Opakowania z biotworzyw coraz bardziej zaawansowane

• Strona główna
• Artykuły
• Opakowania z biotworzyw coraz bardziej zaawansowane

2022-05-27  / Autor: Ewelina Pawłowska, Ewelina Basiak, Krzysztof Wójcik

Czym są biotworzywa?

Według European Bioplastics Association, termin biotworzywa obejmuje grupę różnorodnych materiałów, które są wytwarzane na bazie źródeł odnawialnych lub są biodegradowalne bądź łączą obie te cechy. Materiały wytwarzane ze źródeł odnawialnych to takie, które wytwarzane są w całości lub częściowo z biomasy. Biomasa dla biotworzyw może pochodzić z takich roślin, jak np. kukurydza, trzcina cukrowa czy celuloza. Biodegradowalność natomiast to zdolność do ulegania procesom chemicznym, w trakcie których mikroorganizmy przekształcają tworzywo polimerowe w substancje takie, jak woda, ditlenek węgla oraz kompost (bez udziału dodatków wspomagających proces). Proces biodegradacji zależy od warunków środowiskowych (takich, jak temperatura, wilgotność). Aby lepiej zobrazować wprowadzoną definicję, European Bioplastics Association stworzyło model ilustrujący poszczególne rodzaje tworzyw polimerowych.

Podział biotworzyw

Biotworzywa można podzielić na trzy grupy w zależności od źródła pochodzenia oraz zdolności do biodegradacji:

1. Tworzywa pochodzące z surowców odnawialnych, lecz nie ulegające biodegradacji, np. poliamid (PA), politereftalan etylu (PET),
2. Tworzywa ulegające biodegradacji, lecz nie pochodzące z surowców odnawialnych, np. poliadypinian 1,4-butylenu-co-tereftalan 1,4-butylenu (PBAT) czy polikaprolakton (PCL),
3. Tworzywa pochodzące z surowców odnawialnych ulegające biodegradacji, np. polilaktyd (PLA), poli(kwas glikolowy) (PGA) czy też modyfikowana skrobia.

Niebiodegradowalne tworzywa polimerowe wytwarzane z surowców odnawialnych posiadają właściwości identyczne do klasycznych tworzyw polimerowych otrzymywanych ze źródeł kopalnych. Przykładem tego typu materiału jest tzw. zielony polietylen, który powstaje w wyniku reakcji polimeryzacji etylenu z etanolu otrzymanego w procesie fermentacji surowców roślinnych. Istnieje kilka rodzajów „zielonego” polietylenu, np. polietylen wysokiej gęstości (HDPE), polietylen niskiej gęstości (LDPE).

Biotworzywa ulegające biodegradacji Biodegradowalne tworzywa polimerowe można podzielić ze względu na pochodzenie na polimery otrzymywane ze źródeł odnawialnych i polimery uzyskiwane z zasobów kopalnych. Różnica pomiędzy tymi dwoma rodzajami tworzyw dotyczy tylko pochodzenia surowca z jakiego są wykonane. Zaprezentowany tu podział ze względu na pochodzenie jest jednak tylko teoretyczny, ponieważ wielu producentów stosuje mieszaniny polimerów pochodzących zarówno z kopalnych, jak i z odnawialnych źródeł.

Czym jest więc biodegradacja? Biodegradacja jest skomplikowanym procesem chemiczno-biologicznym prowadzącym do rozłożenia substancji organicznych na prostsze związki, przez niektóre mikroorganizmy obecne w środowisku. Biodegradacja materiału opakowaniowego przebiega stopniowo. Najpierw następuje proces degradacji polimeru, który w sprzyjających warunkach kończy się jego depolimeryzacją, czyli rozkładem na mniejsze frakcje i wytworzeniem prostych związków chemicznych, które stanowią materiał odżywczy dla mikroorganizmów.

Jaka jest różnica pomiędzy degradacją a biodegradacją. Jeżeli proces kończy się na etapie fragmentacji, to oznacza, że tworzywo uległo degradacji. Jeżeli pojawi się kolejny etap, zwany mineralizacją, to oznacza to, że tworzywo jest biodegradowalne. Końcowym produktem biodegradacji jest biomasa, woda i gazy: dla warunków tlenowych – ditlenek węgla, dla warunków beztlenowych – metan. Przykładowe biodegradowalne polimery pochodzące ze źródeł kopalnych to syntetyczne poliestry alifatyczne: polikaprolakton (PCL), poli(bursztynian butylenowy) (PBS); syntetyczne kopolimery alifatycznoaromatyczne (AAC); polimery rozpuszczalne w wodzie: poli(alkohol winylowy) (PVAL).

Alternatywą dla tych polimerów są polimery biodegradowalne ze źródeł odnawialnych. Tworzywa te mogą zastąpić klasyczne tworzywa polimerowe uzyskiwane z surowców petrochemicznych. Tworzywa, na które warto zwrócić uwagę, to polilaktyd (PLA), kompozyty polimerowo-skrobiowe, polihydroksyalkaniany (PHA), a także folie celulozowe nowej generacji. Tak zwane „podwójnie zielone” tworzywa charakteryzują się właściwościami zbliżonymi do klasycznych tworzyw polimerowych i są atrakcyjne ze względu na rosnącą dostępność na rynku.

