Najít ekonomicky smysluplný způsob, jak nahradit některé polymery jinými, přírodními a snadno rozložitelnými látkami, je takřka svatým grálem chemie. Výzkum proto probíhá na mnoha univerzitách i v soukromé sféře všude po světě. Jinak tomu není ani na Ústavu polymerů VŠCHT Praha, kde pod vedením Drahomíra Čadka tým vědců pracuje na tvorbě směsi přírodního kaučuku a termoplastického škrobu, který může najít uplatnění v gumárenském či plastikářském průmyslu.
Co je přírodní kaučuk a jak se získává, je všeobecně dobře známé. Ale co je termoplastický škrob?
Termoplastický škrob je amorfní nebo semikrystalický materiál složený z želatinovaného nebo destrukturovaného škrobu a změkčovadla.
V rámci výroby se nejčastěji používá metoda extruze při teplotách 140—160 °C za vysokého tlaku a střižných sil. Pro zpracování se přidává buď voda, anebo změkčovadla, což jsou netěkavé látky jako například glycerol, obsahující hydroxylové skupiny, které díky svému složení mohou měnit vlastnosti polymerů. Aby termoplastický škrob mohl vzniknout, musí dojít k narušení struktury škrobových zrn a želatinaci škrobu vlivem termomechanických sil.
I když to zní složitě, výroba je velmi jednoduchá, na našich zařízeních to trvá zhruba 20 minut. A takový materiál potom připomíná plast, přičemž jeho tvrdost se dá regulovat právě změkčovadly.
Ale protože je termoplastický škrob hydrofilní, je bohužel dost citlivý na vlhkost. Jinak řečeno, při kontaktu s vodou se začne rozpouštět. Kdybyste si dala do kelímku vyrobeného z termoplastického škrobu kávu, stal by se z ní během chvíle rosol a třeba obyčejný jogurt by kelímek po čase zcela rozpustil. Ani jeho mechanické vlastnosti nejsou ideální a vlivem času navíc křehne. Ale takto surový se dá využít třeba v oblasti 3D tisku. Lze s ním třeba tisknout části, které se posléze z vytisknutého objektu budou odstraňovat — vymývat.
Takže aby byl tento materiál vhodný pro průmyslové využití, nesmí být navlhavý. Jak na to?
Dočetl jsem se, že vlastnosti termoplastického škrobu by mohl vylepšit přírodní kaučuk. Ta myšlenka se mi zalíbila, protože kaučuk je hydrofobní a protože s přírodním kaučukem pracuji řadu let. Jenže je také nepolární, nemá žádnou OH skupinu a po smíchání nejsou vlastnosti směsi moc dobré. Proto jsme začali přemýšlet nad tím, čím bychom mohli směs vylepšit, přičemž jsme se stále drželi myšlenky, že se pokusíme hledat pouze přírodní látky.
Nakonec jsme zkusili epoxidovaný přírodní kaučuk, kde se epoxidace provádí kyselinou peroxiooctovou a výsledkem je, že se na řetězci přírodního kaučuku vytvoří epoxy skupiny, které jsou polární. Tím se výrazně zlepší míchání s termoplastickým škrobem a současně jde stále o přírodní kaučuk.
Tento epoxidovaný přírodní kaučuk se používá třeba v gumárenství při výrobě některých pneumatik, např. pokud je třeba do směsi zamíchat polární sloučeniny jako třeba oxid křemičitý.
Takže vaše výsledná směs zahrnuje přírodní kaučuk, termoplastický škrob a epoxidovaný přírodní kaučuk?
Ne ne, nakonec jsme se rozhodli obyčejný přírodní kaučuk úplně vyřadit a používáme epoxidovaný latex. Výhodou je, že lze snadno regulovat množství epoxidových skupin, což ovlivňuje vlastnosti výsledného materiálu.
Vytvořili jsme například gumu, která se dala natáhnout a měla tažnost 2 000 %, což jsem do té doby nikdy neviděl. Zároveň ale můžete vytvořit relativně tvrdý materiál, který připomíná plast.
A zajímavé je, že když jsme měli ve směsi 10 % epoxidovaného přírodního kaučuku, měl materiál určité mechanické vlastnosti. Když jsme však poměr zvýšili na 20—30 %, některé mechanické vlastnosti materiálu šly ohromně nahoru. Kaučuk tam v určitém momentu vytvoří vnitřní propojenou strukturu a dohromady to dává skutečně výrazně lepší vlastnosti.
Máte už představu, co by se z takového materiálu dalo vyrábět?
Zatím jsme stále ve stadiu základního materiálu a jeho vlastnosti zatím směřují spíše na stranu gumy než plastu, protože aby mohl nahradit plast, musel by se ještě materiál zlepšit třeba plnivem. To jsme ale už také zkoušeli.
Využili jsme dřevěnou moučku i minerály a tím se dají nějakým způsobem vlastnosti zlepšit, ale zatím to stále není to, co bychom si představovali. Takže my tu směs termoplastického škrobu a epoxidovaného přírodního kaučuku vulkanizujeme sírou a vytvoříme z něj tak gumu. Směs má podobné vlastnosti jako směsi přírodního kaučuku.
