×

Предоставлено: Unsplash / CC0 Public Domain.

На протяжении довольно долгого времени попытки перейти от уже привычных нам пластмасс на основе продуктов нефтехимической промышленности к возобновляемым и биоразлагаемым пластмассам терпели неудачи одна за другой. Поиски оптимальной технологии оказывались непростым занятием, поскольку решение могло бы быть приемлемым лишь при условии соблюдения одновременно многих требований к конечному продукту. Но – то производственный процесс предполагал использование токсичных химикатов, то оказывался неоправданно дорогостоящим, а то и, бывало, определённые физические показатели полученных образцов – скажем, механическая прочность или водостойкость – оставляли желать лучшего. Но сегодня у науки есть метод, наконец-то позволяющий сделать следующий шаг, благодаря использованию побочных продуктов древесины. Исследователи совершили прорыв, дающий надежду на производство более прочных и устойчивых биопластиков.

В этом процессе пористая матрица натурального дерева разрушается, образуя гомогенную суспензию целлюлоза-лигнин, имеющую наноразмерное переплетение и водородные связи между регенерированным лигнином и целлюлозой. Полученный лигноцеллюлозный биопластик демонстрирует высокую механическую прочность и стабильность во влажном состоянии, устойчивость к ультрафиолетовому излучению и температурным нагрузкам. Более того, лигноцеллюлозный биопластик оказывает меньшее воздействие на окружающую среду, поскольку легко поддаётся переработке и безопасному разложению в естественной среде. Эта стратегия регенерации лигнина «на месте», с использованием только экологически чистых и перерабатываемых химикатов, обеспечивает многообещающий путь к производству прочных, разлагаемых и устойчивых лигноцеллюлозных биопластмасс в качестве многообещающей альтернативы имеющихся вариантов.

Процесс преобразования пористой матрицы натурального дерева в суспензию подробно описан в исследовании, опубликованном в журнале Nature Sustainability, в соавторстве с Юань Яо, доцентом кафедры промышленной экологии и устойчивых систем Йельской школы окружающей среды (YSE). Исследователи говорят, что кроме преимущества в виде многократной переработки и способности к биоразложению у вас на грядке, новый материал примечателен также и тем, что в течение всего жизненного цикла он оказывает меньшее воздействие на окружающую среду по сравнению не только с пластиками на нефтяной основе, но и с другими биоразлагаемыми собратьями.

«Многие люди пытались разработать такие полимеры в пластике, но механические нити недостаточно хороши, чтобы заменить пластики, которые мы используем в настоящее время, которые в основном производятся из ископаемого топлива, – говорит Яо. – Мы разработали прямой и простой производственный процесс, позволяющий получать пластмассы на основе биомассы из дерева, а также пластмассы, которые обладают ещё и хорошими механическими свойствами».

Чтобы создать суспензионную смесь, команда использовала древесный порошок – отходы деревообработки на лесопильных заводах, обычно отправляемые в утиль. С помощью биоразлагаемого и пригодного для повторного использования глубокого эвтектического растворителя (DES), исследователи разрушили рыхлую пористую структуру порошка. Полученная смесь, которая имеет наноразмерное переплетение и водородные связи между регенерированным лигнином и микро/нанофибриллами целлюлозы, отличается высоким содержанием твёрдых веществ и высокой вязкостью. Благодаря чему, материал можно отливать и прокатывать без разрушения этих связей в нём и, соответственно, его свойств.

Затем Яо провёл комплексную оценку так называемого жизненного цикла биопластика, чтобы проверить его воздействие на окружающую среду по сравнению с обычными пластмассами. Наблюдение за закопанными в почву листами биопласта показало, что через две недели они стали трескаться, а через три месяца полностью разрушались. Кроме того, любопытной является ещё одна особенность разработки: по словам авторов исследования, их детище после затвердевания можно снова превратить в суспензию путём механического перемешивания, что также позволяет извлекать из смеси и повторно использовать DES (эвтектический растворитель).

«Для меня это то, что действительно делает этот пластик хорошим: он может быть переработан или подвергнут биологическому разложению», – говорит Яо. – Мы свели к минимуму все материалы и отходы, попадающие в природу».

Соавтор статьи, профессор Центра инновационных материалов при Университете Мэриленда, Лянбинг Ху, считает, что «биопластик имеет множество применений». Его можно превратить в плёнку, которую можно использовать в пластиковых пакетах и упаковке – одно из основных применений пластика и причина образования отходов. Ху также говорит, что, поскольку биопластику можно придавать различные формы, он также имеет потенциал для использования в автомобилестроении.

Но, как говорится, не хлебом единым. Одной из областей, которую исследовательская группа продолжает изучать в рамках этого проекта, является потенциальное влияние промышленного производства этого биопластика на леса. Хотя в настоящее время в этом процессе используются побочные продукты деревообработки, учёные прекрасно понимают, что крупномасштабное производство может потребовать использования просто огромного количества древесины. Это может иметь далеко идущие последствия для лесов, землепользования, экосистем и изменения климата, а это лишь некоторые из затрагиваемых этой проблемой сфер.

Но вот сюрприз: Яо говорит, что её команда уже начала работать с лесным экологом над созданием имитационных моделей леса, связывающих цикл роста лесов с производственным процессом. Она также видит возможность сотрудничества с людьми, которые работают в лесных отраслях – необычное удобство.

«Нечасто инженер может пройти по коридору и поговорить с лесником», – шутит исследователь.


 

АРМК, по материаламPhys.org иNature Sustainability