Zmiany wybranych w³asnoœci mieszanin PE HD z recyklatami degradowanymi po ich kompostowaniu

Transkrypt

1 Zmiany wybranych w³asnoœci mieszanin PE HD z recyklatami degradowanymi po ich kompostowaniu 203 B³a ej CHMIELNICKI Instytut In ynierii Materia³ów Polimerowych i Barwników w Toruniu Oddzia³ Farb i Tworzyw w Gliwicach, b.chmielnicki@impib.pl Zmiany wybranych w³asnoœci mieszanin PE HD z recyklatami degradowanymi po ich kompostowaniu Streszczenie. W niniejszym artykule przedstawiono charakterystykê tworzyw degradowalnych ze szczególnym uwzglêdnieniem materia³ów biodegradowalnych. Obserwowany obecnie dynamiczny rozwój tej grupy tworzyw stanowi odpowiedÿ na wzrastaj¹c¹ iloœæ generowanych odpadów i zwi¹zan¹ z ni¹ koniecznoœæ ich utylizacji czy te zagospodarowania. Jedn¹ z metod zapobie enia bezpowrotnej utracie energii w³o onej w syntezê, a tak e przetwórstwo tworzyw degradowalnych jest ich ponowne wykorzystanie jako modyfikatorów tworzyw stabilnych np. poliolefin. Wybrane w³aœciwoœci takich mieszanek po ich kompostowaniu zaprezentowano w niniejszym artykule. Kompostowanie prowadzono przez 3 i 18 miesiêcy w warunkach poligonowych, a uzyskane wyniki œwiadcz¹ o przydatnoœci recyklatów okso- i biodegradowalnych jako modyfikatorów PE HD. CHANGES OF SELECTED PROPERTIES OF HD PE MIXTURES WITH DEGRADABLE RECYCLATES AFTER THEIR COMPOSTING Abstract. This article presents the characteristics of degradable plastics with particular emphasis on biodegradable materials. The currently observed rapid development of this group of materials is a response to the increasing amount of waste generated and the associated need for their disposal or management. One method to prevent the irrecoverable loss of energy input into the synthesis, and processing of degradable plastics is their re-use as modifiers of stable plastics such as polyolefins. Selected properties of such mixtures after their composting is presented in this article. Composting was carried out for 3 and 18 months in polygon conditions, and the results support the suitability of oxo- and biodegradable recyclates as HD PE modifiers. Wstêp W dobie kurczenia siê œwiatowych zasobów ropy naftowej podstawowego surowca do produkcji tworzyw wielkocz¹steczkowych i zwi¹zanego z tym wzrostu jej ceny, alternatyw¹ dla tradycyjnych polimerów staj¹ siê biopolimery. Obecnie, wraz z tworzywami oksodegradowalnymi, zajmuj¹ one uprzywilejowan¹ pozycjê, przy doborze materia³u na wytwory o przewidywanym krótkim czasie ycia u ytkowego. Swój sukces zawdziêczaj¹ przede wszystkim u³atwionej, w stosunku do tradycyjnych tworzyw mo liwoœci ulegania degradacji po okresie u ytkowania. Daje to realne szanse unikniêcia d³ugotrwa³ego zaœmiecania przez nie œrodowiska naturalnego [1; 2]. Tworzywa biodegradowalne Podstawowym surowcem do produkcji polimerów jest wci¹ ropa naftowa. Cech¹ wyró niaj¹c¹ wiêkszoœæ polimerów otrzymywanych z ropy naftowej jest ich bardzo du a trwa- ³oœæ powoduj¹ca gromadzenie siê odpadów pou ytkowych z tych tworzyw. Jedn¹ z prognozowanych metod rozwi¹zania tego problemu jest wprowadzenie do powszechnego u ytku ekonomicznie op³acalnych metod otrzymywania tworzyw wielkocz¹steczkowych z odnawialnych surowców biologicznych. Tworzy-

2 204 B³a ej CHMIELNICKI Stabilne w œrodowisku Materia³ a³y polimerowe Czêœciowo biorozk³adalne kopolimery szczepione mieszaniny polimerów syntetycznych z naturalnymi Ca³kowicie biorozk³adalne polimery naturalne i modyfikowane polimery syntetyczne polimery syntetyczne zawieraj¹ce grupy wra liwe na enzymy mikrobiologiczne polimery powstaj¹ce w wyniku procesów biotechnologicznych Rys. 1. Podzia³ materia³ów polimerowych ze wzglêdu na podatnoœæ na biodegradacjê [3]. wa takie mog¹ cechowaæ siê stabilnoœci¹ porównywaln¹ z tradycyjnymi materia³ami polimerowymi bêd¹cymi wynikiem syntezy surowców petrochemicznych, jak równie stosunkowo ³atwo ulegaæ degradacji w œrodowisku naturalnym. Do pierwszych tworzyw biodegradowalnych