Teka Kom. Bud. Ekspl. Masz. Elektrotech. Bud. – OL PAN, 2008, 103–106
POLIMERY BIODEGRADOWALNE
Rafał Malinowski
Instytut Inżynierii Materiałów Polimerowych i Barwników,
ul. M.Skłodowskiej-Curie 55, 87-100 Toruń, malinowskirafal@gmail.com
Streszczenie. W artykule omówiono problemy ochrony środowiska, ze względu na które podej-
muje się próby otrzymywania nowych, alternatywnych polimerów zdolnych do biodegradacji
w środowisku naturalnym. Przedstawiono główne polimery należące do tej grupy, otrzymywane
zarówno z surowców odnawialnych, jak i z surowców petrochemicznych. Omówiono również
właściwości mechaniczne, termiczne i przetwórcze wytypowanych polimerów, ich zastosowania
oraz zdolność do degradacji.
Słowa kluczowe: polimery biodegradowalne, biodegradacja, polilaktyd
WSTĘP
Tworzywa polimerowe są materiałami coraz powszechniej spotykanymi w życiu
codziennym oraz coraz częściej ze względu na swoje specyficzne właściwości zastępu-
jącymi tradycyjne materiały, takie jak: szkło, papier, drewno, metal. Z jednej strony jest
to korzystne pod względem ekonomicznym (takie tworzywa oraz wyroby z nich są tań-
sze), a z drugiej strony niekorzystne pod względem ekologicznym. Coraz większa pro-
dukcja tworzyw polimerowych (ok. 230 mln ton w 2007 r.) stanowi również coraz więk-
szy problem z powodu rosnącej ilości ich odpadów. Dla przykładu, w 2005 r. w Europie
powstało ok. 11 mln ton odpadów polimerowych. Jednocześnie obserwuje się „kurczenie
się” zasobów ropy naftowej, gazu ziemnego i węgla kamiennego na świecie. Jeśli do
tego dodamy coraz większe naciski ekologów ukierunkowane na zastępowanie wyrobów
z tradycyjnych polimerów innymi oraz nowe przepisy prawne, w tym dyrektywy
94/62/EC [dyrektywa Rady i Parlamentu Europejskiego 1994], to możemy mówić
o konieczności poszukiwania nowych tworzyw polimerowych o właściwościach biode-
gradowalnych.
Światowa produkcja tych polimerów obecnie rozwija się bardzo dynamicznie. Pro-
dukuje się ich ponad 350 tys. ton, przy czym w 1995 r. produkcja ta wynosiła zaledwie
20 tys. ton. Ze światowych prognoz i szybkiego tempa wzrostu rynku polimerów biode-
gradowalnych można również wnioskować, że w 2010 r. ich zdolność produkcyjna może
wynieść 1 mln ton, a w 2020 r. już ponad 5 mln ton. Nadal jest to jednak niewielki pro-
cent wszystkich wytwarzanych polimerów. Obecnie największą firmą na świecie wytwa-
104 Rafał Malinowski
rzającą tego typu polimery jest amerykańska firma Nature Works LCC, która uruchomiła
w Nebrasce linię produkcyjną o zdolności produkcyjnej 140 tys. ton i planuje dalszą
rozbudowę podobnych linii w Europie i na Dalekim Wschodzie.
WŁAŚCIWOŚCI I ZASTOSOWANIE WYBRANYCH POLIMERÓW
BIODEGRADOWALNYCH
Polimery biodegradowalne należą do klasycznych termoplastów, które mogą być
przetwarzane takimi samymi metodami jak polimery niebiodegradowalne. Mają one –
poza stosunkowo wysokimi cenami – dużo cennych zalet. Wykazują dobre właściwości
fizykomechaniczne, fizykochemiczne oraz biodegradowalne, a koszty kompostowania
organicznego są sześciokrotnie niższe niż koszty recyklingu odpadów z tradycyjnych
tworzyw niebiodegradowalnych. Ich czas życia może być sterowany poprzez modyfika-
cję struktury łańcucha polimerowego i może wynosić od kilku tygodni (np. L, D-PLA)
do kilku lat (np. L-PLA). Jednak poza sama strukturą polimeru, na proces biodegradacji
wpływa szereg innych czynników, takich jak: rodzaj czynnych mikroorganizmów, wa-
runki środowiskowe, średni ciężar cząsteczkowy polimeru, obecność wiązań sieciują-
cych, kształt gotowego wyrobu i inne.
