Przystanek nauka - portal Uniwesytetu Śląskiego w Katowicach

Plastik produkowany z paliw kopalnych jest jednym z najpoważniejszych problemów ekologicznych naszej planety. Równocześnie jednak jest to materiał, który zrewolucjonizował nasze życie, przemysł i technologię. Współczesna cywilizacja w ogólnie nie byłaby możliwa bez taniego, wytrzymałego i łatwego do formowania tworzywa sztucznego. Dlatego od pewnego czasu naukowcy szukają alternatyw dla plastiku wytwarzanego z ropy czy węgla. Niestety, opracowane jak dotąd materiały oparte na surowcach odnawialnych i biodegradowalnych nie są wystarczająco wydajne – produkcja jest droga, a materiały nie są tak wytrzymałe jak tradycyjny plastik. Co więcej, przy wytwarzaniu „bioplastiku” używa się toksycznych substancji chemicznych, co sprawia, że nie są to wcale tak prośrodowiskowe rozwiązania, jak byśmy chcieli. Naukowcy z Yale zapowiadają przełom w tej sprawie.

Artykuł opublikowany w czasopiśmie „Nature Sustainability” opisuje proces, w którym twarde i porowate drewno przekształca się w maziowatą substancję. Autorzy informują, że otrzymany materiał wykazuje dużą mechaniczną wytrzymałość, nieprzepuszczalność płynów i odporność na promieniowanie UV. Może być ponownie przetwarzany lub bezpiecznie biodegradowany w środowisku naturalnym, a cykl życia tego produktu ma mniejszy wpływ na środowisko, niż plastik wytwarzany z ropy oraz inne plastiki biodegradowalne.

– Tego typu polimery próbowało przed nami stworzyć wielu badaczy – mówi dr Yuan Yao, adiunkt (assistant professor) w dziedzinie ekologii przemysłowej i zrównoważonych systemów w Yale School of the Environment (YSE), współautorka badań. – Niemniej, stworzenie włókien mechanicznych, które będą w stanie zastąpić obecnie używany plastik, jest ogromnym wyzwaniem. My opracowaliśmy prosty i nietrudny w przełożeniu na produkcję proces, w którym powstają tworzywa sztuczne na bazie biomasy z drewna przy utrzymaniu ich dobrych właściwości mechanicznych.

Do stworzenia nowej substancji badacze posłużyli się zwykłymi trocinami, czyli odpadami po obróbce drewna w tartaku. Zmienili porowatą i luźną strukturę trocin w maź za pomocą biodegradowalnej i możliwej do recyklingu substancji – rozpuszczalnika głęboko eutektycznego (deep eutectic solvent, DES), zwanego też czasem „zielonym rozpuszczalnikiem”. Powstała mieszanina cechuje się splątaniem w nanoskali i wiązaniem wodorowym między ligniną i mikro / nanofibrylami celulozy, ma wysoką zawartość części stałych i wysoką lepkość, którą można odlewać i walcować bez pękania. Jej specyficzne warunki pozwalają na odlewanie i formowanie bez niebezpieczeństwa naruszenia struktury.

Żeby zbadać cykl życia tego bioplastiku – czyli to, ile energii zużywa się w całym procesie jego powstania i rozkładu, a także jaka jest jego możliwość przetwarzania i biodegradacji – badacze wykonali szereg eksperymentów. Jednym z nich było zakopanie go w glebie i wszczęcie obserwacji nad jego reakcją. Jak się okazało, po dwóch tygodniach materiał był popękany, a po trzech miesiącach uległ całkowitej degradacji. Autorzy artykuły oznajmiają ponadto, że opracowany przez nich bioplastik można ponownie sprowadzić do półpłynnej substancji dzięki mechanicznemu mieszaniu, co oznacza, że również DES da się odzyskać i użyć ponownie.

– Wreszcie udało nam się stworzyć coś, co można nazwać dobrym plastikiem. Nasz materiał może być ponownie przetwarzany i jest biodegradowalny – podsumowuje dr Yao – i w ten sposób zminimalizowaliśmy ilość odpadów, które przedostają się do natury.

Taki rodzaj bioplastiku posiada cały szereg różnych potencjalnych zastosowań. Jak twierdzi współautor badań, prof. Liangbing Hu z Center for Materials Innovation at the University of Maryland, materiał może być przygotowany w formie cienkiej błony, z której będzie możliwa produkcja plastikowych worków i opakowań. To właśnie one, będąc jednym z najpowszechniejszych użyć, powodują wysoki odsetek zanieczyszczeń. Ponieważ może być na trwałe formowany w różne kształty, materiał może znaleźć zastosowanie także w produkcji przemysłowej, np. w przemyśle samochodowym.

Jeżeli produkt udałoby się wprowadzić na rynek, to pojawia się jeszcze jedno poważne wyzwanie – konieczność pozyskania ogromnych ilości drewna. W czasie badań zespół używał jedynie pozostałości z tartaków, ale jeżeli produkcja miałaby się przenieść na skalę przemysłową, to wymagałaby ogromnych nakładów drewna. To z kolei przekładałoby się na stan zalesienia, a co za tym idzie, na lokalne ekosystemy i globalne kwestie klimatyczne.

Dr Yao podkreśla, że jej zespół prowadzi już wstępne rozpoznanie w tej sprawie. Współpraca z ekologami terenów leśnych prowadzić ma do stworzenia modeli symulacyjnych, łączących cykl wzrostu lasu z procesem wytwarzania bioplastiku. Oczywiście, tego typu badania na większą skalę będą wymagały znacznie większych nakładów pracy, ale w obecnej chwili chodzi o to, by stworzyć ogólną prognozę, jak potencjalny sukces tego produktu wpłynąłby na środowisko.

Źródło badań: Xia, Q., Chen, C., Yao, Y. et al. A strong, biodegradable and recyclable lignocellulosic bioplastic. Nat Sustain (2021). https://doi.org/10.1038/s41893-021-00702-w

Opracowano na podstawie artykułu Turning wood into plastic, przygotowanego przez Yale University i opublikowanego na portalu Phys.org.