พลาสติกชีวภาพ – อนาคตของอุตสาหกรรมพลาสติก

หากไม่มีพลาสติกสมัยใหม่ การพัฒนาครั้งใหญ่ในอุตสาหกรรมยานยนต์ การบินและอวกาศ และการแพทย์จะไม่สามารถทำได้ พลาสติกส่วนใหญ่ผลิตขึ้นจากการแปรรูปวัตถุดิบที่ไม่สามารถหมุนเวียนได้ขั้นพื้นฐาน – น้ำมันดิบ – และไม่สามารถย่อยสลายได้ทางชีวภาพ ซึ่งเป็นข้อเสียเปรียบหลัก เมื่อมองจากมุมมองทั่วโลก การแสวงหาผลประโยชน์อย่างต่อเนื่องของน้ำมันดิบนำไปสู่การสูญเสียทรัพยากรโดยตรง นี่เป็นปัญหาสำคัญ แม้ว่าในขณะนี้จะไม่สังเกตเห็นได้ชัดเจนเท่า ปัญหาปริมาณขยะที่เกิดจากการใช้พลาสติก คุณควรตระหนักว่าเวลาการสลายตัวในสภาพแวดล้อมทางธรรมชาติอาจนานถึงหลายชั่วอายุคน

ปัญหาขยะ – สถิติเป็นอย่างไร?

การวิจัยระบุว่า 75%ของพลาสติกที่เข้าสู่ตลาดตั้งแต่เริ่มผลิตได้กลายเป็นขยะไปแล้ว คิดเป็น 6.3 พันล้านตัน ซึ่งน้อยกว่า 10%ถูกรีไซเคิล และ 12%ต้องนำพลังงานกลับมาใช้ใหม่ ซึ่งหมายความว่า มีการรวบรวมพลาสติกประมาณ 5 พันล้านตันในหลุมฝังกลบ แต่ยังถูกทิ้งในป่า น้ำ ชายหาด และหลุมฝังกลบผิดกฎหมายที่กระจัดกระจายอยู่ทั่วโลก เป็นของเสียที่เกิดขึ้นในสภาพแวดล้อมทางทะเลที่มีผลกระทบมากที่สุดต่อสิ่งแวดล้อมธรรมชาติและมนุษย์ ปัจจุบัน ปัญหาที่ใหญ่ที่สุดคือขยะชุมชน รวมถึง บรรจุภัณฑ์แบบใช้ครั้งเดียวทิ้ง แม้ว่าขยะจะคิดเป็นประมาณ 8%ของน้ำหนักรวมของขยะทั้งหมด แต่เนื่องจากน้ำหนักจำเพาะต่ำ มันจึงครอบครองปริมาณที่มีนัยสำคัญ ซึ่งคิดเป็นเกือบ 30%ของปริมาณขยะทั้งหมด กลุ่มนี้รวมถึงขวดส่วนใหญ่ที่ทำจากโพลิเอทิลีนเทเรพทาเลต (PET) และถุงช้อปปิ้ง ถุงอาหารเช้าหรือบรรจุภัณฑ์ฟอยล์ที่ทำจากโพลิเอทิลีน (PE) หรือโพลิโพรพิลีน (PP) ผู้รับบรรจุภัณฑ์รายใหญ่ที่สุดคือ อุตสาหกรรมอาหาร ซึ่งบริโภคประมาณ 60%ของบรรจุภัณฑ์ทั้งหมด

ทางเลือกทางนิเวศวิทยา – พลาสติกชีวภาพ

เนื่องจากปัญหาการจัดการขยะพลาสติกที่เพิ่มขึ้น จึงมีการวิจัยเพื่อพัฒนา วัสดุพอลิเมอร์ที่ย่อยสลายได้ทางชีวภาพชนิด ใหม่ ซึ่งเรียกขานกันว่า พลาสติกชีวภาพ วัสดุดังกล่าวควรมีคุณสมบัติที่มีประโยชน์เทียบเท่ากับวัสดุที่ได้จากวิธีการทั่วไป ได้ในระดับอุตสาหกรรมจากทั้ง วัตถุดิบหมุนเวียน และปิโตรเคมี เมื่อเทียบกับพลาสติกแบบดั้งเดิมที่ผลิตจากแหล่งฟอสซิล พลาสติกชีวภาพมีข้อดีที่มีคุณค่าหลายประการ อย่างแรกเลย พวกเขายอมให้วัตถุดิบได้รับการบันทึกด้วยการใช้ชีวมวลที่หมุนเวียนใหม่เป็นวัฏจักร นอกจากนี้ การผลิตและการใช้งานยังเป็นคาร์บอนเป็นกลาง ซึ่งหมายความว่าการแปรรูปไม่ได้มีส่วนทำให้เกิดการผลิตคาร์บอนไดออกไซด์ นอกจากนี้ พลาสติกชีวภาพบางชนิดสามารถย่อยสลายได้ทางชีวภาพ

พลาสติกชีวภาพมีกี่ประเภท?

