Polyvinylacetát [PVA, (C₄H₆O₂)_n] známe přes sto let. Emulze PVA je netoxickým, nehořlavým, nevýbušným, hygienicky a zdravotně nezávadným, biologicky odbouratelným lepidlem na dřevo, papír příp. textilie – např. Herkules, Duvilax na dřevo. Smícháním například s roztokem boraxu (tetraboritanu sodného) ve správném poměru lze pro děti vyrobit oblíbený „sliz“. Kredit: volné dílo

Plasty jsou a nadále budou doslova všudypřítomné. Díky mikročásticím, které uvolňují, prochází i našimi těly. Nemusíme se zabývat environmentálními otázkami, abychom věděli, že jde o problém, jenž jistě nevyřeší papírová brčka, i kdyby je používali lidé ve všech zemích, ne jenom v některých. Podle odhadů možná až polovinu veškerého umělohmotného odpadu tvoří plastové obaly. Že znečišťují naše životní prostředí, na tom se podílíme i my, spotřebitelé. Víme, že jen tak kdekoli pohodit odpadky se nemá. Většina z nás takové chování odsuzuje, jeho důsledky nás pobuřují, a přesto to kolem cest, vod, i lesních chodníčků místy vypadá, jako by opak byl pravdou. Občas lze „zakopnout“ i o celou kupu vyvezených odpadků, rozbitý spotřebič, kus nábytku…

Role sulfátového (kraftového) papíru Kredit: CC0 – volné dílo

Restrikční zákazy a příkazy, jež nelze dostatečně kontrolovat, jistě nepostačí. Výchova od útlého dětství je jedna forma řešení problému, hledat vhodné biodegradovatelné náhrady alespoň pro obalovou techniku, je tou další. Ekologicky bezpečný papír a z něho odvozený karton či papírová lepenka si vyžadují suché prostředí. Výzvou jsou tedy obaly, které vlhkosti odolávají, přesto jsou nejen biologicky, ale i zdravotně bezpečné a samozřejmě kompostovatelné.

Na vývoj materiálu biologicky rozložitelném půdními, ale zejména mořskými mikroorganismy se zaměřil sedmičlenný tým z prestižních jihokorejských universit, KAIST (Korea Advanced Institute of Science and Technology), Yonsei University a Gangneung-Wonju National University. Odborníci z několika oborů navázali na předcházející výzkumy a navrhli papír s povlakem z polyvinylacetátu (PVA), který dobře známe v disperzi jako lepidla Herkules nebo Duvilax.

Případné toxické vlivy roztokem epichlorohydrinu ošetřeného sulfátového (kraftového) papíru autoři studie testovali na běžné travině, jílku mnohokvětém Kredit: Stefan.lefnaer, Wikimedia Commons, CC BY-SA 4.0

Přidáním 5% kyseliny borité (H₃BO₃) do jeho roztoku s malým množstvím kyseliny chlorovodíkové (HCl) jako katalyzátoru se při zasychání nátěru vytváří mezi polymolekulárními řetězci PVA příčné vazby zesíleny molekulami H₃BO₃. Roztokem zmíněných tří komponent (PVA+ H₃BO₃+HCl) výzkumníci smáčeli povrch takzvaného kraftového neboli sulfátového papíru (zde). Ten známe například v podobě papírových nákupních tašek nabízených u pokladen větších obchodů namísto původních „igelitek“. Tisková zpráva na stránkách KAISTu uvádí, že tento druh papíru s povrchovou úpravou z PVA a kyseliny borité dokáže konkurovat běžným plastovým obalům, a to i ve vlhkých podmínkách. Prý je odolný, pevný, bioldegradovatelný, dostatečně chrání nejenom před vlhkostí, ale i vzdušným kyslíkem, což je důležité zejména pro kazící se potraviny.

Neodmyslitelnou součástí studie byly testy rozložitelnosti mořskými mikroorganismy. Vodní prostředí vědci simulovali v speciálním bioreaktoru a proces degradace ověřovali mimo jiné i pomocí rastrovacího elektronového mikroskopu. Jak jsou mořské bakterie výkonné? V závislosti od síly PVA povlaku bakterie v bioreaktorech po 111 dnech rozložily 59 až 82 % testovaných vzorků. Zajímavá, z hlediska ekologických dopadů celkem nadějná čísla – samozřejmě v případě, že ani celistvý, ještě nerozložený materiál, ani metabolity, které po jeho degradaci mikroorganismy zbydou, nezatěžují okolní prostředí, neohrožují rostliny a živočichy. Podle zmíněné tiskové zprávy vědátoři biokompatibilitu prověřili pokusy jednak na myších, ale také in vitro na kulturách kmenových buněk lidských ledvin a myších embryonálních fibroblastů.