pochodz¹cy z surowców odnawialnych nale ¹, wci¹ rozwijane i badane, polimery pochodzenia petrochemicznego zdolne do degradacji pod wp³ywem dzia³ania Polisacharydy (wielocukry) pozosta³e: pektyny, chitostan/ chityna Produkty lignocelulozowe (drewno, s³oma) Skrobiowe (ziemniaki kukurydza) Polimery z biomasy Proteiny, lipidy zwierzêce: kazeina, serwatka, kolagen, elatyna roœlinne: gluten Polimery biodegradowalne Otrzymywane przy pomocy mikroorganizmów Polihydroksyalkaniany (PHA) Polihydroksymaœlany (PHB) Poli(3hydroksymaœlano - hydroksywalerian) (PHBV) Rys. 2. Podzia³ tworzyw polimerowych podatnych na biodegradacjê [3]. Otrzymywane przez konwencjonaln¹ syntezê biopochodnych monomerów Polilaktydy (PLA) Otrzymywane z produktów petrochemicznych czynników naturalnych takich jak np. promieniowanie ultrafioletowe, tlen atmosferyczny, woda oraz wystêpuj¹ce w œrodowisku naturalnym mikroorganizmy. Podzia³ materia³ów polimerowych ze wzglêdu na podatnoœæ na biodegradacjê przedstawiono na rysunku 1, a podzia³ tworzyw biodegradowalnych na rysunku 2 [3 8]. Hydrofobowy charakter wiêkszoœci tworzyw polimerowych ogranicza mo liwoœæ ich rozk³adu przez enzymy mikroorganizmów, a tym samym wyd³u a okres ich degradacji w œrodowisku naturalnym. Szacuje siê, e na degradacjê najpowszechniej obecnie wykorzystywanych tworzyw i asymilacjê finalnych produktów ich rozk³adu potrzeba kilkaset lat. W wyniku degradacji polimerów uwalniane s¹ liczne zwi¹zki, z których wiele nie jest obojêtnych dla œrodowiska i mo e byæ przyczyn¹ ska enia gruntów oraz wód. Na ogó³ degradacja biologiczna samego polimeru nie niesie powa niejszego zagro enia dla œrodowiska naturalnego, a jej efektem jest wytworzenie biomasy i prostych zwi¹zków chemicznych, mog¹cych w³¹czyæ siê w cykl obiegu materii [9 12]. Problem stanowiæ mog¹ jednak wszelkie substancje dodawane do polimerów w celu zmodyfikowania w³aœciwoœci tworzyw. Tym bardziej, e czêsto miejscem ich naturalnego rozk³adu staj¹ siê miejsca do tego nie przezna- Polikaprolakton (PCL) Poliesteroamidy (PEA) Alifatyczne kopoliestry (np. PBSA) Aromatyczne kopoliestry (np. PBAT)

3 Zmiany wybranych w³asnoœci mieszanin PE HD z recyklatami degradowanymi po ich kompostowaniu 205 Rys. 3. Dynamika wzrostu produkcji materia³ów biodegradowalnych [19; 24; 25]. czone takie jak nielegalne wysypiska œmieci, lasy, jeziora czy te akweny morskie i oceaniczne [13 16]. Wykorzystanie do wytwarzania polimerów surowców pochodzenia naturalnego, odnawialnych w cyklu rocznym, mo e nie tylko stanowiæ rozwi¹zanie konkurencyjne wobec recyklingu tworzyw niedegradowalnych, ale równie spowolniæ wyczerpywanie siê œwiatowych zasobów ropy naftowej i jednoczeœnie wykorzystaæ wystêpuj¹ce w wielu krajach nadwy ki produktów rolnych. Œwiatowa produkcja tworzyw polimerowych wynosi ok. 1, t/rok, a na przyk³ad produkcja kukurydzy lub cukru stanowi odpowiednio lub 1, t/rok. Roczne, œwiatowe wydobycie ropy naftowej w 2012 r. wynios³o ok. 3, t [17], z czego ok. 8% zu y³ przemys³ tworzyw polimerowych. Ró ne przewidywania dotycz¹ce zapasów ropy naftowej oscyluj¹ wokó³ 2050 r. jako roku ca³kowitego wyczerpania dostêpnych technicznie zasobów tego surowca. Warto jednak nadmieniæ, e publikowane od lat przez OPEC dane na temat œwiatowych zasobów ropy naftowej praktycznie nie ulegaj¹ zmianie. Sytuacja ta jest wynikiem rozwoju metod wiertniczych, pozwalaj¹cych eksploatowaæ ropê ze z³ó do tej pory niedostêpnych. Nie bez znaczenia jest równie wp³yw prognozowanej utraty dostêpu do ropy naftowej na jej wysokie ceny. Dynamikê wzrostu produkcji tworzyw biodegradowalnych na œwiecie przedstawiono na rysunku 3 [18 23]. W zakresie syntezy polimerów z surowców odnawialnych najbardziej zaawansowane s¹ opracowania technologiczne produkcji polilaktydu z kwasu mlekowego (LAc) jako wyjœciowego substratu. Najkorzystniejszym ekonomicznie procesem otrzymywania LAc jest fermentacja wêglowodanów pochodzenia rolniczego. Równie intensywne s¹ prace prowadzone