Биологическая смола против ПП+СТ и ПЭ+СТ: объяснение экологических пластиков

Переход к более экологичным пластиковым материалам привел к появлению трех все более определенных категорий смол: экологически чистая смола на биологической основе, ПП СТ (полипропилен, смешанный с крахмалом) и ЧП СТ (полиэтилен, смешанный с крахмалом). Каждый из них представляет собой отдельную стратегию уменьшения воздействия пластиковых изделий на окружающую среду, и ни один из них не является универсальной заменой другим. Смолы на биологической основе отдают приоритет возобновляемым источникам сырья и могут обеспечить настоящую биоразлагаемость в зависимости от рецептуры. Смеси PP ST и PE ST сохраняют удобство обработки и механические свойства обычных полиолефинов, но при этом включают крахмал для частичного снижения содержания ископаемого топлива, а в некоторых рецептурах ускоряют разложение. Правильный выбор этих материалов требует понимания их фактического состава, эксплуатационных характеристик, условий сертификации и поведения в конце срока службы — все это существенно отличается от маркетинговых описаний.

Что на самом деле означает экологически чистая смола на биологической основе

«Биологическое происхождение» — это описание исходного сырья, а не заявление о биоразлагаемости. Смола на биологической основе — это смола, в которой часть или весь углерод получен из биологических источников — обычно из сельскохозяйственных культур, таких как кукуруза, сахарный тростник, маниока или целлюлоза из древесной массы, — а не из нефти. Содержание биологического происхождения поддается количественной оценке и проверке с помощью тестирования соотношения изотопов углерода-14, стандартизированного в соответствии с АСТМ Д6866 и ИСО 16620 .

Наиболее коммерчески значимые смолы на биологической основе, производимые в настоящее время, включают:

• НОАК (полимолочная кислота) : Получено из ферментированных растительных сахаров (в основном кукурузы или сахарного тростника). Биологический контент обычно около 100% . Компостируется в промышленных условиях (EN 13432/ASTM D6400). Широко используется в упаковке пищевых продуктов, одноразовой посуде и нити для 3D-печати.
• Био-ПЭ (полиэтилен на биологической основе) : производится из биоэтанола, полученного из сахарного тростника, в первую очередь компанией Braskem под брендом «I'm green». Химически идентичен ископаемому полиэтилену — не биоразлагаемый - но имеет преимущество в виде возобновляемого углеродного следа примерно Экономия CO₂e 2,15 кг на кг произведенной смолы.
• Био-ПП (полипропилен на биологической основе) : Все еще развивается в коммерческом плане. На некоторых маршрутах используется пропилен на биологической основе из пропанола, полученного из сахарного тростника. Биологический контент и доступность зависят от поставщика.
• PBAT (полибутиленадипаттерефталат) : биоразлагаемый полимер на нефтяной основе, который часто смешивают с НОАК или крахмалом для повышения гибкости и прочности компостируемых пленок.
• ТПС (термопластичный крахмал) : Чистый или пластифицированный крахмал, переработанный в термопластическую форму. Полностью биологический и биоразлагаемый, но ограничен чувствительностью к влаге и механическими свойствами — обычно используется как компонент смеси, а не как отдельная смола.

Критическое различие: биологические продукты — это не то же самое, что биоразлагаемые.

Это различие является наиболее часто неправильно понимаемым аспектом экологически чистых смол. Био-ПЭ, например, производится из возобновляемого сахарного тростника, но сохраняется в окружающей среде так же долго, как и обычный полиэтилен на основе нефти. И наоборот, ПБАТ получают из нефти, но он действительно биоразлагаем в условиях компостирования. Профиль экологического окончания срока службы материала определяется его химической структурой, а не происхождением сырья. Спецификаторы и покупатели должны оценивать оба параметра независимо.

Полипропиленовая смола PP ST: состав и характеристики

PP ST обозначает полипропиленовую смолу. в состав которых входит крахмал — обычно кукурузный или маниоковый — в качестве функциональной добавки или наполнителя. Содержание крахмала в коммерческих марках ПП ST обычно варьируется от от 10% до 50% по весу , причем составы с содержанием крахмала выше 30% более распространены в приложениях, направленных на снижение содержания ископаемого топлива или ускоренное разложение.

