(Bio)plastik

Doświadczenie 1

W większych marketach lub przez internet kup papierowy kubek powleczony PLA. Wytnij z niego kawałek o dł. 10 i szerokości 4–5 cm i wrzuć na 2 godz. do pojemnika z wodą. Po tym czasie oddziel od papieru folię PLA. Zaobserwuj, jak zachowuje się na niej woda – spływa czy zwilża folię? Porównaj z paskiem wyciętym z butelki po wodzie mineralnej (tworzywo PET). W czajniku zagotuj wodę i przelej wrzątek do szklanki. Ostrożnie zanurz połowę paska PLA we wrzątku, policz do pięciu, wyjmij i palcem sprawdź plastyczność materiału. Obserwuj własności plastyczne przez kolejne kilka minut. Sprawdź także własności PET. Opcjonalnie – umieszczoną w zlewie butelkę po wodzie mineralnej o poj. 1,5 l (z cienkiego
plastiku) napełnij wrzątkiem.

Wyjaśnienie: Oba plastiki nie nasiąkają wodą. Nie przywiera ona do nich i łatwo po nich spływa. Słowo „plastik” to skrócona nazwa od określenia „tworzywa termoplastyczne”. Większość z nich formowana jest na gorąco – PET miękną już w 80– 100˚C, a topią się w 260–290˚C. W odpowiednio dobranej temperaturze można wytłaczać folie lub rozgrzane pęcherzyki plastiku wtryskiwać i nadmuchiwać do odpowiedniego kształtu, formując np. butelki. W gorącej wodzie kawałek butelki wygina się i kurczy – butelka napełniona wrzątkiem kurczy się nawet o połowę! PLA uzyskuje plastyczność w mniej więcej 65˚C – folię tę można łatwo formować, np. w spiralę. Kilka chwil po wyjęciu z gorącej wody jej temperatura spada i materiał staje się sztywny.

Doświadczenie 2

Do pojemnika na mocz wsyp kilkanaście granulek sody kaustycznej do udrożniania rur. Ostrożnie zalej 10 ml wody. Wrzuć pasek foli PLA. W drugim pojemniku folię PLA zalej 10 ml octu. Obserwuj efekty przez 2–3 godz.

Wyjaśnienie: Papierowe kubki nasiąkałyby wodą – dlatego od środka powleczone są warstwą nieprzemakalnego plastiku PLA – czyli polilaktydu. Składa się on z reszt kwasu mlekowego połączonych wiązaniami estrowymi. Powstająca długa nić najeżona jest grupami -CH₃ – nie zasłaniają one zbyt dobrze wiązań estrowych, które są podatne na rozrywanie przez silne zasady, np. NaOH, będące głównym składnikiem udrożniacza. Folia już w ciągu kilku minut nieznacznie pęcznieje, a w kolejnych godzinach rozpada się na drobne kawałki, a w końcu w postaci mleczanu sodu rozpuszcza się w roztworze (jeśli tak się nie stanie, dosyp trochę więcej NaOH – zwróć uwagę, że granulki wodorotlenku dosłownie wyżerają dziury w PLA). Podczas kompostowania wiązania estrowe mogą być natomiast rozrywane przez enzymy zwane esterazami, produkowane przez niektóre mikroorganizmy. Nie wszystkie mikroorganizmy dobrze radzą sobie z rozkładem PLA, dlatego kompostowanie bioplastików może wymagać zaszczepienia kompostu starannie dobranymi mikroorganizmami. W przypadku wielu trudno degradowalnych poliestrów (np. PET) wiązania estrowe są zasłaniane dużymi grupami, np. aromatycznymi, które nie dopuszczają wody, jonów czy enzymów, utrudniając ich rozkład. W środowisku kwaśnym wiązania estrowe nie rozpadają się tak łatwo – folia PLA nie zmienia wyglądu.

Doświadczenie 3

Do pojemnika na mocz wlej 30 ml wody i rozpuść w niej 5–10 kropli jodyny. Wrzuć do roztworu jedną piankę zamówionego przez internet wypełniacza skrobiowego.

Wyjaśnienie: Skrobia składa się z długich rozgałęziających się nici zbudowanych z reszt glukozy. Wiele organizmów produkuje i trawi skrobię. Modyfikując reszty glukozy, można uzyskać wyższą wytrzymałość lub wodoodporność skrobi. Dodatek plastyfikatorów (substancji zmiękczających) poprawia jej własności mechaniczne, dzięki czemu można tworzyć biodegradowalny plastik w formie folii. Zmodyfikowaną, mniej kruszącą się i wolniej namakającą skrobię wykorzystuje się także do produkcji wypełniaczy do opakowań służących do przewozu delikatnych naczyń i urządzeń – zamienników wypełniaczy styropianowych. Obecność skrobi można w nich wykryć za pomocą jodyny – zawarty w niej jod wiąże się ze skrobią i widzimy granatową barwę. Pianki te (zwłaszcza po podsuszeniu w piekarniku w temp. 60˚C) chrupią podobnie jak chrupki kukurydziane, nie kruszą się jednak tak łatwo.