พลาสติกชีวภาพสามารถแบ่งออกเป็นสามกลุ่มขึ้นอยู่กับแหล่งที่มาของแหล่งกำเนิดและความสามารถในการย่อยสลายทางชีวภาพ:

• พลาสติกที่ได้จากวัตถุดิบหมุนเวียน แต่ไม่สามารถย่อยสลายได้ทางชีวภาพ เช่น โพลิเอไมด์ (PA) โพลิเอทิลีนเทเรฟทาเลต (PET)

• พลาสติกที่ย่อยสลายได้ทางชีวภาพ แต่ไม่ได้มาจากวัตถุดิบหมุนเวียน เช่น 1,4-บิวทิลีน 1,4-บิวทิลีน 1,4-บิวทาไดอีน เทเรฟทาเลต (PBAT) หรือโพลีคาโพรแลกโตน (PCL)

• วัสดุชีวภาพที่ได้จากวัตถุดิบหมุนเวียน (โพลีเมอร์ที่ย่อยสลายได้ทางชีวภาพ) ย่อยสลายได้ทางชีวภาพ เช่น พอลิแลคไทด์ เช่น วัสดุจากกรดโพลิแลกติก (PLA) โพลิไกลโคไลด์ที่มีกรดไกลโคลิก (PGA) หรือแป้งดัดแปร

ในบรรดาวัสดุดังกล่าว PLA (โพลีแลคไทด์) มีบทบาทหลักในเชิงปริมาณซึ่งมีสัดส่วนประมาณ 40%ของพอลิเมอร์ที่ย่อยสลายได้ทางชีวภาพทั้งหมด มักถูกเรียกว่า ‘ดับเบิลกรีน’ เนื่องจากสามารถย่อยสลายได้ทางชีวภาพและได้มาจากวัตถุดิบที่นำกลับมาใช้ใหม่ได้ พอลิแลคไทด์เป็นพอลิเมอร์ที่มีคุณสมบัติคล้ายกับพอลิสไตรีน เนื่องจากมีความแข็งและเปราะ มีอุณหภูมิการเปลี่ยนสถานะคล้ายแก้วประมาณ 57°C และจุดหลอมเหลวในช่วง 170-180°C นอกจากนี้ยังมีคุณสมบัติความแข็งแรงที่ดี (โมดูลความแรง 60 MPa)

ที่ใดใช้วัสดุชีวภาพที่ย่อยสลายได้ทางชีวภาพ

กลุ่มของพลาสติกชีวภาพจากพอลิเมอร์ที่ย่อยสลายได้ทางชีวภาพพบว่ามีการใช้งานในสองด้าน สาขาแรกคือสาขาการ แพทย์และวิศวกรรมเนื้อเยื่อ ที่เชี่ยวชาญเป็นพิเศษ โดยที่พลาสติกชนิดนี้ใช้ในการผลิตส่วนประกอบต่างๆ เช่น เส้นด้ายผ่าตัดที่ดูดซึมทางชีวภาพ เหล็กจัดฟัน คลิปหนีบ การปลูกถ่าย แคปซูลสำหรับควบคุมการจ่ายยา เป็นต้น พื้นที่ที่สองคือ ที่เกี่ยวข้องกับการผลิตบรรจุภัณฑ์จำนวนมาก ฟอยล์สำหรับผลิตภัณฑ์อาหาร ฟอยล์เทอร์โมฟอร์ม ถุงขยะ ถาด ถ้วย ขวด ช้อนส้อม ฟอยล์สวน ผลิตภัณฑ์ใช้แล้วทิ้ง องค์ประกอบการออกแบบภายใน วัสดุเคลือบกระดาษ และสำหรับการพิมพ์ การเปลี่ยนบรรจุภัณฑ์ที่ผลิตจากพลาสติกธรรมดาด้วยวัสดุทดแทนที่ย่อยสลายได้ทางชีวภาพ เป็นส่วนหนึ่งของแนวโน้มเศรษฐกิจของการพัฒนาที่ยั่งยืนและการลดของเสีย

