Jak powinny zmienić się tworzywa sztuczne? Z jednej strony pod kątem tego, czego wymaga od nas Unia i troska o środowisko, a z drugiej jednak biorąc pod uwagę efektywność i ekonomię. Jakie materiały z jednej strony proekologiczne, a z drugiej opłacalne w przetwórstwie i eksploatacji mamy dostępne na rynku?

O powodach popularności tworzyw polimerowych na rynku napisano już wiele opracowań zarówno naukowych, jak i tych skierowanych do szerszego odbiorcy. Skracając tajemnicę sukcesu tej grupy materiałów do dwóch słów, wypadałoby powiedzieć: właściwości i ekonomia. I – mimo znacznego uproszczenia – jest to w dużej mierze prawda, bo tworzywa i kompozyty z nich wykonane funkcjonują w każdej dziedzinie gospodarki od kilku dziesięcioleci, wspierając rozwój krajów rozwijających się czy ułatwiając egzystencję gospodarek rozwiniętych. W aspekcie społecznym to także zapewnienie miejsc pracy. Według danych Plastics Europe, w samej Europie jest to zatrudnienie ok. 1,5 mln osób rocznie1, oczywiście obejmujących także branże niebezpośrednio związane z przetwórstwem. 

Czy zatem tak potężna gałąź gospodarki osiągnęła już limit swojego rozwoju i należy spodziewać się stagnacji, ewentualnie spadku zainteresowania produktami? Dane statystyczne2 wskazują rokroczny przyrost światowej produkcji, z lokalnie występującymi minimami przypadającymi na okres światowego kryzysu. Według rokrocznych raportów Plastics Europe3-8, produkcja tworzyw na świecie rosła z 200 mln ton (w 2002) do 245 mln ton (2008), aby spaść do wartości 230 mln ton w 2009 r. Bezpośrednią przyczyną był oczywiście kryzys zadłużenia w krajach Unii Europejskiej, którego gwałtowny początek przypadł właśnie na rok 2009, a następnie dość mocno odczuwalne (następujące po sobie): w Grecji i Portugalii. Dwa lata później, w roku 2011, produkcja wystrzeliła do wartości 279 mln i sukcesywnie rosła przez lata, aby w roku 2019 zatrzymać się na poziomie 368 mln ton.

Wciąż potrzebujemy tworzyw sztucznych

Pandemia COVID-19, która wybuchła w 2020 r., oraz jej ekonomiczne konsekwencje (takie jak załamanie na giełdach), również wywarła swoje piętno na wolumenie produkcji światowej, wywołując stagnację w produkcji tworzyw polimerowych. Branża zakończyła rok 2020 na poziomie zbliżonym do roku poprzedniego, wytworzeniem 367 mln ton tworzyw polimerowych. Po tym kryzysie produkcja wróciła do tendencji wzrostowej, zamykając rok 2022 z wynikiem nieco ponad 400 mln ton. 

Dane dla Starego Kontynentu nie są aż tak wyraziste. Dla Europy wielkość produkcji od dłuższego czasu była niezmienna i od roku 2005 oscylowała w granicach 58-60 mln ton, z wyraźnymi spadkami przypadającymi na rok 2009 oraz 2020 – do 55 mln ton.

Patrząc globalnie na rynek, można więc stwierdzić że obserwujemy ciągły wzrost zapotrzebowania na ten surowiec, a spadki w produkcji mają charakter naturalny, wynikający z zależności od sytuacji na rynkach ekonomicznych i/lub ciągłości łańcuchów dostaw. Czy więc pod względem materiałowym powinniśmy się spodziewać nowości?

Coraz nowsze, coraz lżejsze

Odpowiedź na to pytanie nie jest jednoznaczna. Z jednej strony chcielibyśmy, aby producenci mogli rozszerzać paletę dostępnych materiałów, stosując je w coraz to nowszych aplikacjach. Potrzeba odchudzania konstrukcji, tworzenia tzw. lekkich materiałów o satysfakcjonujących parametrach wytrzymałościowych jest nierozerwalnie związana z branżą transportową od początku jej istnienia. Przemawia za tym oczywiście aspekt ekonomiczny, związany z redukcją zużycia paliwa, ważny nie tylko w motoryzacji, ale także w transporcie powietrznym – lotniczym i misjach kosmicznych. To stąd tak gwałtowny rozwój aplikacji kompozytów polimerowych wzmacnianych pierwotnie włóknem sztucznym – najczęściej szklanym, a w niektórych przypadkach także naturalnym – w elementach wyposażenia samochodu.

