Dawid Kleczyński
Dawid Kleczyński
Najwięcej odpadów z tworzyw sztucznych dostarcza
przemysł opakowaniowy, budownictwo, elektrotechnika,
przemysł motoryzacyjny i rolniczy. Recykling tworzyw
sztucznych tylko częściowo likwiduje odpady. Szacuje
się, że na wysypiska trafia tylko 3 – 10% całkowitej masy
odpadów, co stanowi aż 30% obj. składowiska odpadów.
Powierzchnia wysypisk śmieci w Polsce zajmowała w roku
1985 ok. 2300 ha, a obecnie ok. 3300 ha. Przytoczone
dane nie obejmują dzikich wysypisk.
W związku z niemożliwością wykorzystania wszystkich
odpadów polimerowych w procesach recyklingu podjęto
działania w celu produkowania takich tworzyw
sztucznych, które po zużyciu ulegałyby degradacji w
środowisku naturalnym.
Pojęcie to określa polimery ulegające degradacji w
środowisku
naturalnym
znacznie
szybciej
niż
konwencjonalne tworzywa sztuczne. Przyspieszenie
powolnego procesu degradacji jest możliwe za pomocą
metod biochemicznych i fotochemicznych. Degradacja
polega na zmniejszaniu ciężaru cząsteczkowego i na
wtórnych zmianach budowy chemicznej polimeru,
którym z reguły towarzyszą zmiany właściwości
fizycznych.
Rozkład polimerów może zachodzić pod wpływem
promieniowania, mikroorganizmów, enzymów oraz
niektórych związków chemicznych. Szybki rozkład jest
możliwy, gdy polimer zawiera wrażliwe fragmenty
łańcucha na te czynniki.
POLIMERY
DEGRADOWALNE
FOTODERADOWALNE
BIODEGRADOWALNE
CZĘŚCIOWO
BIODEGRADOWALNE
Fotodegradacja
zachodzi,
gdy
proces
degradacji
wywołuje promieniowanie UV, na przykład ze światła
słonecznego. Z tym terminem łączy się inne pojęcie
fotooksydacja utleniająca. Jest to proces, w którym
tworzą się nadtlenkowe rodniki (ROOH). Podczas
fotodegradacji
utleniającej
zmniejsza
się
ciężar
cząsteczkowy z powodu pękania łańcuchów głównych
oraz sieciowania makrocząsteczek, przy czym produkty
są mieszaniną wielu związków chemicznych.
R
OO H
R
H
R
O
O
H
+
O
2
UV
Biodegradacja to proces przebiegający pod wpływem
bakterii lub grzybów, w wyniku którego następuje
degradacja polimeru. Wyróżnia się dwa etapy:
1. Rozpad wiązań chemicznych w łańcuchu polimeru,
pod
wpływem
ataku
enzymów
zgodnie
z
mechanizmem utleniania lub hydrolizy.
2. Mineralizacja, w wyniku której następuje przemiana
polimeru w biomasę, sole, wodę, dwutlenek węgla,
metan oraz azot.
POLIMER
PRODUKTY
DEPOLIMERYZACJI
hydroliza / utlenianie
polimeryzacja
H
2
O
CO
2
BIOMASA
Etap I
depolimeryzacja
Etap II
mineralizacja
polimery
biodegradowalne
polimery
naturalne
niemodyfikowane
polimery
otrzymane
przez modyfikację
polimerów
naturalnych
W procesach
biotechnologicznych
przy stosowaniu
różnych metod
syntezy chemicznej
Celuloza jest polimerem najbardziej rozpowszechnionym
w przyrodzie. Największe jej ilości są używane do
produkcji papieru oraz wytwarzania modyfikowanych
polimerów. Jest to polimer liniowy glukopiranozy, w
którym mery są połączone wiązaniami glokozydowymi w
pozycjach 1 i 4, przy zachowaniu konfiguracji β.
Otrzymuje się ją z bawełny, drewna oraz trzciny. Ostatnio
zastosowanie znalazła celuloza bakteryjna wytwarzana w
procesie biosyntezy przez bakterie octowe Acetobacter
xylinum.
O
H
H
H
H
O
OH
H
OH
OH
O
n
O
H
H
H
H
O
OH
H
OH
OH
O
O
H
H
H
H
OH
H
OH
O
OH
O
H
H
H
H
OH
H
OH
OH
O
O
H
H
H
H
O
H
OH
H
OH
OH
OH
β-D-glukoza
dobra wytrzymałość mechaniczna
wysoki moduł Younga
dobrze rozwinięta powierzchnia
wewnętrzna
jest nie rozpuszczalna w wodzie,
kwasach i alkaliach
biodegradowalny
przemysł papierniczy i włókienniczy
elektrotechnika – wytwarzanie
membran głośnikowych
medycyna – w procesach
filtracyjnych
produkcja azotanu oraz octanu
celulozy
Skrobia w odróżnieniu od celulozy ma budowę
globularną, występuje w postaci mieszaniny amylozy i
amylopektyny. Zawartość tych dwóch cukrów w skrobi
wynosi 20% amyloza i 80% amylopektyny. Amyloza jest
liniowym polimerem o średnim stopniu polimeryzacji do
5000,
natomiast
amylopektyna
jest
polimerem
rozgałęzionym o średnim DP = 50000. W zależności od
pochodzenia udział tych składników w skrobi jest różny.
