Биоразлагаемые пластики: как они устроены, где применяются и в чем их ограничения

Биоразлагаемые пластики часто рассматривают как прямую замену полиэтилену, полипропилену и другим традиционным полимерам. Однако способность пластика разлагаться зависит не только от его названия или происхождения сырья. Значение имеют химическая структура, состав готовой продукции и условия, в которых она окажется после использования.

Термины «биоразлагаемый», «компостируемый» и «биоосновный» описывают разные характеристики. Биоосновный пластик полностью или частично получают из возобновляемого сырья, например сахарного тростника, кукурузы, растительных масел или продуктов микробиологического синтеза. При этом он может сохраняться в окружающей среде так же долго, как полимер из нефтехимического сырья.

Биоразлагаемый материал способен разрушаться при участии микроорганизмов, а компостируемый должен соответствовать установленным требованиям к скорости разложения, распаду и безопасности полученного компоста. Поэтому эти понятия нельзя использовать как синонимы.

Что такое биоразлагаемый пластик

Биоразложение — это процесс, при котором бактерии, грибы и другие микроорганизмы перерабатывают полимер или продукты его предварительного распада. В аэробной среде конечными продуктами обычно становятся углекислый газ, вода, минеральные соединения и биомасса. При недостатке кислорода могут дополнительно образовываться метан и другие продукты анаэробного разложения.

Процесс проходит в несколько стадий. Сначала тепло, влага, кислород, ультрафиолет или механическое воздействие могут ослабить структуру пластика. Затем длинные полимерные цепи распадаются на более короткие фрагменты. Только после этого соединения становятся доступными для микроорганизмов.

Чем компостируемый пластик отличается от биоразлагаемого

Понятие «биоразлагаемый» без указания среды и срока слишком широко. Теоретически полимер может разрушаться биологическим путем, но для этого ему потребуются высокая температура, постоянная влажность и несколько месяцев либо лет.

Компостируемый пластик должен подтвердить способность разлагаться в определенных условиях.

При оценке учитывают несколько показателей:

• степень биологического разложения;
• распад на фрагменты, не различимые в готовом компосте;
• отсутствие отрицательного влияния на процесс компостирования;
• допустимое содержание тяжелых металлов и других веществ;
• безопасность полученного компоста для растений.

Сертификация для промышленного компостирования не означает, что упаковка или одноразовая посуда быстро исчезнет в домашней компостной куче, почве, реке или море. Для каждой среды нужны отдельные испытания и соответствующая маркировка.

Почему растительное сырье не гарантирует разложения

Способ получения исходного углерода и способность полимера к биоразложению — независимые характеристики. Например, полиэтилен можно произвести из биоэтанола растительного происхождения. По химической структуре такой биополиэтилен практически не отличается от обычного полиэтилена и не становится биоразлагаемым.

Возможна и обратная ситуация: некоторые разлагаемые полиэфиры полностью или частично получают из нефтехимического сырья. Их способность к разложению определяется строением молекулярной цепи, а не только источником компонентов.

Поэтому при выборе необходимо отдельно оценивать долю биосырья, пригодность к компостированию и поведение продукции в предполагаемой среде утилизации.

Какие бывают биоразлагаемые полимеры

К биоразлагаемым относят разные группы пластиков. Они отличаются жесткостью, эластичностью, термостойкостью, барьерными характеристиками и скоростью разложения. В производстве часто используют не чистый полимер, а композицию из нескольких компонентов.

PLA

PLA, или полилактид, получают из молочной кислоты, сырьем для которой могут служить сахаросодержащие и крахмалосодержащие продукты. Полимер отличается достаточно высокой жесткостью, прозрачностью и удобством переработки методами экструзии, литья под давлением, термоформования и 3D-печати.

Его применяют для жесткой упаковки, стаканов, контейнеров, пленок, одноразовой продукции и печатного филамента. К ограничениям относятся хрупкость, сравнительно невысокая теплостойкость стандартных марок и чувствительность к режимам переработки.

Разложение заметно ускоряется при повышенной температуре и влажности, характерных для промышленного компостирования. В прохладной почве, пресной или морской воде процесс может идти значительно медленнее. Поэтому продукцию из PLA нельзя автоматически считать пригодной для домашнего компоста или выбрасывания в природную среду.

