http://www.proekologia.pl/e107_plugins/content/content.php?content.8494
Strona 1/4
Biodegradowalne wBókna syntetyczne
semi, sierpieD 2008
Biodegradowalne wBókna syntetyczne
W okresie burzliwego rozwoju ró|nych gaBzi przemysBu, w tym chemicznego i wBókienniczego, motorem wprowadzania na rynek nowych surowców i asortymentów wBókienniczych byBo przede wszystkim zaspokajanie wzrastajcych potrzeb konsumentów. Podobnie jak w przypadku tworzyw sztucznych, najbardziej oczekiwan cech wBókien chemicznych byBa ich trwaBo[.
WBókna chemiczne poliamidowe i poliestrowe charakteryzowaBy si dobrymi cechami wytrzymaBo[ciowymi, a najpózniej wprowadzone na rynek wBókna polipropylenowe dodatkowo górowaBy nad innymi nisk cen.
Zu|ycie
ró|nych rodzajów i asortymentów wBókien syntetycznych stale wzrastaBo, zarówno w sektorze typowo tekstylnym, jak i w wyrobach technicznych. Znaczn cz[ tych wyrobów stanowiBy wBókiennicze wyroby jednorazowego u|ytku, w tym ró|nego rodzaju wBókniny, przede wszystkim do celów higienicznych. Konsekwencj tych dziaBaD byB kryzys surowcowy w ostatnich dziesicioleciach XX w., dotyczcy produktów ropopochodnych oraz fatalny stan [rodowiska naturalnego.
Gromadzone na skBadowiskach odpady wBókiennicze przez dBugie lata bd przypominaBy ludziom o beztroskiej polityce w zakresie ochrony [rodowiska. WBókna sztuczne a syntetyczne Prowadzone w ostatnim okresie wnikliwe analizy zaopatrzenia przemysBu wBókienniczego w surowce wykazaBy, |e nie jest mo|liwy znaczcy odwrót od wBókien chemicznych na rzecz przyjaznych dla [rodowiska wBókien naturalnych. WBókna chemiczne s produkowane przez czBowieka zarówno z polimerów naturalnych, wytwarzanych przez przyrod, jak i z polimerów syntetycznych. W pierwszym przypadku okre[la si te wBókna jako sztuczne, w drugim jako syntetyczne. Odpady wBókien sztucznych, podobnie jak wBókien naturalnych, nie stanowi istotnego zagro|enia dla [rodowiska. Wzrost produkcji wBókien chemicznych dotyczy przede wszystkim wBókien syntetycznych. W globalnej produkcji surowców wBókienniczych w 2005 r. udziaB wBókien chemicznych wyniósB 52%, przy czym 92% tej ilo[ci stanowi wBókna syntetyczne. Rozwizania problemu zanieczyszczenia [rodowiska odpadami wBókienniczymi upatruje si w zastosowaniu do wytwarzania wBókien chemicznych caBkowicie biodegradowalnych tworzyw, najlepiej pochodzcych z naturalnych zródeB surowcowych, szczególnie o charakterze odnawialnym.
Spo[ród znanych metod
wytwarzania wBókien chemicznych bez wtpienia najlepsz jest metoda formowania ze stopu.
Z uwagi na du|
wydajno[ i mo|liwe wysokie szybko[ci formowania jest ona najkorzystniejsza ze wzgldów ekonomicznych. Za korzy[ciami ekologicznymi przemawia brak produktów ubocznych (zarówno staBych, jak i gazowych) oraz niewielka ilo[
odpadów. Metod formowania ze stopu mog by przetwarzane na wBókna
polimery termoplastyczne. W ten sposób
formowane s syntetyczne wBókna poliestrowe, poliamidowe i poliolefinowe.
Nie ulegaj one biodegradacji, gdy| s
odporne na dziaBanie mikroorganizmów. Mikroorganizmy zawieraj enzymy, które katalizuj reakcje utleniania i hydrolizy.
Atakuj polimer i powoduj cicie" jego gBównego BaDcucha na krótkie fragmenty. Idealny polimer biodegradowalny powinien ulec caBkowitemu rozkBadowi pod wpBywem skomplikowanego procesu biochemicznego do C02, H20 i biomasy. Znanymi polimerami termoplastycznymi, które ulegaj caBkowitej biodegradacji w warunkach naturalnych, s poliestry alifatyczne wytwarzane z ró|nych monomerów, takich jak kwas glikolowy, kwas mlekowy, kwas masBowy czy kaprolakton.
