Wprowadzenie
Biopolimery, w tym i folie z nich wykonane są produkowane na skalę przemysłową od kilkunastu lat. Japończycy mają obecnie zarejestrowanych pond 300 biopolimerów, z których w większości można z powodzeniem produkować na skalę przemysłową różne folie. Niestety, mamy do czynienia z pewnym bałaganem i niedomówieniami: czym jest biopolimer i czy każdy biopolimer jest biodegradowalny?
Definicja biopolimerów jest następująca: biopolimery to polimery występujące naturalnie w organizmach żywych, które są przez nie produkowane. Natomiast biopolimery w pojęciu utylitarnym, czyli jako materiały służące w technice i technologii np. w charakterze materiałów opakowaniowych lub/i podłoży drukowych, to tworzywa sztuczne wytwarzane przy udziale odnawialnych surowców pochodzenia roślinnego. Tworzywa te są konkurencją dla polimerów produkowanych na bazie produktów petrochemicznych. Obecnie w dobie wzrostu cen ropy naftowej różnica pomiędzy cenami biopolimerów i tradycyjnych tworzyw sztucznych produkowanych na bazie wyrobów petrochemicznych jest coraz mniejsza.
Mechanizm degradacji polimerów może mieć charakter fizyczny, chemiczny lub biologiczny1. Fizyczna degradacja następuje np. wskutek tarcia lub przez ekstrakcję, chemiczna przez fotolizę, hydrolizę i/lub utlenianie, natomiast biodegradacja jest wywoływana enzymatycznym działaniem bakterii lub grzybów.
Biodegradacja to proces spowodowany działaniem enzymów wytwarzanych przez mikroorganizmy (bakterie i grzyby), którego mechanizm ma złożony przebieg obejmujący wiele reakcji o charakterze chemiczno-biologicznym. Biodegradacja materiału opakowaniowego przebiega stopniowo. Jest zapoczątkowywana degradacją polimeru, podczas której następuje skrócenie długości łańcucha i eliminowanie jego fragmentów, zmniejszenie stopnia polimeryzacji oraz masy cząsteczkowej itp. Proces ten w sprzyjających warunkach kończy się depolimeryzacją i wytworzeniem prostych związków chemicznych, które mogą stanowić materiał odżywczy dla mikroorganizmów.
Końcowymi produktami biodegradacji tworzywa polimerowego są biomasa (materia organiczna), woda i gazy:
dla warunków tlenowych (kompostowanie) – dwutlenek węgla,
dla warunków beztlenowych (biometanizacja) – metan.
Należy pamiętać, że nie wszystkie biotworzywa są biodegradowalne2. Brazylijski producent tworzyw termoplastycznych – Braskem wytwarza tradycyjny termoplast polietylenu (Bio-PE) z etanolu produkowanego z trzciny cukrowej. Ten polietylen, podobnie jak polimer otrzymany z surowców petrochemicznych, nie ulega biologicznej degradacji. Z udziałem odnawialnych materiałów roślinnych otrzymuje się również inne niebiodegradowalne termoplasty: poliamidy (Bio-PA) i poliuretany (Bio-PUR). Z kolei tradycyjne (petrochemiczne) tworzywa napełniane skrobią ulegają częściowej degradacji na wysypiskach (kruszą się).
Z powyższego wynika, że należy z dużą ostrożnością podchodzić do produktów nazywanych biopolimerami.
W warunkach praktycznych, np. podczas przemysłowego kompostowania, istotny wpływ na szybkość biodegradacji mają warunki prowadzenia procesu, a także sama budowa chemiczna materiału opakowaniowego (długość łańcucha, masa cząsteczkowa, hydrofobowość, hydrofilowość, krystaliczność i in.) oraz struktura jego powierzchni, grubość itp. Bardziej podatne na biodegradację są polimery zawierające w łańcuchu głównym grupy wrażliwe na hydrolityczny atak mikroorganizmów, tj. estrowe, karboksylowe, hydroksylowe, eterowe.
Strukturę i budowę podatną do biodegradacji posiadają przede wszystkim polimery naturalne takie jak skrobia czy celuloza i one stały się podstawą do poszukiwań nowych rodzajów materiałów opakowaniowych, które można poddać kompostowaniu.
Poniżej przedstawiono rodzaje opakowań produkowanych już na rynkach światowych z materiałów biodegradowalnych:
torby typu reklamówka,
torby do pakowania towarów masowych w jednostkach handlowych,
worki i owinięcia z folii,
worki na odpady organiczne,
torby i saszetki z folii rozpuszczalnych w wodzie do różnych zastosowań (np. opakowania bezpośrednie środków chemicznych, pokarmu dla zwierząt, części elektronicznych, warzyw, owoców, kwiatów),
siatki i worki tkane,
butelki i pojemniki do zastosowań technicznych,
kubki i tacki,
kubki i tacki z papieru powlekanego polimerami biodegradowalnymi,
torebki, worki i owinięcia z papieru powlekanego polimerami biodegradowalnymi,
pudełka z tektury powlekanej polimerami biodegradowalnymi,
pojemniki na jajka,
spienione materiały amortyzujące stosowane do wypełniania wolnych przestrzeni w pudłach transportowych.
