Kto wygra wyścig po tytuł następcy plastiku? Przegląd innowacyjnych tworzyw sztucznych

Tworzywa sztuczne stanowią integralną i ważną część światowej gospodarki, a ich produkcja, w ciągu ostatnich 50 lat, wzrosła z 15 milionów ton w latach 60. do 311 mln ton w 2014 roku. Prognozuje się, że liczba ta potroi się do 2050 roku, kiedy produkcja plastiku może stanowić 20% światowego rocznego zużycia ropy. Jednocześnie dynamiczny wzrost produkcji i zwiększenie skali zastosowania wyrobów z tworzyw sztucznych spowodowały wzrost ich niewłaściwego zagospodarowania i w konsekwencji negatywnego oddziaływania na środowisko. Aktualnie już chyba nikt nie ma wątpliwości, że istnieje wyraźna potrzeba zaprojektowania tworzyw sztucznych w taki sposób, by można je było wykorzystać w gospodarce o obiegu zamkniętym oraz by móc je poddawać recyklingowi na dużą większą skalę niż dzisiaj.

Jednym z rozwiązań, na którym koncentruje się uwaga naukowców z całego świata, są „bioplastki”. To dość ogólny termin, pod którym mogą się kryć zarówno materiały powstałe na bazie biologicznej (roślinnej), jak i materiały łatwo biodegradowalne. Znajomość różnic między tymi pojęciami jest konieczna dla świadomości konsumenckiej oraz opracowania bardziej czytelnego oznakowania produktów, na co wskazuje Europejska Agencja Środowiska, która ocenia jednocześnie, że tylko około 1 proc. produktów pochodzących z tworzyw sztucznych na rynku światowym można uznać za kompostowalne lub biodegradowalne.

Bioplastik stwarza dobre… Pozory

Biodegradowalne lub kompostowalne tworzywa sztuczne mogą być produkowane zarówno z surowców biopochodnych (np. kukurydza, trzcina cukrowa), jak i z surowców kopalnych (ropa naftowa). Za biodegradowalne uznaje się zarówno naturalne polimery modyfikowane w warunkach laboratoryjnych (np. celuloza, lignina), jak i polimery syntetyczne, które bez większych trudności mogą powstać z naturalnych poprzez ich „przeprojektowane” tj. zmianę ich podstawowych właściwości fizyko-chemicznych. Jednakże sam fakt modyfikacji naturalnych polimerów nie sprawia, że stają się biodegradowalne w takim samym lub porównywalnym stopniu, co naturalne. Bardzo często w przypadku biodegradowalnych lub kompostowalnych tworzyw sztucznych proces degradacji jest możliwy jedynie w określonych warunkach przemysłowych lub w profesjonalnych kompostowniach. Ponadto, szybkość biodegradacji uzależniona jest od warunków prowadzenia tego procesu tj. temperatury, czasu trwania, obecności mikroorganizmów, dostępności składników odżywczych, tlenu i wilgoci. W konsekwencji, zagadnienie to wymaga szeregu badań, począwszy od wytworzenia nowego materiału do zbadania pełnego cyklu biodegradowalności, tak by ocenić czy jest korzystniejszy od popularnych tworzyw sztucznych. Szczególnym problemem biodegradowalności okazuje się mikroplastik, którego negatywny efekt jest przedmiotem wielu debat i bardzo niekorzystnych raportów. Co więcej, bioplastiki powstałe poprzez modyfikacje naturalnych polimerów nie stają się automatycznie mniej toksyczne i bezpieczne dla organizmów żywych. Liczne badania pokazują, że mogą zawierać szereg substancji chemicznych, stanowiących zagrożenie i być toksyczne dla organizmów żywych tak samo jak klasyczne tworzywa sztuczne, zaburzając tym samym rytm działania organizmu.

