31.07.2026
Производство изделий из биопластиков
Мировой рынок упаковки переживает фундаментальную трансформацию. Ежегодно производится более 400 млн т пластика, и около 35-40% этого объема приходится на упаковочные материалы [1]. При этом срок службы большинства упаковочных изделий исчисляется днями, после чего они становятся отходами, загрязняющими планету на десятилетия и столетия. В ответ на экологический вызов активно развивается направление биопластиков — материалов, которые либо производятся из возобновляемого биосырья, либо способны к биологическому разложению, а часто сочетают оба этих свойства. Однако переход на биопластики сопряжен с серьезными технологическими вызовами. Автор показывает, как это проявляется при переработке биопластиков в упаковочные изделия методами литья под давлением, экструзии и выдувного формования.
Согласно определению IUPAC, биопластики — это полимеры на биологической основе или полимеры, полученные из мономеров биомассы [2]. Биопластики представляют собой гетерогенную группу материалов, которые можно классифицировать по двум следующим основным признакам:
— полученные из возобновляемого (био-) сырья;
— биоразлагаемые (способные разлагаться при воздействии биофакторов).
Важно понимать, что эти свойства не всегда совпадают: существуют небиоразлагаемые пластики на основе биосырья (например, биоПЭТ, биоПЭ), и наоборот. Подробная классификация приведена на рис. 1 [2].
Биоразлагаемость не равна разложению где угодно. Это самый важный потребительский миф, который необходимо учитывать при рассмотрении применения биополимеров. Биоразлагаемость зависит от условий компостирования. Так, например, биоразложение PLA (полимолочной кислоты, полилактид) требует конкретных условий: температура около 58-70°C, определенная влажность и активность бактерий. В обычной почве или холодной воде ложка из PLA может пролежать годы, практически не разлагаясь.
Классические полимеры, полученные из биосырья (например, биоПЭ или биоПЭТ), химически идентичны своему «нефтяному» аналогу, поэтому ничем не отличаются по свойствам и условиям переработки. Биоальтернативы отличает более высокая стоимость их производства: например, для полиэтилена эта разница составляет около 30% [3].
Виды биоразлагаемых полимеров и их смеси
С точки зрения производителя упаковочных изделий, PLA обладает набором как привлекательных характеристик, так и серьезных ограничений.
Технологически PLA привлекателен благодаря хорошей жесткости и прочности, сопоставимой с полистиролом, а также прозрачности в аморфном состоянии, что важно при производстве стаканчиков и блистеров. Кроме того, его относительно низкая температура плавления (150-170°C) позволяет снизить энергозатраты на переработку по сравнению с ПЭТ или ПП.
Однако существенные недостатки полилактида ограничивают его применение в чистом виде. Главный из них — высокая хрупкость (удлинение при разрыве не превышает 3,8%), что делает материал непригодным для гибкой упаковки (пакетов, стретч-пленки) без модификации пластификаторами или смешения с другими биополимерами, такими как PBS или PBAT.
Второй критический минус — низкая термостойкость: PLA начинает размягчаться уже при 60°C, что исключает ее использование для упаковки горячих продуктов или напитков.
Третья проблема — чувствительность к влаге как при хранении гранул (требуется тщательная сушка до уровня влажности ниже 0,025%), так и в готовом изделии, что ухудшает барьерные свойства при упаковке продуктов с высоким содержанием воды.
Таким образом, PLA является отличным выбором для жесткой, прозрачной и прочной упаковки сухих и холодных продуктов с коротким сроком хранения, но требует обязательной модификации для задач, где нужны эластичность, влагостойкость или термостойкость.
Алифатические полиэфиры являются особенно интересной группой полимеров для разработки биоразлагаемых упаковочных материалов из-за их биоразлагаемости и хороших механических свойств. Поли(алкилендикарбоксилаты) — ПБС и ПБСА — демонстрируют свойства, схожие с широко используемыми упаковочными материалами, такими как ПЭНП, ПЭВП, ПП и другими, с хорошими показателями удлинения и широким окном переработки, что делает их пригодными для экструзии и литья под давлением. На рис. 2 приведено сравнение диапазонов прочностных свойств различных полимеров [4].
