Popularność tworzyw sztucznych wynika z ich właściwości: małego ciężaru właściwego, lekkości materiału, wysokiej odporności na działanie czynników chemicznych i fizycznych, łatwości przetwórstwa i barwienia oraz estetycznego wyglądu. Poza tym materiały uzyskane z syntetycznych polimerów pozwalają ograniczyć wykorzystanie surowców kopalnych (np. węgla kamiennego i brunatnego, torfu, ropy naftowej, gazu ziemnego i drewna) oraz surowców naturalnych (m.in. celulozy, kwasów nukleinowych czy białek), z których otrzymywane są polimery naturalne, czyli polimery wytwarzane w 100% przez organizmy żywe.

Wzrastające zapotrzebowanie na wyroby z tworzyw sztucznych przyczyniło się do gwałtownego wzrostu odpadów polimerowych składowanych na wysypiskach śmieci. Obecnie największym problemem są opakowania jednorazowe, które – mimo że stanowią około 8% masy wszystkich śmieci – ze względu na mały ciężar właściwy zajmują znaczną objętość – niemal 30% wszystkich odpadów. Należą do nich przede wszystkim butelki wykonane z politereftalanu etylenu (PET) oraz torby na zakupy, torebki śniadaniowe czy folie do pakowania przedmiotów i żywności wykonane z polietylenu (PE) lub polipropylenu (PP). Największym odbiorcą opakowań jest przemysł spożywczy, który zużywa około 60% wyrobów tego rodzaju.

Rozkład polimerów
Polimery w zastosowaniach technicznych i przemysłowych wykorzystuje się jako tworzywa polimerowe, które poza głównym składnikiem – określonym polimerem, zawierają również różnego rodzaju dodatki nadające im specyficzne właściwości fizyczne. Mogą to być: plastyfikatory, wypełniacze, stabilizatory, dodatki zmniejszające palność, antystatyki, barwniki, środki poślizgowe itd. W skład tworzyw polimerowych mogą wchodzić zarówno polimery syntetyczne, jak i naturalne, a także ich mieszaniny.

Większość powszechnie stosownych polimerów syntetycznych nie ulega rozkładowi pod wpływem czynników środowiskowych takich jak woda, powietrze, światło słoneczne czy drobnoustroje. Z tej przyczyny w ostatnich latach wzrosło zainteresowanie materiałami foto- oraz biodegradowalnymi z kontrolowaną długością życia, których degradacja powinna rozpocząć się dopiero po spełnieniu przez nie swojego zadania.

Proces degradacji jest procesem nieodwracalnym, często wieloetapowym, prowadzącym do wyraźnych zmian w strukturze chemicznej, czego efektem jest utrata właściwości użytkowych materiału. Zmianie ulegają właściwości chemiczne i fizyczne, takie jak ciężar cząsteczkowy i struktura chemiczna, rośnie kruchość, pogarszają się właściwości mechaniczne, przeźroczystość, połysk, powstają odbarwienia czy zachodzą zmiany w strukturze powierzchni. W zależności od czynników powodujących degradację wyróżnia się:

• degradację abiotyczną – procesy degradacji zachodzą pod wpływem promieniowania elektromagnetycznego, sił mechanicznych, ciepła, aktywnych związków chemicznych; polimer albo tworzywo sztuczne ulegające w tych warunkach degradacji nosi nazwę polimeru/tworzywa degradowanego,
• degradację biotyczną (biodegradację) – proces degradacji wywołany działaniem czynników biologicznych.

Pożywienie zamiast śmieci
Biodegradacja jest specyficzną właściwością niektórych polimerów, z których wykonane są tworzywa. Jest to proces, w którym materiał polimerowy rozkłada się pod wpływem żywych organizmów. Mikroorganizmy (bakterie, grzyby, glony) rozpoznają polimery jako źródło związków organicznych, które przetwarzają na energię potrzebną do życia, czyli traktują je jako źródło pożywienia. Pod wpływem enzymów komórkowych polimer ulega reakcjom chemicznym i degraduje w procesie cięcia czy utleniania łańcucha polimerowego, w wyniku czego powstają coraz mniejsze cząsteczki wchodzące w cykle metaboliczne wielu procesów komórkowych, w których wytwarzane są energia, woda, dwutlenek węgla, biomasa i wiele innych podstawowych produktów rozkładu. Te produkty są nietoksyczne i występują normalnie w przyrodzie oraz w organizmach żywych. To sprawia, że wykorzystując proces biodegradacji, z tworzywa można otrzymać składniki naturalne.