Polimery i
kopolimery wytworzone z tych surowców od dawna s stosowane do wyrobu artykuBów medycznych, m.in. implantów i
http://www.proekologia.pl/e107_plugins/content/content.php?content.8494
Strona 2/4
bioreserbowalnych nici chirurgicznych.Polimer PLASpo[ród poliestrów alifatycznych najwiksze zainteresowanie od dawna wzbudzaB po-li(kwas mlekowy) (PLA), odkryty w 1932 r. przez Carothersa. Ju| w latach 60. zwrócono uwag na PLA jako potencjalnie caBkowicie biodegradowalne tworzywo, przeznaczone przede wszystkim do celów medycznych. Po-li(kwas mlekowy) otrzymywany jest z kwasu L-mlekowego, powstajcego w wyniku fermentacji cukrów z surowców ro[linnych.
W 1992 r. japoDska
firma Schimadzu wypu[ciBa na rynek tworzywo Lacty, oparte caBkowicie na PLA.
Ze specjalnego, wBókno-twórczego typu
polimeru Lacty firma Kanebo wytworzyBa biodegradowalne wBókno Lactron. Obecnie czoBowym producentem polimeru PLA, wystpujcego pod nazw handlow NatureWorks, jest firma Cargill Dow Polymers (USA). Z polimeru NatureWorks produkowane s wyroby wBókiennicze o nazwie Ingeo.
Na targach Heimtcxtil 2006 we Frankfurcie japoDska firma Toray
zaprezentowaBa now seri wyrobów wBókienniczych z polimeru NatureWorks o nazwie Ecodeal.
Obie serie Ingeo i
Ecodeal obejmuj wBókna cigBe gBadkie i teksturowane, wBókna cite, wBókna dywanowe BCF oraz wBókniny wytwarzane metodami bezpo[rednimi ze stopu, tzw. wBókniny spod filiery (ang. spun bond) i wBókniny pneumotermiczne (ang.
melt blown).[newpage]Pod wzgldem wBa[ciwo[ci mechanicznych wBókna PLA nie odbiegaj znacznie od wBa[ciwo[ci wBókien poliamidowych czy poliestrowych. Charakteryzuj si wytrzymaBo[ci wBa[ciw na poziomie 35 -- 45 cN/tex, ale mo|na osiga te| wytrzymaBo[ci ok. 60 cN/tcx. WBókna PLA maj odpowiedni odporno[ termiczn, umo|liwiajc wytworzenie wyrobów wBókienniczych trwaBych w warunkach u|ytkowania. Temperatura zeszklenia T
wBókien PLA, wynoszca 55-65°C, jest porównywalna z Tg wBókien PET, a temperatura-topnienia 160-170°C jest zbli|ona do temperatury topnienia wBókien PP. WBókna PLA s odporne na dziaBanie promieni UV, wykazuj dobr spr|ysto[, a w porównaniu ze standardowymi wBóknami poliestrowymi maj mniejsz gsto[ (1,24 g/cm) i wydzielaj znacznie mniej dymu podczas palenia. W zestawieniu z typowymi wBóknami syntetycznymi wykazuj znacznie wy|szy wskaznik tlenowy palno[ci (Ol = 26%).
WBókna PLA s wykorzystywane na cele tekstylne, tak jak inne wBókna
syntetyczne na bielizn i odzie| wierzchni, na tekstyliasanitarne i medyczne jednorazowego u|ytku, na geotekstylia, a tak|e na wyroby techniczne wBókniny rolnicze, sieci rybackie i liny.
WBókna te nie powoduj alergii. Mog by
stosowane bez |adnych ograniczeD, równie| w mieszankach z innymi wBóknami. Mo|liwe jest barwienie wBókien na wszystkie kolory.W normalnym u|ytkowaniu wBókna PLA s caBkowicie odporne na dziaBanie warunków atmosferycznych.
