Foresight technologiczny w zakresie materiałów polimerowych M4 – BIOPOLIMERY Podsumowanie Katowice 14.05.2008

Krótka charakterystyka obszaru badań Historycznie do biopolimerów zaliczano tylko trzy grupy związków wielkocząsteczkowych – białka, kwasy nukleinowe oraz polisacharydy – jako związki niezbędne w procesach powstawania życia a także jego podtrzymania. Pozostałe polimery występujące w przyrodzie (np. kauczuk naturalny) i wykorzystywane przez człowieka w celach technicznych nazywano polimerami naturalnymi. Obecnie nazwą biopolimery określa się całą grupę polimerów naturalnych wraz z polimerami uzyskiwanymi w procesach degradacji bakteryjnej.

Krótka charakterystyka obszaru badań Tematyka Włókna naturalne Polisacharydy Ligniny Polimery biodegradowalne Poliole i poliuretany otrzymywane w oparciu o surowce odnawialne Białka i kompleksy białkowe Biokompozyty i nanobiokompozyty Biopaliwa Biokonwersja węgla i biodegradacja celulozy Bioaktywne polimery funkcjonalne

Gdzie jesteśmy w dziedzinie biopolimerów Polska na tle Europy / Świata  przemysł biopolimerów materiały biodegradowalne materiały opakowaniowe biokompozyty celuloza, skrobia, polilaktydy, polihydroksyalkaniany

biopolimery włóknotwórcze Polska  biopolimery włóknotwórcze przemysł odzieżowy i tekstylny kompozyty w ciągu ostatnich 10 lat opracowano i udoskonalono ekologiczne metody wytwarzania włókien z polimerów naturalnych i ich pochodnych celuloza, alginiany, chitozan, skrobia, DBC, białka

Silne strony w odniesieniu do sfery badawczo-rozwojowej, gospodarki oraz otoczenia biznesowego Badania naukowe w Polsce są na bardzo dobrym poziomie Różnorodność włókien otrzymywanych metodami opracowanymi w polskich instytutach – faza wzmacniająca biokompozytów W ciągu ostatnich 10 lat opracowano i udoskonalono ekologiczne metody wytwarzania włókien z polimerów naturalnych i ich pochodnych Przemysł włókien sztucznych jest dobrze rozwinięty – możliwość produkcji włókien bazujących np. na PHA

Scenariusze rozwoju branży biopolimerów Wariant optymistyczny, gdzie wiodącą wizją jest wizja rozwoju branży biopolimerów Scenariusz 2 Wariant oczekiwań społecznych, w którym wiodącą wizją jest wizja rozwoju rynku materiałów o krótkim czasie życia z materiałów pochodzenia naturalnego Scenariusz 3 Wariant optymistyczny, w którym wiodącą wizją jest wizja rozwoju branży naturalnych surowców dla przemysłu spożywczego, kosmetycznego i medycznego

Scenariusze rozwoju branży biopolimerów Wariant optymistyczny, w którym wiodącą wizją jest wizja rozwoju naturalnych materiałów funkcjonalnych Scenariusz 5 Wariant optymistyczny, gdzie wiodącą wizją jest rozwój biotechnologicznych metod otrzymywania biowłókien

Strategiczne kierunki rozwoju technologii Uruchomienie produkcji polilaktydu – folie i opakowania biodegradowalne Opracowanie i uruchomienie produkcji polihydroksyalkanianów – szansa na produkcję biodegradowalnych poliestrów o bardzo dobrych właściwościach mechanicznych Naturalne dodatki do termoplastów i żywic – bardzo szerokie pole działania – małe firmy: np. przygotowanie pierza czy słomy w odpowiedniej postaci do dodania do kompozytu, duże zakłady: produkcja włókien odpowiednich do biokompozytów Modyfikacja powierzchni obecnie produkowanych włókien naturalnych – poprawa właściwości mechanicznych – uczelnie i instytuty badawcze

Strategiczne kierunki rozwoju technologii Technologie krytyczne Odklejanie włókna z roślin łykowych Formowanie włokien z roztworów Elektroprzędzenie Otrzymywanie polihydroksyalkanianów Otrzymywanie alginianów Otrzymywanie polilaktydu Wytwarzanie nośników do immobilizacji związków biologicznie czynnych Wytwarzanie jonitów chelatujących

Strategiczne kierunki rozwoju technologii znaczenie będą miały technologie otrzymywania włókien naturalnych oraz otrzymywania konkretnych biopolimerów, w tym także metody biotechnologiczne (biodegradacja celulozy i biokonwersja węgla).