Pod uwagę należy brać też wymagania specyficzne, np. klasy palności zastosowanych materiałów, które muszą być spełnione przed dopuszczeniem produktu do zastosowania. Obudowy urządzeń elektrycznych, materiały stosowane w lotnictwie (nie jako konstrukcyjne, ale elementy wyposażenia wnętrza) nie mogą podtrzymywać procesu palenia; do ich wytwarzania konieczne jest stosowanie dodatków uniepalniających. Antypireny są w głównej mierze oparte na związkach bromu, chloru, boru, glinu czy fosforu. Dezaktywują wolne rodniki powstałe podczas spalania lub pochłaniają energię cieplną wydzielaną podczas procesu spalania oraz ograniczają jej dostęp (i tlenu) do niższych warstw tworzywa.

Kolejnym aspektem jest obecność dodatków, które zmieniają właściwości mechaniczne materiału. Plastyfikatory to bardzo popularna grupa krótkołańcuchowych cząsteczek, osłabiających oddziaływanie fizyczne pomiędzy łańcuchami („rozluźnianie” struktury) i w efekcie pozwalających na uzyskanie efektu materiału miękkiego, bardziej plastycznego. Powszechnie stosowanymi plastyfikatorami są te oparte na ftalanach, jednak nie mogą one być stosowane w aplikacjach wyrobów medycznych. W tej restrykcyjnej gałęzi dopuszczony do stosowania jest DINCH – ester diizononylowy kwasu cyklohekno – 1,2 – dikarboksylowego.

Problemy z przetworzeniem

Z drugiej jednak strony przetwórcy materiałów odpadowych spotykają się z trudnościami w przetwórstwie tak „wzbogaconych” tworzyw polimerowych. Są to: degradacja przetwarzanych kompozytów z uniepalniaczami9, abrazyjne oddziaływanie napełniacza na maszyny przetwórcze10 czy przyspieszenie dekompozycji matrycy dzięki obecności napełniacza11. To z kolei może wydatnie ograniczać możliwość ponownego wykorzystania („wpuszczenia w obieg”) materiału odpadowego, zgodnie z zasadą cyrkularności wyrażoną choćby w rozporządzeniu PPWR (Packaging and Packaging Waste Regulation – Rozporządzenie 2025/40 Parlamentu Europejskiego i Rady z 19 grudnia 2024)12. O ile skład przetwarzanego kompozytu jest znany i posiadamy wiedzę w zakresie wzajemnych interakcji jego składowych, to powyższy problem sprowadza się do przewidzenia możliwych konsekwencji i takiego pokierowania procesem, aby je zminimalizować. 

Takich dodatków zwiększających funkcjonalność tworzyw polimerowych, w tym kompozytów, jest dużo więcej i należy sobie zdać sprawę, że bez nich tworzywa na pewno nie odegrałyby tak znaczącej roli w rozwoju gospodarki. To raczej w dodatkach modyfikujących (rozumianych w tym miejscu jako napełniacze kompozytów, ale także dodatki procesowe oraz modyfikatory) należałoby upatrywać rozwoju, szczególnie w kierunku materiałów tzw. przyjaznych środowisku. Niestety, ze stosowalnością modyfikatorów wiążą się pewne problemy, np. migracja poza układ ciała stałego do środowiska. Tworzywa polimerowe nazywane są także materią miękką – przez porównanie ich parametrów mechanicznych do takich materiałów jak szkło czy stopy metali. Naukowym uzasadnieniem takiego nazewnictwa jest ich labilność, tzn. dużo większa zdolność do przechodzenia z jednego stanu w drugi. Wiąże się to choćby z dynamiką procesów dyfuzji w ciele stałym – transportem gazów przez warstwę tworzywa (folie „oddychające”) czy wypacaniem dodatków w warunkach sprzyjających – podwyższonej temperatury bądź odpowiednio długiego odstępu czasowego (białe wykwity plastyfikatora na elementach z PVC o tłustej konsystencji). To są immanentne cechy tworzyw termoplastycznych, do których zdążyliśmy się przyzwyczaić i które nie zawsze są podnoszone, ale w aspekcie ochrony środowiska zewnętrznego powinny być brane pod uwagę w dyskusji.