W specyficznych warunkach wysokiej temperatury i wilgotno[ci, typowych dla kompostowania odpadów, produkty PLA ulegaj caBkowitej degradacji. Ich rozpad nastpuje przez hydroliz, a nastpnie biokonwersj do ETO i C02. Proces ten jest najszybszy w podwy|szonej temperaturze w [rodowisku kompostu (do 3-4 miesicy), a w wodzie i glebie w temperaturze otoczenia jest znacznie dBu|szy (nawet ponad 12 miesicy).
Poza PLA, który jest ju| stosowany do wytwarzania wBókien,
na [wiatowych rynkach wystpuj inne
biodegradowalne tworzywa termoplastyczne z grupy poliestrów alifatycznych. Ich wBa[ciwo[ci termiczne s jednak znacznie gorsze od polimeru PLA i z tego powodu mog by wykorzystywane do celów wBókienniczych w bardzo ograniczonym stopniu, przede wszystkim na wyroby jednorazowego u|ytku. Tworzywa te mog by przerabiane na wBókniny metodami bezpo[rednimi.
W poszukiwaniu u|ytecznych tworzyw biodegradowalnych do celów
wBókienniczych du|o uwagi po[wica si badaniom nad kopolies-trami aromatyczno-alifatycznymi, zawierajcymi mery typowych poliestrów kwasu tere-ftalowego (np. PET) i mery poliestrów alifatycznych (np. polietylenoadypinianu i innych poliestrów opartych na alifatycznych kwasacl dikarboksylowych). Tego typu kopolimery oparte na dostpnych surowcach oraz istniejcej bazie techniczno-technologicznej mog by taDszymi tworzywami biodegradowalnymi ni| poliestry alifatyczne. Ponad to bd si charakteryzowa korzystnymi wBa[ciwo[ciami przerobowymi i u|ytkowymi.
[newpage]Projekt badawczy
IBWChW Instytucie Biopolimerów i WBókien Chemicznych (IBWCh) prowadzone byBy prace nad syntez degradowalnych
http://www.proekologia.pl/e107_plugins/content/content.php?content.8494
Strona 3/4
kopoliestrów etylenotereftalanu i kwasu L-mlekowego Ich zalet s dobre wBa[ciwo[ci termiczne (w tym wysoka temperatura zeszklenia powy|ej 55°C) i mo|liwo[ wytwarzania w procesie zbli|onym do syntezy typowego poliestru etylenotereftalanowego. W kwietniu 2006 r w IBWCh zakoDczono projekt badawczy dotyczcy otrzymania pierwszych w skali krajowej caBkowicie biodegradowalnych wBókien syntetycznych. Surowcem dla tych wBókier byBy biodegradowalne tworzywa termoplastyczne, z których mo|na formowa wBókna technik przdzenia ze stopu. Zakres projektu badawczego obejmowaB m.in. ocen mo|liwo[ci stopowego formowania wBókien z biodegradowalnych tworzyw dostpnych na tynku
[wiatowym oraz z polimeru opracowanego w IBWCh. Kopoliester etylenotereftalanu i kwasu mlekowego (ET/LA) wytworzono w skali wielkolaboratoryjnej z dimetylotcreftalanu, glikolu etylenowego i kwasu L-mlekowego.W badaniach wykorzystano dwa handlowe polimery: alifatyczno-aromatyczny poliester glikolu butylenowego, kwasu adypinowego i tereftalowego Eastar Bio produkcji Eastman Chemical i alifatyczny poliester glikolu butylenowego, kwasu bursztynowego i adypinowego Bionolle typ 3001 produkcji Showa Highpolymer. Wtóknotwórczy PLA nie jest dostpny w Polsce. Producenci dotychczas nie wyra|aj zgody na sprzeda|
tego polimeru ani nie udostpniaj jego próbek do badaD z zakresu formowania wBókien.
Ocena wBa[ciwo[ci termicznych i
Teologicznych ' termoplastycznych polimerów biodegradowalnych: kopoliestru ET/LA, poliestru alifatycznego Bionolle i poliestru alifatyczno-aromatycznego EastarBio wykazaBa, |e mog by one przerabiane na wBókna metod przdzenia ze stopu.
WBókna formowano ze stopu metod klasyczn z szybko[ci do 1500 m/min oraz metod szybkiego przdzenia z szybko[ci do 3000 m/min.