Biodegradacja może być beztlenowa, zachodząca bez dostępu powietrza – mniej efektywna i mniej powszechna w przyrodzie, prowadząca do powstawania metanu i innych prostych węglowodorów – lub tlenowa przy dostępie powietrza. Końcowe produkty biodegradacji tlenowej to dwutlenek węgla i woda oraz niekiedy sole mineralne, czyli substancje nieszkodliwe dla środowiska.

Całkowita biodegradacja to proces pełnego rozłożenia związków organicznych przez mikroorganizmy na wspomniane już dwutlenek węgla, wodę i sole mineralne. Polimer uważa się za biodegradowalny, jeśli w ciągu 6 miesięcy w całości ulega rozkładowi przez mikroorganizmy zawarte w glebie lub wodzie. O biodegradacji częściowej mówi się najczęściej w kontekście substancji powierzchniowo czynnych, które są głównymi składnikami aktywnymi środków czystości. Jest ona nazywana „częściową”, ponieważ stanowi pierwszy etap w procesie biodegradacji tych substancji. Ten etap biodegradacji prowadzi do utraty właściwości powierzchniowo czynnych, co eliminuje pienienie, niekorzystne w wodach naturalnych i w oczyszczalniach ścieków.

Najbardziej popularne polimery biodegradowalne
Zdolność do ulegania procesom biodegradacji jest obecnie pożądaną cechą wyrobów produkowanych z tworzyw sztucznych, dzięki której odpady nie muszą być składowane przez wiele lat, a tym samym nie zanieczyszczają środowiska naturalnego. Do naturalnych materiałów polimerowych łatwo degradowalnych można zaliczyć:

• celulozę, hemicelulozę, ligninę,
• skrobię,
• włókna roślinne (bawełnę, len, konopie, jutę, sizal, kokos),
• włókna zwierzęce (jedwab, wełnę),
• chitynę i chitozan,
• keratynę,
• kauczuki naturalne.

Podatność polimerów i tworzyw na biodegradację zależy przede wszystkim od ich struktury chemicznej. Polimery biodegradowalne produkowane przez człowieka można podzielić na dwie główne grupy: uzyskiwane z surowców petrochemicznych oraz otrzymywane z surowców odnawialnych. Te ostatnie często nazywa się „podwójnie zielonymi” ze względu na naturalny charakter zarówno surowców, jak i produktów.

Tworzywa polimerowe biodegradowalne – poza stosunkowo wysokimi cenami – mają dużo cennych zalet. Wykazują dobre właściwości fizykomechaniczne i fizykochemiczne, a koszty ich kompostowania są sześciokrotnie niższe niż koszty recyklingu odpadów z tradycyjnych tworzyw niebiodegradowalnych. Ich czas „życia” może być sterowany przez modyfikację struktury łańcucha polimerowego i wynosi od kilku tygodni do kilku lat. Jednak poza samą strukturą polimeru na proces biodegradacji wpływa szereg innych czynników, takich jak: rodzaj czynnych mikroorganizmów, warunki środowiskowe, średni ciężar cząsteczkowy polimeru, obecność wiązań sieciujących, kształt gotowego wyrobu i inne.

Ze względu na sposób produkcji wyróżnia się cztery grupy tworzyw biodegradowalnych:

• tworzywa otrzymywane bezpośrednio z ekstrakcji – powstają one przez wyodrębnianie z biomasy określonych składników, jak polisacharydy (celuloza, chitozan, skrobia) i proteiny pochodzenia roślinnego lub zwierzęcego,
• tworzywa otrzymywane w procesie polimeryzacji z naturalnie występujących w przyrodzie związków małocząsteczkowych (tzw. monomerów), takich jak np. polikwas mlekowy (PLA) z kwasu mlekowego otrzymywanego w drodze fermentacji skrobi,
• polimery biodegradowalne syntezowane przez mikroorganizmy – są to polimery i kopolimery kwasu 3-hydroksymasłowego (PHB) oraz kwasu 3-hydroksywalerianowego (PHV), a także celuloza bakteryjna,
• tworzywa otrzymywane z surowców petrochemicznych, takie jak polikwas glikolowy (PGA), polialkohol winylowy (PVA), polikaprolakton (PCL) oraz poliestry alifatyczno-aromatyczne.