Do podstawowych polimerów biodegradowalnych zaliczamy: PHA, PLA, PHB,
PHBV, PGA, PD, PHH, PBAT, PBS, PBSA, PHBH, PVOH, PCL, PES, PKA, BAT,
TPS. Wśród wymienionych dominującą rolę odgrywa PLA (polilaktyd), który ilościowo
stanowi ok. 40% wszystkich polimerów biodegradowalnych i często nazywany jest po-
dwójnie zielonym, ponieważ jest zarówno biodegradowalny, jak i otrzymywany z su-
rowców odnawialnych [Foltynowicz i in. 2002]. Jest to polimer o właściwościach zbli-
żonych do polistyrenu, gdyż jest sztywny i kruchy, ma temperaturę zeszklenia ok. 57°C
i topnienia 170–180°C. Wykazuje dobre właściwości wytrzymałościowe (moduł wy-
trzymałości 60 MPa) i niską wartość wydłużenia przy zerwaniu (ok. 3–4%). Jego wadą
jest natomiast łatwa sorpcja wody, przez co musi być suszony przed przetwórstwem.
Sztywny i kruchy jest również jeden z pierwszych polimerów biodegradowalnych
otrzymanych z surowców odnawialnych – PHB (poli[kwas hydroksymasłowy]). Jego
wadą jest to, że ma temperaturę topnienia zaledwie o 10°C niższą od temperatury ter-
micznego rozpadu. Chcąc zmienić tę niekorzystną właściwość, mającą istotne znaczenie
w przetwórstwie, otrzymuje się jego kopolimer z PHV (poli[kwasem hydroksywaleria-
nowym]), który ma lepsze właściwości przetwórcze niż homopolimer PHB ze względu
na niższą temperaturę topnienia (140°C) i wyższą temperaturę termicznego rozpadu
(210°C). Wytwarzane są również polimery biodegradowalne na bazie surowców ropo-
pochodnych, do których należy m.in. PBAT (poli[adypinian 1,4-butylenu-co-tereftalan
1,4-butylenu]). W przeciwieństwie do wymienionych jest on bardzo elastyczny, o wy-
dłużeniu przy zerwaniu ponad 1000%, temperaturze zeszklenia ok. -22°C i temperaturze
topnienia ok. 120–130°C. Innym przedstawicielem tej grupy polimerów otrzymywanych
z surowców ropopochodnych jest PCL (polikaprolakton). Również on wykazuje właści-
wości elastyczne oraz niską temperaturę zeszklenia (-60°C) i bardzo niską temperaturę
topnienia (60°C). Polimer ten jest często modyfikowany za pomocą skrobi termopla-
stycznej, należącej również do polimerów biodegradowalnych i produkowany jest przez
POLIMERY
BIODEGRADOWALNE
105
włoską firmę Novamont pod handlową nazwą Mater-Bi [Błędzki i in. 1992, Garlotta
2000, Doi i in. 2002].
W coraz większym stopniu wytwarzane są również kompozycje na bazie polime-
rów biodegradowalnych. Jedną z istotnych przyczyn jest poprawienie parametrów proce-
su przetwarzania tych polimerów oraz zmniejszenie ich stopnia degradacji w układzie
uplastyczniającym maszyn i urządzeń do przetwórstwa. Przykładem polimeru, z udzia-
łem którego opracowuje się różnego typu kompozycje polimerowe jest polilaktyd. Sam
polilaktyd przetwarza się w temperaturze ok. 185–190°C [Spinu i in. 1996], jednakże
w tej temperaturze może on ulegać już depolimeryzacji i degradacji zarówno hydroli-
tycznej, jak i oksydacyjnej. W celu zwiększenia możliwości aplikacyjnych wyrobów
z polilaktydu oraz w celu poprawienia jego przetwórstwa wykonuje się np. kompozycje
z udziałem poli[adypinianu 1,4-butylenu-co-tereftalanu 1,4-butylenu].