Znamená to, že jste přišli na způsob, jak nahradit část přírodního kaučuku jinými přírodními složkami při zachování vlastností materiálu?
Ani to se asi nedá takto jednoznačně říci. Nahradili jsme část kaučuku škrobem, což může být v určitých aplikacích výhoda, protože materiál má polární složku a lze na něj navazovat další polární složky. Navíc, když si vezmete, že se stromy kaučukovníku musejí pěstovat na plantážích v jihovýchodní Asii, Africe či Jižní Americe a do Evropy se kaučuk dováží, jde o poměrně velkou ekologickou zátěž. A poptávka po kaučuku neustále roste, takže se plantáže musejí rozšiřovat…
Výhodou našeho řešení je to, že škrob získáváme z brambor, které se dají vypěstovat tady v České republice. V tomto ohledu jsme tak soběstační.
Kaučuk budeme potřebovat pořád, ne nadarmo je to jedna z klíčových světových surovin, ale pokud se alespoň jeho část, byť malá, bude moci nahradit běžnou surovinou, kterou si dokážeme produkovat sami, je to jedině dobře.
Budou se z něj moci vyrábět třeba pneumatiky?
K tomu bude zapotřebí ještě pořádná porce testů a ověřování, protože materiál musí být stoprocentní. Není možné, aby se jeho vlastnosti v průběhu času a působením povětrnostních vlivů výrazně měnily.
V současné době máme materiál, z jehož vlastností jsme velmi překvapení a můžeme přemýšlet, jak jej dále využít a případně s čím dále smíchat s ohledem na podmínku přírodních materiálů. Jeho vlastnosti jsou relativně srovnatelné s klasickými gumárenskými směsmi, což je dobrý příslib do budoucna.
Dokážu si představit, že může některé nahradit v aplikacích, které nemají dlouhodobé užití. Například těsnění na víčkách od nápojů a podobně.
A ještě vidím jednu velkou oblast, kde by se dal materiál využít: zemědělství. Tam se škrob může míchat s hnojivy, je možné z něj vyrábět květináče pro sadbu a podobně.
Ale upřímně, asi nikdy se nepodaří vzít přírodní materiály a vyrobit z nich směs lepší, než je nějaká konkrétní syntetická.
Probíhá obdobný výzkum i jinde, nebo je v tomto VŠCHT Praha unikátní?
Nějaký výzkum po světě probíhá, věnují se mu zejména země, kde se kaučukovník pěstuje, ale není to nikterak časté téma.
Jinak se s termoplastickým škrobem pracuje při vývoji ekologických obalů a podobně. A běžně se už prodávají třeba jednorázové příbory vyrobené z takového podobného materiálu i u nás v České republice.
Ing. Drahomír Čadek, Ph.D. Pracuje na Vysoké škole chemicko-technologické v Praze, konkrétně v Ústavu polymerů, kde se věnuje zejména zpracování polymerů. Jeho dlouhodobě nejoblíbenějším tématem je přírodní kaučuk, věnuje se též aspektům vulkanizace, což je dodnes nevysvětlená problematika. V posledních letech se začal věnovat i plastům a škrobu. Zde studuje přípravu a využívání termoplastického škrobu, jeho kombinaci s dalšími polymery. Vyučuje studenty, vede bakalářské i magisterské práce a věnuje se též popularizaci chemie. Ve volném čase se plně věnuje zahradničení či výletům a je velkým příznivcem Pevnosti Boyard. Žije s manželkou na kraji Prahy.
Snaha nahrazovat třeba ropné deriváty přírodními složkami je v Evropě velmi silná. Je v gumárenství něco takového proveditelné?
Ten trend je výrazný zejména v Německu, kde se o to opravdu snaží. Takže oleje, které jsou původně z ropy, zkouší nahrazovat řepkovým olejem, zkouší se i slunečnicový. Výsledky ale zatím nejsou úplně příznivé.
Každopádně zajímavostí je, že přírodní kaučuk se dá získávat nejen ze stromů kaučukovníku, ale i z kazašských pampelišek Taraxacum koksaghyz, které se dají mimochodem pěstovat i v podmínkách mírného pásu. Z mléka (latexu) celé rostliny se dá získávat stejný polymer, jaký je v přírodním kaučuku ze stromů. Ale má to drobný háček. V latexu z kaučukovníku je obsah klíčového polymeru přibližně 35 %, kdežto v kořenech pampelišky je to pouze kolem 5 %, a ještě je třeba látky extrahovat organickými rozpouštědly, což není úplně ekologické. V případě klasického kaučukovníku takový postup zcela odpadá. Tam se latex sráží jen za působení slabého roztoku kyselin. Pokud však budeme jako Evropa chtít akcentovat surovinovou soběstačnost, budeme se muset zamyslet i nad tím, kde tyto pampelišky pěstovat a jak z nich třeba šetrněji kýžený produkt získat.