Dokąd zmierzamy Najważniejsze priorytety badawcze i produkcyjne biokompozyty opakowania biodegradowalne. Motywacja: trendy proekologiczne - zanieczyszczenie środowiska wynikające głównie z powszechnego stosowania jednorazowych opakowań z tworzyw sztucznych uwarunkowania ekonomiczne - stały wzrost cen ropy naftowej, wyczerpywanie się złóż ciekłych paliw kopalnych Priorytety te są ze sobą związane i będą stanowić o rozwoju branży biopolimerów w Polsce.

Dokąd zmierzamy Propozycje nie do odrzucenia: zarówno USA jak i Unia Europejska wydały odpowiednie dyrektywy odnośnie ochrony środowiska i zwiększenia wykorzystania materiałów biodegradowalnych. W związku z tymi dyrektywami wydaje się oczywiste, że poza przemysłem opakowań, w pierwszym rzędzie zapotrzebowanie na biokompozyty zgłosi przemysł samochodowy i AGD (Dyrektywa UE 2000/53/EC: End of life vehicles i Dyrektywa UE 2002/96/EC: Waste of electric al and electronic equippment). Są to ważne działy gospodarki charakteryzujące się stałym wzrostem produkcji, co dobrze wróży rozwojowi branży biokompozytów.

Wyzwania Wyzwaniem najbliższych kilkunastu lat jest opracowanie biokompozytów, które byłyby trwałe podczas użytkowania, ale jednocześnie po wykorzystaniu łatwo ulegałyby biodegradacji pod wpływem mikroorganizmów. Przemysł motoryzacyjny oczekuje, że biokompozyty będą lżejsze niż kompozyty z włóknem szklanym, ale jednocześnie będą miały właściwości mechaniczne na podobnym poziomie. Wydaje się więc, że najważniejszymi badaniami najbliższych lat będą badania nad modyfikacją powierzchni włókien naturalnych tak by otrzymać włókna o wysokiej wytrzymałości mechanicznej. Wydaje się też, że właśnie odpowiednia modyfikacja tradycyjnych włókien naturalnych będzie głównym kierunkiem badań instytutów badawczych i producentów włókien naturalnych. Poza włóknami otrzymywanymi z odpowiednich roślin bez wątpienia będzie rozwijać się produkcja oraz badania nad modyfikacją polilaktydu oraz polihydroksyalkanianów, które mają szansę zastąpić syntetyczne trudnodegradowalne poliestry.

Wyzwania W najbliższych latach ma szansę rozwinąć się także produkcja biokompozytów opartych na naturalnych komponentach odpadowych lub biomasie. Przede wszystkim dotyczyć to będzie kompozytów bazujących na termoplastach, czyli przetwarzanych z fazy stopionej. Kompozyty produkowane obecnie zawierają bowiem przede wszystkim włókna krótkie oraz nieregularne cząstki stałe. Można zatem wykorzystać odpady drewna z tartaków, odpady budowlane, papiernicze, pierze, słomę itp. Druga priorytetowa dziedzina badawcza – opakowania biodegradowalne – przede wszystkim będzie skupiała badania nad otrzymaniem czystych biopolimerów o dobrych właściwościach użytkowych. porównywalnych z obecnie stosowanymi polimerami syntetycznymi oraz odpowiednim czasie biodegradacji. Największe znaczenie będą miały: polilaktyd, alginiany, polihydroksyalkaniany oraz pochodne chityny.

za miłą i owocną współpracę Dziękujemy wszystkim za miłą i owocną współpracę Jednostki uczestniczące w pracach Panelu M4: Akademia Górniczo-Hutnicza Centrum Badań Molekularnych i Makromolekularnych Centrum Materiałów Polimerowych i Węglowych PAN Instytut Biopolimerów i Włókien Chemicznych Instytut Chemii Przemysłowej Instytut Włókien Naturalnych Politechnika Krakowska Politechnika Szczecińska Politechnika Wrocławska