Przyrost opatentowanych biotworzyw w porównaniu z klasycznymi tworzywami sztucznymi jest niezmiennie stały i porównywalny od wczesnych lat 80. ubiegłego wieku. Obecnie, najbardziej obszerną grupę stanowią biopolimery modyfikowane chemicznie, tj. modyfikowana celuloza, polisacharydy, skrobia i inne. Bio-PE, Bio-PET, Bio-PA to polimery, w których znaczny procent (np. 30%) składa się z surowca roślinnego. Wbrew oczekiwaniom, tworzywa te nie są biodegradowalne. Jednak udział surowca roślinnego sprawia, że produkcja tego materiału jest mniej zależna od ropy naftowej. Dzięki temu proces produkcji charakteryzuje się zmniejszoną emisją CO₂, co przekłada się na mniej negatywny wpływ na środowisko. Jednakże biotworzywa wpływają negatywnie na środowisko, w takich aspektach jak: eutrofizacja gleb i wód, zwiększenie emisji zawieszonych w powietrzu cząstek stałych nie większych niż 10 µm, wykorzystanie ziemi uprawnej do ich wytwarzania czy też dodatkowe zapotrzebowanie na wodę.

Czy mamy już lidera?

Ciekawym, alternatywnym rozwiązaniem do powyższych może być materiał o nazwie PEF – plastik na bazie skrobi. Obecnie, produkcja tego tworzywa wymaga o 70% energii mniej, jak również prowadzi do wytworzenia jedynie 1/3 CO₂ w porównaniu do tradycyjnych tworzyw PET. To jednak nie koniec zalet tego materiału. Jest on bardziej wytrzymały, co w konsekwencji oznacza znacznie mniejszą ilość surowca potrzebnego do wytworzenia danego przedmiotu np. butelki, o takiej samej wytrzymałości. Ponadto, materiał ten posiada lepsze właściwości związane z migracją tlenu i dwutlenku węgla przez swoją barierę, co oznacza, że napój w butelce może dłużej zachowywać świeżość. W dodatku w całości podlega recyklingowi. Wszystko to sprawia, że PEF wzbudza nie lada zainteresowanie. Nic więc dziwnego, że Avantium ze swoją technologią szybko stało się liderem w tym segmencie, wzbudzając ciekawość i apetyt takich firm jak Coca-Cola, Danone, czy Carlsberg. Czy materiał tego typu wyeliminuje PET z rynku? Czas pokaże, jednak wszystko wskazuje, że jest to bardzo prawdopodobne.

Siła często tkwi w elastyczności

Inną bardzo ciekawą koncepcją nowego rodzaju polimerów, na którą warto zwrócić uwagę są witrymery (ang. vitrimers). Charakteryzują się tym, że ich sieć polimerowa nie jest permanentna, dzięki czemu w odpowiednich warunkach (np. podwyższonej temperatury), podlega ciągłej reorganizacji. Można powiedzieć, że wiązania chemiczne w tego typu materiale znajdują się w pewnego rodzaju „dynamicznej równowadze”, zachowując jednocześnie właściwości tworzyw usieciowanych, takie jak sztywność, stabilność kształtu czy odporność chemiczna. Materiał ten jest zarówno wytrzymały, jak i w odpowiednich warunkach plastyczny, także w razie uszkodzeń witrymer może się zregenerować. Kolejną jego istotną zaletą jest to, że pozwala na łatwy i pełny recykling, gdyż w podwyższonej temperaturze można go przetworzyć do dowolnej postaci, bez utraty właściwości materiału pierwotnego. Trwałe opakowania np. obudowy telefonów, zastosowanie w przemyśle motoryzacyjnym, transporcie, to tylko kilka z możliwych obszarów jego zastosowania, a to wszystko za sprawą Ludwika Leiblera, Francuza polskiego pochodzenia. Czyżby koniec pękających tworzyw sztucznych, które nadają się jedynie do wyrzucenia, był bliski?

Rynek gospodarowania odpadami z tworzyw sztucznych, to rynek pełen wyzwań, jak również niebagatelnych możliwości. Wszystko wskazuje na to, że przyszłość tego segmentu rysuje się w bardzo ciekawych barwach. Bez wątpienia, opakowania pozostają obszernym sektorem docelowym rynku tworzyw sztucznych. Bez względu jednak na to, co przyniesie przyszłość, warto ograniczyć ich ilość w swoim otoczeniu, można redukować ją robiąc przemyślane zakupy i zmniejszając tym samym ilość zużywanych i zbędnych odpadów.