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 разлагающимися для упаковки и одноразовых изделий. Результаты исследования опубликованы в журнале Polymers.

Выпуск синтетических пластиков в 2025 году достиг 450 миллионов тонн, большая часть которого сохраняется в окружающей среде сотни лет. Учитывая объемы производства и потребления синтетических неразлагаемых пластмасс и необходимость перехода к экологически чистым материалам, особую актуальность приобретает 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. В Институт биофизики СО РАН (Красноярск) 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.

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 доступным 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 материала, 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.

«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, 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 — 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.