Полимеры PBS и PBSA обладают хорошей пластичностью и прочностью, но высокая стоимость их производства и ограниченный объем выпуска ограничивают их широкое применение в упаковке. Поэтому их обычно смешивают с другими полимерами и наполнителями для улучшения технологичности, механических свойств и биоразлагаемости.
PLA+PBSA (или PBS) — одна из самых популярных комбинаций, так как PLA — жесткий и прочный, но хрупкий, а PBSA — очень гибкий и эластичный. В результате получается прочный, но при этом эластичный материал, который можно применять в производстве как гибкой, так и жесткой упаковки. Так как PLA и PBSA не очень хорошо смешиваются сами по себе, для улучшения их совместимости часто используют специальные добавки (совместители).
PBS+PBAT — такая пара позволяет задать жесткость и эластичность материала. Оптимальным для упаковочных пленок считается состав с 25% PBS и 75% PBAT, так как в этом случае сочетаются хороший модуль упругости (достаточная жесткость) и высокое удлинение при разрыве (эластичность).
PBSA+PHB — отличный пример совмещения двух полимеров с противоположными свойствами. PBSA очень гибкий, но обладает низкими барьерными свойствами, то есть пропускает кислород и влагу. PHB, напротив, обеспечивает отличный барьер, но он очень хрупкий и его трудно перерабатывать. Результатом смешения является технологичный композит с повышенными барьерными и прочностными свойствами, являющийся достаточно гибким для производства упаковки.
Ключевые свойства, влияющие на переработку
Для производства упаковки методом литья, экструзии или выдува критическое значение имеют следующие характеристики биопластиков:
1) Температура плавления и термостабильность. Например, PLA имеет относительно низкую температуру плавления (150-170°C), что является преимуществом с точки зрения энергозатрат, но создает риски термической деградации при длительном нагреве. Полибутиленсукцинат (PBS) и его сополимер с адипатом (PBSA) имеют еще более низкую температуру плавления — около 114-115°C. Это расширяет окно переработки и снижает риски термической деградации, но требует осторожности при использовании в смесях. Особое внимание необходимо уделять очистке экструдера при переходах с таких материалов на более высокотемпературные;
2) Гигроскопичность. Биопластики, особенно PLA и крахмальные материалы, активно поглощают влагу из воздуха. Гранулы следует хранить в герметичных контейнерах или многослойных бумажных мешках с влагонепроницаемым внутренним слоем. Рекомендуемый срок хранения в нераспечатанной упаковке — 6-8 месяцев при температуре не выше 30°C и относительной влажности воздуха не более 50%. После вскрытия упаковки гранулы необходимо переработать в течение 2-4 ч. При нарушении условий хранения материал требует обязательной сушки перед переработкой даже при визуальном отсутствии признаков увлажнения. Влажность сырья перед переработкой не должна превышать 0,025-0,05%, иначе происходит гидролитическая деградация полимера в расплаве;
3) Чувствительность к сдвиговым нагрузкам и скорости охлаждения. Биопластики проявляют склонность к деформациям и усадке при неравномерном охлаждении, что требует точного контроля температурных режимов.
По этим причинам переработка биопластиков требует специализированного оборудования. В частности, экструдеры должны быть оснащены эффективными системами дегазации для удаления влаги, так как остаточная влажность выше 250 ppm (частей на миллион) вызывает гидролитическую деградацию PLA. Кроме того, все металлические части, контактирующие с расплавом, должны быть изготовлены из нержавеющей или хромированной стали для защиты от коррозии. Шнековые пары предпочтительнее использовать с увеличенным отношением длины к диаметру (L/D) и специальными смесительными элементами, обеспечивающими гомогенизацию при низких сдвиговых нагрузках. Кроме этого, необходимо обращать внимание на сетки фильтрации расплава при экструзии: слишком высокая плотность (более 100 меш) может приводить к дополнительной механической и термической нагрузке, вызывая деструкцию полимера [5].
