Biopolimerek alkalmazása

I.

Dr. Tábi Tamás

2021. Szeptember 28.

Polimer:

Olyan hosszúláncú vegyület (makromolekula) amelyben sok ezer építőegység

kapcsolódik össze egymással. Lehet természetes, mint például a keményítő vagy

a cellulóz vagy pedig mesterséges.

Műanyag:

Mesterséges polimer, sok esetben adalékanyagokkal társítva. A műanyagok

kiváló mérnöki alapanyagok, nélkülük elképzelhetetlen a modern kor emberének

élete. Alkotóelemeik azonosak az emberével… Szén, hidrogén, oxigén, stb…Sőt,

az emberi testben is bőven vannak polimerek, pl. a fehérje (aminosav polimerje).

- A műanyagokat ugyan kőolajszármazékokból állítják elő, de a kőolaj fő

felhasználója nem a műanyagipar, hanem a közlekedés és energiaipar,

- Újrahasznosíthatóak (a hőre lágyulóak).

Mi is az a polimer és a műanyag?

Probléma a hagyományos műanyagokkal

Egy lehetséges megoldás

Egy lehetséges megoldás

Biopolimer:

Olyan polimer, amely megújuló erőforrásból előállítható és/vagy

biológiai úton lebontható, azaz komposztálva, vagy biotikus

környezetbe helyezve a gombák, baktériumok vagy algák

enzimatikus bontó képességének hatására hónapok, esetleg néhány

év alatt szemmel nem látható részekre (humusz, víz, szén-dioxid)

bomlik és a bomlástermékek nem szennyezik a környezetet vagy a

komposztot.

Szacharidok, mint az műanyagipar új építőkövei

Megújuló erőforrásból milyen polimerekállíthatóak elő?

Biopolimer:

Olyan polimer, amely megújuló erőforrásból előállítható és/vagy biológiai úton

lebontható, azaz komposztálva, vagy biotikus környezetbe helyezve a gombák,

baktériumok vagy algák enzimatikus bontó képességének hatására hónapok,

esetleg néhány év alatt szemmel nem látható részekre (humusz, víz, szén-dioxid)

bomlanak és a bomlástermékek nem szennyezik a környezetet vagy a komposztot.

Biológiailag lebomló (lebontható) polimer (röviden lebontható polimer):

Olyan polimer, amely biotikus környezetben vagy komposztban a

mikroorganizmusok enzimatikus bontó hatásának következtében képes vízzé,

szervetlen vegyületekké és biomasszává lebomlani szén-dioxid és – oxigénmentes

környezetben – metán képződése mellett továbbá a lebomlási folyamat hónapok,

maximum egy év alatt végbemegy.

Bio-erodálható (oxidatív úton lebomló / oxo-degradábilis) polimer

Olyan polimer, amely nem enzimatikus úton képes lebomlani. Ezek a polimerek

általában hő- és/vagy, oxigén- és/vagy UV öregedés hatására széttöredeznek,

de a töredékek további lebomlásra nem képesek. Nem biológiai úton lebomlóak,

csak „szétesőek”.

Biopolimer, lebontható polimer,bio-erodálható polimer

Biopolimerek csoportosítása

Lebontható poliészterekAgro-polimerek

Lebontható polimerek

Lebontható polimerek csoportosítása

Követelmények a lebontható polimerekkel szemben:

- Hagyományos hőre lágyuló műanyagok feldolgozási technológiáival

feldolgozhatónak, valamint újrafeldolgozhatónak kell lennie, azaz legyen

hőre lágyuló

- A kiváltani kívánt anyag mechanikai tulajdonságaihoz hasonló

tulajdonságokkal kell rendelkezzen

- Nedvességgel szemben legyen ellenálló (ne legyen vízoldható, vagy

éppen legyen vízoldható bizonyos alkalmazásoknál)

- Minden egyes alkotóeleme és az ezekből előállított lebomló polimer

legyen biológiailag lebontható, beilleszthető legyen a természet

körforgásába

Lebontható polimerekkel szemben támasztott követelmények

A lebontható poliészterek esetében a fő lebomlási mechanizmus a hidrolízis,

amely lehet enzimatikus (baktériumok által segített) vagy nem enzimatikus

(kémiai). A biológiai lebomlás folyamán csökken a polimer molekulatömege, és a

lánctöredékeket és az oligomereket a bontó baktériumok már fel tudják dolgozni.

