Материал из целлюлозы многократно поменял форму от погружения в воду

Wang et al. / Nature Sustainability, 2021

Материаловеды из Германии и Китая предложили аналог пластика, которому можно придать любую форму, просто опустив в воду. Новый материал состоит из возобновляемого сырья — целюлозы. а изделия из него можно перерабатывать много раз, после причем после десяти циклов формования они даже становятся прочнее. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature Sustainability.

Ежегодно человечество производит более 360 миллионов тонн различных изделий из пластика, причем 200 миллионов тонн приходится на упаковку и другие предметы с коротким сроком использования. С переработкой пластиковых изделий у нас все еще большие трудности. Большинство популярных пластиковых материалов — ПЭТ, полиэтилен, полипропилен и некоторые другие — относятся к термопластам, то есть переходят в пластичное состояние при нагревании и снова затвердевают при охлаждении. Чтобы переработать изделия из термопластов, их нагревают до нескольких сот градусов Цельсия. Это требует больших затрат энергии, поэтому такая переработка не всегда экономически выгодна.

Китайские и немецкие материаловеды под руководством Кая Чжана (Kai Zhang) научились управлять пластичностью полимеров более простым способом — просто опуская их в воду. За основу материала Чжан и его коллеги взяли природный полимер целлюлозу. Смешав ее с хлоридом коричной кислоты в присутствии основания они получили циннамат целлюлозы (cellulose cinnamate, CCi) — полимер, в котором часть гидроксильных групп в целлюлозных фрагментах превратили в сложноэфирный фрагмент c остатком коричной кислоты. Затем из CCi изготовили прямоугольные ленты размером и толщиной 10-20 микрометров. В воде такие ленты становились гибкими и пластичными и их можно было сгибать и закручивать в любом направлении. А когда ленты извлекали, из воды пластичность снижалась и форма изделия фиксировались. 

Такие свойства повышения пластичности в воде есть и у самой целлюлозы, но авторы усилили их, внедрив фрагмент коричной кислоты. Все дело в более эффективном транспорте молекул воды, который позволяет воде быстро проникать внутрь материала. После извлечения из воды молекулы так же быстро продвигаются из глубины материала к поверхности и испаряются — таким образом форма изделий быстро фиксируется.

Авторы работы изготовили из CCi лент пять изделий разной формы, которые оказались стабильны на воздухе и сохраняли свою форму в течение как минимум шестнадцати месяцев. После использования ленты можно снова сделать пластичным и придать им другую форму. Для этого не требуется нагревание — достаточно опустить изделие в воду комнатной температуры на пять минут, причем цикл с одной лентой можно повторять много раз.


Гидропластик имеет отличную механическую прочность: предел прочности на разрыв 92,4 ± 2,2 мегапаскалей, модуль Юнга 2,6 ± 0,1 гигапаскалей и удлинением при разрыве 15,2 ± 1,8 процентов. После пяти циклов формования прочность немного снижается, но затем снова идет вверх, и после десятого цикла становится даже выше, чем в начале: предел прочности на разрыв повышается до 120.9 ± 8.2 мегапаскалей, а модуль Юнга — до 3,0 ± 0,2 гигапаскалей. Такое повышение прочности вызвано релаксацией и перестройкой цепей полимера CСi. После десяти циклов прочность перестает расти и в дальнейшем остается на таком же уровне. Правда есть у Cсi и слабое место — прочность материала заметно снижается при увеличении влажности.
Чжан и его коллеги полагают, что на основе CСi можно будет создавать и другие материалы, меняющие пластичность под действием растворителей. Такие материалы смогут стать альтернативой традиционным видам пластика, особенно если удастся заменить воду на другие менее распространенные растворители.

Для того, чтобы уменьшить экологический след пластиковой упаковки ученые пробуют разные методы: не только синтезируют новые материалы, но и ищут более эффективные пути переработки для уже известных пластиков. Еще одна альтернатива термомеханической переработке пластика — химическая переработка. В этом случае молекулу полимера разбирают на составные части, превращая его в смесь мономеров. Полученные продукты можно использовать для синтеза новых полимеров или для других целей. Например, в прошлом месяце шотландские химики получили модифицированный штамм кишечной палочки Escherichia coli, который перерабатывает терефталевую кислоту, полученную из ПЭТ-бутылок, в ценное вещество ванилин.

Наталия Самойлова


Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.