พอลิเมอร์ที่ย่อยสลายได้ (Degradable polymers) 

 

     คุณค่าทางทางเศรษฐกิจก็เป็นปัจจัยสำคัญอีกประการหนึ่งที่ต้องพิจารณา นอกจากปัญหาด้านอัตราการบริโภค และการกำจัดขยะพลาสติกดังที่กล่าวมาแล้ว ราคาของปิโตรเลียมเพิ่มสูงขึ้นอย่างมากในปัจจุบัน และมีแนวโน้มว่าจะสูงขึ้นอย่างต่อเนื่องในอนาคต อันเนื่องมาจากหลักการตลาดของอุปสงค์และอุปทาน เพราะปริมาณปิโตรเลียมสำรองในธรรมชาติลดลง แต่กระบวนการเกิดขึ้นใหม่ตามธรรมชาติต้องใช้เวลานับร้อยๆปีในการทับถมของซากสิ่งมีชีวิต ซึ่งไม่สมดุลกับอัตราการบริโภคที่เพิ่มขึ้นอย่างก้าวกระโดด ดังนั้น จึงมีการคาดหมายว่าปิโตรเลียมและผลิตภัณฑ์ที่เกี่ยวข้องจะหมดไปจากโลกภายในแวลาอีกไม่เกิน 100 ปีข้างหน้า สาเหตุเหล่านี้ จึงเป็นปัจจัยที่ผลักดันให้เกิดการศึกษาค้นคว้าเพื่อผลิตวัสดุที่มีสมบัติทางกายภาพเทียบเคียงกับพลาสติก แต่สามารถผลิตได้จากวัตถุดิบที่ไม่ได้มาจากปิโตรเลียม กล่าวคือ ใช้วัตถุดิบทดแทน (renewable) ที่มีวงจรการผลิตค่อนข้างสั้น เช่น ผลิตผลทางการเกษตร เป็นต้น และสมบัติที่สำคัญคือ สามารถย่อยสลายได้ โดยเรียกพอลิเมอร์หรือพลาสติกเพื่อวัตถุประสงค์นี้ว่า พลาสติกชีวภาพ ซึ่งในปัจจุบันมีการผลิตได้หลายชนิด หากแบ่งตามกลไกการสลายตัวสามารถจำแนกได้ดังนี้

     1. Biodegradable คือ พอลิเมอร์ที่สลายตัวได้โดยการใช้เอ็นไซม์ จากจุลินทรีย์ในการตัดสายโซ่ แล้วได้ผลิตผลเป็นสารโมเลกุลเล็กที่มีตามธรรมชาติ เช่น น้ำ แอลกอฮอล์ คาร์บอนไดอ๊อกไซค์ เป็นต้น
     2. Compostable จัดเป็นพอลิเมอร์ชนิด Biodegradable ซึ่งการสลายตัวเกิดขึ้นแบบจำเพาะโดยการหมักที่อุณหภูมิสูงกว่า 50 °C
     3. Hydro-biodegradable พอลิเมอร์ที่สลายตัวได้โดยการสลายพันธะเมื่อทำปฏิกิริยากับน้ำ (hydrolysis)
     4. Photo-biodegradable พอลิเมอร์ที่สลายตัวได้เมื่อได้รับพลังงานจากแสง
     5. Bioerodable พอลิเมอร์ที่สลายตัวได้โดยไม่ต้องพึ่งพาจุลินทรีย์ โดยจะเกี่ยวข้องกับกระบวนการทางเคมีต่างๆ เช่น ปฏิกิริยาอ๊อกซิเดชั่น เป็นต้น

     ปัจจุบันมีพลาสติกชีวภาพ 2 ประเภทหลักที่มีการศึกษาวิจัย และนำมาผลิตใช้ประโยชน์ คือ พอลิเมอร์ประเภทที่มีส่วนผสมของแป้ง (polysaccharide) และพอลิเอสเทอร์ (polyesters) โดยพอลิเมอร์ประเภทแรกเกิดจากการผสมพอลิเมอร์บางชนิด เข้ากับสายโซ่พอลิเมอร์ของแป้งที่เกิดจากการเรียงต่อกันของน้ำตาลโมเลกุลเดี่ยว เช่นกลูโคส เชื่อมกันด้วยพันธะ glucosidic โดยใช้อัตราส่วนผสมได้ตั้งแต่ 10 -90 % ขึ้นอยู่กับจุดประสงค์ในการใช้งาน ซึ่งหากส่วนผสมของแป้งมากกว่า 60% จะทำให้พลาสติกผสมสามารถย่อยสลายได้ทางชีวภาพ หากส่วนผสมต่ำกว่า 60% ส่วนผสมที่เป็นแป้งจะทำหน้าที่เป็นจุดที่ทำให้เกิดการแตกตัวของชิ้นส่วนพอลิเมอร์ผสมให้มีขนาดเล็กลง ตัวอย่างพอลิเมอร์ที่นำมาผสมกับแป้ง ประกอบด้วย พอลิไวนีลแอลกอฮอล์ พอลิเอสเทอร์ เป็นต้น โดยก่อนกระบวนการผสมอาจมีการปรับปรุงคุณภาพของแป้งที่ใช้โดยกระบวนการทางเคมีก่อน เพื่อให้มีคุณสมบัติทางเคมีที่เหมาะสมก่อนก็ได้

