Kalafonia jako dodatek do polimerów na bazie skrobi Od żywicy drzewnej do dodatku funkcjonalnego

Nowe podejście do starego problemu: od dziesięcioleci bioplastiki na bazie skrobi są uważane za obiecującą alternatywę dla materiałów pochodzenia kopalnego. Ich przemysłowe zastosowanie było jednak ograniczone przez pewną przeszkodę: niewystarczające właściwości mechaniczne przy wysokiej zawartości skrobi. Zmodyfikowane żywice drzewne mogą to zmienić.

Żywice drzewne (zwane również kolofonią lub kalafonią) pozyskuje się głównie z drzew iglastych i znajdują one szerokie zastosowanie w przemyśle – zwłaszcza jako środki pomocnicze w przetwórstwie oraz jako spoiwa. Firma Synthomer Deutschland z siedzibą w Marl rozszerzyła zakres zastosowań tych żywic i została za to nominowana do nagrody Biopolymer Innovation Award.

Firma Synthomer modyfikuje kalafonię za pomocą procesów takich jak estryfikacja i uwodornianie w celu poprawy takich właściwości, jak stabilność termiczna, odporność na utlenianie oraz zwilżalność powierzchni. Dzięki temu żywice te nadają się jako dodatki funkcjonalne służące do poprawy właściwości kompozytów biopolimerowych.

Chemia żywicy do ukierunkowanej funkcjonalizacji

Kluczem do sukcesu jest nie tylko dobór polimeru bazowego, ale także celowe dostosowanie reologii, właściwości międzyfazowych i morfologii. Właśnie w tym miejscu do akcji wkraczają żywice kalafoniowe. Jako biopochodne, funkcjonalne dodatki do żywic mogą one ułatwić przetwarzanie układów PLA/skrobia/gliceryna, poprawić wiązanie fazowe, a jednocześnie otworzyć nowe możliwości w zakresie folii nadających się do kompostowania, elementów formowanych wtryskowo oraz wypełnionych kompozytów biopolimerowych.

Kalafonie powstają na bazie naturalnych kwasów żywicznych pochodzących z surowców odnawialnych. Poprzez uwodornienie, estryfikację lub ukierunkowaną funkcjonalizację można regulować polaryzację, liczbę kwasową, temperaturę mięknienia oraz kompatybilność. Parametry te mają decydujące znaczenie, gdy żywice są stosowane nie tylko jako środki pomocnicze w przetwórstwie, ale również jako funkcjonalne dodatki morfologiczne i międzyfazowe w biopolimerach.

Dlaczego systemy na bazie PLA i skrobi są trudne do opracowania

PLA jest sztywny, stosunkowo hydrofobowy i wrażliwy na hydrolizę. Skrobia jest polarna, hydrofilowa i wymaga odpowiedniego plastyfikowania do przetwarzania termoplastycznego, często przy użyciu gliceryny. W mieszankach PLA/skrobia/gliceryna spotykają się zatem dwa bardzo różne światy materiałów.

Bez odpowiedniej modyfikacji często powstają gruboziarniste struktury fazowe, wady na granicach faz oraz lokalne skupiska naprężeń. Skutkiem tego jest ograniczona rozciągliwość, niska wytrzymałość na zerwanie oraz niestabilność podczas obróbki. Szczególnie przy wysokim zawartości skrobi frakcja skrobiowa nie jest już wykorzystywana jako funkcjonalny składnik materiału, lecz w coraz większym stopniu pełni rolę wypełniacza o charakterze defektowym.

Żywice kalafoniowe mogą zmienić tę sytuację. Ich hydrofobowa struktura wykazuje powinowactwo do faz poliestrowych, takich jak PLA, PBAT czy PHA. Jednocześnie grupy polarne mogą wchodzić w interakcje ze skrobią, gliceryną lub innymi organicznymi wypełniaczami. Dzięki temu poprawia się zwilżanie faz, stop staje się łatwiejszy w obróbce, a także sprzyja to tworzeniu się drobniejszych struktur.

Foralyn i Pentalyn: stabilny proces produkcji i lepsza morfologia

Dodatki do żywic, takie jak Foralyn i Pentalyn, stanowią przykład uwodornionych pochodnych kalafonii, które mogą być stosowane w układach PLA/wypełniacze organiczne/gliceryna jako skuteczne środki modyfikujące proces i morfologię. W przetestowanych recepturach Pentalyn lub Foralyn znacznie poprawiają przetwarzalność, zwłaszcza przy wysokim udziale wypełniaczy organicznych.