Biotworzywa i ich wady

Może więc nadzieją są tworzywa ze źródeł odnawialnych? Rozwój sektora tworzyw z takich źródeł jest naturalną konsekwencją rozwoju nauki i technologii, jednakże nadal – patrząc na oficjalne dane – ich udział w rynku jest marginalny. Ponadto należy mieć na względzie fakt konieczności stosowania wszystkich ww. dodatków podnoszących atrakcyjność tworzywa w końcowym użytkowaniu, a zatem wprowadzania do polimeru komponentów modyfikujących jego właściwości, ale także mających wpływ na późniejsze przetwórstwo. Inną kwestią jest migracja dodatków poza tworzywo do środowiska zewnętrznego. Zgodnie ze stanem wiedzy – niezależnie, czy mamy do czynienia z tworzywem pochodzenia roślinnego, czy będącym produktem przerobu ropy naftowej – migracja cząstek poza układ jest tożsama i zależna wyłącznie od chemicznej budowy materiału. A ta – stanowiąc o właściwościach końcowych materiału – jest przecież niezależna od źródła pochodzenia surowca.

Chociaż tworzywa pochodzące ze źródeł odnawialnych wpisują się w założenia polityki cyrkularnej, to ich niesatysfakcjonujące właściwości użytkowe eliminują je z szerokiego stosowania. Jeden z najbardziej rozpowszechnionych komercyjnie materiałów – polikwas mlekowy – często zestawiany jest z polistyrenem ze względu na wysoki moduł sprężystości, wytrzymałość doraźną i wydłużenie względne. I faktycznie, materiał ten sprawdził się szeroko w produkcji detali jednorazowych – od opakowań po sztućce (często wykonane jako kompozyt). Niestety, nawet pobieżna weryfikacja cen (choćby poprzez portal tworzywa.pl) daje jasny obraz potencjału obu surowców, gdzie biotworzywo jest około dwukrotnie droższe niż swój nieodnawialny odpowiednik. 

Co więcej, wprowadzenie dodatkowych modyfikatorów (antyoksydanty, modyfikator udarności, plastyfikator) nie tylko spowoduje dalszy wzrost ceny, ale przede wszystkim sprowokuje nas do zadania pytania o „odnawialność” tak otrzymanego surowca. O ile „odnawialność” łańcucha głównego pozostaje bezsprzeczna, o tyle w przypadku dodatków zazwyczaj tak nie jest. Wyjątek stanowi DINCH, plastyfikator PVC wykorzystywany w aplikacjach medycznych, który wg danych producenta (BASF) pochodzi ze źródeł odnawialnych (biomass balanced). Jednak to z kolei przekłada się na wyższą cenę tego surowca. 

Rynek takich tworzyw to także układy terpolimerowe, składające się z wielu jednostek monomerycznych – w większości odnawialnych. Dzięki temu właściwości użytkowe tak wytworzonego tworzywa są dużo bardziej atrakcyjne dla użytkownika końcowego. Przykładem jest tu politereftalan adypinianu butylenu (PBAT). To materiał o niskim module i znacznym wydłużeniu względnym, przydatny do aplikacji niedostępnych dla innych bioodpowiedników.

Którędy droga?

W dążeniu do zmniejszania śladu węglowego może pomóc nie tyle odejście (całkowite lub częściowe) od „tradycyjnych” tworzyw polimerowych (takich jak polietylen, polistyren, politereftalan etylenu) i zastąpienie ich bioodpowiednikami, ile zmiana sposobu ich syntezy. Surowcem wyjściowym zamiast ropy naftowej jest materiał odnawialny. W ten sposób od lat produkowany jest biopolietylen jako produkt fermentacji alkoholowej, a następnie polimeryzacji dehydratowanej pochodnej. Liderami produkcji są kraje Ameryki Łacińskiej, z Brazylią i Argentyną na czele13. Bioodpowiedniki klasycznych tworzyw polimerowych pozwalają na obniżenie emisji gazów cieplarnianych, zmniejszenie śladu węglowego w całym cyklu wykorzystania tworzywa (także jako gotowego produktu) i wykorzystanie surowców odpadowych (biogennych). Takie podejście pozwala na obniżanie śladu węglowego związanego z produkcją najpopularniejszych tworzyw w sektorze opakowaniowym (LDPE, HDPE), przy jednoczesnym braku konieczności rezygnowania z unikalnych właściwości tych tworzyw. Co więcej, materiał taki może ponownie zostać wprowadzony do obiegu jako recyklat, wypełniając założenia rozporządzenia PPWR o minimalnych zawartościach resurowca w materiale opakowaniowym. 