ข้อเสียของพลาสติกชีวภาพ

แม้จะมีข้อดีหลายประการ แต่ก็ควรจำไว้ว่า วัสดุพอลิเมอร์ที่ย่อยสลายได้ทางชีวภาพ ก็มีข้อเสียที่จำกัดการใช้อย่างแพร่หลาย ด้วยเหตุผลนี้ พวกเขายังคงสูญเสียผลิตภัณฑ์ที่ไม่สามารถย่อยสลายได้ในหลายพื้นที่ อย่างแรกเลย พลาสติกชีวภาพที่ย่อยสลายได้ทางชีวภาพมีราคาแพง กว่าที่มีจำหน่ายในท้องตลาดในปัจจุบัน แม้ว่าควรสังเกตว่า ราคาของมันลดลงอย่างต่อเนื่อง คาดการณ์ว่าในปีต่อๆ ไป ราคาอาจเท่ากับราคาของวัสดุพอลิเมอร์แบบคลาสสิกที่มาจากปิโตรเคมี วัสดุหลายชนิดด้อยกว่าวัสดุทั่วไปในแง่ของคุณสมบัติทางกล กล่าวคือ เปราะหรือแข็งเกินไป หรือมีความต้านทานแรงดึงต่ำเกินไป เนื่องจากมีการใช้วัสดุเหล่านี้บ่อยครั้งในการ ผลิตบรรจุภัณฑ์อาหาร จึงจำเป็นต้องมี คุณสมบัติกั้น ที่เหมาะสม สิ่งเหล่านี้มีความสำคัญเนื่องจากการซึมผ่านของออกซิเจน คาร์บอนไดออกไซด์ และไอน้ำ ซึ่งอาจส่งผลเสียต่อผลิตภัณฑ์บรรจุหีบห่อ นอกจากนี้ เนื่องจากความไวของพอลิเมอร์ที่ย่อยสลายได้ทางชีวภาพต่อความร้อน ความชื้น และความเค้นเฉือน ทำให้มีความต้องการในกระบวนการผลิตมากกว่าผลิตภัณฑ์ชนิดเดียวกันที่ไม่สามารถย่อยสลายได้ทางชีวภาพ ด้วยเหตุผลเหล่านี้ พลาสติกชีวภาพอาจถูกย่อยสลายบางส่วนแล้วในขั้นตอนของการแปรรูป ข้อเสียที่กล่าวถึงของวัสดุพอลิเมอร์ที่ย่อยสลายได้ทางชีวภาพเป็นพื้นฐานสำหรับการดำเนินการวิจัยในด้านการปรับปรุงคุณสมบัติหรือจำกัดคุณสมบัติการทำงานที่ไม่เอื้ออำนวย

สารเติมแต่งปรับเปลี่ยนคุณสมบัติของพลาสติกที่ย่อยสลายได้ทางชีวภาพ

พลาสติกชีวภาพประกอบด้วยวัสดุและสารเติมแต่งอื่นๆ นอกเหนือจากพอลิเมอร์ที่ร่วมกันกำหนดความเป็นไปได้ในการประมวลผลและคุณลักษณะของผลิตภัณฑ์ขั้นสุดท้าย สิ่งเหล่านี้สามารถเป็น สารเติมแต่งที่ใช้เพื่อทำให้วัสดุคงตัว เม็ดสี สารตัวเติมต่างๆ หรือสารเติมแต่งที่ทำให้เป็นพลาสติก ( plasticizers ) แม้ว่าสารเติมแต่งการทำให้เป็นพลาสติกจะมีสัดส่วนเพียงเล็กน้อยของส่วนประกอบทั้งหมดในพลาสติก แต่ก็มีความสำคัญอย่างยิ่งสำหรับพลาสติกที่ย่อยสลายได้ทางชีวภาพซึ่งทั้งหมดนั้นสามารถย่อยสลายได้ทางชีวภาพเช่นกัน สารเติมแต่งที่นำมาใช้ระหว่างกระบวนการผลิตจะไม่เปลี่ยนโครงสร้างของพอลิเมอร์ชีวภาพ แต่จะเกิดปฏิกิริยากับโครงสร้างเท่านั้น สิ่งนี้จะเปลี่ยนคุณสมบัติทางเคมีกายภาพของวัสดุ ทำให้ผลิตภัณฑ์มีคุณสมบัติที่จำเป็นในการใช้งาน ควบคู่ไปกับการพัฒนาแบบไดนามิกของพลาสติกชีวภาพสำหรับบรรจุภัณฑ์เฉพาะทาง มีความต้องการสารเติมแต่งที่ทำให้เป็นพลาสติกมากขึ้นซึ่งจะเข้ากันได้กับโพลิเมอร์ที่ย่อยสลายได้ทางชีวภาพและจะทำให้พลาสติกมีคุณสมบัติตามที่ต้องการ