Rynek opakowań z biotworzyw

Opakowania z biotworzyw mogą być produkowane z udziałem wszystkich zwyczajowych procesów technologicznych stosowanych dla tradycyjnych tworzyw polimerowych, przy użyciu standardowych maszyn, dostosowując jedynie odpowiednio parametry procesu. Biotworzywa, które znalazły największe zastosowanie przy produkcji opakowań sztywnych, takich jak butelki, opakowania kosmetyków, to głównie PLA, bio-PE, a także bio-PET.

Jednym z przykładów „zielonych” opakowań” mogą być butelki PET zwane PlantBottle. Tworzywo, z którego powstają butelki składa się w ok. 70% z kwasu tereftalowego i w 30% z glikolu etylenowego. W 2009 r. zaprezentowano butelkę, w której glikol etylenowy otrzymywany był z trzciny cukrowej, natomiast kwas tereftalowy był produktem pochodzenia petrochemicznego. Takie butelki łatwo poddają się procesowi recyklingu i mogą być zbierane razem z innymi (klasycznymi) butelkami PET. Tworzywo PET, pochodzące w części z surowców odnawialnych, pozwala ograniczyć zużycie światowych zasobów kopalnych oraz emisję ditlenku węgla. W 2015 roku na targach w Mediolanie została zaprezentowana prototypowa butelka „100% roślinna”, wykonana z roślinnego paraksylenu, który został przekształcony w roślinny kwas tereftalowy.

Alternatywą dla butelek PET jest inne tworzywo oparte w 100% na surowcach roślinnych – PEF (furanian polietylenu), posiadające takie samo zastosowanie, jak PET, ale z jeszcze wyższą barierowością dla ditlenku węgla i tlenu, co doskonale sprawdzi się w branży opakowań do żywności. Bioplastik PEF może rozwiązać niektóre problemy spowodowane przez PET. Struktura chemiczna PEF jest zbliżona do PET, ale do jego produkcji stosuje się surowce odnawialne pochodzące z odpadów gospodarki leśnej i rolniczej. Butelki PEF wymagają mniejszej ilości materiału, są lżejsze i bardziej stabilne niż ich konkurentki z PET i powodują, że napoje dłużej nadają się do spożycia. Chociaż PEF nie ulega biodegradacji, może być spalany w sposób przyjazny dla środowiska.

Fakt, że PEF nie był jeszcze w stanie osiągnąć swojej pozycji rynkowej, wynika przede wszystkim z produkcji, która wymaga dużej ilości czasu i energii. Naukowcy z ETH Zurich opracowali metodę, która może ostatecznie wprowadzić PEF do obrotu. Studenci studiów doktoranckich ETH: Jan-Georg Rosenboom i Peter Fleckenstein wspólnie z profesorem ETH, Giuseppem Stortim, opracowali metodę, która może umożliwić komercyjny przełom PEF. Opracowana metoda skraca czas produkcji z kilku dni do kilku godzin. Wyniki badań opublikowano w czasopiśmie Nature Communications (2018). Obecnie naukowcy badają, w jaki sposób nowy proces może zostać wdrożony w masowej produkcji przemysłowej.

Biotworzywa mają również szerokie zastosowanie w produkcji opakowań giętkich, zwłaszcza w sektorze spożywczym. Szczególnie takie właściwości, jak biodegradowalność i kompostowalność są wymaganą cechą opakowań do żywności. Największe zużycie w sektorze opakowań giętkich notuje PBAT (politereftalan adypinianu butylenu), który łączy w sobie niektóre z korzystnych cech polimerów syntetycznych i biobazowych. Pochodzi z popularnych produktów petrochemicznych: oczyszczonego kwasu tereftalowego (PTA), butanodiolu i kwasu adypinowego, a mimo to jest biodegradowalny. Jako syntetyczny polimer może być łatwo produkowany na dużą skalę i ma właściwości fizyczne potrzebne do wytwarzania elastycznych folii, które rywalizują z konwencjonalnymi tworzywami sztucznymi.

Ewelina Pawłowska, Ewelina Basiak, Krzysztof Wójcik

Sieć Badawcza Łukasiewicz – Instytut Biopolimerów i Włókien Chemicznych Oddział w Warszawie COBRO – Centrum Badawczo-Rozwojowe Opakowań Zespół Ekologii Opakowań

CAŁA TREŚĆ DOSTĘPNA W "Chemia i Biznes" nr 2/2022

Chemia i Biznes” to dwumiesięcznik biznesowo-gospodarczy, stworzony z myślą o firmach poszukujących rzetelnej, aktualnej i profesjonalnie przygotowanej informacji na temat rynku chemicznego i sektorów powiązanych.

CAŁA TREŚĆ DOSTĘPNA W "Chemia i Biznes" nr 2/2022

Chemia i Biznes” to dwumiesięcznik biznesowo-gospodarczy, stworzony z myślą o firmach poszukujących rzetelnej, aktualnej i profesjonalnie przygotowanej informacji na temat rynku chemicznego i sektorów powiązanych.

przemysł opakowaniowy.biotworzywatworzywa sztuczne