nad mo liwoœciami zastosowania skrobi i polihydroksymaœlanu PHB [6; 8; 13; 26 30]. Biodegradacja polimerów Zmiany strukturalne w polimerze mog¹ byæ wynikiem zajœcia reakcji chemicznych oraz przemian fizycznych wystêpuj¹cych podczas przetwórstwa, magazynowania oraz eksploatacji, powoduj¹cych zmianê w³aœciwoœci. Jednym z pierwszych objawów degradacji materia³u polimerowego s¹ zmiany w wygl¹dzie wytworu np. ó³kniêcie, utrata po³ysku czy te pojawienie siê pêkniêæ na jego powierzchni. [31 34]. Czynnikami zewnêtrznymi wp³ywaj¹cymi na starzenie siê tworzyw s¹ przede wszystkim ciep³o, œwiat³o (promieniowanie UV), wilgoæ, zwi¹zki chemiczne znajduj¹ce siê w ich otoczeniu, a tak e mikroorganizmy. Czynniki wp³ywaj¹ce na degradacjê polimerów zestawiono na rysunku 4 [31; 34]. Biodegradowalnoœæ, to zdolnoœæ materia- ³ów wytworzonych przez cz³owieka do ulegania procesowi biodegradacji i na ogó³ jest po- ¹dan¹ cech¹, gdy dziêki temu materia³y te w mniejszym stopniu zanieczyszczaj¹ œrodowisko. Materia³y biodegradowalne mo na zwykle poddawaæ procesowi przyspieszonej biodegradacji, czyli kompostowaniu. Biodegradacji naj³atwiej ulegaj¹ polimery odznaczaj¹ce siê brakiem bocznych odga³êzieñ i mo liwie jak najwiêksz¹ liniowoœci¹, które zwiêk-

4 206 B³a ej CHMIELNICKI PROMIENIOWANIE fotodegradacja CIEP O degradacja termiczna ORGANIZMY biodegradacja degradacja hydrolityczna WODA degradacja œrodowiskowa degradacja mechaniczna NO 2,SO 2, NH 3,O 3 NAPRÊ ENIA Rys. 4. Czynniki wp³ywaj¹ce na degradacjê tworzyw polimerowych [35] szaj¹ podatnoœæ makrocz¹steczek na dzia³anie enzymów. Poza tym podatnoœæ ta jest tym wiêksza, im wiêcej w makrocz¹steczce jest grup chemicznych wra liwych na ich dzia³anie (np. grupy estrowe, hydroksylowe, karboksylowe, eterowe). Wa ny jest równie odpowiedni stopieñ krystalicznoœci, ciê ar cz¹steczkowy i brak wi¹zañ sieciuj¹cych. Przebieg degradacji biologicznej zale y równie od takich czynników, jak rodzaj mikroorganizmów, warunki œrodowiskowe oraz kszta³t wyrobu [9; 10; 36 38]. Mechanizm degradacji polimerów mo e mieæ charakter fizyczny, chemiczny lub biologiczny. Fizyczna degradacja nastêpuje na przyk³ad na skutek tarcia lub przez ekstrakcjê, chemiczna przez fotolizê hydrolizê, lub utlenianie, natomiast biodegradacja jest procesem wywo³ywanym dzia³aniem enzymów wytwarzanych przez mikroorganizmy (bakterie i grzyby). Jej mechanizm ma z³o ony przebieg i obejmuje wiele reakcji o charakterze chemiczno-biologicznym. Biodegradacja materia³u przebiega stopniowo. Jest zapocz¹tkowana degradacj¹ polimeru, podczas której nastêpuje skrócenie d³ugoœci ³añcucha i eliminowanie jego fragmentów, zmniejszenie stopnia polimeryzacji oraz ciê aru cz¹steczkowego itp. Proces ten w sprzyjaj¹cych warunkach jest zakoñczony depolimeryzacj¹ i wytworzeniem prostych zwi¹zków chemicznych, które mog¹ stanowiæ materia³ od ywczy dla mikroorganizmów [7; 39 44]. Niektóre tworzywa biodegradowalne ulegaæ mog¹ równie biodegradacji pod wp³ywem makroorganizmów biologicznych takich jak np. œlimaki i owady, które zdoln¹ s¹ do ich konsumpcji i trawienia [45; 46]. Degradacja polilaktydu Proces degradacji poli(kwasu mlekowego) odbywa siê w wilgotnym otoczeniu jak gleba czy kompost. Pierwszym etapem rozk³adu PLA jest degradacja hydrolityczna, pod wp³ywem wody obecnej w œrodowisku reakcji. Woda przenika w g³¹b struktury polimeru, prowadz¹c do rozerwania wi¹zañ estrowych ³añcucha, w wyniku czego powstaj¹ rozpuszczalne w wodzie oligomery PLA i kwas mlekowy. Proces ten powoduje zmniejszenie ciê aru cz¹steczkowego poliestru. Degradacjê hydrolityczn¹ PLA ilustruje rysunek 5 [47 51]. Rys. 5. Degradacja hydrolityczna PLA [49] Hydroliza tworzywa mo e odbywaæ siê trzema metodami, poprzez erozjê powierzchniow¹, erozjê w ca³ej objêtoœci polimeru oraz erozjê z przyœpieszon¹ degradacj¹ rdzenia. Gdy szybkoœæ uwalniania oligomerów jest wiêksza ni szybkoœæ dyfuzji wody w g³¹b

