Экологичные полимеры будущего
Российские ученые предлагают решения в создании новых биоразлагаемых материалов, новые полимерные подходы в аддитивных технологиях и методы утилизации пластикового мусора
Внаиболее рейтинговом российском научном журнале «Успехи химии» в самом конце прошлого года опубликована девяностостраничная обзорная статья «Полимеры будущего» по результатам большого научного проекта (финансируемого Минобрнауки), посвященного экологичным полимерам и проблеме утилизации пластиковых отходов.
Авторы статьи во введении и заключении спорят с теми экологами, которые полагают, что кризис загрязнения планеты связан с производством полимеров как таковых. Ученые утверждают: мы имеем дело с временным кризисом прогресса технологии, что искусственные полимеры просто предстоит вписать в круговорот полимеров в природе, а проблему будущей их утилизации решать уже на стадии разработки материала.
В проекте, который завершился публикацией статьи «Полимеры будущего», участвовало 20 научных групп из восьми российских институтов и университетов; понятно, что научные исследования в этом направлении продолжаются. В проекте множество направлений, но три главных. Первое — управляемые и разбираемые полимерные системы, в которых полимеры предсказуемым запрограммированным образом распадаются в природе на безопасные элементы. Второе — рациональные технологии использования полимеров, такие как 3D-печать. Третье — технологии эффективной утилизации отходов.
Биоразлагаемые полимеры
Пример практически готовой для массового использования группы материалов — биоразлагаемые полимеры на основе полилактидов (PLA). «Из этих полимеров можно делать точно такую же упаковку, как и из полиэтилена, только он стоит немного дороже. Но разница того стоит: они не вредят природе и разлагаются на безопасные компоненты», — говорит один из лидеров проекта, автор классических работ по физике полимеров академик РАН Алексей Хохлов. Эти полимеры делаются из молочной кислоты, которую можно промышленно получать из крахмала.
Полилактиды уже имеют историю применения, так что технологии их производства отработаны. Но раньше они применялись только для биодеградируемых имплантатов в хирургии, теперь предстоит освоить их гораздо более массовое производство. Здесь не должно быть проблем, кроме готовности к инвестициям и готовности общества чуть-чуть переплачивать за упаковку. У бизнеса, как только станет понятно, что потребитель массово предпочитает экологичные материалы, очевидно возникнут специальные запросы к свойствам полилактидов, и у химиков есть наработки к модификациям материала.
У разных вариантов полилактидов есть функциональные проблемы, например хрупкость и низкая ударная вязкость вследствие относительно быстрого старения, «легкоплавкость» (точнее, «низкая температура стеклования», ведь речь идет об аморфном, лишь частично кристаллическом веществе). Но эти недостатки химики обходят путем их смешивания в разные структурные варианты и с другими биоразлагаемыми полимерами. Но зато у полилактидов есть свойства, о которых и не мечтали полиэтилен и полипропилен: они идеальны для сельского хозяйства — и для горшков, и для пленок, и, самое интересное, для капсул, используемых для пролонгированного добавления в почву минералов и удобрений. Оставил удобрения, упакованные в полилактид, и они постепенно поступают в почву вместе с продуктами разложения полимера, которые не вредят растениям, а, наоборот, способствуют укреплению флоры.
На замену неразлагаемых пластиков в упаковке претендуют и другие биоразлагаемые материалы, в том числе на основе крахмала, целлюлозы и хитина (из него состоят экзоскелеты ракообразных).
На переднем крае исследований, конечно, не только полимеры с теми же свойствами, что и обычные, но не вредящие природе, но и материалы с совершенно новыми свойствами и технологическими характеристиками. Так называемые высокоразветвленные (щеточные) полимерные материалы, похоже, настоящий прорыв в современной химии. Щеточные полимеры, в отличие от линейных, открывают возможности проектирования новых материалов с заданными свойствами без изменения химической формулы, просто за счет варьирования их ветвистой структуры. В реакторе можно задать три параметра реакции полимеризации (степень полимеризации боковых цепей, основной цепи между ветвями и основной цепи между сшивками) и радикально менять свойства материала. Так, за счет настройки параметров упругость материала меняется на четыре порядка, и при этом можно сочетать ранее несочетаемые свойства, например сделать материал одновременно и очень мягкий, и очень упругий. Ну и, конечно, это тот случай, когда сценарии разложения нового материала изучаются и проектируются с самого начала.
