Plasty se zkrácenou životností a způsoby jejich degradace

Úvod

V současnosti jsou pro výrobu obalů stále častěji využívány plastické hmoty, které se vyznačují vhodnými vlastnostmi i technologickými parametry. Negativní vlastností těchto hmot je kromě vyčerpávání fosilních zdrojů jejich dlouhá doba rozkladu. Proto jsou stále častěji pro obalové materiály využívány plasty, které se díky aditivům nebo složení rychleji rozkládají. Tyto plasty mají rozličné chemické složení a stavbu, ale díky své době rozkladu je můžeme definovat souhrnným názvem plasty se zkrácenou životností. Veškeré makromolekulární látky mezi něž patří látky přírodní, ale i chemicky syntetizované, mají ve své struktuře určité množství aktivních skupin. Při degradačních pochodech (souhrn rozkladných procesů) v plastických hmotách dochází ke změnám především na aktivních skupinách nebo může dojít až ke štěpení polymerní vazby v makromolekulách. Změny mohou být vyvolány následujícími vlivy nebo jejich kombinacemi:

• fyzikálními,
• biologickými,
• chemickými.

Na obrázku č. 1 je znázorněno rozdělení vlivů, které se mohou podílet na degradaci plastických hmot se zkrácenou životností.

Plasty se zkrácenou životností

Dle definice expertní komise Dolního Saska Spolkové republiky Německo jsou plasty se zkrácenou životností definovány jako: "Polymery syntetického nebo přírodního původu jejichž organické součásti se rozkládají některým z výše uvedených procesů." Šedesát procent veškerých organických součástí v tomto plastu se rozloží v průběhu šesti měsíců. Podmínky a rychlost rozkladu jsou měřeny na základě standardních testů.

Výroba plastů se zkrácenou životností

Plasty se zkrácenou životností mohou být vyráběny jak z obnovitelných tak z fosilních zdrojů. Pro některé aplikace je nutné plasty z přírodních materiálů na bázi škrobu nebo polymléčné kyseliny kombinovat s plasty vyráběnými standardními postupy z fosilních zdrojů. V následující tabulce jedna jsou uvedeny příklady plastů se zkrácenou životností. Obrázek číslo dvě pak zobrazuje existenční cyklus plastů se zkrácenou životností. Důležitým cílem vývoje výrobků na bázi plastů se zkrácenou životností jsou smysluplné oblasti jejich využití, kde lze jejich dobu odbourávání využít pro ekologické nebo ekonomické výhody. Příklady produktů na bázi plastů se zkrácenou životností PZŽ pro zemědělství, obalové materiály a zdravotnictví jsou:

• jednorázové kořenáče z PZŽ,
• mulčovací folie z PZŽ,
• kompostovatelné odpadové sáčky,
• redukce následných nákladů například (resorbovatelné plasty),
• kontrolované uvolňování chemikálií do přírodního prostředí (pesticidy).

U plastů se zkrácenou životností (PZŽ) je třeba garantovat, aby jejich snadná rozložitelnost neovlivňovala funkční vlastnosti plastu. Rozložitelnost plastu musí zvýšit užitné vlastnosti použitého materiálu.

Tab. č. 1: Výroba plastů se zkrácenou životností (PZŽ)

postup výroby/surovina	příklady polymerů/plasty
chemická syntéza na bázi fosilních zdrojů	polyester, polyesteramid, polyvinylalkohol
přímá fermentační syntéza	kyselina polyhydroxymáselná (PHB), polyhydroxvalerová (PHV)
syntetická miodifikace polymerů přírodního původu	deriváty škrobu a celulózy
směsné plasty na bázi obnovitelných a fosilních zdrojů	škrobové blendy
chemická syntéza biotechnologicky vyrobených surovin	polymléčná kyselina (PLA)

Degradace plastů se zkrácenou životností

Nyní se zaměříme na jednotlivé procesy, které se vždy v různých kombinacích na degradaci těchto plastů podílejí. Každá degradační reakce probíhá následujícím způsobem:

1. expozice povrchu polymeru světelnému záření, teplotě, chladu, chemickým sloučeninám nebo mikroorganizmům (dále prostředí),
2. narušení povrchu polymeru a difúze prostředí dovnitř polymeru,
3. reakce prostředí a polymeru,
4. difúze reakčních produktů na povrch polymeru,
5. uvolňování reakčních produktů z povchu polymeru do prostředí,
6. rozklad polymeru.

Chemodegradace

Chemodegradace je proces, který využívá prostředí jako zdroj chemicky účinných látek indukujících degradaci plastu, většinou v kombinaci s nějakým dalším vlivem (fyzikálním, biologickým). Chemodegradace je účinná především u plastických hmot, které mají ve svém řetězci zavedeny funkční skupiny. Zatímco polyetylén je díky svojí jednoduché stavbě z etylénových jednotek relativně odolný vůči chemickým vlivům, je v případě přítomnosti hydroxylových skupin odolnost plastické hmoty s těmito skupinami snížena. Polyvinylalkohol, který obsahuje tyto funkční skupiny reaguje dokonce s vodou a rozpouští se v ní. Podobně jsou méně chemicky odolné plasty u kterých jsou vodíky etylénové jednotky nahrazeny acetátovými funkčními skupinami jako například polyvinylacetát nebo polyakrylové kyseliny. Obecně lze říci, že čím více je na molekule polymeru funkčních skupin tím snadněji u nich může probíhat degradace. Vyjímkou je například polytetrafluoretylen, který přestože má nahrazeny vodíky reaktivním fluorem odolává takřka všem chemickým činidlům.

