Výzkumné centrum textil II představuje: biodegradabilní netkané textilie

Životní prostředí versus PET lahve Známe jej všichni - PET (polyethylentereftalát), materiál, z něhož se v současné době vyrábějí láhve, jež představují enormní zátěž pro naše životní prostředí. V minulosti nebylo potřebné tento problém řešit. Nápoje se balily do lahví ze skla, jejichž návrat a recyklace zajišťovala záloha na skleněný obal. Současnost je však velmi odlišná. Konzumujeme obrovské množství nápojů v podobě minerálních vod, limonád nebo čajů, prodávaných právě v PET lahvích. Samotný zákazník si nemůže vybrat, v jakém obalu nápoj zakoupí, bere to, co mu trh nabízí. Skleněné, vratné obaly v obchodech nalezne jen sporadicky. Tento životní styl však přináší spoustu problémů, odkládaných do budoucna. Každý den tak přibývají na skládkách a ve spalovnách tuny obalů z PET, který je schopný zatěžovat životní prostředí až několik desítek let. Problém recyklace tohoto polymeru se proto stává stále aktuálnějším. Jedním z řešení tohoto problému je s využitím odpadního PET syntetizovat typy biodegradovatelných polymerů, které by bylo možné dále zpracovat, například do formy vlákenného materiálu. Biodegradovatelné mikrovlákenné vrstvy vyrobené z kopolyesterů na bázi použitých PET lahví a kyseliny glykolové nebo mléčné, by se mohly uplatnit např. ve filtračních aplikacích, kde je výhodou obrovský měrný povrch jemných vláken. Použité filtry, biologicky rozložitelné, by pak nepřispívaly k hromadění polymerního odpadu. Biodegradovatelný polymer lze chápat jako polymer, který je biologicky odbouratelný ve vhodném prostředí, jako je kompost nebo kal z čistírenských vod. Takovéto typy polymerů lze vlivem působení různých mikroorganismů rozložit na materiál, který přírodě neškodí. Podle typu prostředí, ve kterém k rozkladu dochází, lze řídit délku doby rozkladu. Doba degradace je závislá nejen na teplotě a pH prostředí, ale i na přítomnosti vlhkosti nebo kyslíku. Samozřejmě záleží i na typu polymeru a jeho chemickém složení, kterým lze dobu degradace také značně ovlivnit. To, zda k rozkladu polymeru dojde, nebo ne, je určeno jeho chemickou strukturou. Pokud je zajištěno, že se v polymerním řetězci makromolekul vyskytují místa schopná hydrolytického nebo oxidačního štěpení, pak polymer ve zmíněných prostředích degraduje. Touto problematikou a biodegradovatelnými polymery se zabývají odborníci z Ústavu polymerů na Vysoké škole chemickotechnologické v Praze. Příprava zajímavého materiálu z PET lahví Biodegradovatelný materiál z použitých nápojových PET lahví se podařilo připravit Ing. Janě Turečkové spolu s doc. Prokopovou právě z Ústavu polymerů na Vysoké škole chemicko-technologické. Přípravu takového materiálu si lze představit následujícím způsobem. Nejprve je provedena acidolýza (rozklad pomocí kyselin) prané drtě z nápojových PET lahví za pomoci vodného roztoku kyseliny glykolové nebo mléčné. Následující polykondenzací je vyroben biodegradovatelný materiál – kopolyester ethylentereftalát a kyselina mléčná (PET/LA) nebo kopolyester ethylentereftalát a kyselina glykolová (PET/GLA). V závislosti na počtu zabudovaných jednotek GLA nebo LA v řetězci PET, lze vyrábět polymery s různou délkou degradace. Čím více jednotek GLA, resp. LA se v řetězci PET vyskytuje, tím je doba rozkladu kopolyesterů rychlejší. Po úspěšné přípravě polymeru vyvstává otázka, jak daný typ polymeru zpracovat a do jaké formy. Meltblown versus elektrostatické zvlákňování Technologií meltblown lze vyrobit netkané textilie s vlákny volitelných průměrů, které se pohybují obvykle od 1 do asi 15 mikronů. Název této technologie je složen z anglických slov melt - tavit a blown - foukat. Překlad tohoto slovního spojení do češtiny není zrovna jednoduchý, proto lze technologii charakterizovat výrazem „textilie vyrobené rozfukováním taveniny polymeru“. V technologii