Наиболее технологически сложным методом переработки биопластиков является выдувное формование. PLA и PBS характеризуются низкой прочностью расплава, что приводит к нестабильности и разрывам заготовки при экструзии и выдуве. Решением является модификация материала структурирующими агентами — многофункциональными эпоксидными олигомерами, которые создают длинноцепочечные разветвления. Исследования показывают, что добавление 1-2% такого модификатора значительно расширяет технологическое окно выдувной экструзии.
Риски роста потребления биополимеров
Большинство биопластиков признаны важным составляющим фактором для устойчивого развития, но на них смотрят сквозь «зеленые очки». Организация IUPAC разъяснила, что биополимер с характеристиками, сравнимыми с нефтяным, не обязательно является более экологичным, пока анализ полного жизненного цикла не докажет обратное [6].
Проблемы при повышении объема использования биопластиков, на которые обращает внимание международное экологическое сообщество, могут заключаться в следующем [4]:
— продовольственная безопасность: использование кукурузы или маиса для производства биопластиков может вызвать рост цен на продукты питания;
— использование химических удобрений и пестицидов для выращивания культур;
— высокое потребление пресной воды (переход на биопластики для упаковки может увеличить использование воды на пятую часть от общего объема забора пресной воды в ЕС);
— более высокое воздействие на озоновый слой по сравнению с производством обычного пластика.
Вторичная переработка биоразлагаемых пластиков
Вторичная переработка биополимеров кардинально различается в зависимости от их типа. Биоаналоги обычных пластиков (биоПЭ, биоПЭТ) полностью совместимы с существующими потоками переработки и не создают проблем. Однако основная проблема связана с биоразлагаемыми пластиками (PLA, PHA). Они химически несовместимы с обычными пластиками, и их попадание в поток переработки действует как загрязнитель, снижая качество и экономическую ценность вторичного сырья. Современные системы сортировки и переработки не предназначены для выделения этих материалов, что делает их механический рециклинг неэффективным и экономически невыгодным. Следовательно, для биоразлагаемой упаковки основным экологичным сценарием должно быть не вовлечение в переработку пластиков, а правильно организованное промышленное компостирование, доступность которого сегодня крайне ограничена.
Таким образом, экологичность биоразлагаемой упаковки — это не свойство материала, а свойство системы обращения с отходами. Без развитой инфраструктуры компостирования и четкого информирования потребителей она создает больше проблем, чем решает.
Посмотреть в журнале
Сергей ТРИФОНОВ,
директор испытательной
лаборатории ООО «ПолимерФизик
Руссланд», руководитель учебного
центра ООО «Академия пластмасс»
Согласно определению IUPAC, биопластики — это полимеры на биологической основе или полимеры, полученные из мономеров биомассы [2]. Биопластики представляют собой гетерогенную группу материалов, которые можно классифицировать по двум следующим основным признакам:
— полученные из возобновляемого (био-) сырья;
— биоразлагаемые (способные разлагаться при воздействии биофакторов).
Важно понимать, что эти свойства не всегда совпадают: существуют небиоразлагаемые пластики на основе биосырья (например, биоПЭТ, биоПЭ), и наоборот. Подробная классификация приведена на рис. 1 [2].
Биоразлагаемость не равна разложению где угодно. Это самый важный потребительский миф, который необходимо учитывать при рассмотрении применения биополимеров. Биоразлагаемость зависит от условий компостирования. Так, например, биоразложение PLA (полимолочной кислоты, полилактид) требует конкретных условий: температура около 58-70°C, определенная влажность и активность бактерий. В обычной почве или холодной воде ложка из PLA может пролежать годы, практически не разлагаясь.
Классические полимеры, полученные из биосырья (например, биоПЭ или биоПЭТ), химически идентичны своему «нефтяному» аналогу, поэтому ничем не отличаются по свойствам и условиям переработки. Биоальтернативы отличает более высокая стоимость их производства: например, для полиэтилена эта разница составляет около 30% [3].
Виды биоразлагаемых полимеров и их смеси
С точки зрения производителя упаковочных изделий, PLA обладает набором как привлекательных характеристик, так и серьезных ограничений.
Технологически PLA привлекателен благодаря хорошей жесткости и прочности, сопоставимой с полистиролом, а также прозрачности в аморфном состоянии, что важно при производстве стаканчиков и блистеров. Кроме того, его относительно низкая температура плавления (150-170°C) позволяет снизить энергозатраты на переработку по сравнению с ПЭТ или ПП.