Przeprowadzono równie| prób formowania wBókien z poli (kwasu mlekowego) produkcji firmy Hycail typ HM 1010. Mimo pewnych wBa[ciwo[ci wBóknotwórczych polimer Hycail HM 1010 nie jest jednak odpowiedni do przerobu na wBókna. Z polimerów Bionolle i Eastar Bio wytworzono wBókniny równie| metod melt blown. Oceniano podstawowe parametry strukturalne wBókien, prowadzono badania wBa[ciwo[ci fizykomechanicznych oraz testy biodegradacji wBókien i wBóknin w warunkach wodnych i kompostowych.
Porównanie WBókna z alifatycznych poliestrów Bionolle i Hycail HM
1010 oraz alifatyczno-aromatycznych poliestrów Eastar Bio i ET/LA ulegaj biodegradacji. Zwiadcz o tym znaczne ubytki masy, zmiany struktury zewntrznej oraz zmiany wBa[ciwo[ci mechanicznych wBókien. Na zdjciach 1-2 przedstawiono powierzchni zewntrzn wBókien i wBóknin melt blown z termoplastycznych polimerów biodegradowalnych po testach biodegradacji. Szybko[ procesu biodegradacji wBókien zale|y od budowy chemicznej polimeru i wzrasta wraz ze wzrostem temperatury procesu. Szybko[ procesu biodegradacji wBókien z alifatycznego poliestru Hycail HM 1010 i Bionolle jest bez porównania wiksza od szybko[ci biodegradacji wBókien z poliestrów alifatyczno-aromatycznych Eastar Bio i ET/LA. Proces rozkBadu biologicznego w [rodowisku wodnym zachodzi równomiernie, natomiast w [rodowisku kompostowym wystpuj gBbokie zmiany lokalne, prowadzce do szybkiej fragmentaryzacji wyrobu.
Badania w ramach projektu obejmowaBy
równie| ocen wBa[ciwo[ci wytworzonych wBókien biodegradowalnych w porównaniu do standardowych wBókien syntetycznych.WBa[ciwo[ci mechaniczne wBókien z termoplastycznych polimerów biodegradowalnych: kopoliestru ET/LA, poliestru alifatycznego Bionolle i poliestru alifatyczno-aromatycznego Eastar Bio s gorsze od wBa[ciwo[ci mechanicznych standardowych wBókien PET, PA, PP. WytrzymaBo[ wBa[ciwa wBókien z termoplastycznych polimerów biodegradowalnych ET/L, Bionolle i Eastar Bio nie przekracza 25 cN/tex.Z uwagi na wBa[ciwo[ci termiczne: temperatur zeszklenia poni|ej 0°C oraz temperatur topnienia ok. 100°C wBókna z termoplastycznych polimerów biodegradowalnych Bionolle i Eastar Bio mog by stosowane w ograniczonym zakresie, przede wszystkim na wyroby jednorazowego u|ytku.
W
tym przypadku ze wzgldów ekonomicznych bardziej wskazany jest przerób tych polimerów na gotowe wyroby wBókiennicze, np. wBókniny spun bond lub melt blown. [newpage]Na podstawie wyników uzyskanych w ramach projektu opracowano wstpne zaBo|enia technologiczne wytwarzania wBókien dla trzech polimerów: ET/LA, Bionolle i Eastar Bio. Znaczne ró|nice
http://www.proekologia.pl/e107_plugins/content/content.php?content.8494
Strona 4/4
wBa[ciwo[ci otrzymanych wBókien, w tym ró|nice szybko[ci biodegradacji, zwizane z ró|n budow chemiczn surowców, nie daj podstaw do wytypowania jednego z badanych polimerów jako najlepszego do celów wBókienniczych. Najlepszym surowcem na biodegradowalne wBókna syntetyczne jest poli(kwas mlekowy). Stosowany w badaniach PLA (Hycail HM 1010) nie jest polimerem wBóknotwórczym i nie mógB by wykorzystany do opracowywania zaBo|eD technologicznych produkcji wBókien PLA.
WBóknina Easter Bio po biodegradacji w [rodowisku kompostowym ( A -
przed biodegradacj, B- po 2 tygodniach, C - po 4 tygodniach )
Recykling 6.2006