5 Zmiany wybranych w³asnoœci mieszanin PE HD z recyklatami degradowanymi po ich kompostowaniu 207 polimeru wówczas ma miejsce erozja powierzchniowa. Kiedy szybkoœæ dyfuzji wody przewa a nad uwalnianiem oligomerów nastêpuje erozja w ca³ej objêtoœci polimeru. Natomiast gdy produkty hydrolitycznej degradacji PLA s¹ uwalniane bardzo powoli z g³êbi materia³u i równoczeœnie autokatalitycznie zwiêkszaj¹ szybkoœæ hydrolizy, wtedy mamy do czynienia z erozj¹ z przyspieszon¹ degradacj¹ rdzenia próbki [47; 52; 53]. W wodnym œrodowisku w sprzyjaj¹cych warunkach degradacja PLA mo e trwaæ kilka tygodni. Nale y jednak podkreœliæ, e jeœli PLA znajdzie siê na klasycznym wysypisku œmieci mo e zalegaæ na nim równie d³ugo jak tradycyjne tworzywa polimerowe, ulegaj¹c bardzo powolnemu rozk³adowi, któremu towarzyszy wydzielanie siê metanu. Proces taki jest szkodliwy dla œrodowiska, gdy metan wielokrotnie bardziej sprzyja powstawaniu efektu cieplarnianego ni dwutlenek wêgla [6; 27; 47; 54; 55]. Drugim etapem rozk³adu PLA jest degradacja biologiczna. Pod wp³ywem obecnych w œrodowisku mikroorganizmów, rozpuszczalne w wodzie oligomery i mery PLA s¹ metabolizowane do dwutlenku wêgla oraz wody. W podwy szonej temperaturze i stosunkowo du ej wilgotnoœci otoczenia proces ten odbywa siê szybko. Zapobiega to gromadzeniu siê produktów degradacji polilaktydu w œrodowisku. Wystêpuj¹ równie mikroorganizmy, które prowadz¹ degradacjê poli(kwasu mlekowego), ale nie asymiluj¹ produktów jego rozk³adu. Jednak jest ich niewiele w porównaniu z mikroorganizmami asymiluj¹cymi produkty rozk³adu PLA [47; 49; 56 61]. [57; 58; 59; 60; 61]. Materia³y do badañ Badaniom poddano mieszaniny handlowego PE HD HOSTALEN ACP9240 Plus produkowanego przez firmê Basell Orlen Polyolefins z recyklatami folii z polilaktydu (PLA) oraz folii z okso-biodegradowalnego PE (PE oks ) typowych materia³ów polimerowych stosowanych w przemyœle opakowaniowym. Tabela 1. Sk³ady mieszanek do badañ Oznaczenie Zawartoœæ tworzywa w mieszance, % mieszanki PE HD PLA PE oks Mieszaniny polimerowe wymienionych materia³ów przygotowano za pomoc¹ przeciwbie nej wyt³aczarki dwuœlimakowej Gõetffert o stosunku L/D 25 wyposa onej w g³owicê do wyt³aczania prêta o œrednicy 2 mm. Ich sk³ady recepturowe zestawiono w tabeli 1. Wyniki badañ Na próbkach w postaci znormalizowanych kszta³tek badawczych przeprowadzono badania wytrzyma³oœciowe (wyd³u enia przy zerwaniu i wytrzyma³oœci na rozci¹ganie) zgodnie z norm¹ PN-EN ISO 527-1:1998. Badaniom poddano próbki po kompostowaniu. Próbki badanych materia³ów poddano kompostowaniu w warunkach poligonowych. Kompost, w którym umieszczono próbki, sk³ada³ siê z resztek roœlinnych w postaci trawy, liœci i rozdrobnionych ga³êzi. W ci¹gu ca³ego okresu kompostowania monitorowano jego ph, które wynosi³o ok. 6,8 oraz wilgotnoœæ, której wartoœæ w warstwie bezpoœrednio przylegaj¹cej do próbek zmienia³a siê w zakresie 70 85%. Zaobserwowane zmiany wilgotnoœci

6 208 B³a ej CHMIELNICKI bêdzie mia³o bezpoœredni kontakt z materi¹ organiczn¹ (Rysunek 6). Przygotowane w ten sposób pasy z próbkami zakopano na g³êbokoœci ok cm w materii organicznej dbaj¹c by kszta³tki badawcze nie styka³y siê z sob¹. Wyniki badañ przedstawiono w tabeli 2. Rysunek 6. Kszta³tki badawcze przed ich umieszczeniem w kompoœcie spowodowane by³y najprawdopodobniej zmienn¹ iloœci¹ opadów atmosferycznych wystêpuj¹cych w czasie 18 miesiêcy kompostowania. Temperatura kompostu przez ca³y okres badania by³a zbli ona do temperatury powietrza, jednak wykazywa³a zdecydowanie mniejsze dobowe fluktuacje. Wzglêdnie niska zmierzona temperatura oraz ph zbli one do obojêtnego œwiadcz¹, e w opisywanym kompoœcie nie zachodzi³y ju intensywnie procesy biologiczne, a dostarczone próbki powinny stanowiæ jedno z g³ównych Ÿróde³ wêgla i substancji od ywczych dla mikroorganizmów. Znormalizowane kszta³tki badawcze przed umieszczeniem ich w kompoœcie zosta³y zaszyte w niedegradowalnej siatce tworzywowej o drobnych oczkach umo liwiaj¹cych bezpoœredni kontakt