Как крахмал изменяет свойства полипропилена

Крахмал и полипропилен термодинамически несовместимы без химии, обеспечивающей совместимость: крахмал гидрофильен (притягивает воду), а ПП гидрофобен (водоотталкивает). Использование хорошо разработанных компаундов PP ST. ПП с привитым малеиновым ангидридом (PP-g-MAH) или аналогичные связующие агенты для улучшения межфазной адгезии между гранулами крахмала и полимерной матрицей. Без адекватной совместимости крахмал действует как концентратор напряжений, снижая прочность на разрыв и удлинение при разрыве.

Типичные эффекты включения крахмала в ПП при содержании 20–30%:

• Снижение прочности на разрыв 10–25% по сравнению с чистым ПП, в зависимости от загрузки компатибилизатора
• Сниженный индекс текучести расплава — крахмал увеличивает вязкость расплава, что требует корректировки температуры обработки.
• Повышенная жесткость (модуль) при умеренных нагрузках крахмала благодаря эффекту жесткого крахмального наполнителя.
• Улучшенные печатные свойства и поверхностная энергия в некоторых составах, что полезно для этикетирования и адгезии чернил.
• Поглощение влаги увеличивается с увеличением содержания крахмала — это актуально для упаковочных применений, подверженных воздействию влаги.

Поведение деградации PP ST

Обычное маркетинговое заявление о том, что материалы PP ST являются «биоразлагаемыми» или «оксоразлагаемыми». Реальность более тонкая. Крахмальная фракция в ПП СТ действительно биоразлагаема — ее могут метаболизировать микроорганизмы. Однако после разложения крахмала оставшаяся полипропиленовая матрица распадается на более мелкие кусочки, которые не подвергается дальнейшему биоразложению стандартными микробными путями. При этом образуются фрагменты микропластика, а не полная минерализация. По этой причине Директива Европейского Союза об одноразовых пластиках специально ограничивает использование оксоразлагаемых пластиков. PP ST не следует называть полностью биоразлагаемым. если это не подтверждено сертифицированными данными испытаний на компостирование в соответствии с ИСО 14855 или ASTM D5338.

Полиэтиленовая смола PE ST: состав и характеристики

PE ST является полиэтиленовым эквивалентом PP ST — смеси полиэтилена (чаще всего LDPE или LLDPE для пленок, HDPE для жестких применений) с крахмалом в качестве компонента биологического происхождения. Применяются те же фундаментальные проблемы совместимости, и те же стратегии совместимости — прививка MAH, крахмал с обработанной поверхностью — используются для достижения приемлемых механических свойств.

Почему PE ST чаще используется в пленках, чем PP ST

Полиэтилен, особенно ПЭНП и ЛПЭНП, является доминирующим сырьем для производства пленок, полученных экструзией с раздувом и литьем. Включение крахмала в рецептуры полиэтиленовых пленок позволяет производителям частично заменять ископаемое сырье, сохраняя при этом технологичность выдувания пленки, которой известен полиэтилен. Коммерческая пленка PE ST класса содержание крахмала 15–30 % могут обрабатываться на стандартном оборудовании для выдувания пленки с умеренной регулировкой скорости шнека и температуры, что делает их доступными для переработчиков без капиталовложений в новое оборудование.

Общие области применения PE ST включают:

• Сумки для переноски и сумки для покупок продаются как альтернативы «частично биологическим» или «смешанным крахмалом».
• Пленки для сельскохозяйственной мульчи, в которых содержание крахмала может способствовать более быстрой фрагментации полей (хотя заявления о полном биоразложении требуют отдельной сертификации)
• Мешки для мусора и мешки для мусора, критерием покупки которых является пониженное содержание ископаемого топлива.
• Мягкая обертка для упаковки в тех случаях, когда приоритетом является умеренная защита от влаги и снижение затрат.