โครงการชีวภาพใหม่ในกลุ่ม PCC

จากการทำงานร่วมกันของแผนกวิจัยของ PCC MCAA และ PCC Exol จึงได้มีการพัฒนากลุ่มผลิตภัณฑ์ใหม่ให้เป็นส่วนหนึ่งของโครงการ CITREX ผลิตภัณฑ์เหล่านี้เป็น พลาสติกสำหรับบรรจุภัณฑ์เฉพาะทาง ฟิล์ม อาหารลามิเนต แต่ยังใช้ในการผลิตของเล่นได้อีกด้วย การพัฒนาผลิตภัณฑ์ที่ตอบสนองความต้องการของตลาดและในขณะเดียวกัน การเป็นนวัตกรรมผลิตภัณฑ์ถือเป็นความท้าทายด้านการวิจัยที่สำคัญ ทั้งการสังเคราะห์ผลิตภัณฑ์ดังกล่าวและการใช้งานต้องได้รับการยอมรับอย่างถี่ถ้วนในหลาย ๆ ด้าน รวมถึงที่เกี่ยวข้องกับเส้นทางการสังเคราะห์ วิธีการวิเคราะห์ การใช้งานที่เป็นไปได้ และข้อมูลเกี่ยวกับผู้บริโภคและคู่แข่งในตลาดเป้าหมาย ดังนั้น เป้าหมายพื้นฐานของโครงการนี้ไม่ได้เป็นเพียงการพัฒนาสารเติมแต่งที่ทำให้เป็นพลาสติก แต่เหนือสิ่งอื่นใดเพื่อให้ได้รับความรู้เกี่ยวกับคุณสมบัติและการใช้งานของผลิตภัณฑ์เหล่านี้

ข้อกำหนดสำหรับพลาสติไซเซอร์สำหรับพลาสติกชีวภาพ

เกณฑ์สำคัญที่ต้องปฏิบัติตาม โดยสารเติมแต่งการทำให้เป็นพลาสติกสำหรับโพลีเมอร์ที่ย่อยสลายได้ทางชีวภาพ คือ:

• ไม่มีการอพยพของพลาสติไซเซอร์ จากพลาสติกชีวภาพภายใต้อิทธิพลของอุณหภูมิและเวลาในการเก็บรักษาที่สูง

การลดการย้ายถิ่นของสารเติมแต่งพลาสติกเป็นส่วนสำคัญในการพัฒนาโครงสร้าง ปรากฏการณ์ของการย้ายถิ่นสามารถเรียกขานว่า "การรั่วไหล" ของพลาสติไซเซอร์ ในกรณีของผลิตภัณฑ์สำเร็จรูป อาจส่งผลให้สูญเสียคุณสมบัติของวัสดุและการเสื่อมสภาพของความสวยงาม – การเปลี่ยนสีของผลิตภัณฑ์หรือการบิดเบือนของรูปแบบ

ในทางปฏิบัติ การย้ายถิ่นสามารถถูกจำกัดโดยการปรับน้ำหนักโมเลกุลที่เหมาะสมของกระด้างไนล (มวลของมัน) และปรับเปลี่ยนโครงสร้างทางเคมีของมันให้มีลักษณะกิ่งหรือเส้นตรงมากขึ้น

• ความสามารถในการย่อยสลายทางชีวภาพ

สารเติมแต่งการทำให้เป็นพลาสติกที่เติมลงในพลาสติกชีวภาพต้องเป็นไปตามเกณฑ์ความสามารถในการย่อยสลายทางชีวภาพ ซึ่งหมายความว่าควรผ่านกระบวนการย่อยสลายตามธรรมชาติได้ง่าย เช่น โดยการทำปุ๋ยหมัก ซึ่งไม่ก่อให้เกิดสารอันตราย วิธีหนึ่งที่จะเพิ่มความสามารถในการย่อยสลายทางชีวภาพของผลิตภัณฑ์คือการใช้วัตถุดิบที่มีต้นกำเนิดจากธรรมชาติ เช่น กรดคาร์บอกซิลิกและวัตถุดิบอื่นๆ ที่ย่อยสลายได้ทางชีวภาพในการสังเคราะห์ทางเคมี