Doświadczenie 4

Do garnka wlej 100 ml wody i wsyp 1 g agaru (dostępnego w sklepach spożywczych jako wegański zamiennik żelatyny). Gotuj na małym ogniu, stale mieszając, aż do całkowitego rozpuszczenia agaru. Połowę wylej na talerz – pokryj go cienką warstwą płynu. Do reszty dodaj 2 łyżki roztworu gliceryny z apteki i po wymieszaniu wylej na drugi talerz. Pozostaw do zastygnięcia, a następnie odstaw w ciepłe przewiewne miejsce. Po kilku, kilkunastu dniach woda odparuje z powstałego żelu, tworząc cienką folię, którą można oderwać od talerza (posmarowanie odrobiną wody ułatwi podważenie). Oceń własności obu folii.

Wyjaśnienie: Agar pozyskuje się z morskich wodorostów. Jest to materiał biodegradowalny, choć niewiele mikroorganizmów dobrze go rozkłada. Z agarowego bioplastiku produkuje się folie, opakowania czy kubki. Dodanie gliceryny (jako plastyfikatora) polepsza własności folii – trudniej się ona łamie i można ją zwijać, formować.

***

Uwaga!

NaOH jest żrący! Używaj rękawiczek, okularów i odzieży ochronnej. Dzieci powinny wykonywać doświadczenia pod nadzorem dorosłych.

***

Uwaga!

Redakcja nie ponosi odpowiedzialności za ewentualne szkody powstałe wskutek doświadczeń.

***

Zestaw przyrządów i materiałów

jodyna, trzy pojemniki na mocz, agar-agar, biodegradowalny ekowypełniacz skrobiowy, kubki papierowe PLA, ocet, gliceryna 85%, soda kaustyczna do udrożniania rur bez aktywatora

Niewliczone w cenę: talerze, łyżeczka, garnek, czajnik, źródło ciepła

Czas przygotowania: 3 godz.

Koszt: 110 zł

***

Wiedza w pigułce

Jeszcze 70 lat temu plastik miał chronić przyrodę, a plastikowe folie – ograniczyć wycinkę drzew na papierowe torby. Tani, trwały, wodoodporny i elastyczny dziś padł ofiarą swojego sukcesu, stając się uciążliwym śmieciem. To paradoks, bo nadaje się do recyklingu, ale jego niska cena niewystarczająco napędza dążenie do powtórnego wykorzystania. Czy zatem plastik jest zły? Nie ma tu prostej odpowiedzi. Wg szacunków „National Geographic” plastikowe torby na zakupy mają co najmniej kilka tysięcy razy niższy ślad wodny (zużycie wody do produkcji) niż bawełniane i porównywalny z torbami papierowymi. Butelki z (poli)tetraftalenu etylenu (PET) pozwoliły obniżyć zużycie paliwa i koszty transportu (a zatem emisję CO₂) – w porównaniu ze szkłem plastik jest o wiele lżejszy.

Plastiki powstają ze związków organicznych otrzymywanych z ropy naftowej – są zatem nieodnawialnym zasobem. Niestety większość marnujemy. Kupując w sklepie gałązkę pomidorów, nie dostrzegamy, jak wiele do jej wyprodukowania zużyto plastiku – a szklarnie i tunele foliowe hiszpańskiej Almerii wprawiają w osłupienie swoim ogromem (ponad 40 tys. ha) i stopniem produkcji odpadów.

Brak wydajnego recyklingu to jedno. Plastik zalega w naturze, bo stosunkowo niewiele organizmów może go rozkładać. Ustalono, że folię politetylenową metabolizują np. bakterie z rodzaju Rhodococcus, PET – Ideonella sakaiensis. Problemem jest jednak tempo rozkładu – plastiki są wodoodporne i nieprzepuszczalne, a zatem bakterie mogą działać tylko powierzchniowo. Biotechnolodzy opracowują więc bioplastiki – substancje o podobnych własnościach jak zwykłe, ale znacznie łatwiej strawne dla licznych grup organizmów. Często bakterie wytwarzają substancje nadające się na bioplastiki, np. kwas mlekowy, który niczym kostki domina lub magnesy cząsteczki można łączyć ze sobą, tworząc długie nici – polimleczan, czyli polilaktyd (PLA), o własnościach zbliżonych do zwykłego plastiku. PLA jest w pełni biodegradowalny i odnawialny, ale drogi w produkcji, a do syntezy bakterie trzeba skarmiać np. skrobią. Chemicy pracują zatem nad innymi biodegradowalnymi materiałami – termoplastyczną skrobią albo pochodnymi celulozy.