Biodegradovateľný polymér

Príklad výrobkov z biodegradovateľnných plastov

Biodegradovateľné polyméry sú špeciálny druh polymérov, ktoré sa po ich plánovanom použití rozkladajú pomocou bakteriálnych rozkladových procesov a vznikajú z nich prírodné vedľajšie produkty, napríklad oxid uhličitý, voda, dusík, biomasa alebo anorganické soli. Tieto polyméry môžu byť prírodného i syntetického pôvody a často obsahujú esterové, amidové alebo éterové funkčné skupiny.

Delenie podľa pôvodu

Podľa pôvodu surovín z ktorých je plast vyrobený rozdeľujeme biodegradovateľné plasty na dve skupiny:

• Syntetické biodegradovateľné materiály
  • Syntetické alifatické polyestery – polykaprolaktóny (PCL)
  • Syntetické a polo- syntetické alifatické kopolyméry (AC) and polyestery (AP)
  • Syntetické alifaticko-aromatické kopolyméry (ACC)
  • Polyméry rozpustné vo vode– polyvinylalkohol (PVA)
  • Kyselina akrylová a jej estery, polyalkalické estery
  • Polyvinylestery, polyamidestery, polyanhydridy
• Biodegradovateľné materiály z obnoviteľných zdrojov
  • Priamo získané z biomasy
    • polysacharidy (škrob, celulóza)
    • bielkoviny (glutén, kazeín, kolagén)
  • Chemická syntéza z monoméru získaného z obnoviteľnej suroviny
    • PLA (kyselina polymliečna)
  • Produkované mikroorganizmami alebo baktériami
    • Polyhydroxyalkanoáty (polyhydroxybutyrát PHB), PHBV, P3HB, P4HB, PHV
    • Bakteriálna celulóza, chitozánalkát, hyaluronan

Príklady

Polyvinylalkohol - PVA

PVA je syntetický polymér vyrobený pomocou petrochemických syntéz, no aj napriek tomu je biodegradovateľný. Je dobre rozpustný vo vode a v polárnych rozpúšťadlách (dimetylsulfoxid, acetamid). Má formu bieleho kryštalického prášku. Jeho fyzikálne vlastnosti sú závislé od prípravy.

Výroba

Výroba prebieha jedným z dvoch spôsobov:

1. Polymerizácia vinylacetátu (radikálová reťazová reakcia), zvyčajne v metanole (organické rozpúšťadlo). Metanol plní funkciu prenášača reťazca pri polymerizácii, jeho vyparovaním sa odvádza nadbytočné teplo, zohráva úlohu pri hydrolýze polyvinylacetátu.
2. Hydrolýza polyvinylacetátu rozpusteného v metanole, ako katalyzátor sa využíva hydroxid sodný.

Fyzikálne vlastnosti

Výsledné vlastnosti materiálu možno počas prípravy ovplyvniť, napr. zvýšením stupňa hydrolýzy – zvýšenie pevnosti v ťahu, zvýšenie odolnosti voči vode a rozpúšťadlám; znížením stupňa hydrolýzy – zvýšenie disperznej sily, zvýšenie rozpustnosti vo vode, zvýšenie pružnosti.

PVA má široké využitie, napríklad v potravinárstve (výroba želatíny), na zahusťovanie náterových hmôt, výrova lepidiel (kombinácia so škrobom), obaly vo farmaceutickom priemysle, obaly na semená rastlín alebo na výrobu vo vode rozpustných fólií alebo vriec (napr. na prádlo v nemocniciach).

Celulóza

Štruktúrny vzorec celulózy

Celulóza je hlavná stavebná látka rastlín. Makromolekula obsahuje lineárne reťazce β-D-glukopyranózy pospájané β-glykozidovou väzbou. Je nerozpustná vo vode. Využíva sa ako plnivo do iných polymérov (zníženie ceny), spevnenie kompozitných materiálov (mikrocelulózové vlákna), na výrobu papiera alebo obalových materiálov a slúži na výrobu viskózy (acetát celulózy), celofánu, nitrocelulózy, umelého hodvábu.

Chitín a chitozán

Chitín je polysacharid vyskytujúci sa v hubách, slúži aj na stavbu schránok živočíchov. Pre človeka a prírodu nevykazuje žiadne toxické účinky. Štruktúra je podobná celulóze (N-acetyl-glukozamínové zvyšky spojené β-(1,4) glykozidovými väzbami). Je nerozpustný v alkohole a slabých kyselinách a zásadách. Chitín sa získava zo schránok živočíchov.

Chitozán je rozpustný vo vode a v organických rozpúšťadlách. Je úplne biodegradovateľný. Vyrába sa deacetyláciou z chitínu.

Chitín a chitozán sa využívajú najmä v medicíne (zastavujú krvácanie, obmedzujú zrážanlivosť krvi), na výrobu vzduch-priepustných tenkých filmov (regenerácia tkanív) ale aj v potravinárskom a poľnohospodárskom priemysle.