3D, 4D, мультиэкструдеры
Безотходная 3D-печать для самых разных применений — второе ключевое направление проекта. Академик Азиз Музафаров, еще один лидер проекта о полимерах будущего и автор статьи, руководит одним из проектов по безотходным технологиям 3D-печати («3D-печать на основе полидиметилсилоксанов»). Полидиметилсилоксаны — это силиконы для самых разных применений — от микрохирургии глаза и оптической микроэлектроники до различных эластиков. Сам академик Музафаров в качестве наиболее выдающегося результата выделяет работу коллеги из Института синтетических полимерных материалов им. Н. С. Ениколопова РАН Сергея Чвалуна по созданию принципиально новых многослойных — до нескольких тысяч слоев — полимерных материалов методом мультиэкструдерных технологий. «Экструдер — это основная машина при переработке полимеров, своего рода высокотехнологичная промышленная “мясорубка”, на выходе дающая готовый материал (расплав) для отливки изделий из полимеров, — объясняет Азиз Музафаров. — Мультиэкструдерные технологии — это новый этап их развития, когда несколько таких машин объединяются общим фидблоком, где происходит образование слоистого расплава. Таким образом, из несмешивающихся полимеров вы можете получить гибридный материал. Это абсолютно новый способ получения полимерного материала».
Таким методом можно получать пластик с самыми тонкими свойствами, например носители оптической информации, непроницаемые и газонепроницаемые материалы для упаковки и изоляции.
В Институте высокомолекулярных соединений РАН разработана группа частично кристаллических полимеров для 3D-печати, которые лишены недостатков материалов для принтинга прошлого поколения. «В нашем проекте были разработаны полимеры для 3D-печати, в том числе полиимиды. Кроме того, участники нашего проекта смогли на основании природного полимера из альгината натрия создать систему, пригодную для 3D-печати», — говорит Алексей Хохлов.
Полиимиды широко используются, в том числе для изготовления изолирующих материалов, композиты на их основе — для сверхпрочных материалов, например для подшипников скольжения и поршней. А альгинат натрия, который широко применяется в медицине и в качестве пищевой добавки из-за умения поглощать большие объемы воды, как оказалось, можно довести до материала для изделий из биоразлагаемых гелей, производимых с помощью 3D-печати.
Из таких гидрогелей можно печатать изделия для хирургии, пищевой промышленности и мягкой робототехники. Как следует из статьи, есть и другие кандидаты в гидрогели — для печати на основе биоразлагаемых полисахаридов. Такие гидрогели до сих пор имели проблему с прочностью, но химики предлагают решение в структуре из двух полимерных сеток — полисахаридной натуральной и сетки синтетического полимера или, как вариант, с композитными добавками.
С гидрогелями вообще связана удивительная новая технология 4D-печати (четвертое измерение — время печати формы, которая еще и способна запрограммированно меняться в ответ на внешние воздействия). Сюда относятся гидрогели с памятью формы (их можно смять, но они вернут себе очертания) и гидрогели с реакцией на внешние воздействия. Например, когда напечатанное изделие оказывается в растворителе, один его компонент набухает, а другой — нет, и сочетание того и другого приводит к заданному при печати изменению формы изделия.
Из понятных областей применения 4D-печати — интеллектуальная хирургия с биосовместимыми элементами, умные системы доставки лекарств. Но уже можно включать предпринимательскую фантазию для придумывания меняющих форму продуктов потребительского рынка — например, доставляется нечто плоское, а потом уже на месте приобретает нужную форму.
Природозащитные технологии
Но при всем прогрессе в создании новых материалов и технологий человечество продолжает использовать традиционный пластик, да и накопленного мусора огромное количество, и с ним надо что-то делать. Есть известные технологии — раздельный сбор мусора и обычная переработка, которые очень важны, но не решают всей проблемы. И здесь у ученых есть дополнительные решения для устройства свалок и утилизации пластика.
«Одно из направлений — правильное устройство свалок для защиты окружающей среды и переработки мусора, включающее в себя создание поверх свалок полимерно-почвенной пленки на основе полиэлектролитных комплексов, которые не препятствуют росту растений, но позволяют ускоренным образом перерабатывать то, что находится под этой пленкой», — говорит Алексей Хохлов.
Другое направление — интенсивное химическое разложение в жидких средах в сверхкритическом состоянии (это состояние, в котором нет различий между жидкой и газообразной фазой, что достигается при достаточно высоком давлении и температуре). Даже обычная вода вблизи критической точки (при температуре 374 °С и давлении 217 атм.) является растворителем для нейтральных, обычно нерастворимых веществ, в том числе это хорошая среда для разложения полимеров.
Речь идет о научных разработках, но некоторые технологии вполне зрелые. «Мы ведем переговоры с компаниями, которые могут подхватить разработки. Во всех направлениях есть разработки, которые уже производятся в полупромышленных масштабах, — говорит Алексей Хохлов. — Есть решения и вне рамок проекта — например, есть хорошие катализаторы, которые помогают безотходно сжигать полимеры. В Европе уже построены мусоросжигающие заводы, которые практически не загрязняют среду. Есть и катализаторы, которые способствуют деградации полимеров, что тоже может быть использовано для ускорения их переработки».
Фото: TASS
Хочешь стать одним из более 100 000 пользователей, кто регулярно использует kiozk для получения новых знаний?
Не упусти главного с нашим telegram-каналом: https://kiozk.ru/s/voyrl