Механические компромиссы в пленках PE ST

При содержании крахмала более 20% пленки PE ST демонстрируют заметное снижение ударной вязкости и сопротивления разрыву по сравнению с ненаполненным полиэтиленом — свойства, которые имеют решающее значение для пакетов и пакетов. Удар при падении дротика может уменьшиться на 30–50% при 30% загрузке крахмала без оптимизированной совместимости. Для применений, где требуется устойчивость к проколу и разрыву, марки PE ST должны быть специально проверены на соответствие механическим спецификациям применения, а не предполагаться, что они эквивалентны чистой полиэтиленовой пленке.

Параллельное сравнение всех трех категорий смол

Сертификация и маркировка: что следует проверить перед указанием

Рынок экологически чистых пластмасс содержит значительный риск «зеленого отмывания». К описаниям материалов, таких как «экологичный», «зеленый пластик» или «биоразлагаемая смесь» без подтверждения сертификационных данных, следует относиться скептически. Следующие стандарты предоставляют проверяемые и оцениваемые третьей стороной тесты:

Стандарты биоразлагаемости и компостируемости

• EN 13432 (Европа) : Основной стандарт промышленной компостируемости упаковки. Требует биоразложения ≥90% в течение 6 месяцев, полного распада на фрагменты размером ≤2 мм в течение 12 недель и отсутствия экотоксичности для компоста. PLA, сертифицированный по стандарту EN 13432, соответствует требованиям к настоящей компостируемой упаковке в государствах-членах ЕС.
• ASTM D6400 (США) : Североамериканский эквивалент промышленного компостируемого пластика. Требования во многом аналогичны стандарту EN 13432, но с некоторыми различиями в условиях испытаний и пороговых значениях прохождения.
• ISO 14855 : метод лабораторных испытаний для определения окончательного аэробного биоразложения пластиковых материалов в контролируемых условиях компостирования, часто упоминаемый как основной тест в сертификации EN 13432 и ASTM D6400.
• TÜV Austria OK компост ПРОМЫШЛЕННОСТЬ / OK компост ГЛАВНАЯ : Сторонние программы сертификации широко признаны в Европе. Вариант «HOME» проверяет компостируемость при более низких температурах (окружающие условия садового компоста) — значительно более строгий стандарт, чем сертификация промышленного компоста.

Стандарты биологического контента

• АСТМ Д6866 : Измеряет долю углерода в материале биогенного (возобновляемого) происхождения с помощью радиоуглеродного (¹⁴C) анализа. Результаты выражены в процентах от углерода биологического происхождения. Этот тест проверяет только происхождение сырья и ничего не говорит о биоразлагаемости.
• ИСО 16620 : Международная эквивалентная система определения биологического содержания, состоящая из нескольких частей, охватывающих различные методы экспрессии (биологическое содержание углерода, биологическое массовое содержание).
• Знаки DIN CERTCO / TÜV Austria «рассадный» и «биологический» : Программы сертификации на уровне продукта, которые сочетают тестирование ASTM D6866 с проверкой цепочки поставок, обеспечивая маркировку, ориентированную на рынок, с указанием проверенного процентного содержания биологического содержания.

Для материалов PP ST и PE ST единственным универсально проверяемым заявлением без полной сертификации компостирования является содержание углерода на биологической основе согласно ASTM D6866. Для заявлений о биоразлагаемости и компостируемости требуются данные в соответствии с ISO 14855, EN 13432 или ASTM D6400, а для этих смесей эти данные редко доступны, поскольку остаточная полиолефиновая матрица не позволяет пройти все критерии сертификации компостирования.

Рекомендации по обработке для каждого типа смолы

Все три материала можно обрабатывать на обычном термопластическом оборудовании, но к каждому предъявляются особые требования, влияющие на эффективность производства и качество деталей.