Efekt ten ma charakter wielowymiarowy. Z jednej strony zmniejsza się lepkość stopu, co ułatwia mieszanie, dyspergowanie i wypływ w ekstruderze. Z drugiej strony żywica poprawia zwilżanie powierzchni granicznej między frakcją polarną wypełniaczy a fazą poliestrową. W rezultacie uzyskuje się bardziej jednorodną strukturę o lepszym przenoszeniu naprężeń.

Ma to znaczenie zwłaszcza w przypadku zastosowań foliowych. Decydujące znaczenie mają tu nie tylko wytrzymałość na rozciąganie i wydłużenie, ale także odporność na rozdarcie, podatność na powstawanie dziur oraz bezpieczeństwo przetwarzania na istniejących urządzeniach. Foralyn może pomóc w dostosowaniu systemów bogatych w wypełniacze organiczne do warunków przetwarzania, bez konieczności zmiękczania receptury wyłącznie poprzez zwiększenie zawartości plastyfikatorów.

Różnice techniczne w stosunku do rozwiązań opartych na żywicach o niskiej kwasowości

Na rynku znane są techniczne rozwiązania oparte na PLA i skrobi, które w znacznym stopniu koncentrują się na pochodnych żywicy kalafonowej o bardzo niskiej kwasowości, a w szczególności na żywicach o bardzo niskim wskaźniku kwasowości. Strategia ta może być uzasadniona, gdy priorytetem jest maksymalna obojętność chemiczna względem poliestrów wrażliwych na hydrolizę.

Ponadto firma Synthomer stosuje szersze podejście techniczne. Żywice o liczbie kwasowej wykraczającej poza ten zakres bardzo niskiej kwasowości otwierają dodatkowe możliwości: mogą one silniej oddziaływać na interakcje międzyfazowe, wywierać wyraźniejszy wpływ na reologię oraz w sposób ukierunkowany przyczyniać się do rozkładalności w systemach nadających się do kompostowania. Decydujące znaczenie ma tu nie pojedynczy parametr, lecz wzajemne oddziaływanie wskaźnika kwasowości, temperatury mięknienia, masy cząsteczkowej, polaryzacji oraz zakresu procesowego.

To rozróżnienie ma znaczenie techniczne: estry żywiczne o niskiej kwasowości są często bardzo stabilne, ale nie zawsze stanowią najskuteczniejsze dodatki międzyfazowe w systemach poliesterowo-skrobiowych o wysokim stopniu wypełnienia. Żywice kalafoniowe o szerszym zakresie zastosowań mogą zapewnić w tym przypadku dodatkową swobodę wyboru — zwłaszcza tam, gdzie jednocześnie wymagane jest wysokie wypełnienie skrobią, dobra przetwarzalność oraz kontrolowana kompostowalność.

Przyspieszacz do domowych systemów kompostowania

Foral AX-E stanowi szczególnie interesujący przykład bardziej funkcjonalnej żywicy syntetycznej. Dzięki wyższej liczbie kwasowej zapewnia on systemowi większą polaryzację i reaktywność. W mieszankach PLA/skrobia/gliceryna może to znacznie obniżyć lepkość stopu i sprzyjać tworzeniu się drobniejszej morfologii.

Efekt ten ma szczególne znaczenie w przypadku zastosowań przeznaczonych do kompostowania domowego. Podczas gdy wiele systemów na bazie PLA rozkłada się w warunkach kompostowania domowego bardzo powoli, Foral AX-E może przyczynić się do przyspieszenia hydrolizy faz na bazie poliestru pod wpływem wilgoci i ciepła. Dzięki temu możliwe staje się opracowywanie receptur nie tylko pod kątem przetwarzania i właściwości mechanicznych, ale także pod kątem określonej szybkości rozkładu.

W przebadanych systemach można osiągnąć zawartość skrobi przekraczającą 70%. Ma to znaczenie techniczne, ponieważ skrobia nie jest wówczas wykorzystywana jedynie jako niedrogi wypełniacz, lecz jako dominujący, odnawialny składnik materiału. Foral AX-E może w takich recepturach pełnić rolę środka pomocniczego w procesie, modyfikatora powierzchni międzyfazowej oraz czynnika zwiększającego kompostowalność.

Jednocześnie strategia ta wymaga starannego prowadzenia procesu. Należy kontrolować wilgotność, temperaturę i czas przebywania, ponieważ grupy kwasowe mogą przyspieszać hydrolizę PLA. W przypadku folii krótkotrwałych, nadających się do kompostowania w warunkach domowych, stanowi to zaletę. W przypadku elementów formowanych o dłuższej trwałości recepturę należy odpowiednio ustabilizować lub dostosować do mniej reaktywnych rodzajów żywic.