Skrobię pozyskuje się z roślin, przede wszystkim z
nasion, bulw i korzeni.
O
H
H
H
OH
H
OH
H
OH
O
n
O
H
H
H
OH
H
OH
H
OH
O
O
H
H
H
OH
H
OH
H
OH
O
O
H
H
H
OH
H
OH
H
OH
O
O
OH
H
H
H
O
H
OH
H
OH
H
OH
α-D-glukoza
O
H
H
H
OH
H
OH
H
CH
2
O
O
H
H
H
OH
H
OH
H
OH
O
O
H
H
H
OH
H
OH
H
OH
O
O
O
H
H
H
OH
H
OH
H
O
H
O
O
H
H
H
OH
H
OH
H
O
H
O
O
H
H
H
OH
H
OH
H
O
H
O
H
H
H
OH
H
OH
H
C
H
2
O
O
O
H
H
H
OH
H
OH
H
O
H
n
n
O
OH
H
H
H
O
H
OH
H
OH
H
OH
α-D-glukoza
nie rozpuszcza się w wodzie, po
ograniu tworzy „kleik”
biodegradowalny
dobre właściwości mechaniczne
pożywienie oraz surowiec w
przemyśle spożywczym
substancja klejąca
przemysł papierniczy i włokienniczy
napełniacz do tworzyw częściowo
degradowalnych
Chitozan jest kopolimerem zawierającym w składzie
komonomer N-acetyloglukozy i aminoglokozy, który
otrzymuje się z chityny w wyniku jej deacetylacji,
najczęściej za pomocą stężonych roztworów alkaliów w
podwyższonej temperaturze.
O
H
H
H
H
O
H
OH
H
NH
2
OH
OH
O
H
H
H
H
OH
H
NH
2
OH
O
O
H
H
H
H
OH
H
N
H
OH
O
CH
3
O
n
O
H
H
H
H
OH
H
N
H
OH
OH
CH
3
O
OH
N-acetyloglukozy
aminoglokozy
rozpuszczalny w wodnych
roztworach kwasów, zwłaszcza
organicznych
biodegradowalny
biozgodny
nietoksyczny
bardzo dobre właściwości adhezyjne
zdolności do chelatowania i wiązania
jonów metali i substancji
organicznych
medycyna – lecznicze opatrunki na rany
rolnictwo – ekologiczny środek ochronny
roślin przeciw wirusom
przemysł włókienniczy – środek impregnujący
przemysł włókien chemicznych – środek
modyfikujący
ochrona środowiska naturalnego – środek do
czyszczenia wód ściekowych
PHB jest homopolimerem kwasu 3-hydroksymasłowego.
Istnieje
też
kopolimer
z
kwasem
3-
hudroksywalerianowym (PHBV). Oby dwa związki są
wytwarzane w procesie fermentacji cukrów z udziałem
bakterii Alcaligenes eutropus. Mikroorganizmy zużywają
glukozę jako materiał budulcowy i energetyczny, a w
warunkach nadmiaru glukozy przekształcają ją w
homopolimer PHB.
O
CH
3
O
n
O
CH
3
O
O
CH
3
O
O
CH
3
O
CH
3
OH
O
O
H
kwas 3-hydroksymasłowy
kruchy – PHB
biodegradowalny – PHB i PHBV
elastyczny – PHBV
jako termoplast zdolny do
przetwórstwa takimi samymi
metodami jak termoplasty
otrzymywane z ropy naftowej – PHBV
dobra odporność na działanie wody i
wilgoci - PHBV
wyrób:
opakowania kosmetyków
torby na zakupy
worki na odpady komunalne
folii ogrodniczej
sztućce i talerze jednorazowe
PLA jest polimerem kwasu mlekowego, który jest
wytwarzany przez bakterie Lactobacillus w procesie
fermentacji cukrów. Skrobie poddaje się fermentacji
mlekowej, otrzymany kwas mlekowy przekształca się w
laktyd, a podczas polimeryzacji bezrozpuszczalnikowej
otwiera się pierścień w PLA.
O
CH
3
O
O
CH
3
O
O
CH
3
O
O
H
CH
3
O
OH
O
CH
3
O
n
kwas hydroksypropionowy
przezroczysty
odporny termicznie
odporny na działanie olejów,
tłuszczów
posiada właściwości barierowe
jako termoplast zdolny do
przetwórstwa takimi samymi
metodami jak termoplasty
otrzymywane z ropy naftowej
przemysł włókienniczy – produkcja
dywanów
rolnictwo – kontrolowane uwalnianie
pestycydów i herbicydów
biodegradowalny
materiały opakowaniowe
Folia
Pojemniki na żywność i napoje
Papiery powlekane
PAK – poli(kwas asparginowy) – jest poliamidem
całkowicie biorozkładalnym. Otrzymuje się go w wyniku
reakcji bezwodnika kwasu maleinowego z mocznikiem.