Pięć pierwszych pozycji dotyczy folii biodegradowalnych, z których większość musi być zadrukowywana.
Już podczas Interpacku 2005 próbowano stworzyć wydzieloną ekspozycję biotworzyw i bioopakowań. Był to wówczas namiot postawiony na terenie targów, zaś w br. przeznaczono na ten cel część hali 7a. Biotworzywa i bioopakowania zaprezentowane zostały podczas targów Interpack 2008, w dniach 24 – 30 kwietnia w Centrum Wystawienniczym w Düsseldorfie. Do udziału w tym wydarzeniu zgłosiła się ogromna grupa wystawców, większa niż przewidywano. Była to największa z dotychczasowych prezentacji biotworzyw, w której uczestniczyło ok. 40 firm.
Należy przy tym podkreślić, że nie ma żadnych problemów z zadrukowywaniem folii biodegradowalnych i degradowalnych. Wręcz przeciwnie – dane literaturowe podają, iż zadrukowują się one lepiej od swych niedegradowalnych odpowiedników tymi samymi technikami i farbami. Fakt ten potwierdzają również rozdawane przez producentów folii biodegradowalnych wielobarwne torby reklamowe drukowane do ośmiu kolorów.
Rynek folii biodegradowalnych i degradowalnych jest rynkiem żywym, dynamicznie się rozwijającym. W związku z tym następują przejęcia produktów, zakładów lub zostają zakupione licencje, następują także fuzje koncernów do produkcji wymienionych materiałów. Poniżej przedstawione opisy i przypisani im producenci obrazują stan aktualny na dzień 15 czerwca 2008 roku.
Folie opakowaniowe biodegradowalne
Folie biodegradowalne, a w szczególnych przypadkach degradowalne będą stopniowo zastępowały w najbliższej przyszłości dotychczas stosowane do produkcji opakowań folie z tworzyw sztucznych.
Są to stosunkowo nowe materiały znajdujące się w ciągłym dynamicznym rozwoju. W celu ich zastosowania w charakterze materiałów opakowaniowych muszą być w większości przypadków zadrukowane. Poniżej w tabeli przedstawiono charakterystyki podatności na rozkład pod działaniem różnych czynników folii z tworzyw sztucznych najczęściej stosowanych do produkcji opakowań3.
Z tabeli wynika, że jedynym materiałem foliowym ulegającym biodegradacji jest celofan. Jako jedyny jest on także podatny na działanie wody, pod wpływem której traci wytrzymałość. Niestety, produkcja celofanu jest bardzo uciążliwa dla środowiska i obecnie są zamykane pozostałe jeszcze produkujące go fabryki. W Europie czynne są zaledwie dwie; spotykany obecnie w niewielkich ilościach na rynku celofan pochodzi z zapasów lub z Chin. Celofan został zastąpiony orientowaną folią polipropylenową OPP.
Ostatnim największym, moim zdaniem, przebojem wśród folii biodegradowalnych jest folia celulozowa występująca pod nazwą handlową NatureFlex, produkowana metodą wiskozową z degradowanej celulozy uzyskiwanej z surowca odnawialnego, czyli z drewna pochodzącego z plantacji.
Produkt ten jest wytwarzany taką samą metodą, jaką był produkowany celofan (notabene przez byłych producentów celofanu). Nie jest to jednak celofan. Cały proces trzymany jest w tajemnicy.
Najczęściej dotychczas stosowane folie z tworzyw sztucznych nie wykazują podatności na biodegradację. To samo dotyczy laminatów foliowych, folii aluminiowej oraz laminatów z jej udziałem. Z reguły biodegradacji ulegają tylko związki wielkocząsteczkowe o niskiej masie cząsteczkowej.
Zakłada się, że obecnie można by zastosować w produkcji opakowań ok. 10% tworzyw sztucznych biodegradowalnych.
Na skalę przemysłową produkowane są następujące folie degradowalne:
folie biodegradowalne z polimerów poliolefinowych (głównie PE i PP) z udziałem skrobi lub skrobi modyfikowanej;
folie biodegradowalne z polimerów poliolefinowych (głównie PE) z udziałem związanych olejów roślinnych;
folie biodegradowalne wykonane z kompozycji polimerowo-skrobiowych;
folie z biopolimerów o strukturze poliestrowej całkowicie biodegradowalne, uzyskiwane w wyniku fermentacji lub polimeryzacji fermentacyjnej;
folie biodegradowalne na bazie celulozy;
folie z dioctanu celulozy modyfikowane dodatkiem plastyfikatorów;
folie z poliestrów i kopoliestrów syntetycznych;
folie rozpuszczalne w ciepłej i zimnej wodzie na bazie polialkoholu winylowego oraz kopolimeru alkoholu winylowego i octanu winylu;
folie poliolefinowe z dużą zawartością wypełniacza nieorganicznego. cdn.
1 Żakowska H.: Recycling odpadów opakowaniowych, COBRO, Warszawa 2005, s. 53-56
2 Piecyk L.: Biopolimery do produkcji opakowań, „Opakowanie” nr 3 (2008) s. 34-39
3 Żakowska H.: Opakowania degradowalne, „Opakowanie” nr 5 (1997), s. 20-23