tworzywa ze œrodowiskiem. Ka de wiose³ko znajdowa³o siê w osobnej kieszonce co gwarantowa³o, e po zakopaniu Tabela 2. Wyniki badañ w³asnoœci mechanicznych próbek poddanych kompostowaniu Numer próbki Czas kompostowania [miesiêcy] Wytrzyma³oœæ na zerwanie [MPa] Wyd³u enie przy zerwaniu [%] 0 10,8± 0,1 462,1± 52,4 3 5,2± 0,7 6,3± 0,9 18 4,4± 0,4 2,6± 0,1 0 11,1± 0,1 128,5± 9,1 3 9,8± 0,2 69,5± 4, ,7± 0,1 41,6± 2,8 0 25,2± 0,7 24,3± 1,9 3 26,5± 0,7 20,8± 1, ,1± 0,4 17,6± 0,9 0 24,4± 0,4 24,0± 2,5 3 25,0± 0,6 19,2± 2, ,2± 0,7 17,4± 1,2 0 22,8± 0,8 20,1± 2,7 3 23,7± 0,5 18,6± 0, ,1± 0,8 15,1± 0,9 0 20,4± 0,2 15,8± 0,8 3 20,7± 0,4 12,7± 0, ,5± 0,7 12,6± 1,3 0 12,6± 0,6 9,4± 1,5 3 11,5± 0,2 5,1± 0,3 18 7,8± 1,4 2,1± 0,6 0 24,7± 0,5 26,6± 1,9 3 27,2± 0,4 20,3± 2, ,0± 0,4 22,0± 1,7 0 23,9± 0,6 28,9± 2,2 3 26,5± 0,4 21,3± 1, ,0± 0,2 23,5± 1,7 0 22,9± 0,4 30,3± 2,1 3 24,1± 0,4 20,7± 2, ,2± 0,5 24,8± 1,4 0 15,3± 0,2 105,3± 6,9 3 16,3± 0,1 70,2± 6, ,6± 0,3 74,0± 7,4

7 Zmiany wybranych w³asnoœci mieszanin PE HD z recyklatami degradowanymi po ich kompostowaniu ,8± 0,2 26,8± 3,3 3 28,1± 0,5 18,6± 1, ,6± 0,2 19,3± 1,0 0 21,8± 0,2 19,2± 1,4 3 26,1± 0,6 17,5± 0, ,6± 0,8 16,6± 0,7 0 16,7± 0,2 21,5± 1,2 3 19,9± 0,2 18,3± 0, ,3± 0,2 15,9± 1,7 0 13,4± 0,2 44,8± 5,1 3 16,9± 0,1 29,0± 2, ,1± 0,1 17,2± 1,5 0 10,1± 0,1 96,0± 5,6 3 9,5± 0,1 37,0± 4,4 18 9,9± 0,4 16,3± 1,0 Dla lepszego zobrazowania wyników badañ wytrzyma³oœciowych przedstawiono je równie w formie graficznej na rysunkach Rysunek 8. Wyd³u enie wzglêdne przy zerwaniu mieszanek na bazie PE HD Wyniki aproksymowano funkcj¹: f(x,y,z) = 1,0575 x + 455,2871 y + 130,1261 z ,5826 x y + 64,6389 x z - 771,9459 y z gdzie: x zawartoœæ PE HD, y zawartoœæ PLA, x zawartoœæ PE oks Uzyskuj¹c wspó³czynnik korelacji r = 0,99 Rysunek 7. Wytrzyma³oœæ na rozci¹ganie mieszanek na bazie PE HD Wyniki aproksymowano funkcj¹: f(x,y,z) = 25,8858 x + 10,5135 y + 10,7621 z ,632 x y - 5,6908 x z - 0,3453 y z gdzie: x zawartoœæ PE HD, y zawartoœæ PLA, x zawartoœæ PE oks Uzyskuj¹c wspó³czynnik korelacji r = 0,99 Dla oceny wp³ywu kompostowania, wa ne jest, z uwagi na ró nice w wartoœciach wytrzyma³oœci na zerwanie i wyd³u enia wzglêdnego przy zerwaniu dla poszczególnych próbek, okreœlenie procentowej zmiany wartoœci badanej w³asnoœci. Procentowa zmiana wartoœci wytrzyma³oœci na zerwanie i wyd³u enia wzglêdnego przy zerwaniu daje pogl¹d na wp³yw dodatków degradowalnych na zmianê w³aœciwoœci materia³u w czasie jego degradacji w kompoœcie. Ponadto dokonano obserwacji mikroskopowych powierzchni próbek za pomoc¹ mikroskopu optycznego Bresser Biolux LCD w œwietle odbitym, przy powiêkszeniu 40. Wybrane zdjêcia obrazuj¹ce zmiany morfologii powierzchni próbek przedstawiono na rysunkach

8 210 B³a ej CHMIELNICKI Rysunek 9. Wzglêdna zmiana wartoœci wytrzyma³oœci na rozci¹ganie mieszanek na bazie PE HD po 3 miesi¹cach kompostowania Wyniki aproksymowano funkcj¹: f(x,y,z) = 0,0555 x - 0,538 y - 0,1419 z + + 0,8921 x y + 0,751 x z + 1,4046 y z gdzie: x zawartoœæ PE HD, y zawartoœæ PLA, x zawartoœæ PE oks Uzyskuj¹c wspó³czynnik korelacji r = 0,85 Rysunek 10. Wzglêdna zmiana wartoœci wyd³u enia wzglêdnego przy zerwaniu mieszanek na bazie PE HD po 3 miesi¹cach kompostowania Wyniki aproksymowano funkcj¹: f(x,y,z) = -0,1977 x - 1,0153 y - 0,4676 z + + 1,0833 x y + 0,0728 x z + 0,6679 y z gdzie: x zawartoœæ PE HD, y zawartoœæ PLA, x zawartoœæ PE oks Uzyskuj¹c wspó³czynnik korelacji r = 0,88 Wyniki aproksymowano funkcj¹: f(x,y,z) = 0,1031 x - 0,6217 y - 0,0432 z + + 0,0688 x y + 0,5149 x z + 1,4491 y z gdzie: x zawartoœæ PE HD, y zawartoœæ PLA, x zawartoœæ PE oks Uzyskuj¹c wspó³czynnik korelacji r = 0,96 Rysunek 11. Wzglêdna zmiana wartoœci wytrzyma³oœci na rozci¹ganie mieszanek na bazie PE HD po 18 miesi¹cach kompostowania Podsumowanie i wnioski Wprowadzenie do polietylenu HD recyklatu degradowalnego w istotny sposób wp³ywa na zmianê w³aœciwoœci mechanicznych takiego materia³u. W omawianym przypadku zarówno recyklatu oksodegradowalnego polietylenu, jaki i biodegradowalnego polilaktydu po-