Wśród „polimerów podwójnie zielonych” najczęściej stosowany jest PLA (polilaktyd) stanowiący ok. 40% wszystkich polimerów biodegradowalnych. Jego produkcja na skalę przemysłową rozpoczęła się w 2002 r. Swoimi właściwościami mechanicznymi przypomina on polistyren (PS). Monomer – kwas mlekowy – znajduje się we krwi i w tkance mięśniowej jako produkt metabolizmu glukozy. Kopolimer powstaje w procesie chemicznej polimeryzacji kwasu mlekowego. Kwas mlekowy powstaje przez fermentację glukozy, która może być pozyskiwana z różnych żródeł cukru (cukru z trzciny cukrowej, ziemniaków lub tapioki). Związek ten jest jednak wrażliwy na zmienne warunki przetwórcze i może łatwo ulegać degradacji mechaniczno-termicznej. Z uwagi na to, a także ze względu na niektóre niekorzystne właściwości użytkowe, musi być modyfikowany. Jest to szczególnie istotne w produkcji opakowań, np. ze względu na niekorzystną przenikalność niektórych gazów przez folie z PLA lub małą odporność na odkształcenie w podwyższonej temperaturze.

Wśród biodegradowalnych materiałów polimerowych ważną grupę stanowią także naturalne poliestry, tzw. polihydroksyalkaniany o ogólnym symbolu PHA. Są to naturalne poliestry alifatyczne syntetyzowane w procesie fermentacji cukru i lipidów (glukoza, cukroza, oleje roślinne, nawet gliceryna z produkcji biodiesli) przez różnego rodzaju bakterie. Mogą one łączyć w sobie ponad 150 monomerów, dzięki czemu uzyskuje się materiały o różnych cechach. Charakteryzują się one bardzo dobrymi właściwościami aplikacyjnymi, gdyż są nietoksyczne, biokompatybilne oraz ulegają degradacji enzymatycznej. Tworzywa PHA są odporne na promieniowanie UV, wytrzymują temperatury do 180°C i nie pozwalają na przeciekanie wody. Do głównych PHA należy poli[kwas (R,S)-3-hydroksymasłowy] (polihydroksymaślan, PHB). Innymi ważnymi związkami z tej grupy są kopolimery kwasu masłowego, walerianowego i heksanowego PHBV (Biopol) i PHBH. Poza tym wśród polimerów biodegradowalnych warto wymienić skrobię termoplastyczną (TPS), estry celulozy i celulozę regenerowaną.

Do pakowania i leczenia
Produkcję na niewielką skalę biodegradowalnych tworzyw ze źródeł odnawialnych datuje się od roku 1995. Obecnie ich wykorzystanie i zastosowanie ma znacznie większy zakres. W 2009 r. światowa produkcja biodegradowalnych tworzyw polimerowych wynosiła 226 tys. ton. W 2011 r. zwiększyła się do 486 tys. ton, co oznacza jej podwojenie w ciągu dwóch lat. Zaś analitycy z European Bioplastics przewidują, że w 2017 r. wyprodukowanych zostanie 1 mln ton elementów z tworzyw biodegradowalnych.

Tworzywa biodegradowalne wykorzystywane są głównie do produkcji opakowań. Wytwarza się z nich naczynia – butelki, kubki, tacki czy sztućce oraz torby na zakupy i odpady, różnego rodzaju folie, materiały do powlekania np. papieru, a także elementy wyposażenia wnętrz.

Drugim ważnym obszarem zastosowania polimerów ulegających biologicznemu rozkładowi jest medycyna. Z tego rodzaju tworzyw produkuje się bioresorbowalne nici chirurgiczne, klamry, klipsy, a nawet implanty. Odpowiednio dobrane składniki sprawiają, że produkty te są nietoksyczne, zgodne pod względem biologicznym z organizmem ludzkim, nie wywołują reakcji alergicznych, umożliwiają przerastanie tkankami, są niewrażliwe na działanie destrukcyjne płynów ustrojowych, a w wyniku rozkładu dają produkty biodegradacji łatwo przyswajalne przez organizm.

Materiały biodegradowalne znajdują też zastosowanie jako kapsułki do kontrolowanego dozowania leków czy nośniki leków. Poza tym w dość powszechnym użytku są maski chirurgiczne, odzież dla personelu medycznego, opatrunki, kompresy, pieluchy, chusteczki higieniczne czy waciki kosmetyczne wytworzone z materiałów biodegradowalnych.

Tworzywa otrzymywane z udziałem komponentów naturalnych są bardzo dobrym surowcem do produkcji materiałów podlegających szybkiej degradacji w warunkach naturalnych. Ze względu na swoje szczególne właściwości są już szeroko wykorzystywane – głównie w ogrodnictwie, ochronie roślin i rolnictwie – jako folie do przykrywania podłoża.

Produkcja biodegradowalnych tworzyw polimerowych na pewno z roku na rok będzie wzrastać. Wpływ na to ma rosnąca świadomość środowiskowa konsumentów i producentów elementów z tradycyjnych tworzyw sztucznych, a także coraz lepsze i tańsze metody pozyskiwania materiałów biodegradowalnych oraz nowe obszary zastosowań tego rodzaju tworzyw, jak elektronika, przemysł motoryzacyjny lub budowlany.