Ключевое преимущество новой технологии — снижение цены биоразлагаемых полимеров в несколько раз за счёт использования отходов вместо чистой глюкозы.

Материал может применяться в сельском хозяйстве, медицине и мебельной промышленности, а после утилизации не оставляет микропластика.

Краткое содержание:

• Исследователи ФИЦ «Красноярский научный центр СО РАН» создали экологичные биоразлагаемые композиты на основе полимера и растительных отходов — например, древесной муки берёзы, костры и волокон технической конопли.
• Композиты можно адаптировать под разные задачи: делать прочными и влагостойкими (для строительства и сельского хозяйства) или быстро разлагающимися (для упаковки и одноразовых изделий).
• Образцы с высоким содержанием растительных наполнителей разрушаются в почве быстрее чистого полимера: композит с 70 % волокон конопли теряет более половины массы за 3 месяца, с 50 % наполнителя — за 4 месяца.
• Использование отходов рыбопереработки (например, жира из остатков переработки балтийской кильки) снижает себестоимость полимера — затраты на углеродный субстрат уменьшаются в 2,5–3,5 раза, что делает материал конкурентоспособным.

Новая разработка открывает перспективы массового производства экологичных композитов и перехода к экономике замкнутого цикла, где отходы одного производства становятся сырьём для другого.

Исследователи 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 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 разлагающимся для упаковки и одноразовых изделий. Результаты исследования опубликованы в журнале Polymers, сообщает журнал «Наука в Сибири».

От отходов — к материалу:

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.

Управляемые свойства:

Свойства полимерных композитов определяются типом растительного наполнителя и его количеством. Меняя сырьё 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 неразрушаемыми 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 твёрдых отходов.

Аспирантка Сибирского федерального университета и инженер Института биофизики ФИЦ КНЦ СО РАН Наталья Дмитриевна Ипатова рассказала о технологии получения композитов: «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».

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.

Руководитель работы, заведующая лабораторией Института биофизики ФИЦ КНЦ СО РАН доктор биологических наук профессор Татьяна Григорьевна Волова отметила экономическую перспективу разработки: «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 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 сырьём для другого».