Новый экологичный композит полностью разлагается в почве за несколько месяцев
Специалисты Института биофизики СО РАН получили экологичные композиты на основе биоразлагаемого полимера и растительных отходов. Результаты исследования опубликованы в журнале Polymers.
Новая разработка направлена на сокращение неразлагаемого пластика в окружающей среде, а также на снижение стоимости «зелёных» материалов за счёт 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.
Выпуск синтетических пластиков в 2025 году достиг 450 миллионов тонн, большая часть которого 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. Но увеличение объёмов их производства и расширение областей применения ограничено высокой стоимостью. Высокие потребительские свойства делают эти полимеры перспективной альтернативой традиционным пластикам, получаемым из нефти.
В Институте биофизики СО РАН собрана коллекция штаммов микроорганизмов, обладающих способностью синтезировать эти соединения, и реализована возможность синтеза этих биопластиков на различных субстратах, включая отходы. Инновационное направление применения ПГА — это создание композитных древесноволокнистых и древесно-стружечных материалов, широко используемых в строительстве в виде дверных и оконных блоков, межкомнатных перегородок, при производстве мебели, железнодорожных шпал и других композитных изделий.
Учёные Красноярского научного центра СО РАН разработали технологию получения полностью биоразлагаемых полимерных композитов на основе ПГА и растительных наполнителей — древесной муки, костры и волокон технической конопли. Такие композиты являются экологически чистыми и полностью биоразлагаемыми. Разработанная технология имеет потенциал для промышленного внедрения.
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. 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 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 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.
«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 эту проблему, мы 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», — рассказала инженер Института биофизики СО РАН Наталья 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 — 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.
«Ключевая проблема для более активного внедрения биоразлагаемых ПГА — их высокая стоимость, которая в зависимости от объёмов 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 гг. составит до 16,4 % в год. Жир, полученный из голов копчёной кильки, стоит примерно 35 рублей за килограмм, что вдвое ниже стоимости глюкозы. С учётом 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», — резюмировала руководитель работы, заведующая лабораторией Института биофизики СО РАН Татьяна Волова.
Источник: КНЦ СО РАН.