Postępując zgodnie z zasadami gospodarki cyrkularnej, w pierwszym kroku powinniśmy redukować ilość odpadów w miejscu ich powstawania, a w kolejnym wykorzystywać te odpady jako surowce do wytworzenia nowych użytecznych materiałów. Należy jednak mieć na względzie nie tylko literalne podejście do zasad określonych w rozporządzeniu, ale przede wszystkim konieczność zapewnienia „ciągłości technologicznej”, tj. materiałów o przynajmniej tożsamych właściwościach, przy akceptowalnej cenie. Według obecnego stanu techniki, co poświadczają wyniki sprzedażowe, nie wydaje się, by nowe biotworzywa zastąpiły dotychczas wykorzystywane materiały ropopochodne na szeroką skalę. Drogą, która wydaje się ekonomicznie, użytkowo i ekologicznie uzasadniona, jest produkcja klasycznych tworzyw z surowców odnawialnych, tak jak obecnie dzieje się to w krajach Ameryki Łacińskiej. Za tym modelem przemawia nie tylko możliwość pozyskania najpopularniejszych węglowodorów na drodze syntezy z biosurowców, ale (co równie ważne) także bilans ekonomiczny takiego procesu, potwierdzony funkcjonującym od lat modelem rzeczywistym. Oczywiście, przy założeniu tożsamej implementacji na pozostałe rynki, co, jak wiemy, w ekonomii zdarza się rzadko.

dr hab. Karol Leluk, prof. Politechniki Wrocławskiej
prodziekan Wydziału Inżynierii Środowiska Politechniki Wrocławskiej

Źródła 

  1. Raport Plastics Europe: Plastics – the facts 2016, https://plasticseurope.org/knowledge-hub/plastics-the-facts-2016/ (dostęp: 27.06.2025).
  2. Dane dotyczące rocznej produkcji tworzyw polimerowych w Europie za lata 1950-2023, https://www.statista.com/statistics/987838/plastics-production-volume-in-the-eu-28/ (dostęp: 30.06.2025).
  3. Raport Plastics Europe: Plastics – the facts 2009, https://plasticseurope.org/knowledge-hub/plastics-the-facts-2009/ (dostęp: 27.06.2025).
  4. Raport Plastics Europe: Plastics – the facts 2010, https://plasticseurope.org/knowledge-hub/plastics-the-facts-2010/ (dostęp: 27.06.2025).
  5. Raport Plastics Europe: Plastics – the facts 2011, https://plasticseurope.org/knowledge-hub/plastics-the-facts-2011/ (dostęp: 27.06.2025).
  6. Raport Plastics Europe: Plastics – the facts 2019, https://plasticseurope.org/knowledge-hub/plastics-the-facts-2019/ (dostęp: 27.06.2025).
  7. Raport Plastics Europe: Plastics – the facts 2020, https://plasticseurope.org/knowledge-hub/plastics-the-facts-2020/ (dostęp: 27.06.2025). 
  8. Raport Plastics Europe: Plastics – the facts 2022, https://plasticseurope.org/knowledge-hub/plastics-the-facts-2022/ (dostęp: 27.06.2025).
  9. Bifulco A. i in.: Recycling of flame retardant polymers: Current technologies and future perspectives. „Journal of Materials Science & Technology” 199(10)/2024, s. 156, doi: https://doi.org/10.1016/j.jmst.2024.02.039.
  10. Kočevar G. i in.: Recycling of an acrylate–glass fiber reinforced polyester composite. „Journal of Materials Cycle and Management” 20/2018, 1106, doi: https://doi.org/10.1007/s10163-017-0673-6.
  11. Xiao J. i in.: Effect of Organically Modified Montmorillonite on Thermal Degradation Mechanism of Polycarbonate Nanocomposites. „Procedia Engineering” 62(8)/2013, s. 791, doi: https://doi.org/10.1016/j.proeng.2013.08.127.
  12. https://eur-lex.europa.eu/legal-content/PL/TXT/?uri=OJ:L_202500040 (dostęp: 30.06.2025).
  13. Bello L. i in.: Bio-Polyethylene Furanoate Production in Latin America as a Response to the Current Needs for Sustainable Food Packaging. „Journal of Polymers and the Environment„ 33/2025, 1792, doi: https://doi.org/10.1007/s10924-025-03530-7.