Переработка биосмол

• PLA : Требует тщательной предварительной сушки до температуры ниже 250 частей на миллион влаги перед обработкой, чтобы предотвратить гидролитическое разложение. Диапазон температур плавления узкий (обычно 170–210°С ) по сравнению с ПП или ПЭ, а время пребывания в бочке должно быть сведено к минимуму. PLA чувствителен к тепловому сдвигу — горячеканальные системы требуют тщательного контроля температуры. Несовместим с традиционными потоками переработки полиэтилена или полипропилена и должен разделяться.
• Био-ПЭ : Процессы идентичны ископаемому полиэтилену высокой плотности или полиэтилену низкой плотности — применяются те же температурные профили, конструкции шнеков и инструменты. Такая совместимость является одним из основных коммерческих преимуществ Bio-PE.

Обработка ПП СТ

Компаунды ПП ST обычно можно обрабатывать на стандартном оборудовании для литья под давлением или экструзии ПП с умеренными корректировками. Основные примечания по обработке:

• Температуру плавления следует поддерживать в пределах 180–210°С для предотвращения термической деградации крахмала, вызывающей изменение цвета и запаха
• Для сортов с высоким содержанием крахмала рекомендуется предварительная сушка, чтобы уменьшить дефекты поверхности, вызванные паром.
• Противодавление и скорость шнека должны быть умеренными, чтобы свести к минимуму сдвиговый нагрев крахмальной фракции.

Обработка ПЭ СТ

Пленки PE ST требуют аналогичных мер предосторожности, что и PP ST, но в более низком температурном диапазоне обработки PE ( 150–190°С для пленки LDPE/LLDPE, полученной экструзией с раздувом). Содержание крахмала выше 25% может потребовать регулировки зазора фильеры и увеличения давления выдувания для поддержания стабильного образования пузырьков. Качество поверхности и блеск могут быть хуже по сравнению с ненаполненной полиэтиленовой пленкой, что влияет на ее пригодность для применений, требующих превосходных оптических свойств.

Соответствие области применения: какая смола для какого конечного использования

Решение между смолой на биологической основе, PP ST и PE ST в конечном итоге определяется конкретными требованиями к производительности и сроком окончания срока службы целевого приложения. Следующая схема помогает согласовать выбор материала с реальными требованиями:

Пути прекращения эксплуатации: переработка, компостирование и реальность свалок

Обращение с истекшим сроком службы — это тот момент, когда практическая разница между этими смолами в окружающей среде становится наиболее значимой и чаще всего искажается.

• Био-ПЭ : Пригоден для вторичной переработки в существующем потоке отходов полиэтилена. По химическому составу он идентичен ископаемому полиэтилену, и его невозможно отличить с помощью обычного сортировочного оборудования. Это главное практическое преимущество: упаковку из биополиэтилена можно собирать, сортировать и перерабатывать через созданную муниципальную инфраструктуру переработки без каких-либо изменений в технологии сортировки или переработки.
• PLA : Требуется отделение от обычных пластиков для правильного обращения по окончании срока службы. Загрязнение ПЛА в потоках вторичной переработки ПЭ или ПП ухудшает качество вторсырья. Подлинная компостируемость требует доступа к промышленным предприятиям по компостированию, работающим на 55–60°С — инфраструктура, которая остается ограниченной во многих регионах. Домашнее компостирование PLA возможно только со специально сертифицированными для домашнего компостирования сортами, и оно происходит значительно медленнее, чем промышленное компостирование.
• ПП СТ и ПЭ СТ : Эти смеси проблематичны как для переработки, так и для компостирования. Содержание крахмала снижает качество вторичной переработки, когда эти материалы попадают в потоки переработки ПП или ПЭ. В то же время остаточная полиолефиновая матрица означает, что они не могут получить сертификат компостирования. На практике большинство продуктов PP ST и PE ST попадают на свалку, где часть крахмала может разлагаться анаэробно (с образованием метана), а полимерная фракция сохраняется. Крайне важно честно сообщить покупателям об этом ограничении срока службы.

Поэтому наиболее оправданным экологическим позиционированием материалов PP ST и PE ST является уменьшенное содержание ископаемого углерода на единицу веса — измеримое и проверяемое заявление, а не заявления о биоразлагаемости или компостируемости, которые химический состав материала не может подтвердить посредством полной сертификации.