Zauważyliście być może w informacji o naszych naczyniach, iż stosujemy do ich produkcji PLA. Co właściwie oznacza ten skrót?

PLA (ang. polylactic acid) to polilaktyd, poli(kwas mlekowy) – całkowicie biodegradowalny polimer otrzymywany z surowców roślinnych. Innymi słowy to alifatyczny poliester liniowy, produkowany głównie z kwasu mlekowego.

 

Skąd się wzięło?

Problemy z rosnącą ilością odpadów z tworzyw sztucznych skłoniły badaczy do poszukiwania nowych biodegradowalnych materiałów polimerowych, które zachowywałyby właściwości użytkowe konwencjonalnych tworzyw sztucznych, a jednocześnie ulegały utylizacji w wyniku kompostowania. Tak właśnie opracowano PLA – podatne na działania mikroorganizmów, ulegające rozpadowi w wyniku przemian biochemicznych.

Biopolimery uzyskiwane z odnawialnych źródeł naturalnych, których przykład stanowi PLA, są szczególnie pożądane z ekologicznego punktu widzenia.

 

Właściwości i zastosowanie

Właściwości mechaniczne polilaktydu w połączeniu z biozgodnością i biodegradowlanością stwarzają możliwość wykorzystania tego materiału do różnych zastosowań. Pod względem właściwości PLA zbliżony jest do polistyrenu, jednakże zmodyfikowany posiada właściwości zbliżone do polipropylenu i polietylenu.

Najczęściej spotykany jest w formie granulatów. Granulaty PLA i jego blend stosowane są właśnie do produkcji np. folii, kubków, butelek, włókien, włóknin.


Obszary zastosowania PLA, jego mieszanek i kopolimerów…

…to nie tylko szybko rozkładające się materiały opakowaniowe. Światowy rynek dla polimerów i tworzyw transparentnych jest ogromny. Znajdują one zastosowanie w medycynie, przemyśle budowlanym, technice, optyce i przemyśle samochodowym. Tworzywa z surowców odnawialnych stosuje się w ogniwach fotowoltaicznych ze względu na ich przeźroczystość i niższe koszty produkcji.

Jednym z pierwszych kierunków zastosowań PLA była właśnie medycyna. Poli(kwas mlekowy) oraz jego biodegradowalne kopolimery początkowo stosowano do produkcji resorbowalnych nici chirurgicznych. Kopolimer ten wykorzystano ponadto do produkcji implantów i kapsułek służących do kontrolowanego uwalniania leków. Z polilaktydu o odpowiedniej wytrzymałości otrzymywano też ortopedyczne śruby oraz druty wspomagające leczenie urazów kości. Jednym z zastosowań PLA są wykonane z niego i kopolimerów błony do leczenia rozległych ran (np. poparzeniowych). Taki przezroczysty i resorbowalny opatrunek stanowi barierę dla bakterii i przyspiesza proces gojenia. Z włókien na podstawie PLA produkuje się maski chirurgiczne, opatrunki, kompresy, odzież dla personelu medycznego, tkaniny na stół operacyjny, środki higieny osobistej, np. waciki kosmetyczne, pieluchy, chusteczki higieniczne.

 

Biodegradowalność i dobra wytrzymałość PLA predestynują polilaktyd do wykorzystania jako materiał opakowaniowy. Przetwarza się go na włókna, folie orientowane i giętkie metodą rozdmuchiwania lub wylewania, używa do powlekania papieru oraz formowania wtryskowego. Folie orientowane z PLA mogą służyć do produkcji etykiet i taśm, natomiast z folii giętkich wytwarza się opakowania żywności, torby na odpady, a z folii wykonanych metodą wylewania – tacki. Przetwarzanie PLA pozwala na wykorzystanie go do produkcji butelek na napoje oraz innych opakowań żywności i pojemników o sztywnych ściankach. Ze spienionego PLA produkuje się tacki do pakowania żywności lub materiał wypełniający opakowania transportowe.

Poli(kwas mlekowy) może być również stosowany do powlekania papieru i co ważne nie utrudnia on jego recyklingu.

Kolejnym sektorem, w którym materiały z polilaktydu znajdują zastosowanie, jest rolnictwo i ogrodnictwo. Folie z PLA wspomagają uprawę warzyw bez konieczności dodatkowego używania pestycydów i herbicydów, stwarzają bowiem odpowiedni mikroklimat przyspieszający wzrost warzyw. Zabezpieczają je przed mrozem, gradem oraz szkodnikami, umożliwiając jednocześnie swobodną cyrkulację powietrza i przenikanie wody opadowej. Folie z PLA nie wymagają kłopotliwego usuwania, bowiem w ciągu 50 dób, w wyniku procesów hydrolizy, PLA degraduje do oligomerów kwasu mlekowego, które przenikają do gleby i następnie zostają przekształcone w H2O, CO2 i humus.