9 Zmiany wybranych w³asnoœci mieszanin PE HD z recyklatami degradowanymi po ich kompostowaniu 211 Wyniki aproksymowano funkcj¹: f(x,y,z) = -0,1956 x - 1,0311 y - 0,691 z + + 0,0174 x y + 0,8023 x z + 0,1429 y z gdzie: x zawartoœæ PE HD, y zawartoœæ PLA, x zawartoœæ PE oks Uzyskuj¹c wspó³czynnik korelacji r = 0,95 Rysunek 12. Wzglêdna zmiana wartoœci wyd³u enia wzglêdnego przy zerwaniu mieszanek na bazie PE HD po 18 miesi¹cach kompostowania 0h 3 miesi¹ce 18 miesiêcy Rys. 13. Zamiana wygl¹du próbki numer 1 po okreœlonym czasie starzenia w kompoœcie naturalnym. 0h 3 miesi¹ce 18 miesiêcy Rys. 14. Zamiana wygl¹du próbki numer 7 po okreœlonym czasie starzenia w kompoœcie naturalnym. wodowa³ zmniejszenie wartoœci wytrzyma³oœci na rozci¹ganie badanej mieszanki. Wart podkreœlenia jest fakt zwiêkszania wyd³u enia wzglêdnego przy zerwaniu badanej mieszanki przez recyklatu PLA. Zaobserwowana ró nica stoi w opozycji do danych literaturowych opisuj¹cych PLA jako tworzywo sztywne, ulegaj¹ce zerwaniu przy niewielkim wyd³u eniu. Mo n¹ j¹ jednak wyt³umaczyæ obecnoœci¹ znacznej iloœci plastyfikatorów (jak wykaza³y

10 212 B³a ej CHMIELNICKI 0h 3 miesi¹ce 18 miesiêcy Rys. 15. Zamiana wygl¹du próbki numer 16 po okreœlonym czasie starzenia w kompoœcie naturalnym. inne badania autora najprawdopodobniej poli(glikolu etylenowego)) w recyklacie biodegradowalny. Dodatki recyklatów degradowalnych wywieraj¹ istotny wp³yw na zachowanie siê badanych tworzyw po ich zdeponowaniu w kompoœcie. Mieszanki zawieraj¹ce jako g³ówny dodatek recyklat oksodegradowalnej folii polietylenowej po kompostowaniu cechowa³y siê wy sz¹ wartoœci¹ wytrzyma- ³oœci na rozci¹ganie i ni sz¹ wartoœci¹ wyd³u enia wzglêdnego przy zerwaniu w stosunku do w³asnoœci w stanie wyjœciowym. Za efekt ten odpowiedzialnoœæ ponosi najprawdopodobniej krystalizacja polietylenu. Na skutek degradacji wywo³anej obecnoœci¹ prodegradantów zawartych w recyklacie folii skróceniu uleg³y ³añcuchy polimerowe co u³atwi³o uporz¹dkowanie struktury materia- ³u. Nie bez znaczenia dla szybkoœci degradacji pozostaje z pewnoœci¹ fakt, ci¹g³ego dostêpu do próbek powietrza wykorzystany kompost nie mia³ zwartej postaci. Zgodnie z przewidywaniami, po kompostowaniu wyst¹pi³o wyraÿne pogorszenie w³aœciwoœci mechanicznych mieszanek zawieraj¹cych dodatki recyklatu biodegradowalnego polilaktydu. Ju po trzech miesi¹cach biodegradacji dla próbek zawieraj¹cych co najmniej 20% recyklatu PLA wyst¹pi³o wyraÿne zmniejszenie wartoœci wyd³u enia wzglêdnego przy zerwaniu. Efekt ten pog³êbi³ siê po 18 miesi¹cach przebywania próbek w kompoœcie, co zobrazowano na rysunku 12. Za zmniejszenie elastycznoœci próbek badanych materia³ów zawieraj¹cych biodegradowalny recyklat odpowiedzialnoœæ ponosi najprawdopodobniej rozk³ad hydrolityczny pod wp³ywem wody zawartej w kompoœcie oraz degradacja enzymatyczna pod wp³ywem mikroorganizmów bytuj¹cych w rozk³adaj¹cej siê materii organicznej. Ich synergistyczne dzia³anie doprowadzi³o do skrócenia ³añcuchów poli(kwasu mlekowego) i powstania karbów w postaci w erów i pêkniêæ widocznych na zdjêciach mikroskopowych (rysunki 13 15). Wraz ze zmniejszeniem elastycznoœci badanych mieszanek wywo³anej degradacj¹ fazy kompostowalnej wyst¹pi³o obni enie wartoœci wytrzyma³oœci na rozci¹ganie. Jak mo na zauwa yæ na rysunkach 9 i 11 gêstoœæ izolinii obrazuj¹cych zmianê wytrzyma³oœci na rozci¹ganie roœnie wraz ze zwiêkszaniem siê w mieszance zawartoœci recyklatu biodegradowalnego. Po 18 miesi¹cach kompostowania próbka czystego recyklatu PLA utraci³a 60% swojej pierwotnej wytrzyma- ³oœci. Analizuj¹c dane przedstawione na rysunku 11 obrazuj¹cym wzglêdn¹ zmianê naprê enia niszcz¹cego przy zerwaniu po 18 miesi¹cach kompostowania, dostrzec mo na, e wraz ze zwiêkszeniem w materiale zawartoœci oksodegradowalnego polietylenu zmniejszeniu ulega wp³yw dodatku biodegradowalnego PLA. Degradacja PE oks i zwi¹zane z ni¹, opisane powy ej, zmiany struktury czêœciowo kompensuj¹ wp³yw degradacji poli(kwasu mlekowego). Przytoczone w niniejszym artykule wyniki badañ œwiadcz¹ o pozytywnym wp³ywie dodatku recyklatów degradowalnych na zwiêk-