PHA

PHA — семейство полигидроксиалканоатов, которые синтезируются микроорганизмами. Свойства зависят от состава полимера: одни марки близки по жесткости к традиционным термопластам, другие отличаются большей эластичностью.

Пластики этой группы используют в упаковке, покрытиях, одноразовой продукции, медицине и специальных композициях. Некоторые виды PHA способны разлагаться в более широком диапазоне сред, чем PLA, включая почву и водные условия. Однако скорость процесса также зависит от марки, формы, температуры и активности микроорганизмов.

Распространение PHA сдерживают стоимость производства, сложность получения стабильных свойств и пока ограниченные объемы выпуска по сравнению с массовыми полимерами.

Крахмалосодержащие композиции

Крахмал доступен, имеет возобновляемое происхождение и хорошо подвергается биологическому разложению. Однако в чистом виде он чувствителен к влаге и не обладает набором характеристик, необходимых большинству пластиковых товаров.

Для переработки крахмал пластифицируют и смешивают с другими полимерами. В состав композиций могут входить PLA, PBAT, PBS, пластификаторы, наполнители и технологические добавки. Такие составы используют для пакетов, пленок, упаковки и продукции, рассчитанной на короткий срок службы.

Свойства и биоразлагаемость определяются всей рецептурой. Наличие крахмала само по себе не подтверждает, что готовая композиция полностью разложится или будет соответствовать требованиям к компостируемой продукции.

PBAT

PBAT, или полибутиленадипаттерефталат, — гибкий биоразлагаемый полиэфир. Он обладает высокой пластичностью и подходит для производства пленок. PBAT часто смешивают с PLA и крахмалом: он снижает хрупкость композиции и позволяет получать эластичные пакеты и упаковочные решения.

При этом он обычно имеет нефтехимическое происхождение, хотя отдельные его компоненты могут быть получены из возобновляемого сырья. Полимер способен к биоразложению, но скорость процесса меняется в зависимости от температуры, влажности, толщины продукции и состава смеси.

К ограничениям относятся стоимость и сравнительно невысокая жесткость. Поэтому PBAT чаще выступает компонентом композиции, а не самостоятельной основой для жестких форм.

PBS

PBS, или полибутиленсукцинат, относится к биоразлагаемым полиэфирам. Он сочетает пластичность, прочность и технологичность, может использоваться для пленок, упаковки, одноразовой продукции и сельскохозяйственных решений.

Исходные компоненты PBS получают как из нефтехимического, так и из возобновляемого сырья. Полимер применяют самостоятельно или смешивают с PLA, крахмалом и другими компонентами для корректировки ударной прочности, гибкости и перерабатываемости.

Темп разложения сильно зависит от условий среды. Кроме того, широкому применению мешают цена и меньший объем производства по сравнению с распространенными традиционными пластиками.

От чего зависит разложение пластика

Надпись «биоразлагаемый» не позволяет определить, за какой срок и в какой среде исчезнет упаковка, пленка или другая продукция. На процесс одновременно влияют несколько факторов.

Температура. Нагрев ускоряет гидролиз и повышает активность микроорганизмов. Для некоторых полиэфиров, в частности PLA, промышленное компостирование создает гораздо более благоприятные условия, чем почва или домашний компост.

Влажность. Вода участвует в разрушении связей полимерной цепи и необходима для жизнедеятельности микроорганизмов. Однако нахождение пластика в воде не гарантирует быстрого разложения: низкая температура и недостаток подходящих микроорганизмов могут значительно замедлить процесс.

Кислород. Аэробное и анаэробное разложение протекают по-разному. Полимер, испытанный для аэробного компостирования, необязательно будет так же эффективно перерабатываться на полигоне или в установке анаэробного сбраживания.

Состав микробного сообщества. Разные микроорганизмы производят разные ферменты. Поэтому один и тот же пластик может сравнительно быстро разрушаться в активном компосте и сохраняться в менее биологически насыщенной среде.

Толщина и форма. Тонкая пленка имеет большую удельную площадь поверхности и обычно разрушается быстрее массивной детали. Результаты испытания гранул или тонких образцов нельзя без проверки переносить на толстостенную продукцию.

Состав композиции. Красители, пластификаторы, наполнители, стабилизаторы и другие полимеры способны менять скорость разложения. Сертифицировать и оценивать необходимо не только основную смолу, но и окончательную рецептуру.