แหล่งที่มาของภาพ : http://www.lbl.gov/Tech-Transfer/images/tech_images/1809b.jpg

     ส่วนพอลิเอสเทอร์ จัดเป็นพอลิเมอร์ที่ย่อยสลายได้เนื่องจากประกอบด้วยพันธะเอสเทอร์อยู่ในสายโซ่เป็นจำนวนมาก ซึ่งพันธะนี้มีความแข็งแรงน้อย สามารถแตกตัวได้ง่ายโดยทำปฏิกิริยากับน้ำ (hydrolysis) ดังนั้นจึงสามารถย่อยสลายเป็นสารโมเลกุลเล็กลงได้ ซึ่งพอลิเอสเทอร์ยังสามารถจำแนกตามส่วนประกอบของสายโซ่เป็น 2 ประเภท คือ aliphatic และ aromatic polyester ในปัจจุบันมีการผลิตพอลิเมอร์ย่อยสลายได้ในกลุ่มนี้หลายชนิดดังแสดงในภาพประกอบ ซึ่งส่วนใหญ่เป็นพอลิเมอร์ประเภท aliphatic polyester เพราะสายโซ่มีความเหมาะสมต่อการสลายพันธะดีกว่า ในส่วนของ aromatic polyester จะต้องทำการปรับปรุงโครงสร้างให้เหมาะสมขึ้น โดยอาจต่อสายโซ่กับ aliphatic polyester ให้เป็นโคพอลิเมอร์ (aliphatic-aromatic copolyester) ก่อนจึงจะสามารถย่อยสลายได้ ซึ่งในการนี้มีการใช้ PET เป็นส่วนประกอบหลัก

Aliphatic polyester ประกอบด้วยพอลิเมอร์ 4 ตระกูลใหญ่ๆ คือ polybutylene succinate (PBS), polycaprolactone (PCL), polyhydroxyalkanoates (PHA), polylactic acid (PLA) ซึ่ง 2 ชนิดแรกต้องใช้มอนอเมอร์จากปิโตรเคมี ส่วน PLA ใช้วัตถุดิบทดแทนแต่ยังคงอาศัยปฏิกิริยาเคมีในการสังเคราะห์สายโซ่ของพอลิเมอร์ในขั้นตอนสุดท้าย ในขณะที่ PHA เป็นพอลิเมอร์ตระกูลเดียวที่กระบวนการสังเคราะห์ทั้งหมดเกิดขึ้นในจุลินทรีย์ ในปัจจุบันมีนำพอลิเมอร์เหล่านี้มาใช้ทางการค้าโดยมีผลิตภัณฑ์ออกสู่ตลาดบ้างแล้วคือ PLA ที่สามารถนำไปทดแทนพลาสติกประเภทบรรจุภัณฑ์ เช่น ขวด PET ถุงพลาสติก เป็นต้น โดยพอลิเมอร์ชนิดนี้สังเคราะห์ได้จากวัตถุดิบที่เป็นแป้ง เช่น ข้าวโพด มันสำปะหลัง เป็นวัตถุดิบ โดยต้องนำแป้งมาผ่านกระบวนการหมักบ่มด้วยจุลิทรีย์ เพื่อให้ได้ lactic acid monomer จากนั้นจึงนำไปผ่านกระบวนการสังเคราะห์เป็นพอลิเมอร์ (ดูรายละเอียดเพิ่มเติมใน “พลาสติกจากข้าวโพด”) แต่ข้อจำกัดของ PLA คือไม่คงรูปเมื่อได้รับความร้อน ส่วนอีกชนิดคือ PHA ที่มีสมบัติทางกลดีกว่า เหมาะกับการขึ้นรูปด้วยความร้อน (thermal forming) โดยพอลิเมอร์ชนิดนี้มีอนุพันธุ์หลายชนิดด้วยกันดังแผนภาพ ส่วนใหญ่สามารถสังเคราะห์ได้โดยตรงโดยจากสารจำพวกแป้งและน้ำตาล แล้วได้เป็นสายโซ่ยาวของพอลิเมอร์ โดยการใช้จุลินทรีย์ตลอดกระบวนการ จึงเรียกพอลิเมอร์ประเภทนี้ว่า microbial polymers

 

แหล่งที่มาของภาพ : http://www.vcharkarn.com/varticle/18774ผลิตภัณฑ์เป็นมิตรกับสิ่งแวดล้อม: CD ที่มีส่วนผสมของ PLA ซึ่งสังเคราะห์ได้จากการหมักบ่มข้าวโพด