11 Zmiany wybranych w³asnoœci mieszanin PE HD z recyklatami degradowanymi po ich kompostowaniu 213 szenie podatnoœci polietylenu na degradacjê w warunkach kompostowania. Mieszanka handlowego, stabilnego polietylenu i recyrkulowanego tworzywa okso- lub biodegradowalnego staje siê wra liwa na warunki panuj¹ce w rozk³adaj¹cej siê materii organicznej. Fakt ten stanowiæ mo e przes³ankê do podjêcia prób wykorzystania opisanych mieszanek do produkcji wyrobów zdolnych do rozk³adu po ich zdeponowaniu w œrodowisku naturalnym. Dodatkowym atutem takiego rozwi¹zania jest mo liwoœæ odzyskania czêœci energii w³o onej w syntezê tworzyw degradowalnych. Jest to szczególnie istotne, gdy weÿmie siê pod uwagê fakt, e energia ta uleg³aby bezpowrotnej utracie w przypadku bezpoœredniego poddaniu materia³u okso- lub biodegradowalnego procesowi degradacji. Bibliografia 1. Kolarz-Czaplicka, K. Foresight technologiczny materia³ów polimerowych w Polsce: analiza stanu zagadnienia. Poznañ: Wydawnictwo IWM, ygad³o, M. Strategia gospodarki odpadami komunalnymi. Poznañ: Wydawnictwo Polskiego Zrzeszenia In ynierów i Techników Sanitarnych, Bortel, K. Materia³y polimerowe w opakowaniach i ich zagospodarowanie. Opakowania. 2009, Figiel, A. W³aœciwoœci reologiczne tworzywa biodegradowalnego wyznaczone na podstawie cyklicznego testu relaksacji naprê eñ. Inzynieria Rolnicza. 2008, Figielek, A. Biodegradowalne tworzywo sztuczne. Recykling. 2001, Kaplan, D. Biopolimers from renewable resources. Heidelberg: Wydawnictwo Springer, Kowalczuk, M. Polimery biodegradowalne recykling organiczny, ale nie tylko. Recykling. 2006, Tschan, M., i inni. Synthesis of biodegradable polymers from renewable resources. Polymer Chemistry. 2012, Mucha, M. Polimery a ekologia. ódÿ: Wydawnictwo Politechniki ódzkiej, Szlezyngier, W. Tworzywa Sztuczne. Tom 3. Rzeszów: Wydawnictwo FOSZE, Tin L., Tiam Ting T. Trends of biodegradable Polymers. JURUTER. 2013, akowska, H. Opakowania biodegradowalne. Recykling. 2005, Rajkiewicz, M. i Miko³ajska, A. Biodegradowalne materia³y polimerowe. Przemys³ Chemiczny. 2009, Nowak, B., abu ek, S. i Paj¹k, J. The susceptibility of polyethylene modified with Bionolle to biodegradation by filamentous fungi. Polymer Journal Environmental Study. 2004, Rychter, P., i inni. Study of aliphatic-aromatic copolyester degradation in sandy soil and its ecotoxicological impact. Biomacromolecules. 2010, Tabone, M., i inni. Sustainability metrics: life cycle assessment and green design in polymers. Environmental science & technology. 2010, US Energy Information Administration. Global oil production up in 2012 as reserves estimates rise again. brak miejsca: US Energy Information Center, Duda, A. Polilaktyd tworzywo sztuczne XXI wieku. Przemys³ Chemiczny. 2003, Kostecka, A. Biopolimer podbija œwiat. Recykling. 2007, Nigam, P. S. i Singh, A. Production of liquid biofuels from renewable resources. Progress in Energy and Combustion Science. 2011, Shi, B., Bunyard, C. i Palfery, D. Plant polymer biodegradation in relation to global carbon managment. Carbohydrate Polymers. 2010, Seljom, P. i Rosenberg, E. A study of oil and natural gas resources and production. International Journal of Energy Sector Management. 2011, Belgacem, M. i Gandini, A. Monomers, Polymers and Composites from Renewable Resources. Amsterdam: Elsevier, Lexmana Reddy, R., Sanjeevani Reddy, V. i Anusha Gupta, G. Study of Bio-plastics As Green & Sustainable Alternative to Plastics. International Journal of Emerging Technology and Advanced Engineering. 3, 2013, Packaging-Gateway. Bioplastics: Time to Act. [Online] Sierpieñ Czaja, N. Opakowania biodegradowalne szans¹ dla œrodowiska. Recykling. 2004, 11.

