Композиты на основе биоразлагаемого полимера и растительных отходов. Фото Анастасии Тамаровской / ФИЦ КНЦ СО РАН
Красноярские ученые 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 разлагающимся для упаковки и одноразовых изделий. Результаты исследования опубликованы в журнале Polymers.
Выпуск синтетических пластиков в 2025 году достиг 450 миллионов тонн, большая часть которых сохраняется в окружающей среде сотни лет. Учитывая объемы производства и потребления синтетических неразлагаемых пластмасс и необходимость перехода к экологически чистым материалам, особую актуальность приобретают разработка биоразлагаемых альтернатив и расширение ассортимента так называемых «зеленых» полимеров. Одним из многообещающих классов таких материалов считаются полигидроксиалканоаты (ПГА) — биополимеры, которые синтезируют микроорганизмы. Но увеличение объемов их производства и расширение областей применения ограничено высокой стоимостью. Высокие потребительские свойства делают эти полимеры перспективной альтернативой традиционным пластикам, получаемым из нефти.
Ученые 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, 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 доступное 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 композитов: 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 повышает 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 Наталья Ипатова, аспирантка Сибирского федерального университета и инженер Института биофизики СО РАН, которая успешно выполняет диссертационное исследование по данной теме.
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 4 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 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 доктор биологических наук профессор Татьяна Волова, заведующая лабораторией Института биофизики СО РАН.
Информация и фото предоставлены ФИЦ КНЦ СО РАН
