Wprowadzenie
Tworzywa sztuczne od momentu pojawienia się na rynku cieszą się ogromną popularnością i znajdują zastosowanie w wielu dziedzinach życia; trudno już obecnie wyobrazić sobie funkcjonowanie bez nich. Ich największe zalety to: lekkość, łatwość wytwarzania, niska cena oraz bardzo dobre właściwości mechaniczne i odporność na działanie czynników zewnętrznych. Problemem jest natomiast ich utylizacja i powtórne zagospodarowanie. Czas rozkładu niektórych materiałów polimerowych w warunkach naturalnych wynosi grubo ponad sto lat i nawet ich recykling wiąże się z produkcją wielu szkodliwych substancji [1-5].
Alternatywą są tworzywa ulegające degradacji w środowisku naturalnym, które rozkładają się na składniki proste, obojętne dla otoczenia i człowieka. Najpopularniejsze tworzywa sztuczne stosowane na opakowania, takie jak polietylen czy polipropylen, są wytwarzane z ropy naftowej oraz gazu ziemnego. Ich rozkład w środowisku naturalnym jest bardzo długi i dlatego od pewnego czasu prowadzi się badania nad produkcją polimerów ze źródeł odnawialnych oraz z produktów rolniczych [6-8].
Proces biodegradacji polimerów szczegółowo jest zdefiniowany w normie [6], jednak aby przeprowadzić go dla materiałów niepodlegających temu procesowi bezpośrednio, musi on przebiegać dwuetapowo. Dzieli się na procesy tzw. zewnątrzkomórkowe i wewnątrzkomórkowe. Za ten drugi etap odpowiadają mikroorganizmy takie jak bakterie czy grzyby produkujące enzymy zdolne do rozłożenia materiału do biomasy. Aby doprowadzić materiały wielkocząsteczkowe do postaci takiej, by mogły zadziałać organizmy żywe, muszą zajść procesy tzw. zewnątrzkomórkowe (etap pierwszy) powodujące skrócenie łańcuchów.
W trakcie kompostowania bakterie obecne w tym środowisku i ich działalność powodują wzrost temperatury [7, 8]. Znaczący wpływ na przebieg tego procesu ma ilość doprowadzonego ciepła [9, 10]. Podwyższona temperatura powoduje, iż długie łańcuchy ulegają rozerwaniu, a materiał wydziela związki małocząsteczkowe, których degradacja może już zachodzić z udziałem mikroorganizmów.
Degradacja cieplna (pod wpływem działania podwyższonej temperatury) zachodzi bez udziału czynników chemicznych i jest to zjawisko wieloetapowe [10, 11, 12]. Działanie ciepła na polimery może mieć wpływ na wiązania łańcucha głównego lub atomów podstawnikowych i łańcuchy boczne. Rozerwanie łańcucha głównego często wyzwala wolne rodniki i może wystąpić losowo w łańcuchu. Końce łańcuchów także często są miejscem nietrwałych struktur odpowiednich do zapoczątkowania procesu degradacji termicznej. Rozerwanie łańcuchów oraz uwalnianie substancji małocząsteczkowych powodują ubytek masy [12-15]. Degradacja termiczna zachodzi pod wpływem podwyższonej temperatury, w wyniku oddziaływania tworzywa sztuczne zmieniają swoje właściwości chemiczne. Proces ten zachodzi bez udziału czynników chemicznych. Materiały polimeryczne rzadko są chemicznie czyste, zwykle zawierają dodatkowe składniki takie jak barwniki, wypełniacze, stabilizatory itp. lub zanieczyszczenia. Te dodatkowe komponenty znajdujące się w materiale polimerycznym mogą reagować w podwyższonej temperaturze z polimerem [15].
W celu sprawdzenia wpływu podwyższonej temperatury na wybrane materiały polimerowe przeprowadzono badania określające ubytek ich masy po określonym czasie oddziaływania temperatury.
Materiały do badań
Badaniom zostały poddane trzy rodzaje materiałów:
n kubek polistyrenowy wykonany w technologii termoformowania;
n folia oksy-degradowalna (torby jednorazowe o wymiarach 280x510 m), która pochodziła z sieci sklepów sieciowych;
n folia kompostowalna (torby jednorazowe) o wymiarach: 300x297 mm, pochodziła ona z sieci dużego hipermarketu.
Metodyka badań
Materiały poddano procesowi oddziaływania ciepła w ko-morze. Czas ekspozycji wynosił odpowiednio: 2, 4 i 8 godzin. Wszystkie pomiary przeprowadzono we wcześniej ustalonej temperaturze 40°C. Próbki wykonane z materiałów oksy-degradowalnych i kompostowalnych poddanych badaniom miały wymiary 100x100 mm, natomiast wymiary kubka polistyrenowego to 630x990 mm. W celach porównawczych przeprowadzono również te same badania dla temperatury 50°C przy zachowaniu tych samych czasów.
Temperatury przeprowadzonych badań były dobrane na podstawie danych literaturowych dotyczących procesów kompostowania odpadów i ilości ciepła wydzielanego podczas tego procesu [7, 8].
Kolejnym etapem była ocena wizualna próbek, która dostarczyła informacji, w jaki sposób podwyższona temperatura wpływa na wygląd materiału. Zakres temperatur, który zastosowano w badaniach, przyjęto ze względu na to, iż w procesie kompostowania temperatura na skutek działania procesów gnilnych wzrasta do zakresu 40-50°C [2, 7, 8].
Wyniki badań oraz ich omówienie
W tabeli 1 przedstawiono wyniki przeprowadzonych badań. Zestawiono również pomiary wykonane w temperaturze 40 i 50°C i zaprezentowano je w formie wykresów na rys. 1 i 2.