A lebomlás során víz, humusz (szerves anyagokban gazdag föld), és szén-dioxid,

egyes esetekben pedig metán is képződik (levegőtől elzárt, anaerób bomlás).

Mikroorganizmusok bontó hatását (bomlás sebességét) befolyásoló tényezők:

- Hőmérséklet

- Páratartalom (vagy víztartalom)

- Napfény

- Oxidáció

- Hidrolízis

- Polimer molekulaszerkezete (molekulatömeg-, eloszlás, kristályosság, stb.)

Lebomlást elősegítő környezet:

- Komposzt (ipari vagy házi: aerób-anaerób bomlás!) A komposztálás olyan

biológiai folyamat, amely a hulladékok, melléktermékek szerves anyagait

humuszszerű anyaggá alakítja át.

- Talaj (elásva vagy felszínen)

- Tenger vagy szennyvíz (szennycsatorna)

Lebomlással kapcsolatos fogalmak

A kondenzációs polimerek, mint például a PA, PET, PC, PUR esetében a polimer

molekulalánc gerince nem csak C-C kötéseket tartalmaz, hanem amid, észter,

karbonát vagy uretán csoportokat is.

Ezek a csoportok hidrolizálhatóak (megfordul a kondenzációs reakció). Akár 0.01%

víztartalom is jelentősen csökkentheti a molekulatömeget a feldolgozási

hőmérsékleten, így szárítási előkészültek szükségesek feldolgozás előtt. A hidrolízis

felhasználás közben is létrejöhet, de jóval kisebb mértékben, mint feldolgozáskor.

Továbbá a kondenzációs polimereknel kisebb a molekulatömege, mint

polimerizációs polimereknek, így egy esetleges molekulatömeg csökkenés

drasztikusabb hatásokkal bír a polimer tulajdonságaira.

A lebontható polimerek többsége

poliészter, így a hidrolizálható-

ságuknak köszönhető a lebonthatóságuk.

Hidrolízis

Oxidáció

Az oxidációt leginkább a harmadrendű (tercier) szénatomról leváló hidrogén

hatására a szénláncban szabadgyök képződik, amely reagál az oxigénnel és előbb

peroxi gyök, majd karbonil csoport (C=O kötés jön létre), azaz megkötődik az

oxigén. Mivel az oxigén megkötésekor kettős kötés alakul ki, így a C-C kötés

felbomlik, tehát a folyamat degradációhoz vezet. Leginkább emelt hőmérsékleten

megy végbe a folyamat, de nagyon lassan akár szobahőmérsékleten is.

Fourier Transzformációs Infravörös Spektroszkópiával (FTIR) kimutatható a

megkötött oxigén mennyisége. Az oxidáció ellen antioxidáns adalékanyag

használata szükséges, amely „önfeláldozó” módon reagál a szabadgyökkel,

legalábbis amíg van antioxidáns tartalom.

Ennek megfelelően a legveszélyesebb pillanat a polimer életében a feldolgozás

(emelt hőmérséklet) és az alkalmazás emelt hőmérsékleten. Ha elfogy az

antioxidáns tartalom, onnatól a polimer ki van téve az oxidációnak.

Legfőképpen a PE, PP hajlamos oxidációs degradációra.

A napsugárzás UV tartományának energiája azonos nagyságrendű mint a

fővegyérték-erők energiája, így a polimerek kültéri használat esetén

fotodegradálódhatnak (foto-oxidálódhatnak), ami ridegedéshez, a termék/alkatrész

berepedezéséhez, ütésállóságának (és a többi mechanikai tulajdonság) drasztikus

csökkenéséhez, elszíneződéshez vezethet. A fény a polimer terméken

visszaverődhet, szóródhat, áthatolhat rajta, vagy elnyelődhet. Foto-oxidációt az

elnyelt fénysugárzás okozza és leginkább a polimer láncban található kettős

kötésekre van hatással, mivel azokat gerjeszti. Egyes hullámhossz tartományok

egyes polimerekre károsabbak, míg másokra nem. Pl. PP esetében a 330 nm alatti

hullámhossz tartomány a veszélyesebb, amíg PE esetében a 330 nm feletti. Részben

kristályos polimereknél a kristályos részarány szétszórja a fényt, így ezek a

polimerek még jobban ki vannak téve a foto-oxidációnak.