Однако существенные недостатки полилактида ограничивают его применение в чистом виде. Главный из них — высокая хрупкость (удлинение при разрыве не превышает 3,8%), что делает материал непригодным для гибкой упаковки (пакетов, стретч-пленки) без модификации пластификаторами или смешения с другими биополимерами, такими как PBS или PBAT.
Второй критический минус — низкая термостойкость: PLA начинает размягчаться уже при 60°C, что исключает ее использование для упаковки горячих продуктов или напитков.
Третья проблема — чувствительность к влаге как при хранении гранул (требуется тщательная сушка до уровня влажности ниже 0,025%), так и в готовом изделии, что ухудшает барьерные свойства при упаковке продуктов с высоким содержанием воды.
Таким образом, PLA является отличным выбором для жесткой, прозрачной и прочной упаковки сухих и холодных продуктов с коротким сроком хранения, но требует обязательной модификации для задач, где нужны эластичность, влагостойкость или термостойкость.
Алифатические полиэфиры являются особенно интересной группой полимеров для разработки биоразлагаемых упаковочных материалов из-за их биоразлагаемости и хороших механических свойств. Поли(алкилендикарбоксилаты) — ПБС и ПБСА — демонстрируют свойства, схожие с широко используемыми упаковочными материалами, такими как ПЭНП, ПЭВП, ПП и другими, с хорошими показателями удлинения и широким окном переработки, что делает их пригодными для экструзии и литья под давлением. На рис. 2 приведено сравнение диапазонов прочностных свойств различных полимеров [4].
Полимеры PBS и PBSA обладают хорошей пластичностью и прочностью, но высокая стоимость их производства и ограниченный объем выпуска ограничивают их широкое применение в упаковке. Поэтому их обычно смешивают с другими полимерами и наполнителями для улучшения технологичности, механических свойств и биоразлагаемости.
PLA+PBSA (или PBS) — одна из самых популярных комбинаций, так как PLA — жесткий и прочный, но хрупкий, а PBSA — очень гибкий и эластичный. В результате получается прочный, но при этом эластичный материал, который можно применять в производстве как гибкой, так и жесткой упаковки. Так как PLA и PBSA не очень хорошо смешиваются сами по себе, для улучшения их совместимости часто используют специальные добавки (совместители).
PBS+PBAT — такая пара позволяет задать жесткость и эластичность материала. Оптимальным для упаковочных пленок считается состав с 25% PBS и 75% PBAT, так как в этом случае сочетаются хороший модуль упругости (достаточная жесткость) и высокое удлинение при разрыве (эластичность).
PBSA+PHB — отличный пример совмещения двух полимеров с противоположными свойствами. PBSA очень гибкий, но обладает низкими барьерными свойствами, то есть пропускает кислород и влагу. PHB, напротив, обеспечивает отличный барьер, но он очень хрупкий и его трудно перерабатывать. Результатом смешения является технологичный композит с повышенными барьерными и прочностными свойствами, являющийся достаточно гибким для производства упаковки.
Помимо бинарных смесей, активно исследуются тройные композиции, например PLA+PBS+PBAT. Это позволяет создавать материалы с уникальным балансом свойств, к примеру для производства термоусадочной упаковки или пакетов-маек, сочетая жесткость PLA, гибкость PBSA и эластичность PBAT.