12 214 B³a ej CHMIELNICKI 27. Duda, A. i Penczek, S. Polilaktyd [poli(kwas mlekowy)]: synteza, w³aœciwoœci i zastosowanie. Polimery. 2003, Angaji, T., Hagheeghatpadjooh, M. i Reza, H. Preparation of Biodegradable Low Density Polyethylene by Starch Urea Composition for Agricultural Applications. Iranian Journal of Chemistry and Chemical Engineering. 2004, Liu, D., i inni. Starch composites reainforced by bamboo cellulosic crystals. Bioresource technology. 2010, Girones, J. High-performance-tensile-strength alpha-grass reinforced starch-based fully biodegradable composites. BioResources. 2013, Sikora, R. Przetwórstwo tworzyw polimerowych. Lublin: Wydawnictwo Politechniki Lubelskiej, Seymour, R. Engineering polymer sourcbook. Nowy Jork: McGraw-Hill, Thermal oxydation during extrusion of polyolefins. Dubrocq, C., i inni. Yamagata: Proceedings of the 22nd Annual Meeting of the Polymer Processing Society, Chmielnicki, B. Wybrane aspekty starzenia wzmocnionych poliamidów. Cz. 1. podatnoœæ poliamidów na proces starzenia. Przetwórstwo Tworzyw. 2009, Szterk, P. i Miko³ajczak, J. Wykorzystanie folii biodegradowalnych przy produkcji kiszonek. Wiadomoœci Zootechniczne. 2007, Jêdrczak, A. Biologiczne przetwarzanie odpadów. Warszawa: Wydawnictwo PWN, Koz³owska, A. Opakowania biodegradowalne zagospodarowanie odpadów. Recykling. 2004, Wypych, G. Handbook of Material Weathering. Netanya: Chemtec Publishing, Floriañczyk, Z., i inni. Polimery syntetyczne i naturalne w nowoczesnych materia³ach wielkocz¹steczkowych. Cz. I. Polimery z surowców odnawialnych i nanokompozyty polimerowe. Polimery. 2009, Puszyñski, A. Polimery: prze³omowe osi¹gniêcia i oddzia³ywanie na œrodowisko naturalne. Chemik. 2009, Sivan, A. New perspectives in plastic biodegradation. Current opinion in biotechnology. 2011, Pillai, C. i Sharma, C. Review paper: absorbable polymeric surgical sutures: chemistry, production, properties, biodegradability, and performance. Journal of biomaterials applications. 2010, Leja, K. i Lewandowicz, G. Polymer Biodegradation and Biodegradable Polymers-a Review. Polish Journal of Environmental Studies. 2010, Tom 19, Singh, B. i Sharma, N. Mechanistic implications of plastic degradation. Polymer Degradation and Stability. 2008, Tom 93, Peanasky, J., Long, J. i Wool, R. Percolation Effects in Degradable Polyethylene- Starch Blends. Journal of Polymer Science. 1991, Prachayawarakorn, J. Properties of thermoplastic rice starch composites reinforced by cotton fiber or low-density polyethylene. Carbohydrate Polymers. 2010, Tom 81, Auras, R., i inni. Poly(lactic acid) Synthesis, Structures, Properties, Processing, and Applications. Hoboken: John Wiley & Sons Inc., Foltynowicz, Z. i Jakubiak, P. Poli(kwas mlekowy) biodegradowalny polimer otrzymywany z surowców roœlinnych. Polimery. 2002, Maharanta, T., Mohanty, B. i Negi, Y. Melt solid polycondensation of lactic acid and its biodegradability. Progress in polymer science. 2009, Tom 34, Garlotta, D. A literature review of poly(lactic acid). Journal of Polymers and the Environment. 2001, Ahola, N., i inni. Hydrolytic degradation of composites of poly(l-lactide-co- -caprolactone) 70/30 and -tricalcium phosphate. Journal of biomaterials applications. 2013, Tom 28, Gopferich, A. Mechanism of polymer degradation and elimination. [aut. ksi¹ ki] A. Domb, J. Kost i D. Wiseman. Handbook of Biodegradable Polymers. Amsterdam: Harwood Academic Publishers, Tsuji, H. i Ikada, Y. Properties and morphology of poly(l-lactide) 4. Effects of structural parameters on long-term hydrolysis of poly(l-lactide) in phosphate-buffered solution. Polymer Degradation and Stability. 2000, Tom 67, Kolstad, J., i inni. Assessment of anaerobic degradation of Ingeo polylactides under accelerated landfill conditions. Polymer Degradation and Stability. 2012, Tom 97, Major-Gabryœ, K., Dobosz, S. i Jakubski, J. The estimation of harmfulness for environment of

13 Zmiany wybranych w³asnoœci mieszanin PE HD z recyklatami degradowanymi po ich kompostowaniu 215 moulding sand with biopolymer binder based on polylactide. Archives of Foundry Engineering. 2011, Jarerat, A., Tokiwa, Y. i Tanaka, H. Poly(L-lactide) degradation by Kibdelosporangium aridum. Biotechnology letters. 2003, Tom 25, Tokiwa, Y. i Calabia, B. Biodegradability and biodegradation of poly(lactide). Applied microbiology and biotechnology. 2006, Tom 72, Ohkita, T. i Lee, S. Thermal degradation and biodegradability of poly(lactic acid)/corn starch biocomposites. Journal of Applied Polymer Science. 2006, Tom 100, Urayama, H., Kanamori, T. i Kimura, Y. Properties and biodegradability of polymer blends of poly(l-lactide) with different optical purity of the lactate units. Macromolecular Materials and Engineering. 2002, Tom 287, Pranamuda, H., Tokiwa, Y. i Tanaka, H. Polylactide degradation by an Amycolatopsis sp. Applied and environmental microbiology. 1997, Tom 63, Tansengco, M. L. i Tokiwa, Y. Comparative population study of aliphatic polyesters degrading microorganisms at 50 C. Chemistry Letters. 1998, Processing and mechanical charakterization of plasticized poly(lactide acid) films for food packaging. Martino, V., Ruseckaite, R. i Jimenez, A. Budapeszt: 8th Polymers for Advanced Technologies International Symposium, Go³êbiewski, J., Gibas, E. i Malinowski, R. Wybrane polimery biodegradowalne otrzymywanie, w³aœciwoœci, zastosowanie. Polimery. 2008, Araújo, A., i inni. Biodegradation assessment of PLA and its nanocomposites. Environmental Science and Pollution Research. 2013, Tom 10, 1.