Екологічний пластик, отриманий із сільськогосподарських відходів, уже є реальністю

Стійкі (і економічні) поліаміди, починаючи з цукру, видобутого з біомаси: вже є допоміжне підприємство, готове вивести їх на ринок

Екологічні поліаміди, дослідження в Швейцарії
Стійкі поліамідні волокна (фарбовані та натуральні) після екструзії (Фото: Lorenz Manker/EPFL)

Пошук стійкі матеріали ніколи не було таким терміновим: у світі, дедалі більше ослабленому наслідками глобальне потепління і, маючи справу з дуже швидким розвитком країн, що розвиваються, одна з найважливіших проблем полягає в тому, що пластик, тепер всюдисущий у повсякденному житті кожного з нас, від одного кінця планети до іншого.

На додаток до проблеми утилізація пластикових матеріалів, також викликає занепокоєння той факт, що ці речовини виробляються з горючі корисні копалини, тому їх синтез безпосередньо впливає навикиди парникових газів і глобальне потепління.

Проте вчені з EPFL розробили екологічно чистий метод виробництва високоякісні пластики, як і поліаміди, починаючи з одного цукру, видобутого з відходів сільського господарства, зокрема з біомаси, такої як деревина або кукурудзяні качани.

Коли нанопластика не така, якою здається
Схеми з відновлюваної сировини для «зеленої» електроніки

Конкретна альтернатива викопному пластику
Прозора плівка, виготовлена ​​зі стійких поліамідів, синтезованих із сільськогосподарських відходів (Фото: Lorenz Manker/EPFL)

Екологічно чистий пластик – справді важливий виклик для планети

Виробляти високоякісні пластикові матеріали у стійкий спосіб це так вирішальний виклик для майбутнього планети, особливо якщо врахувати, що більшість високоефективних матеріалів, таких як нейлон або так звані технополімери, використовують ароматичні прекурсори які все ще дуже важко отримати стабільно.

Піонерським підходом до цієї проблеми є дослідження, проведене командою Джеремі Лютербахер Федеральної політехніки Лозанни щойно опубліковано на "Стійкість природи»: дослідникам вдалося синтезувати деякі поліаміди, клас пластмас, до якого належать різні типи нейлону, починаючи з a цукрове ядро отримані з відходів сільського господарства.

Не тільки новий метод використовує відновлюваний ресурс, але також вдається досягти цієї трансформації ефективно та з a мінімальний вплив на навколишнє середовище.

"Типовим пластмасам на основі копалин потрібні ароматичні групи, щоб надати їхнім пластмасам жорсткості, що надає їм такі експлуатаційні властивості, як твердість, міцність і стійкість при високих температурах", - пояснює Лютербахер.

"Тут ми отримуємо схожі результати, але використовуємо цукровий склад, який зустрічається всюди в природі і, як правило, абсолютно нетоксичний, забезпечує жорсткість і експлуатаційні властивості».

Як ми читаємо в дослідженні, вуглеводи, отримані з відходів, здатні надати пластмасі характеристики, здатні конкурувати з характеристиками «класичні» або напівароматичні полімери.

Хімія та мода: коли все про… тканину
Пластик в Атлантиці: 5 найнебезпечніших зон для тварин

Стійкі поліаміди з сільськогосподарських відходів
Новий поліамідний матеріал все ще знаходиться у формі після лиття під тиском (фото: 2024 EPFL)

Ті поліаміди, які є екологічно чистими та конкурентоспроможними…

Лоренц Манкер і його колеги розробили процес без каталізатора для його перетворення ксилози диметилгліоксилат (DMGX), стабілізований вуглевод, отриманий безпосередньо з біомаса, така як деревина або кукурудзяні качани, виготовлені з високоякісних поліамідів.

Цей процес, окрім того, що він стійкий, також надзвичайно ефективний: насправді він досягає вражаючих результатів атомна ефективність 97 відсотків, що означає, що майже весь вихідний матеріал використовується в кінцевому продукті, що значно скорочує відходи.

Те, що вдалося отримати вченим, є аморфні поліаміди з продуктивністю, порівнянною з напівароматичними альтернативами на основі викопного. Як зазначено в дослідженні, «незважаючи на наявність вуглеводного ядра, ці матеріали зберігають свої термомеханічні властивості завдяки численним циклам механічної переробки з високим зсувом і їх можна хімічно переробляти".

Мало того: техніко-економічний аналіз і оцінка життєвого циклу нових стійких поліамідів показали, що ці матеріали можуть мати "un конкурентоспроможна ціна порівняно з традиційними поліамідами, включаючи нейлон (наприклад, нейлон 66), з a зниження потенціалу глобального потепління до 75 відсотків".

