Один из главных недостатков пластика – то, что он изготовлен с использованием химических веществ, полученных из нефти. Исследователи из Национальной лаборатории Ок-Ридж разработали гораздо более экологически чистый термопластик, заменив стирол лигнином – природным полимером, который вместе с целлюлозой формирует стенки клеток в стволах деревьев.
Дополнительный плюс новой методики: в процессе производства не был задействован растворитель. Равные части наноразмерного лигнина соединяются с диспергированным синтетическим каучуком, в результате чего получается пластичный плавкий материал, который примерно в десять раз жёстче, чем современный термопластик.
Полученный термопластик получил название ABL из-за содержащихся в нём акрилонитрила, бутадиена и лигнина. Он может быть расплавлен трижды – и всё равно будет пригоден к использованию, так как не потеряет свои свойства.
Учёные уверены, что их инновация представляет собой более экологически чистое и дешёвое сырьё для различных областей производства.
"Мы можем назвать этот термопластик экопродуктом, так как он на 50% состоит из возобновляемых источников. Он позволит сократить потребность в продуктах нефтехимической промышленности", – говорит ведущий автор исследования Амит Наскар (Amit Naskar).
Лигнин, как правило, извлекается из биомассы — побочного продукта работы биозаводов и целлюлозно-бумажной промышленности. Несмотря на текущее падение цен на нефть и газ, возобновляемые источники представляют всё больший интерес для производителей различных товаров. Биохимики в настоящее время изучают возможности развития новых экономически жизнеспособных продуктов. В настоящее время лигнин используется не так часто, однако данное исследование открывает новые возможности для его коммерциализации.
Но для того, чтобы создать окупаемый продукт, учёным необходимо провести ряд исследований, в частности, проверить способность лигнина интегрироваться в мягкие полимерные матрицы, а также найти пути лучшего контроля свойств полимеров, получаемых с использованием лигнина.
"Лигнин — очень хрупкий природный полимер, так что его стоит укреплять, – продолжает Наскар. – Наша основная цель — промышленное производство полимеров, которые будут достаточно крепкими, чтобы их можно было деформировать без разрушения. Нам необходимо химически сочетать мягкую материю с лигнином, создавая пластичную и растяжимую матрицу. Очень жёсткие сегменты лигнина могут оказывать сопротивление деформации и таким образом обеспечивать жёсткость всей конструкции".
В настоящее время учёные исследуют пригодность для создания термопластичного сырья пшеничной соломы, древесных хвойных пород, таких как сосна, и лиственных пород, например, дуба. Наибольшую термическую стабильность в настоящее время продемонстрировал лигнин из твёрдой древесины, а вот лигнин из мягких пород деревьев остаётся наиболее стабильным после расплава.
Также учёные исследуют взаимодействие лигнина с мягкой материей. Как правило, это достигается путём синтеза полимеров в присутствии растворителей.
Лигнин и синтетический каучук, содержащий акрилонитрил и бутадиен (бутадиен-нитрильный каучук), обладают химическими группами, в которых электроны распределены неравномерно. Поэтому, вероятно, эти два вещества взаимодействуют между собой.
Химики пытались осуществить взаимодействие в расплавленной фазе без растворителей: в нагретой камере с двумя роторами исследователи замешивали расплавленную смесь из равных частей порошкообразного лигнина и нитрильного каучука. Во время смешивания агломераты лигнина продемонстрировали хорошее взаимодействие с каучуком.
В дальнейшем, путём изменения количества акрилонитрила в мягкой матрице исследователи надеются дополнительно улучшить механические свойства получаемого материала. Согласно экспериментам, оптимальный баланс между прочностью и жёсткостью даёт 41%-ное содержание акрилонитрила.
Также учёные пытались выяснить, может ли контроль условий обработки повысить производительность их полимерного "сплава". Например, 33% акрилонитрила дают материал, который является эластичным, но не жёстким (он вообще больше похож на резину, чем на пластик). При более высоких дозах акрилонитрила исследователи увидели, что компоненты начинают взаимодействовать эффективнее, в результате чего материал получается крепче. Нагревание элементов до 140-160 градусов Цельсия позволяет создать гибридную фазу.
Инновация была подробно описана в научной статье, опубликованной в журнале Advanced Functional Materials.