UV sugárzás

Termikus stabilitás

A polimer molekulaláncban található atomok közti kötések erőssége jelentősen

befolyásolja a polimer termikus stabilitását azaz nagy hőmérsékletnek való

ellenálló-képességét, a bomlás megindulásához szükséges hőmérsékletet (oxigén

nélkül!). A termikus stabilitása Termogravimetriával (TGA) lehet mérni.

A TGA mérés során egy kis mintát (5-15 mg) konstans fűtési sebességgel (pl.

10°C/perc) melegítenek és méri a minta tömegcsökkenését (és annak sebességét),

amiből a degradációra (vagy pl. illékony adalékanyag távozására) lehet

következtetni. Szokás levegő, oxigén és nitrogén (inert) atmoszféra alatt mérni.

További lehetőség izotermikus (állandó hőmérsékletű) mérés, aholis célszerű a

mintát a feldolgozási hőmérsékleten hőn tartani, így lehet következtetni arra, hogy

mennyi ideig képes elviselni a minta az adott hőmérsékletet komolyabb degradáció

nélkül (tartózkodási idő fontos fröccsöntésnél).

A világban megvalósult alkalmazások PLA-ból

ICO Zrt. PLA termékcsalád

Biopolimer gyártókapacitás

Biopolimer gyártókapacitás

Biopolimer gyártókapacitás

Lebontható polimerek előnyei

- Alapanyaguk megújuló erőforrás (biomassza) nem pedig kőolaj,

- Életciklusuk végén biológiai úton lebonthatóak humuszra, vízre, szén-dioxidra,

így beilleszthetőek a természet körforgásába és a fenntartható fejlődés eszméjébe,

- Nem jelentős a földterület igény a gyártásukhoz, így nem veszélyeztetik az

élelmezést (szennyezett biomassza is megfelelő),

- Használatukkal csökkenhet a szemétlerakók mennyisége,

- Előállításuknak kisebb az energiaigénye, mint a hagyományos műanyagoknak

és lebomlásukkal kisebb mennyiségű üvegházhatásért felelős gázt juttatnak a

légkörbe,

- CO2 nyelővé is válhat a használatuk ahogy sikerül egyre többféle biomassza

termékből lebontható polimert előállítani,

- Lebomlásukkor keletkező metán felhasználható biogázként (energiatermelés),

- Hagyományos műanyag feldolgozási technológiákkal feldolgozhatóak,

- Többféle módszerrel is újrafeldolgozhatóak,

- Mechanikai tulajdonságai a hagyományos műanyagokhoz hasonlóak,

- Egyes lebontható polimerek ára a hagyományos – műszaki – műanyagokéval

összevethető, nincs nagyságrendnyi különbség,

- Egyes lebontható polimerek bizonyos körülmények között stabilak (pl.

szobahőmérséklet), lebomlásuk nem indul meg, csak komposztálva,

Lebontható polimerek előnyei

- Nem csak csomagolásként jelenthetnek meg, de orvostechnikai (felszívódó

implantátum), vagy műszaki termékek anyagaként (biokompozit),

- Házi komposztálással is lebonthatóak,

- Az egyik additív gyártástechnológia új alapanyagaként jelent meg a

közelmúltban (FDM – Fused Deposition Modelling).

Lebontható polimerek előnyei

Tulajdonság: Igaz-e a

műanyagokra?

Igaz-e a

biopolimerekre?

hosszútávon használható stabil

szerkezeti anyag

(nem esik szét „magától”)

többször (újra)használható

újrafeldolgozható

hagyományos műanyagipari

technológiákkal/gépekkel

feldolgozható

megújuló erőforrásból állítják elő

(pl. keményítő, cellulóz, cukor)

előállítása során légköri CO2

megkötése megy végbe

égetése nem juttat többlet CO2-t a

légkörbe

(mivel anyagában CO2 semleges) komposztálható és a komposztálás

során természetes, környezetre

ártalmatlan anyagokra bomlik amennyiben mikro-műanyag szemcsére

bomlik, akkor az nem okoz gondot, sőt,

emészthető

European Bioplastics videó

https://www.european-

bioplastics.org/news/multimedia-

pictures-videos/