Polimer ten jest używany do zmiękczania wody i
zapobiegania
osadów
w
rurach
i
zbiornikach.
Wykorzystując elementy poliwęglanowe i ligninowe do
syntezy poliuretanów biodegradowalnych otrzymuje się
polimery o dużej odporności mechanicznej i chemicznej.
Obecny popyt na polimery biodegradowalne ocenia się
na ok. 15 tyś. t/rok. Przewiduje się, że zapotrzebowanie
będzie systematycznie wzrastać (szczególnie w krajach
wysokorozwiniętych) aby stosować produkty przyjazne
dla środowiska. Zakłada się, że zapotrzebowanie
osiągnie w najbliższym czasie wartość to tyś. t/rok.
Główny kierunek ich zastosowania wiąże się z torbami na
odpady komunalne (38%), opakowaniami na żywność w
tym sztućce i talerze jednorazowego użytku (6%) oraz
rolnictwo (6%).
Potencjalnymi wyrobami z tworzyw biodegradolwanych
będą także:
opakowania środków higienicznych, lekarstw i napojów
serwetki i ręczniki higieniczne
torby na nawozy sztuczne
folie ogrodnicze i sznury do wiązania słomy
degradowalne nośniki chemikaliów i leków
powłoki do papieru
nici chirurgiczne
Kierunki
rozwoju
biodegradowalnych
tworzyw
polimerowych będą koncentrować się głównie nad:
opracowaniem i udoskonaleniem technologii ich
wytwarzania
właściwym doborem i dostosowaniem ich właściwości
do danego zastosowania
opracowaniem
odpowiedniej
kontroli
szybkości
degradacji
racjonalnym
recyklingiem
zużytych
wyrobów
biodegradowalnych w procesie kompostowania
większym przemysłowym wykorzystaniem wyrobów z
biodegradowalnych tworzyw sztucznych
zrównaniem ceny polimrów biodegradowalnych z
polimerami niegradowalnymi oraz masowego ich
zastosowania w różnych dziedzinach techniki.
Jednym ze sposobów otrzymywanie tworzyw częściowo
biodegradowalnych jest fizyczna modyfikacja poliolefin i
polimerów
winylowych
przez
zmieszanie
ich
z
naturalnymi
polimerami
biodegradowalnymi.
Do
najczęściej
stosowanych
polimerów
naturalnych
uzywanych do modyfikacji zalicza się skrobię, celulozę,
chitynę i ligniny.
Większość tworzyw częściowo biodegradowalnych to
polimery syntetyczne modyfikowane skrobią jako
napełniaczem. Właściwości mechaniczne mieszanin
polietylen lub polipropylen ze skrobią zależą przede
wszystkim od udziału objętościowego cząstek skrobi, ich
wielkości oraz udziału kompatibilizatora. Wpływ wywiera
także rodzaj użytej skrobi – ziemniaczana czy
kukurydziana.
Skrobia
kukurydziana
zapewnia
korzystniejszą makrostrukturę przez lepsze wypełnienie
tworzywa. Mieszaninę polietylen/poliproylen – skrobia
zawierająca 6-15% wag. skrobi stosuje się do wyrobu
folii opakowaniowej, worków na śmieci oraz na kompost.
Innym często stosowanym napełniaczem jest celuloza.
Stosuje się ją w ilości 10-70% wag. , ale najczęściej nie
przekracza ok. 40%. Napełniacz celulozowy powoduje
zwiększenie wytrzymałości i sztywności kompozycji
polimerowych.
Ważnym
elementem
jest
użycie
odpowiednich
środków
zwiększających
wzajemne
oddziaływanie polimer – celuloza. Ciekawą rzeczą jest, że
celulozę jako napełniacz można stosować w postaci
makulatury. Polimery modyfikowane celulozą stosuje się
przede wszystkim do wytłaczania różnych elementów
drewnopodobnych
np.
ram
okiennych,
profili
przypodłogowych.
Olbrzymią zaletą jaką mają polimery biodegradowalne
jest możliwość utylizacji zużytych wyrobów i innych
odpadów metodą kompostowania. Rozpadają się one
całkowicie,
a
produkty
rozkładu
ulegają
samozniszczeniu. Są więc zagospodarowane przez
przyrodę i nie zagrażają środowisku.
Pielichowski J., Puszyński A.: ”Technologia tworzyw sztucznych”,
Wydawnictwo Naukowo – Techniczne, Warszawa 2003
Szlezyngier W.: „Tworzywa sztuczne”, Tom 3, Rzeszów 1999
Internet