Для производства упаковки методом литья, экструзии или выдува критическое значение имеют следующие характеристики биопластиков:
1) Температура плавления и термостабильность. Например, PLA имеет относительно низкую температуру плавления (150-170°C), что является преимуществом с точки зрения энергозатрат, но создает риски термической деградации при длительном нагреве. Полибутиленсукцинат (PBS) и его сополимер с адипатом (PBSA) имеют еще более низкую температуру плавления — около 114-115°C. Это расширяет окно переработки и снижает риски термической деградации, но требует осторожности при использовании в смесях. Особое внимание необходимо уделять очистке экструдера при переходах с таких материалов на более высокотемпературные;
2) Гигроскопичность. Биопластики, особенно PLA и крахмальные материалы, активно поглощают влагу из воздуха. Гранулы следует хранить в герметичных контейнерах или многослойных бумажных мешках с влагонепроницаемым внутренним слоем. Рекомендуемый срок хранения в нераспечатанной упаковке — 6-8 месяцев при температуре не выше 30°C и относительной влажности воздуха не более 50%. После вскрытия упаковки гранулы необходимо переработать в течение 2-4 ч. При нарушении условий хранения материал требует обязательной сушки перед переработкой даже при визуальном отсутствии признаков увлажнения. Влажность сырья перед переработкой не должна превышать 0,025-0,05%, иначе происходит гидролитическая деградация полимера в расплаве;
3) Чувствительность к сдвиговым нагрузкам и скорости охлаждения. Биопластики проявляют склонность к деформациям и усадке при неравномерном охлаждении, что требует точного контроля температурных режимов.
По этим причинам переработка биопластиков требует специализированного оборудования. В частности, экструдеры должны быть оснащены эффективными системами дегазации для удаления влаги, так как остаточная влажность выше 250 ppm (частей на миллион) вызывает гидролитическую деградацию PLA. Кроме того, все металлические части, контактирующие с расплавом, должны быть изготовлены из нержавеющей или хромированной стали для защиты от коррозии. Шнековые пары предпочтительнее использовать с увеличенным отношением длины к диаметру (L/D) и специальными смесительными элементами, обеспечивающими гомогенизацию при низких сдвиговых нагрузках. Кроме этого, необходимо обращать внимание на сетки фильтрации расплава при экструзии: слишком высокая плотность (более 100 меш) может приводить к дополнительной механической и термической нагрузке, вызывая деструкцию полимера [5].
Наиболее технологически сложным методом переработки биопластиков является выдувное формование. PLA и PBS характеризуются низкой прочностью расплава, что приводит к нестабильности и разрывам заготовки при экструзии и выдуве. Решением является модификация материала структурирующими агентами — многофункциональными эпоксидными олигомерами, которые создают длинноцепочечные разветвления. Исследования показывают, что добавление 1-2% такого модификатора значительно расширяет технологическое окно выдувной экструзии.
Риски роста потребления биополимеров
Большинство биопластиков признаны важным составляющим фактором для устойчивого развития, но на них смотрят сквозь «зеленые очки». Организация IUPAC разъяснила, что биополимер с характеристиками, сравнимыми с нефтяным, не обязательно является более экологичным, пока анализ полного жизненного цикла не докажет обратное [6].
Проблемы при повышении объема использования биопластиков, на которые обращает внимание международное экологическое сообщество, могут заключаться в следующем [4]:
— продовольственная безопасность: использование кукурузы или маиса для производства биопластиков может вызвать рост цен на продукты питания;
— использование химических удобрений и пестицидов для выращивания культур;
— высокое потребление пресной воды (переход на биопластики для упаковки может увеличить использование воды на пятую часть от общего объема забора пресной воды в ЕС);
— более высокое воздействие на озоновый слой по сравнению с производством обычного пластика.
Вторичная переработка биоразлагаемых пластиков
Вторичная переработка биополимеров кардинально различается в зависимости от их типа. Биоаналоги обычных пластиков (биоПЭ, биоПЭТ) полностью совместимы с существующими потоками переработки и не создают проблем. Однако основная проблема связана с биоразлагаемыми пластиками (PLA, PHA). Они химически несовместимы с обычными пластиками, и их попадание в поток переработки действует как загрязнитель, снижая качество и экономическую ценность вторичного сырья. Современные системы сортировки и переработки не предназначены для выделения этих материалов, что делает их механический рециклинг неэффективным и экономически невыгодным. Следовательно, для биоразлагаемой упаковки основным экологичным сценарием должно быть не вовлечение в переработку пластиков, а правильно организованное промышленное компостирование, доступность которого сегодня крайне ограничена.
Таким образом, экологичность биоразлагаемой упаковки — это не свойство материала, а свойство системы обращения с отходами. Без развитой инфраструктуры компостирования и четкого информирования потребителей она создает больше проблем, чем решает.
Посмотреть в журнале