Elektronový rastrovací mikroskop dokládá rozklad povrchové vrstvy PVA a kyseliny borité mořskými bakteriemi. Kredit: Korea Advanced Institute of Science and Technology

To, co tisková zpráva nezmiňuje, co ale lze vyčíst z dostupné části odborného článku (zde) je, že Jihokorejci testovali také, jestli zmíněný kraftový papír je potřebné ještě před nanesením nepropustného PVA povlaku smáčet roztokem epichlorhydrinu. Tento již od pohledu nesympatický chemický název označuje rozpustnou organochlorovou sloučeninu se sumárním vzorcem C₃H₅ClO, skrývající se také pod zkratkou ECH. Roztokem epichlorhydrinu se napouští papír, jenž má alespoň nějakou dobu odolávat vlhku, aniž by se rozpadl.

V mořském prostředí se o rozpad papíru potaženém polyvinylacetátem v kombinaci s kyselinou boritou postará dynamický pohyb povrchové vrstvy vody a v ní žijící bakterie. Kredit: Korea Advanced Institute of Science and Technology

Chemikálie je však podezřelá z možné karcinogenity, přičemž ohroženi jsou zejména ti, co s ní přímo pracují. Kromě papírenského průmyslu se epichlorhydrin používá například při výrobě glycerolu, některých plastů, epoxidových lepidel / ředidel a elastomerů. Jenže co takové papírové filtry na kávu nebo čajové sáčky, jež musí zůstat celistvé i pod tlakem horké vody? Právě sporná bezpečnost k tomuto účelu předtím běžně používaného epichlorhydrinu vedly k alternativním činidlům, jakým je i polyamid-amin-epichlorhydrin (PAE), jež by měl být bezpečný (nebo alespoň bezpečnější).

Ale zpět k jihokorejské studii. Její autoři také zkoumali, jestli kraftový papír smáčený pouze čistou deionizovanou vodou poskytuje stejně dobrý podklad pro ochranný film z PVA, jako když je napuštěn roztokem epichlorhydrinu. Odpověď jistě tušíte – B je správně. Tedy s epichlorhydrinem má výsledný obalový materiál lepší vlastnosti. Je pevnější, vodě odolnější. ECH totiž tím, že stmeluje celulózová vlákna papíru, zvyšuje rovnoměrnost a kompaktnost také svrchního PVA povlaku.

V odborném článku autoři uvádějí, že zkoumali také ekotoxicitu samotného kraftového papíru napuštěného roztokem ECH (a bez PVA vrstvy). Za testovací rostlinu si zvolili běžný druh trávy, jílek mnohokvětý (Lolium multiflorum). Došli k závěru, že ECH ošetřený kraftový papír dosahuje jen „bezvýznamnou úroveň fytotoxicity“ a je tedy vhodný pro konečnou úpravu polyvinylacetáem s kyselinou boritou.

Přehledná grafika odhaluje postup laboratorní přípravy nového typu obalového materiálu na bázi papíru s povlakem PVA. Roztok polyvinylacetátu a kyseliny borité se 2 hodiny smíchávají při teplotě 90 °C, pak se při nižší teplotě přidá nepatrně kyseliny chlorovodíkové, jež v polyvinylacetátové matrici působí jako katalyzátor tvorby přídavných příčných vazeb z molekul kyseliny borité. Výsledným roztokem se pak potírá vlhký podkladový kraftový papír. Jestli byl předtím zvlhčen pouze deionizovanou vodou, výsledný materiál není dostatečně voděodolný, jako když je smáčen roztokem epichlorohydrinu. Kredit: Kitae Park et al. Effect of epichlorohydrin treatment on the coating process and performance of high-barrier paper packaging, Food Chemistry, Vol. 445, 2024,https://doi.org/10.1016/j.foodchem.2024.138772.

Lidská civilizace ovlivňuje své prostředí přímo úměrně své technické vyspělosti. Asi se všichni shodneme na tom, že kvůli nám samotným musíme minimalizovat negativní vlivy moderní společnosti na přírodní prostředí. Nicméně (nejen) tato snaha musí však být nanejvýš racionální – od identifikace skutečných hrozeb, přes správné posouzení jejich závažnosti a našich reálných možností je ovlivnit, až po plánování smysluplných a efektivních protiopatření. Jako téměř ve všem – špatná rozhodnutí jsou jako bumerang. Dopadnou na ty, co se nimi řídili.

Literatura: Green Chemistry (obdobný starší a dostupný článek), Food Chemistry (částečně dostupný novější článek), KAIST News

Video: Prázdniny se blíží, a tak upozorňujeme na recept na domácí výrobu moduritu podobné hmoty, která si uchová plastičnost, dokud nevyschne v tvrdý, nerozpustný materiál. Suroviny jako nejlevnější PVA lepidlo, trochu boraxu, glycerinu a jemně mletého mastku (dětského zásypu) jsou dostupné i finančně. Podobně z PVA lepidla, sody bikarbony a roztoku boraxu lze pro děti vyrobit „sliz“ (zde). Vše závisí od poměru PVA emulze / roztok boraxu. Materiály lze v průběhu „výroby“ barvit vodou rozpustnými, například potravinovými barvami.