Российские учёные разработали уникальные композитные материалы на основе биоразлагаемого полимера и отходов производства

Учёные Красноярского научного центра Сибирского отделения Российской академии наук надеются, что применение новых материалов позволит снизить нагрузку на экосистему, за счёт уменьшения выбросов неразлагаемого пластика в окружающую среду. Проблема давно стала серьёзной. Выпуск синтетических пластиков в 2025 году достиг 450-ти миллионов тонн, причём большая часть таких материалов сохраняется в окружающей среде сотни лет. Учитывая объёмы производства и потребления синтетических неразлагаемых пластмасс и необходимость перехода к экологически чистым материалам, особую актуальность приобретает разработка биоразлагаемых альтернатив и расширение ассортимента так называемых «зелёных» полимеров.

Одним из многообещающих классов таких материалов считаются полигидроксиалканоаты (ПГА) – биополимеры, которые синтезируют микроорганизмы. Однако увеличение объёмов их производства и расширение областей применения ограничено высокой стоимостью. Потребительские свойства делают эти полимеры перспективной альтернативой традиционным пластикам, получаемым из нефти.

И именно учёные Красноярского научного центра СО РАН разработали технологию получения полностью биоразлагаемых полимерных композитов, исходные материалы для которых на первый взгляд вызывают удивление – это отходы консервных заводов, древесная щепа и волокна технической конопли. Однако биофизики показывают, что техпроцесс вполне реалистичен, а конечный продут удовлетворяет всем самым строгим требованиям.

Технология включает в себя несколько стадий. Для начала специалисты синтезировали полимер по ранее разработанной методике с использованием отработанного жира, извлечённого из остатков переработки балтийской кильки. Обычно такие отходы консервного производства отправляют на свалки, однако в лаборатории они стали питательной средой для бактерий, которые производят полимер.

Затем полученный полимер смешивали с растительными наполнителями: древесной мукой берёзы, кострой (одревесневшими частями стебля) и волокнами технической конопли. Выбор растительных наполнителей обоснован тем, что отходы берёзы – это возобновляемое и доступное сырьё с высоким содержанием целлюлозы, образуемое в больших количествах в регионах с развитой лесопереработкой.

Конопля при всей неоднозначности выбора, характеризуется быстрым ростом и высокой урожайностью, состоит из волокон высокой прочности и долговечности; она легче и гибче древесины, что позволяет создавать более лёгкие и одновременно прочные изделия. Из сформированных смесей полимера и наполнителя методом горячего прессования были получены образцы новых композитных материалов.

Инженер Института биофизики Сибирского отделения Российской академии наук Наталья Ипатова охотно делится техническими подробностями:

Качество и прочность композитов напрямую связаны с характеристиками исходных компонентов, а также с условиями их обработки. 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 проблему, разработчики применили растворный метод: наполнитель смешивают с полимером, растворённым 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.

Итоговые 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 – четыре месяца. Таким образом, изменяя тип и количество растительной добавки, можно задавать свойства композита: например, повышать его прочность или, наоборот, создавать композитные материалы с ускоренной биоразлагаемостью.

Учёные считают, что технология может получить распространение в силу своей экономической эффективности. Сейчас биоразлагаемые композиты отличает высокая стоимость, которая превышает в 2-2,5 раза цену на обычный пластик. А новое производство, которое строится буквально на промышленных отходах, даёт резкое удешевление себестоимости.

По оценкам руководителя работы, заведующая лабораторией Института биофизики СО РАН Татьяны Воловой, с учётом снижения затрат на субстрат в случае применения предложенных материалов, 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.

Специалисты надеются, что синтез ПГА из отходов не только снизит стоимость полимеров, но и расширяет их применение: помимо строительной отрасли, новые материалы могут быть востребованы в медицине, сельском хозяйстве, производстве мебели. Кроме того, технология может стать одной из первых ласточек на пути к экономике замкнутого цикла, где отходы одного производства становятся востребованным сырьём для другого.

Искренне Ваш,
За-Строй.РФ

Подписывайтесь на За-Строй.РФ в МАХ 

При полном и/или частичном копировании данного материала, для последующего размещения его на стороннем ресурсе, обратная, индексируемая ссылка на источник обязательна!