Odvětví polymerů se tradičně spoléhá spíše na suroviny pocházející z ropných zdrojů. Použití polymerních fólií z ropy však přestává být populární zejména v obalovém průmyslu. Chystaná evropská obalová legislativa totiž tlačí celý obor poměrně nekompromisně směrem k udržitelnějším variantám. Výzkum proto intenzivně hledá nové materiály: neznečišťující, ekologické a biologicky rozložitelné. Tým vědců z univerzity v polském Lublinu hledal takové materiály v oblasti biokompozitů, vyrobených z kombinace polysacharidů a dřeva.
Jako výchozí univerzální materiál pro výrobu biopolymerů mohou sloužit polysacharidy, hojně se vyskytující a dostupné rostlinné sacharidové zásobní látky, mezi něž řadíme škrob, pektin, alginát a chitosan. Vyrobené biopolymery však mají zásadní problém – jsou hygroskopické, to znamená, že snadno pohlcují vzdušnou vlhkost. Za vlhka tedy měknou a za sucha tvrdnou. Navíc jsou jejich mechanické vlastnosti horší než u syntetických polymerů. Pro případné použití jako obalového materiálu jsou z tohoto důvodů nepřijatelné.
Do biopolymerních matric se však přidávají různá funkční aditiva, minerální, organická, syntetická a přírodní, která zlepšují jejich fyzikální vlastnosti. Vznikají tak biokompozity: polymer váže a chrání plnivo před vnějšími vlivy, a plnivo modifikuje a vylepšuje matrici. Funkční přísada navíc snižuje množství surovin potřebných k výrobě vlastního materiálu.
Tyto kompozity nabízejí lepší mechanické, tepelné a bariérové vlastnosti a mohou být použity v různých aplikacích. V poslední době jsou biokompozity široce zkoumány, obvykle se však hledalo vhodné plnivo pro syntetické polymery, jako je polypropylen, HDPE, polyvinylalkohol nebo PVC.
Na základě úvahy, že ekologický a levný kompozit vznikne kombinací přírodního plniva a přírodního polymeru, se testovaly také kombinace škrobových matric s celulózovými a lignocelulózovými vlákny nebo prachem z kaučukového dřeva. Tyto biokompozity vykazovaly lepší tepelnou odolnost a mechanické vlastnosti, jako je tuhost a pevnost.
Jako výchozí materiál svých biokompozitů navrhl tým využití běžných materiálů, typických pro zemědělskou krajinu východního Polska, kde se Lublin nachází, a to bramborový škrob a dřevní piliny. Vyznačují se minimálním dopadem na životní prostředí a zároveň naplňují požadavek oběhového hospodářství, aby byly zdroje využívány především lokálně.
Nemodifikovaný bramborový škrob, surový produkt bez chemických, termofyzikálních nebo enzymatických úprav, byl vystaven vysoké teplotě za přítomnosti změkčovadel (vody a glycerolu), což narušilo jeho granulární struktury. Tím vznikl termoplastický škrob (TPS), vhodný pro výrobu kompozitní fólie. Jako plnivo do nového biokompozitu byl vyzkoušen prachový odpad z výroby nábytku, dosud považovaný za ekologický problém.
Při zpracování dřeva na polotovary a hotové výrobky vznikají různé druhy odpadu. Průmyslový dřevní odpad z jehličnatých nebo listnatých stromů se liší typem, formou a kvalitou a je ve formě velkých a malých kusů, hoblin, pilin, dřevního prachu nebo kůry. V Polsku vzniká největší množství průmyslového dřevního odpadu v pilařském průmyslu, konkrétně více než 63 % (odřezky, piliny a kůra). Celkem 14 % připadá na nábytkářský průmysl (dřevěný prach, piliny a hobliny), 13 % pochází z průmyslu desek na bázi dřeva (hobliny, dřevěný prach a kůra) a na celulózový průmysl připadá více než 8 % z celkového množství odpadu (většinou kůra).
Pro biokompozit byl použit odpadní prach ze surového dřeva borovice lesní (Pinus sylvestris) z výroby nábytku. Šlo o odpad vznikající broušením základního řeziva před lakováním, takže byl zcela čistý, bez stop laků nebo jiných látek. Díky jemnému broušení se velikost částic v prachu pohybovala kolem 10 μm a obsahoval kolem 55 % celulózy a zhruba 30 % ligninu.
Získané biokompozitní filmy s různými obsahy pilin jako plniva byly testovány z hlediska mechanických, povrchových a bariérových vlastností. Díky vyššímu obsahu dřevního prachu se biokompozity stávaly tužšími a méně náchylnými k deformaci, přídavek dřevního prachu neměl vliv na smáčecí vlastnosti. Všechny filmy bez ohledu na množství přídavku měly hydrofilní povrch, snížila se jeho rozpustnost i paropropustnost.
Jako optimální se ukázal obsah plniva ve výši dvaceti procent, kdy biokompozit dosáhl své maximální pevnosti. Se zvyšujícím se množstvím dřevného prachu měl film tendenci ke žlutavým tónům.
Získané kompozity z biosložek se ukázaly jako netoxické a ekologicky neutrální materiály, vhodné pro použití v obalovém průmyslu i v zemědělství. Tuto levnější alternativu ke konvenčním polymerům lze použít v sáčcích, fóliích, mulčovacích a krycích fóliích, které se v životním prostředí snadno rozkládají. Materiál podpořil efektivní nakládání s odpadními materiály pocházejícími ze zpracování dřeva a současně snížil spotřebu surovinových zdrojů při výrobě biopolymerů.*
Jarmila Šťastná
