Kergemini ümbertöödeldavad bioplastid muudavad keskkonna puhtamaks
Plastjäätmete taaskasutus on terves maailmas suur probleem – Euroopas jõuab taaskasutusse veidi üle veerandi plastjäätmetest ehk veidi rohkem kui Eestis. Selleks, et jõuaks ringmajandusse, peaks taaskasutuse osakaal olema suurem, kirjutab Rauno Sedrik Novaatoris. Tartu Ülikoolis kaitstud doktoritöö raames valmistati lihtsamini taaskasutatavaid materjale eri tüüpi biotoormetest.
Suhkrutest, muu hulgas ka puidus sisalduvast tselluloosist, on võimalik luua ringmajandusele sobilikke polümeermaterjale ning puidutööstuse jäägist, ligniinist, saab valmistada kõrgeid temperatuure taluvaid materjale.
Enamik tänapäeval kasutuses olevast plastist on fossiilse päritoluga – selle tootmiseks kasutatakse naftat ja gaasi. Lisaks sellele on enamikust plastist peale ümbertöötlemist praktiliselt võimatu valmistada uuesti samu asju. Jätkusuutlikuma plastitööstuse jaoks on vaja parandada nii materjalide taaskasutatavust ning muuta plasti lähtetoorainet.
Naftast saadud polümeeride süsinik pärineb miljoneid aastaid tagasi seotud süsihappegaasist, mis vabaneb nende samade materjalide jäätmete põletamisel. Üks lahendus on kasutada taastuvast biotoormest valmistatud plaste, mis oleksid võrreldes naftaga süsinikuringluses positiivsema mõjuga, kuna kasutatav süsinik seoti õhust võrdlemisi hiljuti. Seejuures on oluline, et uute biotoormest loodud materjalide disain paneb rõhku lihtsale ümbertöötlemisele.
Oma doktoritöös valmistasin polümeermaterjale eri tüüpi biotoormest – (puidu)suhkrutest ja ligniinist saadavatest ühenditest. Seejuures pöörasin erilist tähelepanu materjalide taaskasutusele ning madalale keskkonna jalajäljele.
Esmalt uurisin termoplastseid polümeere, mille algne tooraine on eri tüüpi suhkrutest toodetav sidrunhape. Tavaliselt toimub selliste termoplastsete materjalide ümbertöötlemine mehaaniliselt. Kokku kogutud ja sorteeritud plastjääde purustatakse ning pestakse. Lõpuks materjal sulatatakse ning vormitakse uueks tooteks.
Selle puudus on erinevad mehaanilise purustamise ja sulatamise käigus toimuvad kõrvalreaktsioonid. Saadav taaskasutatud materjal koosneb võrreldes algsega lühematest polümeeriahelatest, mis muudab materjali omadused kehvemaks.
Selleks, et parandada materjali ümbertöötlemist, valmistasin polümeerid, mille ahelas on keemilised sidemed, mida on võimalik lõhkuda kindlates tingimustes. Meil õnnestus näidata, et juba peale ühte tundi on võimalik näha polümeeride kontrollitud lagunemist. Täielikult laguneb polümeeriahel oma lähteaineteks mõne tunniga. See annab võimaluse materjalide potentsiaalsele keemilisele taaskasutusele.
Järgmisena uurisin sarnast efekti ristsidestatud polümeerides. Võrreldes tavaliste „sirgete“ nn termoplastsete polümeeridega on ristsidestatud polümeeridel sirged ahelad mitmest kohast omavahel seotud, moodustades polümeervõrgustiku. Ristsidestamine parandab materjali vastupidavust ja tugevust. Seetõttu kasutatakse selliseid võrgustikke eriti nõudlikes rakendustes, (nt tuuleturbiinide labad, autode rehvid, liimid, jm).
Erinevalt termoplastsetest polümeeridest pole polümeervõrgustikke võimalik kuumutades ümber töödelda, muutes nende taaskasutuse peaaegu võimatuks. Meie disainisime ja arendasime sellised ristsidestatud polümeerid, mille ristsidemeid on võimalik eemaldada kindlatel tingimustel. Seejärel saab polümeeri ümber töödelda sarnaselt tavalistele termoplastsetele polümeeridele ning vajadusel uuesti ristsidestada.
Doktoritöö teises osas proovisin biotoormest saada selliste termiliste omadustega polümeere, mida oleks võimalik kasutada näiteks ehituses või autotööstuses. Nimetatud kasutusaladel peavad materjalid säilitama oma omadused pika aja vältel ning olema võimelised taluma ka kõrgemaid temperatuure.
Sageli seisneb biopõhiste plastide nõrk koht just nende madalas pehmenemistemperatuuris. Sellest temperatuurist kõrgemal hakkab materjal pehmenema ning see pole enam kasutatav. Näiteks on kõige laiemalt levinud biopõhise polümeeri, polüpiimhappe (PLA), pehmenemistemperatuur umbes 55 °C.
Selleks, et saavutada kõrgemat pehmenemistemperatuuri, kasutasin lähtematerjalina paberitööstuse jäägist, ligniinist, saadavaid ühendeid näiteks vaniljehapet. Vaniljehape on struktuurilt sarnane stüreeniga, millest valmistatakse polüstüreeni. Viimane on üks enim levinud polümeere, mis on nn kõvade plasttoodete lähtematerjal. Selgus, et vaniljehappest saadud materjali termilised omadused olid paremad kui polüstüreenil.
Selleks, et hinnata materjali jätkusuutlikust, viisid Norra kolleegid läbi ka elutsüklianalüüsi (LCA). Leidsime, et võrreldes sarnaste omadustega naftapõhise PMMA-ga, mis on tuntud ka pleksiklaasina, näitas minu polümeer ligilähedasi tulemusi just süsinikujalajälje arvutustes.
Samuti kontrollisime kui mürgine on saadud materjal. Leidsime, et minu polümeer on samaväärne meditsiinis kasutatavate polümeeridega.
Minu töö näitab, et uued biopõhised materjalid võiksid tulevikus asendada fossiilsetest allikatest saadavaid polümeere. See eeldab aga vastava biopõhiste tootmise lihtsustumist ning hinna odavnemist.
Loe veel sarnaseid uudiseid