Polimery biodegradowalne znalazły zastosowanie w dwóch obszarach. Pierwszy
dotyczy medycyny i inżynierii tkankowej (np. bioresorbowalne nici chirurgiczne, klam-
ry, klipsy, implanty, kapsułki do kontrolowanego dozowania leków, nośniki leków,
maski chirurgiczne, opatrunki, kompresy, odzież dla personelu medycznego, pieluchy,
chusteczki higieniczne, waciki kosmetyczne), drugi to masowa produkcja opakowań,
folii orientowanych, folii do termoformowania, toreb na odpady, tacek, kubków, butelek,
sztućców, folii ogrodniczych, produktów jednorazowego użytku, elementów wyposaże-
nia wnętrz, materiałów do powlekania papieru, do drukowania czy w rolnictwie.
PODSUMOWANIE
Obecnie wytwarza się jest coraz więcej różnych typów polimerów biodegradowal-
nych, ich mieszanin i kompozycji z różnymi dodatkami. Z pewnością można powie-
dzieć, że są to materiały polimerowe XXI wieku, a obecne warunki gospodarczo-
ekologiczne sprzyjają ich rozwojowi. Polimery te stanowią nadal nowe materiały kon-
strukcyjne, które wymagają jeszcze wielu prac badawczych i wdrożeń, często we współ-
pracy wielu instytucji naukowych ze względu na wysokie koszty badań, a także ko-
nieczność dysponowania odpowiednim zapleczem techniczno-badawczego i specjali-
styczną kadrą naukową. Szereg takich prac jest prowadzonych również w polskich pla-
cówkach naukowych, m.in. w CBMiM PAN w Łodzi, CMPiW PAN w Zabrzu czy
w IIMPiB w Toruniu.
PIŚMIENNICTWO
Dyrektywa Rady i Parlamentu Europejskiego 94/62/EC z 15 grudnia 1994 r. w sprawie opakowań
i odpadów opakowaniowych [OJ L365 31/12/1994]; zmieniona dyrektywa 2004/12/WE [OJ
L047, 18/02/2004]; dyrektywa 2005/20/WE [OJ L070, 16/03/2005].
Błędzki A., Fabrycy E. 1992. Polimery degradowane – stan techniki. Polimery 37, 343.
Doi Y., Steinbüchel A. 2002. Biopolymers. Wiley-VCH Verlag GmbH.
Foltynowicz Z., Jakubiak P. 2002. Polylactid acid – biodegradable polymer obtained from vegeta-
ble resources. Polimery 47, 769.
106 Rafał Malinowski
Garlotta D. 2001. A literature review of poly(lactic acid). J. Polym. Environ. 9, 63.
Spinu M., Jackson C., Keating M. Y. 1996. Material design in poly(lactic acid) systems: Block
copolymers, star homo- and copolymers, and stereocomplexes. J. M. S. – Pure Appl. Chem.
A33, 1497.
BIODEGRADABLE POLYMERS
Summary. The problems of environment protection regarding attempts of prodactins of new,
alternative biodegradable polymers has been revealed in this paper. Main polymers belonging to
this group to be produced from renewable row materials as well petrochemicals have been pre-
sented. The discussion of mechanical, thermal and processing properties of those polymers as well
as their applications and degradation pathways has been carried on.
Key words: biodegradable polymers, biodegradation. polylactic acid
Praca naukowa finansowana ze środków na naukę w latach 2007–2009 jako projekt badaw-
czy rozwojowy nr R05 055 02: „Ulegające biodegradacji w warunkach kompostowania przemy-
słowego tworzywa polimerowe przeznaczone w szczególności na sztywne opakowania produktów
spożywczych”.