Polyethylen aditivovaný takzvanými pro-oxidanty by se mohl stát příspěvkem k řešení problémů spojených s plastovým odpadem. Je možné, že se s tímto materiálem již zanedlouho setkáme v každodenním životě. Některé otázky týkající se vlastností a životního cyklu tohoto materiálu jsou však stále otevřené a volají po tom, aby se na nich intenzivně pracovalo.
Plastový odpad se stal všudypřítomnou součástí našeho prostředí a je zřejmé, že veřejnost tento problém sleduje se znepokojením. Významnou součástí tohoto druhu odpadu jsou různé druhy polyethylenových (PE) filmů. PE je jedním z rozhodujících obalových materiálů používaných jak pro výrobky určené konečnému spotřebiteli, tak v průmyslových aplikacích. PE je používán ve velkém měřítku rovněž v zemědělství, kde je ve formě tzv. mulčovacích filmů aplikován přímo na povrch půdy, nebo využíván pro konstrukci různých fóliovníků, tunelů atd.
PE je materiál výjimečných mechanických vlastností, které umožňují vyrábět velkou rychlostí fólie už od tloušťky 8 mm. Cena vstupní suroviny, propracovaná technologie, malá tloušťka fólií a s ní spojené nízké dopravní náklady činí cenu výsledného obalu (například nákupní tašky) natolik nízkou, že PE obalové výrobky jsou používány jen jednou, obvykle pouze velmi krátkou dobu, a poté se stávají odpadem.
PE JE PŘÍLIŠ ODOLNÝ
Krátký nebo omezený servisní čas ostře kontrastuje s pozoruhodnou odolností PE vůči působení mikroorganismů a výsledek tohoto rozporu je viditelný všude kolem nás. Odolnost PE je dána již jeho chemickými a fyzikálními vlastnostmi. PE se skládá z ohromných molekul o molekulové hmotnosti typicky několik set tisíc obsahujících pouze nepolární vazby C-C a C-H. Tyto molekuly jsou navíc velmi těsně uspořádány způsobem, který v některých oblastech materiálu připomíná krystalickou strukturu. Difúze i malých reaktivních molekul, např. kyslíku do takových struktur je velmi omezena.
Ve skutečnosti však není PE tak stabilní, jak by se mohlo z předchozích řádků zdát. Reálný materiál totiž vždy obsahuje ve své struktuře nečistoty a defekty v molekulách, které se stávají centrem reaktivity a vedou k degradaci materiálu. Aby se zabránilo těmto oxidačním procesům, které jsou zvláště významné při zpracování PE, kde zvýšené teploty tyto reakce urychlují, musí být materiál stabilizován přídavkem antioxidantů.
Dá se říci, že každý PE film, se kterým se setkáme, obsahuje určité množství stabilizačních aditiv, jejich přítomnost pak inhibuje oxidaci PE i v dalších etapách jeho životního cyklu a zvyšuje enormně jeho odolnost vůči fyzikálním i biologickým vlivům prostředí.
PE S PRO-OXIDANTY
Řešením, které se nabízí a bylo známo již delší dobu, je přídavek dalšího typu aditiv, takzvaných pro-oxidantů. To je možné za úplného zachování další kroků současné zpracovatelské technologie (!!).
Tyto látky, z chemického hlediska různé komplexy přechodných kovů, v protikladu k antioxidantům urychlují oxidační působení kyslíku. Popsaný princip je znám již poměrně dlouhou dobu, teprve v nedávné době se však podařilo jej dotáhnout do plně použitelné podoby. Obsah antioxidantů a pro-oxidantů musí být totiž přesně vyvážen tak, aby při zpracování nedocházelo k degradaci materiálu, následně byly zachovány (po dobu řekněme jednoho roku) užitné vlastnosti výrobku a poté, kdy je předpoklad, že se výrobek ocitne již na konci svého životního cyklu, došlo vlivem pro-oxidantů k co nejrychlejší oxidaci a totálnímu rozrušení molekulární struktury materiálu. Předpokládá se, že by tento proces mohl v přirozených podmínkách trvat několik let.