PLA łączy się z wieloma dodatkami dla specjalnych zastosowań.

Stosuje się:

- blendy z polisacharydami:

· skrobią, która obniża cenę i skraca czas biologicznego rozkładu,

· celulozą w postaci włókien, zwiększającą sztywność i odporność na temperaturę,

- blendy z napełniaczami nieorganicznymi:

· talkiem, miką, szkłem, etc.,

- blendy z kauczukiem naturalnym, elastomerami poliuretanowymi, alifatycznymi poliestrami, alifatyczno/aromatycznymi poliestrami, modyfikowanymi funkcjonalnymi elastomerami poliolefinowymi – co daje większą wytrzymałość na pękanie przy rozciąganiu (np. odporność kubka na pękanie po jego ściśnięciu),

- blendy z poliacetalami pozwalają na otrzymanie transparentnych produktów, nawet przy zawartości 30% acetalu – mają one dobrą odporność termiczną,

- mieszanki z poliakrylanami, a zwłaszcza PMMA – folie z nich są transparentne, mają wyższą temperaturę zeszklenia, lecz niższą krystaliczność w stosunku do czystego PLA,

- dodatek poliwęglanów – poprawia odporność na temperaturę i wytrzymałość na pękanie przy rozciąganiu. Firmy Fujitsu i Toray opracowały blendę 50/50 PC&PLA do zastosowań w notebookach,

- mieszanki z ABS – blendy te są nieprzeźroczyste, z właściwościami fizycznymi i termicznymi charakterystycznymi dla mieszanek dwufazowych.

Niewątpliwą zaletą PLA jest możliwość regulowania szybkości jego biodegradacji. Może ona wynosić kilka miesięcy lub kilka lat, w zależności od wymagań wobec produktów wykonanych z PLA.

Ze względu na chiralną naturę kwasu mlekowego można wyróżnić kilka form polilaktydu: poli-L-laktyd (PLLA), poli-D-laktyd (PDLA).

Temperatura topnienia PLA wynosi generalnie od 150-180 stopni Celsjusza, jest uzależniona od stopnia krystaliczności polimeru. Można ją podwyższać poprzez mieszanie PLLA z PDLA, nawet o 40-50 stopni. Na szybkość biodegradacji PLA także wpływa między innymi stopień jego krystaliczności.

Blendy PLLA i PDLA poszerzają możliwości zastosowań PLA. Takie mieszanki nadają się np. do produkcji materiałów (można je prasować), naczyń do mikrofalówek, opakowań na gorące produkty.

 

Sposób produkcji

Do produkcji PLA najczęściej wykorzystywana jest kukurydza lub buraki cukrowe. Do wyprodukowania 1 kg PLA potrzebne jest ok. 2,5 kg ziarna kukurydzy (o wilgotności 15%). Ilość ta zależna jest od zawartości skrobi w ziarnach oraz od wydajności każdego z etapów procesu produkcji polimeru: konwersji skrobi do dekstrozy, konwersji dekstrozy do kwasu mlekowego i reakcji polimeryzacji (wg danych Nature Works).

Jedną z metod produkcji polikwasu mlekowego jest reakcja polimeryzacji z otwarciem pierścienia (ring opening polimerization, skrót ROP). W procesie fermentacji surowców roślinnych powstaje kwas mlekowy, który jest najpierw oligomeryzowany w reakcji polikondensacji, a następnie w reakcji dehydratacji przekształcany w cykliczny dimer i polimeryzowany w reakcji ROP.

Inną metodą produkcji PLA jest reakcja polikondensacji, jednakże w jej wyniku otrzymuje się polimer o niższej masie cząsteczkowej niż podczas ROP. W reakcji polikondensacji masy cząsteczkowe wynoszą ok 16.000, podczas gdy polimeryzacja z otwarciem pierścienia daje masy cząsteczkowe 20.000 do 680.000.

 

Opracowano na podstawie:

Foltynowicz Z., Jakubiak P.: Polimery 2002, 47, nr 11-12;

https://www.tworzywa.pl/wiedzopedia/czytelnia/pla-polikwas-mlekowy,405.html