Technologia nie jest jeszcze dojrzała i mamy jedynie domysły dotyczące całkowitego śladu węglowego. Na skalę przemysłową będzie dostępny dopiero w drugiej połowie lat 2030. Sama Europa musiałaby zbudować kilka milionów ton mocy produkcyjnych.

W latach 2025-2030 stanie się jasne, że nasze cele dotyczące obowiązkowego udziału recyklingu są iluzoryczne. Przemysł tworzyw sztucznych nie będzie w stanie spełnić wymogu 25% zawartości materiałów pochodzących z recyklingu do 2031 roku.

Więc co dalej?

Żyjmy bez plastikowych opakowań - ogłośmy lipiec miesiącem bez plastiku na kolejne lata? Z pewnością ucieszyłoby to wiele osób, na tydzień. Ale każdy powinien pamiętać, że na końcu każdej linii produkcyjnej znajduje się maszyna pakująca. Jeśli maszyna pakująca się zatrzyma, produkcja również musi się zatrzymać. Plastik jest cechą dzisiejszego zglobalizowanego świata, bez niego obecne struktury przemysłowe i rolnicze nie mogłyby funkcjonować, nawet miejski styl życia byłby niemożliwy. Musimy się liczyć z tyranią wskaźnika szybkości płynięcia, musimy z tym żyć. Zmusza nas do wyznaczania osiągalnych i trwałych celów. Musimy dopilnować, aby ustawodawcy nie chcieli nadpisywać praw fizyki i chemii.

Omówimy tę kwestię podczas Środkowoeuropejskiego Spotkania Branży Tworzyw Sztucznych w Budapeszcie we wrześniu 2023 roku.

Laszlo Budy, Polimer Market Analyst - Central Europe

¹  https://quattroplast.hu/muanyagipariszemle/2014/03/a-folyasindex-mfi-nemcsak-az-omledek-tulajdonsagainak-meroszama-1-resz-05.pdf

 ² MFR - Melt Mass-Flow Rate (230°C, 2.16 kg)