Vlivem oxidace katalyzované pro-oxidanty dochází v konečném důsledku ke štěpení makromolekul PE a k razantnímu snížení jejich střední molekulové hmotnosti z původních několika set tisíc na řádově tisíce. Rozštěpené molekuly jsou zakončeny převážně karboxylovými skupinami, případně mohou obsahovat další kyslíkaté polární skupiny.
Těmito hlubokými vnitřními změnami jsou ovlivněny i makroskopické vlastnosti materiálu. Zcela degradovány jsou mechanické vlastnosti a fólie se při nepatrném namáhání láme a rozpadá. Mění se také charakter povrchu, kdy původně silně nepolární povrch se stává mnohem polárnějším a hydrofilnějším.
Můžeme si tedy představit, že odhozený PE film se časem rozpadne na drobné, v podstatě nepostřehnutelné fragmenty, film plovoucí na hladině vody se rovněž rozpadne a fragmenty díky své vyšší hydrofilicitě klesnou je dnu. PE odpad tedy přestane být estetickým problémem, nebude snižovat např. kvalitu kompostu a odpadne nutnost jeho odstraňování při zemědělských aplikacích.
BIODEGRADABILITA OXIDOVANÉHO PE
Jaký je ovšem další osud vzniklých fragmentů? Zmizí zcela činností mikroorganismů, nebo zůstanou v prostředí nepřiměřeně dlouhou dobu, budou se hromadit a případně způsobovat problémy?
PE film, oxidovaný díky přítomnosti pro-oxidantů, je jistě materiálem u něhož lze o možnosti biodegradability uvažovat. Rozhodujícím faktorem je především výrazně snížená molekulová hmotnost. Jak již bylo uvedeno u materiálu, který bude po dobu řekněme tří až pěti let vystaven povětrnostním podmínkám, můžeme očekávat pokles střední molekulové hmotnosti na hodnoty řádu tisíců.
Takové hodnoty jsou stále pravděpodobně příliš vysoké na to, aby byla přímá biodegradace těchto molekul možná. Z obrázku si ale můžeme všimnout, že významná část distribuce leží v oblasti menší než jeden tisíc. Takové molekuly by se již podle současných představ mohly dostat do buněk mikroorganismů a jejich biodegradace by tedy byla možná.
Existují jasné důkazy, že malé molekuly vznikající při oxidaci PE, jsou mikroorganismy velmi rychle rozloženy. Dalším důležitým momentem je přesvědčení, že abiotická oxidace stále pokračuje, a doposud příliš velké molekuly jsou dále štěpeny na menší. Celkově můžeme konstatovat, že úplná biodegradace PE filmu s pro-oxidanty je v časovém horizontu např. deseti let možná.
Problémem zůstává, že v současné době je k dispozici málo experimentálních výsledků, které by biodegradabilitu potvrzovaly. Publikovány jsou pouze dvě studie, které přinášejí přímé důkazy o výrazné degradaci oxidovaného PE v půdních a kompostovacích podmínkách.
BLÍZKÁ BUDOUCNOST
Zdá se, že v současné době se zájem o PE s pro-oxidanty zvyšuje. Můžeme se tedy brzo dočkat, že tyto výrobky proniknou do našeho každodenního života například ve formě nákupních tašek, nebo sáčků, které dostaneme v supermarketu.
Současný model tedy vypadá tak, že výrobce si zakoupí aditiva, která v doporučeném dávkovaní přidá do PE a materiál oproti minulosti nezměněným způsobem zpracuje. Právě tato praxe by se mohla stát velkým problémem. Jak bylo uvedeno výše, je PE vždy již od výrobce stabilizován, aby bylo možné jeho zpracování. Tyto stabilizátory (= antioxidanty) pak mohou interferovat s činností pro-oxidantů a způsobovat, že se materiál nechová očekávaným a chtěným způsobem.
Naše laboratoř se podílí na testovaní těchto materiálů a naší snahou je také přispět k pochopení mechanismu biodegradace oxidovaného PE v různých prostředích a úlohy různých skupin mikroorganismů v tomto procesu.
Mgr. Marek Koutný, PhD.
Fakulta technologická,
Universita Tomáše Bati ve Zlíně
