Биопластики на основе спирулины могут заменить обычные пластмассы

Мы используем пластмассы практически во всех сферах нашей жизни. Эти материалы дешевы в производстве и невероятно устойчивы.

Проблема возникает, когда мы заканчиваем использовать пластик — он может сохраняться в окружающей среде в течение многих лет. Со временем пластик распадается на более мелкие фрагменты под названием микропластики, которые могут представлять значительную опасность для окружающей среды и здоровья людей.

Наилучшим решением было бы использование биоразлагаемых пластиков, но многие из них не предназначены для разложения в условиях домашнего компостирования. Их необходимо перерабатывать в коммерческих компостных установках, которые доступны не во всех регионах страны.

Группа специалистов под руководством исследователей из Университета Вашингтона разработала новые биопластики, которые разлагаются в те же сроки, что и банановая кожура в компостном контейнере на заднем дворе. Эти биопластики полностью состоят из порошкообразных клеток сине-зеленых цианобактерий, известных также как спирулина. Группа использовала тепло и давление для придания порошку спирулины различных форм, что совпадает с технологией производства обычных пластмасс. Биопластики, полученные группой UW, по своим механическим свойствам сопоставимы с одноразовыми пластмассами, полученными из нефти.

Результаты исследования опубликованы 20 июня в журнале Advanced Functional Materials.

Мы стремились создать биопластики, которые были бы биопроизводными и биоразлагаемыми в наших дворах, а также поддавались бы обработке, масштабированию и переработке, — сказала старший автор работы Элефтерия Румели, доцент кафедры материаловедения и инженерии UW.

Разработанные нами биопластики, в которых используется только спирулина, не только имеют профиль деградации, аналогичный органическим отходам, но и в среднем в 10 раз прочнее и жестче, чем ранее описанные биопластики из спирулины. Эти свойства открывают новые возможности для практического применения пластиков на основе спирулины в различных отраслях промышленности, включая одноразовую пищевую упаковку или бытовые пластики, такие как бутылки или подносы.

Исследователи решили использовать спирулину для производства биопластиков по нескольким причинам. Во-первых, ее можно выращивать в больших масштабах, поскольку люди уже используют ее для производства различных продуктов питания и косметики. Кроме того, клетки спирулины в процессе роста поглощают углекислый газ, что делает эту биомассу углеродно-нейтральным или потенциально углеродно-отрицательным сырьем для производства пластиков.

Спирулина также обладает уникальными огнестойкими свойствами, — говорит ведущий автор исследования Хариш Айер (Hareesh Iyer), докторант факультета материаловедения и инженерии UW.

При воздействии огня она мгновенно самозатухает, в отличие от многих традиционных пластмасс, которые либо горят, либо плавятся. Такая огнестойкость делает пластики на основе спирулины выгодными для применения в тех областях, где традиционные пластики могут быть непригодны из-за своей горючести. В качестве примера можно привести пластиковые стойки в центрах обработки данных, поскольку системы, используемые для охлаждения серверов, могут сильно нагреваться.

При создании пластмассовых изделий часто используется тепло и давление для придания пластику нужной формы. Команда UW применила аналогичный подход к созданию биопластика.

Это означает, что нам не придется заново разрабатывать производственные линии, если мы захотим использовать наши материалы в промышленных масштабах, — сказала Румели.

Мы устранили один из распространенных барьеров между лабораторными исследованиями и масштабированием производства для удовлетворения промышленного спроса. Например, многие биопластики изготавливаются из молекул, которые выделяются из биомассы, например, из морских водорослей, и смешиваются с модификаторами свойств, после чего отливаются в пленку. Этот процесс требует, чтобы материалы перед отливкой находились в виде раствора, а это не поддается масштабированию.

Другие исследователи уже использовали спирулину для создания биопластиков, но биопластики, полученные исследователями UW, гораздо прочнее и жестче, чем предыдущие попытки. Команда UW оптимизировала микроструктуру и связи в этих биопластиках, изменяя условия их обработки — температуру, давление и время пребывания в экструдере или горячем прессе — и изучая структурные свойства полученных материалов, включая их прочность, жесткость и вязкость.

Эти биопластики еще не готовы к промышленному использованию. Например, несмотря на свою прочность, эти материалы все еще остаются достаточно хрупкими. Другая проблема заключается в том, что они чувствительны к воде.

Не хотелось бы, чтобы эти материалы попали под дождь, — говорит Айер.

Команда решает эти проблемы и продолжает изучать фундаментальные принципы, определяющие поведение этих материалов. Исследователи надеются разработать дизайн для различных ситуаций, создав целый ряд биопластиков. Это будет аналогично разнообразию существующих пластмасс на нефтяной основе.

Новые разработанные материалы также пригодны для вторичной переработки.

Биодеградация не является для нас предпочтительным сценарием окончания срока службы, — заключила Румели.

Наши биопластики из спирулины можно перерабатывать путем механической переработки, что очень доступно. Однако люди не часто перерабатывают пластмассы, поэтому дополнительным плюсом является то, что наши биопластики быстро разлагаются в окружающей среде.

10.07.2023