Где применяют биоразлагаемый пластик

Биоразлагаемые полимеры наиболее полезны там, где продукция связана с органическими отходами, имеет небольшой срок эксплуатации или ее трудно отделить от биологической массы.

Упаковка и одноразовая посуда

Из PLA, PHA, крахмалосодержащих композиций и смесей с PBAT производят стаканы, крышки, контейнеры, лотки, пленки, пакеты и столовые приборы. Состав выбирают с учетом температуры продукта, необходимой прозрачности, жесткости, герметичности и срока хранения.

Для горячей пищи стандартный PLA подходит не всегда из-за ограниченной теплостойкости. В таких случаях применяют термостойкие модификации, кристаллизованный PLA или другие композиции. При этом изменение рецептуры требует повторной проверки свойств и компостируемости готовой продукции.

Пакеты для органических отходов

Компостируемые пакеты могут упростить сбор пищевых и садовых отходов: загрязненную упаковку не нужно отделять от содержимого перед направлением на органическую переработку. Такое применение оправданно только при наличии системы раздельного сбора и предприятия, которое принимает подобные пакеты вместе с органикой.

Обычная биоразлагаемая упаковка без подтвержденной компостируемости может оказаться примесью, мешающей обработке отходов.

Сельскохозяйственные пленки и изделия

Биоразлагаемые мульчирующие пленки используют для защиты почвы, удержания влаги и подавления сорняков. После завершения сезона полимер может разлагаться в грунте, что сокращает объем работ по сбору тонкой загрязненной пленки.

Для этой области особенно важны контролируемый срок службы и подтвержденное разложение в почве. Покрытие не должно разрушиться раньше окончания сезона, но и не должно годами накапливаться в виде фрагментов.

Биоразлагаемые пластики также применяют для клипс, элементов фиксации растений, контейнеров для рассады и оболочек с регулируемым высвобождением действующих веществ.

3D-печать, медицина и специальные материалы

PLA широко используют в 3D-печати благодаря сравнительно низкой температуре переработки, небольшой усадке и удобству работы. Однако напечатанная деталь не разложится быстро при обычном хранении или в естественной среде.

В медицине биоразлагаемые полимеры применяют для рассасывающихся шовных нитей, имплантатов, систем доставки лекарств и каркасов для тканевой инженерии. К таким разработкам предъявляются особые требования по биосовместимости, чистоте, скорости распада и составу продуктов деградации.

Специальные композиции также используют в покрытиях, клеях, капсулах, фильтрующих элементах и продукции с заданным сроком эксплуатации.

Где применяют биоразлагаемый пластик

Главное ограничение заключается в зависимости результата от условий. Пластик, успешно прошедший испытание на промышленную компостируемость, не обязательно разложится в почве, воде, домашнем компосте или на полигоне.

Для практического использования таких полимеров необходима согласованная система:

• понятная и проверяемая маркировка;
• раздельный сбор;
• сортировка без смешения с потоками обычных пластиков;
• предприятия промышленного компостирования или другой подходящий способ обработки;
• информирование потребителей и переработчиков.

Такие пластики имеют и технологические ограничения. PLA может быть хрупким и недостаточно теплостойким, крахмалосодержащие композиции чувствительны к влаге, а гибкие полиэфиры не всегда обеспечивают требуемую жесткость и барьерные свойства. Для улучшения характеристик применяют смеси и добавки, но более сложная рецептура может изменить поведение продукции после использования.

Еще один фактор — цена. Стоимость сырья, меньший масштаб производства, необходимость адаптации оборудования и сертификации способны сделать биоразлагаемое решение дороже традиционного. Поэтому замена полимера должна быть обоснована функцией продукции и реальным способом обращения с отходами, а не только маркетинговой формулировкой.

Вывод

Биоразлагаемые пластики представляют собой не один материал, а широкую группу полимеров и композиций с разными свойствами. PLA подходит преимущественно для жесткой упаковки и 3D-печати, PBAT — для гибких пленок и смесей, PBS сочетает пластичность и технологичность, PHA способен разлагаться в различных средах, а крахмал помогает создавать составы для продукции с коротким сроком службы.

При этом происхождение из растительного сырья не гарантирует биоразложения, а компостируемость не означает быстрого распада в любой природной среде. Для многих видов продукции необходимы контролируемые условия промышленного компостирования, раздельный сбор и подходящая инфраструктура.