Экологичная наноцеллюлоза по теплопроводности оказалась лучше пенопласта

Микрофотографии пены из наноцеллюлозы, полученные с помощью сканирующего электронного микроскопа.

Peipei Wang et al. / Carbohydrate Polymers, 2019

Американские ученые синтезировали экологически чистый теплоизолятор, который по теплопроводности и механическим свойствам превосходит известные пенопласты. Пена на основе нанокристаллической целлюлозы с поливиниловым спиртом и сшивающим агентом сжималась на 50 процентов при давлении в 73 килопаскаля, не деформировалась при давлении в 200 раз большего собственного веса и имела очень низкие значения теплопроводности — всего 0,027 ватт на метр на кельвин. Исследование опубликовано в журнале Carbohydrate Polymers.

Сохранять энергию бывает почти так же сложно, как и ее получать. Поэтому изоляционные материалы играют важную роль в строительстве зданий, транспортировке и упаковке. В качестве таких материалов часто используют различные пенопласты, которые получают из нефти. Однако подобные полимеры не разлагаются, вредят окружающей природе, а при горении выделяют токсичные вещества. По этой причине ученые ведут поиски альтернативных, более экологичных типов материалов с низкими значениями теплопроводности (не выше, чем 0,03-0,044 ватт на метр на кельвин, как у современных пенопластов), но приемлемыми механическими свойствами.

Одним из перспективных веществ для создания теплоизоляционных материалов является нанокристаллическая целлюлоза. Однако сами по себе пены из нее достаточно хрупкие, при горении полностью превращаются в пепел, а при высокой влажности теряют механические свойства.

Пэйпэй Ван (Peipei Wang) с коллегами из университета штата Вашингтон «зеленым» методом синтезировали экологически чистую теплоизоляционную пену на основе нанокристаллической целлюлозы с низким значением теплопроводности, высокой упругостью и прочностью. Наноцеллюлозу авторы работы получили путем обработки древесины концентрированной серной кислотой. Добавив при нагревании в ее водный раствор поливиниловый спирт и сшивающий агент (1,2,3,4-бутантетракарбоксильную кислоту), ученые получили различные сшитые полимеры. Чтобы мягко удалить воду, растворы охладили до −20 градусов Цельсия и поставили в вакуумную камеру для лиофилизации. Полученные образцы пены проанализировали физическими методами, а также протестировали на теплопроводность, термическую и механическую устойчивость.

Образцы пены из нанокристаллов размерами 20-40 нанометров в ширину и 100-200 нанометров в длину получились очень пористыми (пористость выше 98 процентов), прочными (напряжение 73 килопаскаля при деформации 50 процентов) и способными хорошо изолировать тепло (теплопроводность 0,027 ватт на метр на кельвин). Один из образцов смог выдержать давление веса в 200 раз превышающего его собственный, а при горении не образовывал пепла и сохранял свою микроструктуру.

Авторы объясняют прочность и упругость материала наличием сложноэфирных связей между молекулами полиспирта и нанокристаллами целлюлозы, которые обеспечил сшивающий реагент. Также благодаря сетчатой структуре вещество оказалось высокопористым и, как следствие, плохо проводило тепло.

Это исследование продемонстрировало потенциал использования наноцеллюлозы для создания экологически чистых и эффективных материалов для теплоизоляции. Как утверждают авторы статьи, предложенный ими подход к созданию материалов из наноцеллюлозы внесет вклад в сохранение энергии, природы и уменьшение потребления полимеров, которые получают из нефти.

Помимо перерасхода энергии за счет плохой теплоизоляции, большой вклад в углеродный след, как показали канадские и британские ученые, также вносит использование экологически небезопасных анестетиков в больницах. Исследователи изучили причины появления парниковых газов в больницах и предложили перейти на более чистые анестетики.

Алина Кротова

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.