เกณฑ์ที่อธิบายข้างต้นอ้างถึงทั้งการดัดแปลงโครงสร้างทางเคมีและการเลือกวัตถุดิบที่ใช้ ในขณะที่ยังคงรักษาน้ำหนักโมเลกุลที่เหมาะสมของสารประกอบที่กำลังถูกสังเคราะห์ การปฏิบัติตามข้อกำหนดดังกล่าวถือเป็นความท้าทายด้านการวิจัยครั้งใหญ่ในแง่ของการออกแบบสารเติมแต่งที่ทำให้เป็นพลาสติกที่เหมาะสมและดำเนินการสังเคราะห์ ดังนั้น การดำเนินโครงการจึงจำเป็นต้องมีการทดสอบในห้องปฏิบัติการหลายครั้งเพื่อให้ได้สารประกอบที่มีคุณภาพและโครงสร้างที่ทำซ้ำได้

นวัตกรรมของผลิตภัณฑ์ที่กำลังพัฒนา

ความน่าดึงดูดใจของผลิตภัณฑ์ใหม่ในตลาดยังเป็นผลมาจากความ แปลกใหม่ อีกด้วย สารเติมแต่งการทำให้เป็นพลาสติกที่พัฒนาขึ้นภายในโครงการ CITREX มีลักษณะเฉพาะด้วยการ ผสมผสานที่เป็นนวัตกรรมใหม่ของกรดชีวภาพคาร์บอกซิลิก (อำพันและซิตริก) จากธรรมชาติ โพลิออล ที่ผลิตโดย PCC Rokita และล อริลแอลกอฮอล์ ที่ใช้ในผลิตภัณฑ์เครื่องสำอาง จึงไม่เป็นพิษ ในเวลาเดียวกัน ผลิตภัณฑ์ที่ผลิตขึ้นมีน้ำหนักโมเลกุลที่กำหนดไว้อย่างเคร่งครัด ซึ่งมีวัตถุประสงค์เพื่อจำกัดการเคลื่อนย้ายของสารเติมแต่งจากผลิตภัณฑ์ขั้นสุดท้าย เป้าหมายหลักในการออกแบบโครงสร้างโมเลกุลใหม่คือการสร้างโมเลกุลดังกล่าวที่จะโต้ตอบกับพอลิเมอร์ชีวภาพที่มีอยู่ในพลาสติกชีวภาพ (ตามหลักการ "ชอบดึงดูดเหมือน") ซึ่งมีผลต่อการลดกระบวนการย้ายถิ่นและจะนำไปสู่ ตรงตามข้อกำหนดสำหรับสารเติมแต่งพลาสติก การได้รับตัวอย่างผลิตภัณฑ์ในห้องปฏิบัติการถือเป็นขั้นตอนแรกในการวิจัยเบื้องต้นซึ่งเป็นส่วนหนึ่งของโครงการ CITREX ในขณะเดียวกัน ก็เป็นจุดเริ่มต้นของขั้นต่อไป นั่นคือการทดสอบคุณสมบัติการใช้งานของผลิตภัณฑ์ที่กำหนด การตรวจสอบคุณสมบัติของผลิตภัณฑ์เหล่านี้เป็นพื้นฐานในการเลือกใช้งานที่เป็นเป้าหมาย

อนาคตของตลาดพลาสติกชีวภาพ

ตลาดพลาสติกชีวภาพและสารเติมแต่งชีวภาพเป็นตลาดที่มีแนวโน้มเติบโตอย่างรวดเร็วและมีแนวโน้มเติบโตอย่างรวดเร็ว โดยเฉพาะอย่างยิ่งในช่วงที่ผ่านมา ทั้งนี้เนื่องมาจากการเพิ่มความตระหนักของผู้บริโภคเกี่ยวกับ ผลกระทบด้านลบของพลาสติกที่มีต่อสิ่งแวดล้อม ผู้บริโภคที่มีสติกำลังหันมาใช้วัสดุทดแทนทางสิ่งแวดล้อมสำหรับบรรจุภัณฑ์และผลิตภัณฑ์ใช้แล้วทิ้งที่ทำจากพลาสติกทั่วไป เป็นผลให้มีความต้องการเพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่องสำหรับองค์ประกอบต่างๆ ที่ทำจากพลาสติกชีวภาพ เช่น ภาชนะหรือช้อนส้อมที่ทำจาก PLA