Poza PLA i skrobią: PHA, PBAT/PLA oraz wypełniacze organiczne

Zastosowanie kalafonii Synthomer nie ogranicza się wyłącznie do klasycznych układów PLA/skrobia/gliceryna. Również w mieszankach PHA, kombinacjach PBAT/PLA oraz innych systemach tworzyw sztucznych pochodzenia biologicznego żywice te mogą przyczyniać się do regulacji właściwości płynięcia, kompatybilności oraz wiązania wypełniaczy.

Szczególnie interesujące jest zastosowanie wypełniaczy organicznych pochodzących z odpadów spożywczych. Jeśli odpady te zostaną zmielone metodą kriogeniczną, powstają drobne cząstki o dużej powierzchni właściwej. W połączeniu z PLA, PHA lub innymi polimerami nadającymi się do kompostowania można na tej podstawie opracować niedrogie bioplastiki. Wyzwaniem technicznym jest tu również interakcja międzyfazowa: wypełniacze organiczne są zazwyczaj polarne, pochłaniają wodę i są chemicznie niejednorodne. Bez odpowiedniej modyfikacji często pogarszają one właściwości płynięcia, udarność i wydłużenie przy zerwaniu.

Kalafonie firmy Synthomer mogą wypełnić tę lukę. Poprawiają one zwilżanie cząstek organicznych, ułatwiają dyspergację w procesie kompaundowania oraz zmniejszają lepkość stopu. Dzięki temu możliwe jest przetwarzanie mieszanek o wyższej zawartości wypełniaczy bez utraty stabilności mieszanki lub nadmiernego pogorszenia właściwości mechanicznych.

Otwiera to nowe możliwości zastosowań: niedrogie elementy formowane wtryskowo, opakowania techniczne, zastosowania w rolnictwie, artykuły jednorazowego użytku o zwiększonej zawartości składników pochodzenia biologicznego lub folie kompostowalne z dodatkiem wypełniaczy funkcjonalnych. Kluczowe znaczenie ma to, aby żywic nie rozpatrywać w oderwaniu, lecz jako część modułowego systemu receptur składającego się z polimeru, skrobi lub wypełniacza, plastyfikatora oraz zakresu parametrów procesowych.

Korzyści techniczne wynikające z zastosowania

Dla przetwórców wynika z tego kilka korzyści:

• niższa lepkość stopu, a co za tym idzie – bardziej stabilna ekstruzja,
• lepsze rozpraszanie wysokich zawartości skrobi lub wypełniaczy,
• lepsza rozciągliwość i wytrzymałość na rozdarcie dzięki drobniejszej morfologii,
• szersze okno procesowe w istniejących instalacjach,
• Możliwość precyzyjnego dostosowania właściwości kompostowalności w warunkach domowych,

• Wykorzystanie niedrogich, biogenicznych materiałów wypełniających pochodzących ze strumieni odpadów.

W ten sposób kalafonie Synthomer rozwiązują kluczowy konflikt celów w dziedzinie rozwoju biopolimerów: jednoczesne osiągnięcie wysokiej zawartości składników biogenicznych, przemysłowej przetwarzalności oraz wystarczających właściwości mechanicznych.

Podsumowanie

Biopolimery na bazie skrobi nie muszą wiązać się z problemami wynikającymi z wysokiej zawartości wypełniaczy lub słabych właściwości mechanicznych. Dzięki zastosowaniu odpowiednich kalafonii można precyzyjnie regulować reologię, właściwości międzyfazowe oraz zachowanie podczas rozkładu. Kalafonia firmy Synthomer stanowi niezawodny sposób na poprawę przetwarzalności i morfologii. Foral AX-E otwiera ponadto nowe możliwości w zakresie tworzenia mieszanek ulegających szybszemu kompostowaniu w warunkach domowych, zawierających bardzo duże ilości skrobi.

Technologia ta nie ogranicza się jednak do PLA/skrobi. PHA, systemy PBAT/PLA oraz wypełniacze organiczne wytwarzane z odpadów spożywczych stanowią kolejne możliwości tworzenia ekonomicznych, biopochodnych i kompostowalnych materiałów.

Znaczenie tego podejścia zostało dostrzeżone również na zewnątrz: firma Synthomer Rosins znalazła się w finale konkursu Biopolymer Awards 2026 w ramach konferencji Biopolymer w Halle (Saale), Niemcy. Dzięki temu kalafonie Synthomer, jako funkcjonalne dodatki do biopolimerów nowej generacji, zyskują coraz większe znaczenie w branży przetwórstwa tworzyw sztucznych.