meltblown jsou zpracovávány speciálně vyvinuté nízkomolekulární, vysoce tekuté polymery s indexem toku 800 – 1500 g/10 min. Z toho důvodu je zřejmé, že ne každý polymer je pro tuto technologii vhodný a ne každý polymer lze touto technologií zvláknit. Na druhou stranu, technologií elektrostatického zvlákňování polymerních roztoků lze vyrábět vrstvy s průměry vláken v řádech stovek nanometrů. Technologie využívá zvláknitelnosti polymerního roztoku díky působení silného elektrostatického pole. Nevýhodou tohoto procesu je toxicita rozpouštědel, kterými je třeba polymer nejprve rozpustit a až následně zvláknit. Od vyrobeného polymeru k vlákenným vrstvám Nejen výroba polymeru, ale i jeho zpracování do vlákenné formy je velice důležité pro následnou aplikaci vrstev, například pro filtraci. Zpracovat biodegradovatelný materiál do vlákenné formy oběma popsanými metodami se podařilo na Technické univerzitě v Liberci Ing. Daniele Lubasové a doc. Martinové. Materiál PET/ LA a PET/GLA se po roztavení stává vysoce tekutým a splňuje proto podmínky, které jsou důležité při zpracování tohoto polymeru do formy vláken metodou meltblown. Tyto polymery byly úspěšně zvlákněny i metodou elektrostatického zvlákňování z roztoku. Pro představu, jak takové vlákenné vrstvy vypadají při pozorování pomocí rastrovacího elektronového mikroskopu, byly pořízeny SEM snímky, viz obr. 1 a 2. Výhod, proč zpracovávat polymer do vlákenné formy, je několik. Metodou meltblown lze připravit vrstvu, která je snadno formovatelná, prodyšná a lze volit různé tloušťky vrstvy. Dále je tato metoda zvlákňování vysoce produktivní, na druhou stranu však vysoce energeticky náročná. Metodou elektrostatického zvlákňování roztoků polymerů, lze připravit vrstvu s vlákny o rozměrech stovek nanometrů, kterou by bylo možné využít například pro velmi účinnou filtraci, při čištění kontaminovaných odpadních průmyslových vod. Pro následné využití vlákenných vrstev v řadách aplikací byla zjišťována morfologie vrstev (průměry vláken a specifický povrch). Výsledky ukázaly, že vrstvy připravené elektrostatickým zvlákňováním obsahují vlákna v řádech stovek nanometrů. Naproti tomu, se ve vrstvách připravených metodou meltblown vyskytovala vlákna v řádech mikrometrů. Těmto výsledkům odpovídalo i měření měrného specifického povrchu, kde u nanovlákenných vrstev dosahovalo hodnot 10 g/m2 na rozdíl od vrstev s mikronovými vlákny, kde specifický povrch dosahoval hodnot kolem 2-4 g/m2, viz graf 1 a 2. Test biodegradace vyrobeného polymeru Pro testování degradace fólií vyrobených z biodegradovatelného polymeru byl zvolen kompostovací test po dobu 60 dnů. Fólie testovaných kopolyesterů se po uložení v kompostu charakterizovaly hmotnostním úbytkem v porovnání s původními vzorky. Výsledky měření fólií testovaných kopolyesterů, stejně jako snímky jejich povrchů získaných pomocí SEM (viz obr. 3) prokazují, že největší citlivost k degradaci mají kopolyestery se strukturními jednotkami kyseliny mléčné. K úplné degradaci fólií došlo během 60 dnů. Další kroky výzkumu Biodegradovatelné kopolyestery připravené chemickou modifikací PET z použitých lahví vodnými roztoky kyseliny glykolové nebo mléčné byly úspěšně zvlákněny postupem elektrostatického zvlákňování z roztoku i metodou meltblown. Mikrovlákenné a nanovlákenné vrstvy by mohly nalézt uplatnění jako filtrační materiály pro bioremediaci kontaminovaných odpadních průmyslových vod nebo v oblasti hygieny. Další plánovaný výzkum se týká nalezení vhodné metody pro testování biodegradability mikro- a nanovlákenných vrstev a posouzení rozdílů mezi nimi. Ing. Daniela Lubasová ve spolupráci s Ing. Turečkovou se těmito problémy zabývají v rámci svých doktorských studií. Poděkování patří Výzkumnému centru Textil II - 1M0553, které tento projekt základního výzkumu zahrnulo do svého programu. Ing. Daniela L ubasová, FT, TU L iberec