Fotodegradace

Fotodegradace je skupinou fyzikálních procesů uplatňujících se při degradaci plastů se zkrácenou životností. Zdrojem světelného záření majícího vliv na degradační procesy je sluneční svit. Světelné záření dopadající na ozařovaný plast může být jeho povrchem odraženo, rozptýleno, propuštěno nebo absorbováno. Fotochemické změny probíhají tehdy je-li absorbováno světelné záření o určité vlnové délce. Například karbonylová skupina C=O absorbuje záření o vlnové délce 187 nm a v rozmezí délek od 280 nm do 320 nm. Vazba C-C pak absorbuje záření o vlnové délce 195 nm a 230 nm až 250 nm. V polymerech, které obsahují výše uvedené skupiny budou při ozařování těmito vlnovými délkami indukovány fotochemické reakce. Absorpcí světelného záření se zvětší obsah energie makromolekuly, která se dostává do vyššího energetického stavu. Největší část absorbované energie se spotřebuje na převod elektronového systému do vyššího kvantového stavu. Zbytek této energie je využit na tvorbu volných radikálů v makromolekulách indukujících rozklad některých plastů.

Termická degradace

Teplota má na polymery vliv chemický a fyzikální. Tyto vlivy se podílejí na rozrušování chemických vazeb a na změně konformace molekul. Obecně platí, že k roztržení molekuly dojde v místě nejslabší vazby. Se zvyšujícím se stupněm teploty se zvyšuje stupeň desintegrace molekuly plastu se zkrácenou životností. Sloučeniny obsahující aktivní skupiny odštěpují při zahřívání nízkomolekulární produkty.

Biodegradace

Biodegradace je speciálním případem degradace, při níž dochází k rozkladu polymerů působením biologických činitelů. Známá je biodegradace mikroorganizmy, hlodavci a hmyzem. Nejčastěji se na biodegradaci plastů se zkrácenou životností podílejí plísně. Podmínkou jejich růstu je vysoká vzdušná vlhkost. Kromě výše uvedených podmínek hrají důležitou roli i další faktory, jako jsou kombinace materiálů, stupeň stáří plastů, mikroklima a podobně. Metabolity produkované plísněmi a bakteriemi způsobují degradaci samotného polymeru. Enzymy jako je například peptidáza mohou štěpit polyamidovou vazbu a dokonce i vazbu esterovou. Při mikrobiální degradaci plastů se zkrácenou životností dochází k těmto chemickým pochodům:

1. dehydrogenace polymerů a adice vody, vznik alkoholů, které jsou oxidovány na mastné kyseliny,
2. adice volného kyslíku za vzniku hydroxyperoxidu, který se rozpadá a produkty reagují za vzniku alkoholů a dalších sloučenin, které jsou odbourávány až na octovou nebo propionovou kyselinu,
3. celulóza a některé termoplasty jsou přes pyruvát a acetylkoenzym-A převáděny do trikarboxylového cyklu. Vznikají tak kyselina citronová, jantarová, fumarová, jablečná atd..,
4. redukci dvojné vazby mohou vyvolat aktinomycety a některé bakterie štěpení amidové i esterové vazby.

Závěr

Standardní polymery lze pomocí aditiv nebo plniv přizpůsobit tak, aby jejich doba rozkladu odpovídala podmínkám daným pro plasty se zkrácenou životností. V oblasti těchto plastů probíhá intenzivní výzkum a každodenně jsou vyvíjeny nové plasty s programovanými vlastnostmi ať již na bázi obnovitelných nebo fosilních surovin.

Literatura

1. DOLEŽEL B. (1981): Odolnost plastů a pryží SNTL- Nakladatelství technické literatury, Praha
2. Endbericht des Arbeitskreises 2 "Biologisch abbaubare Kunststoffe" (1999): Niedersächsisches Umweltministerium, Hannover
3. IFA-Tulln: (2003): Datenbank für nachwachsende Rohstoffe und Produkte aus nachwachsenden Rohstoffen; www.ifa.co.at
4. KUPEC J., CHARVÁTOVÁ K., KŘESÁLKOVÁ M., (2003): Bioplymery jako plniva v plastech in: Chem. Listy 97, 155 - 159

Vznik tohoto článku umožnil grant Nadace Sluníčko číslo 5/03.

Tweet

Bioplynová stanice s kogeneračními jednotkami TEDOM

Olej pro plynové motory – klíčová volba pro kogenerační jednotky

Kam směřuje české odpadové hospodářství z pohledu prevence jejich vzniku?

Jak získat udržitelnou biomasu

Biometan se vyplatí a má budoucnost