Як ми читаємо в дослідженні, поліаміди мають високу ринкову вартість, ціни коливаються від 3-7 доларів за кілограм найлону 66 до 20 доларів за кілограм напівароматичних високоефективних поліфталамідів на основі кислот (PPA). їх сополімери.

Ось перше ванільне морозиво, виготовлене з... пластикових відходів
Папір – новий пластик? Деякі питання щодо стійкості

Стійкий мономер, який може змінити пластик
Лоренц Манкер, перший автор дослідження, позує з 1,5 кг мономеру DMGX у руці перед реактором полімеризації (фото: 2024 EPFL)

Ефективний процес, здатний зменшити вплив на навколишнє середовище

Відправна точка для стійкі поліаміди це ксилозодиметилгліоксилат (DMGX), полімерний попередник, який можна виробляти з доступної біомаси і який вже використовувався для виробництва поліефіри, що розкладаються.

У новому дослідженні ця ж сполука використовується для синтезу високомолекулярних поліамідів за допомогою плавлення при 250 градусах Цельсія, без потреби в каталізаторі та з часом реакції всього три години.

Виробництво стійких мономерів для включення в технічні поліаміди може значно зменшитися екологічний слід хімічної промисловості, пропонуючи при цьому можливість підвищення рентабельності лігноцелюлозної біомаси відкриття ринку з високою доданою вартістю порівняно з основними поліефірами та поліолефінами.

Традиційні поліаміди, такі як нейлон або кевлармають високу стійкість до ударів, зносу, розчинників і масел, забезпечуючи прийнятну теплоізоляцію.

Що стосується сталого розвитку, однак, попереду ще багато роботи. Це можна чітко побачити, взявши до уваги потенціал глобального потепління (GWP), що виражає внесок матеріалу в парниковий ефект і який є особливо високим для поліамідів. Як йдеться в дослідженні, «найпоширеніший поліамід, нейлон 66, має GWP приблизно 8-9 кг CO2-еквівалента на кілограм», порівняно з 3 кг поліетилентерефталат (ПЕТ).

Цікаво також відзначити, як в синтез нейлону, значна частина GWP припадає саме на попередник, тобто адипінову кислоту, яка одна «важить» 8,5 кг.

Інновації та захист: Ocean Cleanup для морів без пластику
Від моря до цифрового музею: Archeoplastica рятує планету

Стійкі поліаміди з відходів сільського господарства: дослідження
Поліамід, виготовлений із сільськогосподарських відходів, є міцним і гнучким, його можна скручувати та плести без руйнування (фото: 2024 EPFL)

Справжня бетонна альтернатива використанню викопного пластику

"Аналізуючи загальну стійкість нашого матеріалу, ми також враховували інші категорії впливу на навколишнє середовище на додаток до GWP», – пояснюють вчені. Як часто буває з продукти на біологічній основі, навантаження на навколишнє середовище для виробництва цих поліамідів переноситься на інше місце, зокрема залучаючи природне перетворення ґрунту та екотоксичність, викликана інтенсивним сільським господарством.

Пластик, отриманий з сільськогосподарські відходи, ми читаємо в дослідженні, «зменшив цей тягар порівняно з іншими поліамідами на біологічній основі, які вирощують олійні культури виключно для цієї мети (наприклад, поліаміди, отримані з касторової олії)”. Крім того, використання сільськогосподарських відходів замість рослинних олій значно знижує вплив на земне підкислення, наевтрофікація прісної водипро морську екотоксичність і виснаження викопного палива.

Поліаміди на біологічній основі, розроблені дослідниками EPFL, пропонуютьдуже перспективна альтернатива викопним пластикам, для різноманітних застосувань, починаючи від автомобільних компонентів і закінчуючи нитки для 3D друку і споживчі товари.

"Пошук прекурсорів пластику, з яких можна з високою ефективністю синтезувати рясна та відновлювана сировина, які сумісні з різними хімічними матеріалами та які можуть запропонувати робочі властивості, подібні до властивостей ароматичних мономерів і фталатів, значно полегшать конкуренція з нафтопродуктами», знову показує дослідження.

Шлях ще довгий, але прогрес рухається швидко: виробництво цих нових матеріалів уже на стадії масштабування завдяки Bloom Biorenewables, спін-офф EPFL яка має на меті розміщення їх на ринку. Конкретна альтернатива викопному пластику вже стала реальністю.

Як мікро- та нанопластик потрапляє в арктичні льоди
Таня Циммерман: «Ми намагаємося «матеріалізувати» енергію»

Альтернативою викопному пластику є сільськогосподарські відходи
Чохол для iPhone, надрукований 3D з використанням нитки з нового стійкого поліаміду (фото: 2024 EPFL)