Na podstawie wyników badań, zarówno w temperaturze 40, jak i 50°C, wykonano porównawcze wykresy, a także dokonano analizy wizualnej próbek. Z wykresów wynika, iż wraz z wydłużeniem czasu działania źródła ciepła masa próbek maleje. Ponadto zaobserwowano, że im wyższa temperatura, tym utrata masy jest większa.
Największą utratą masy charakteryzuje się folia kompostowalna. Wiąże się to z jej składnikami, które warunkują sprawny przebieg procesu biodegradacji w podwyższonej temperaturze.
Folia oksy-degradowalna straciła swoją masę o 0,3 g, natomiast kubek polistyrenowy o 0,5 g, co daje mu największą degradację cieplną. Należy jednak uwzględnić pierwotne masy próbek, które nie są sobie równe, co będzie skutkować tym, iż materiał o większej powierzchni będzie wolniej tracił masę.
Wymiary próbek, po wykonaniu zwymiarowania, nie uległy zmianie.
Badania wykonane w temperaturze 50°C dały podobny wynik do tych przeprowadzonych w temperaturze 40°C, jednak próbki, jak się spodziewano, wykazały większą utratę masy.
Przypuszcza się na podstawie danych literaturowych [4, 5, 9], że właściwe badania degradacji materiału w podwyższonej temperaturze powinny zachodzić w 60-80°C. Dzieje się tak, ponieważ dodatki zawarte w badanych materiałach wykazują wtedy największą aktywność i mogą powodować zwiększoną degradację. Na rys. 3- 6 przedstawiono zdjęcia próbek przed przeprowadzonymi testami i po nich.
Na podstawie rysunków 3-6 można jednoznacznie stwierdzić, iż temperatura 40-50°C nie powoduje znaczących różnic w zachowaniu się próbek. Można jednak zauważyć, iż dłuższy czas badania (8h) spowodował nieznaczne pofałdowanie się powierzchni folii, natomiast wygląd kubka nie zmienił się. Badania w podwyższonej temperaturze mogą być „bazą” do wykonania badań wytrzymałościowych, dzięki którym można określić zmianę właściwości mechanicznych danego materiału, a tym samym stwierdzić, w którym momencie wyrób traci swoje cechy użytkowe.
Podsumowanie
Na podstawie uzyskanych wyników stwierdzono, iż wraz z wydłużeniem czasu działania źródła ciepła masa próbek maleje, czyli następuje degradacja termiczna materiału. Im wyższa temperatura, tym utrata masy materiałów polimerowych jest większa. Największą utratę masy zarejestrowano dla foli kompostowalnej.
Literatura
1. Gąsior A.: Doświadczenia z produkcji folii biodegradowalnych. I Konferencja Naukowo-Techniczna. Przyszłość opakowań biodegradowalnych. Warszawa 30.09.2008
2. Kaczmarek H., Bajer. K.: Metody badania biodegradacji materiałów polimerowych. Część I. Podstawowe definicje i metody oceny biodegradacji polimerów w różnych środowiskach, Polimery, 51, nr 10, 2006
3. Stachurek I., Pielichowski K., Ethylene oxide-containing (co)polymers in controlled drug delivery, Arch. Mat. Sci., 2005, 26, 303-327
4. Schwamborn M.: Chemical synthesis of polyaspartates: a biodegradable alternative
tocurrently used polycarboxylate homo- and copolymers, Polymer Degradation and Stability, 1998, 59, 39-45
5. Kaczmarek H., Bajer. K.: Metody badania biodegradacji materiałów polimerowych. Część I. Techniki eksperymentalne, Polimery, 52, nr 1, 2007
6. PN-EN 13432:2002 Opakowania – Wymagania dotyczące opakowań przydatnych do odzysku przez kompostowanie i biodegradację – Program badań i kryteria oceny do ostatecznej akceptacji opakowań
7. Beffa T., Blanc M., Aragno M.: Obligately and facultatively autotrophic, sulfur- and hydrogen-oxidizing thermophilic bacteria isolated from hot composts. Archiv. Microbiol. 165: 34 – 40, 1996
8. Bergquist P.L., Gibbs M.D., Morris D.D., Teo V.S.J., Saul D.J., Morgan H.W.: Molecular diversity of thermophilic cellulolytic and hemicellulolytic bacteria. FEMS Microbiol.. Ecology, 28: 99-110, 1999
9. Jakucewicz S.: Folie biodegradowalne i degradowalne jako podłoża drukowe cz. IV. Poligrafika 11/2008
10. Fabijański M., Gajowniczek M.: Biodegradacja popularnych toreb jednorazowych, Tworzywa Sztuczne i Chemia 1/2009
11. Fabijański M.: Podstawy recyklingu materiałów w transporcie szynowym ze szczególnym uwzględnieniem tworzyw sztucznych, Problemy Kolejnictwa, Zeszyt nr 151/2010
12. Kikolski P., Dłuska-Smolik E., Bolińska A.: Metodyka oceny biodegradowalności polimerów opakowaniowych w badaniu ich przydatności do odzysku organicznego w wyniku kompostowania. Polimery 03/2005
13. Klecan T., Rymarz G.: Tendencje rozwojowe w dziedzinie nowych materiałów polimerowych do produkcji folii. Przetwórstwo Tworzyw Sztucznych 08/1997
14. Kowalczuk M.: Prace badawcze nad polimerami biodegradowalnymi. I Konferencja Naukowo-Techniczna. Przyszłość opakowań biodegradowalnych, Warszawa 30.09.2008
15. Żakowska H.: Opakowania biodegradowalne. Wyd. COBRO, Warszawa 2003