Kyselina polymliečna (PLA)

Štruktúrny vzorec kyseliny polymliečnej

Veľký význam kyseliny polymliečnej je daný tým, že sa vyrába z obnoviteľných zdrojov, má dobré mechanické vlastnosti, je rozložiteľná v ľudskom tele a v biologicky aktívnom prostredí a po rozložení sa prejavuje len veľmi malá alebo žiadna toxicita. Je to však krehký polymér (nutný prídavok plastifikačných činidiel). Je schopná úplne biodegradovať. Nad 200°C nastáva jej termická degradácia a jej teplota topenia 160°C - 170°C. Nevýhodou je jej vysoká cena oproti bežným polymérom (podobné vlastnosti ako PVC, PET, polystyrén). Kyselina mliečna sa získava fermentáciou škrobu.

Kyselina polymliečna sa vyrába dvomi metódami:

1. Priama polykondenzácia kyseliny mliečnej.
2. Polymerizácia s otvorením kruhu.

Pri prvom spôsobe výroby sa následne pomocou polymerizačnej reakcie z kyseliny mliečnej získava kyselina polymliečna. Počas tohto procesu vzniká ako vedľajší produkt voda, nevýhodou je dlhá doba polymerizácie a je nutná vysoká teplota (inak dochádza zníženiu optickej čistoty) a nutnosť odstraňovania a recyklácie rozpúšťadla. Pri druhom spôsobe výroby sa na výrobu kyseliny mliečnej použije laktid (monomér), počas reakcie dochádza k otvoreniu kruhu a následne sa vzniknutá kyselina mliečna spolymerizuje.

Najmä v posledných rokoch dochádza k výraznému rozširovaniu využiteľnosti PLA. Využíva sa napríklad na výrobu plastových obalov (aj fliaš), kompostovateľných nádob na potraviny (misky, fólie, tégliky), jednorazového kuchynského riadu, hygienických produktov alebo je veľmi populárnym materiálom na 3D tlač.

Polyhydroxyalkanoáty (PHA)

Polyhydroxyalkanoáty sú polyméry produkované mikroorganizmami (pri nadbytku uhlíkatého zdroja) ako zásobný zdroj uhlíka a energie. Sú to polyestery hydroxykyselín, podľa dĺžky reťazca sa rozdeľujú sa na dve skupiny:

• 3-5 atómov C (short chain length)
• 6-14 atómov C (medium chain length)

Polyhydroxybutyrát (PHB)

Monomérna jednotka polyhydroxybutyrátu má 4 atómy uhlíka. Jedná sa o lineárny polymér, odolný voči UV žiareniu aj vode. Má teplotu topenia 180°C. PHB sa získava extrakciou z mikroorganizmov viacerými spôsobmi, najmä však rozpúšťaním mikroorganizmov v organickom rozpúšťadle, filtráciou bunkových stien a následným zrážaním PHB (ochladzovanie alebo pridanie zrážadieľ). Takto sa získa polymér s vysokou čistotou.

Vlastnosťami sa podobá na polypropylén, je však PHB je tvrdší, krehší a termicky menej stabilný. Jeho veľkou nevýhodou je fakt, že teplota topenia je veľmi podobná ako teplota rozkladu, čo značne komplikuje jeho spracovanie a teda aj využitie. Samotný sa využíva ako prídavok do kozmetiky na účely abrazíva. Vďaka jeho biologickej nezávadnosti sa využíva aj v medicíne na výrobu nití alebo gáz. Zvažuje sa aj využívanie v chromatografii na separáciu opticky aktívnych látok.

Obmedzená využiteľnosť samotného polyméru sa však rieši zmiešavaním s inými biodegradovateľnými polymérmi.

Zmesi biodegradovateľných polymérov

Výraznému rozvoju biodegradovateľných plastov pomohlo najmä skúmanie vlastností zmesí jednotlivých biodegradovateľných polymérov. V zmesiach sa využívajú najmä biopolyméry, ktoré sú termicky málo stabilné, krehké alebo ťažko spracovateľné. Ich zmiešaním s inými polymérmi sa dosahuje lepšia spracovateľnosť, stabilita a lepšie fyzikálno-mechanické vlastnosti výsledného plastu. Do zmesí sa pridávajú aj rôzne plastifikátory, stabilizátory, zmäkčovadlá či plnivá. Následne dôjde k roztaveniu všetkých zložiek, dôkladnému premiešaniu a následne sa zmes môže spracovať na finálny produkt žiadanou metódou.

Medzi najvýznamnejšie a najviac skúmané biodegradovateľné polymérne zmesi poslednej doby patrí zmes PLA/PHB. V súčasnosti existuje viacero receptúr a výrobcov zaoberajúcich sa výrobou takýchto zmesí, no medzi úplne prvé na svete, ktoré začali revolúciu využívania biodegradovateľných plastov, patrí NONOILEN. Bol vytvorený slovenskými vedcami v rámci spolupráce spoločnosti Panara s vedeckým tímom z Fakulty chemickej a potravinárskej technológie STU v Bratislave pod vedením prof. Ing. Pavla Alexyho, PhD. a je chránený slovenskou i medzinárodnou patentovou ochranou. Tento materiál je vhodný na výrobu širokej škály produktov, od obalových materiálov, cez puzdrá na mobilné telefóny, riad či poháre až po zubné kefky (spolupráca s firmou Curaprox). V závislosti od generácie je schopný plne biodegradovať v priemyselnej kompostárni (1. generácia) alebo aj v domácom komposte (2. generácia).

Referencie

Chemický portál