Создан композит, который полностью разлагается в почве за несколько месяцев
В ФИЦ «Красноярский научный центр СО РАН» получили экологичные композиты на основе биоразлагаемого полимера и растительных отходов. Новая разработка направлена на сокращение неразлагаемого пластика в окружающей среде, а также на снижение стоимости зеленых материалов за счет использования отходов рыбопереработки для синтеза полимеров и отходов лесопромышленного комплекса и агроиндустрии. При этом свойства пластика можно целенаправленно изменять: делать материал более прочным и влагостойким для строительства и сельского хозяйства или быстро разлагающимися для упаковки и одноразовых изделий. Результаты исследования опубликованы в журнале Polymers.
Технология включает в себя несколько стадий. Для начала специалисты синтезировали полимер по ранее разработанной методике с использованием отработанного жира, извлеченного из остатков переработки балтийской кильки. Эти отходы консервного производства обычно отправляются на свалки, однако в лаборатории они стали питательной средой для бактерий, которые производят полимер. Затем полученный полимер смешивали с растительными наполнителями: древесной мукой березы, кострой (одревесневшими частями стебля) и волокнами технической конопли. Выбор растительных наполнителей обоснован тем, что отходы березы — это возобновляемое и доступным сырье с высоким содержанием целлюлозы, образуемое в больших количествах в регионах с развитой лесопереработкой. Конопля характеризуется быстрым ростом и высокой урожайностью, состоит из волокон высокой прочности и долговечности; она легче и гибче древесины, что позволяет создавать более легкие и одновременно прочные изделия. Из сформированных смесей полимера и наполнителя методом горячего прессования были получены образцы новых композитных материалов.
Свойства полимерных композитов определяются типом растительного наполнителя и его количеством. Меняя сырье и его долю, можно регулировать характеристики итоговых веществ: от влагостойких и механически прочных до быстро разлагающихся в естественной среде. Так, добавление древесных или травянистых отходов позволяет получать полностью разрушаемые композиты, по прочности сопоставимые с коммерческими не разрушаемыми древесно-стружечными композитными материалами, в которых в качестве связующей основы использованы токсичные формальдегидные смолы или полиолефины (полиэтилен или полипропилен). Конопляная костра повышает кристалличность полимера и увеличивает его механическую прочность. Наполнители из древесной муки и костры делают поверхность материала более плотной и водоотталкивающей, что увеличивает его устойчивость к влаге, однако замедляют разложение полимера. Конопляное волокно, напротив, увеличивает поглощение воды композитом. Это ускоряет разрушение полимера в почве, что важно для утилизации отслуживших свой срок материалов и изделий при вывозе на полигоны твердых отходов.
«Для получения высококачественных композитов критически важно добиться однородности смесей. Просто смешать порошки — недостаточно. Волокна и частицы растительного наполнителя сбиваются в агломераты, из-за чего материал получается неоднородным. Это приводит к ухудшению свойств конечного изделия. Чтобы решить эту проблему, мы применили растворный метод: наполнитель смешивают с полимером, растворенным в органическом растворителе, затем полученную смесь осаждают этанолом и высушивают. Это позволило добиться равномерного распределения компонентов и получить композиты с древесной мукой и кострой конопли почти монолитными, с минимумом дефектов. С волокном конопли, из-за большей длины волокон, структура получалась более дефектной. При высокой доле наполнителя возрастало количество трещин и микрополостей, которые нарушали однородность поверхности и приводили к снижению гидрофобности. Это отражалось на скорости разрушения композитов в почве. Микрополости работают как каналы для проникновения влаги и микроорганизмов, давая им большую площадь для заселения, из-за чего образцы разлагаются в почве быстрее», — рассказывает аспирантка Сибирского федерального университета и инженер Института биофизики ФИЦ КНЦ СО РАН Наталья Дмитриевна Ипатова.
Лабораторные испытания подтвердили высокую биоразлагаемость новых композитов. Образцы с высоким содержанием растительных наполнителей разрушались быстрее чистого полимера. Например, композит с 70 % содержанием волокон конопли терял более половины своей массы всего за три месяца, а с 50 % наполнителя — за четыре. Таким образом, изменяя тип и количество растительной добавки, можно задавать свойства композита: например, повышать его прочность или, наоборот, создавать композитные материалы с ускоренной биоразлагаемостью.
«Ключевая проблема для более активного внедрения биоразлагаемых ПГА — их высокая стоимость, которая в зависимости от объемов производства и типа сырья в 2—2,5 раза превышает сегодня стоимость полилактида и в 3—4 раза — стоимость полиолефинов. При этом сегмент ПГА в сфере производства разрушаемых полимерных материалов показывает самый быстрый рост, который, по прогнозам, в период 2024—2030 составит до 16,4 % в год. Жир, полученный из голов копченой кильки, стоит примерно 35 рублей за килограмм, что вдвое ниже стоимости глюкозы. С учетом снижения затрат на субстрат в случае применения жира, удельные затраты на углеродный субстрат снижаются от 2,5 до 3,5 раз. В результате стоимость ПГА становится сопоставимой с полилактидами. Это делает сконструированные композиты конкурентоспособными и открывает перспективы для их массового производства. Синтез ПГА из отходов не только снижает стоимость полимеров, но и расширяет их применение: от медицины до сельского хозяйства, технических областей, строительства, мебельной промышленности. В зависимости от назначения можно выбирать подходящий источник сырья, оптимизируя стоимость и качество полимера. Также важно, что эта технология подталкивает нас к переходу к экономике замкнутого цикла, где отходы одного производства становятся востребованным сырьем для другого», — резюмирует руководитель работы, заведующая лабораторией Института биофизики ФИЦ КНЦ СО РАН доктор биологических наук профессор Татьяна Григорьевна Волова.
Источник: Пресс –служба СО РАН («Наука в Сибири»)