Вчені відкрили біопластик, що швидко розкладається

Вчені зробили значний прорив у галузі біопластику, створивши нову форму діацетату целюлози (CDA), яка розкладається в 15 разів швидше, ніж традиційні форми. Випробуваний у реалістичних океанських умовах, спінений CDA є життєздатною заміною пінополістиролу в харчовій упаковці, значно зменшуючи забруднення навколишнього середовища пластиком.

Дослідження біорозкладаної пластмаси

Дослідники з Океанографічного інституту Вуд-Хоулу (WHOI) роками досліджували, які типи пластику мають найкоротший і найдовший термін життя в океані, а також які типи пластикових виробів, таких як соломинки та харчові обгортки, найчастіше сприяють забруднення пластиком. У зв’язку з розробкою більшої кількості біорозкладних матеріалів, як-от діацетат целюлози (CDA) — подібний до пластику полімер, отриманий з деревної целюлози, — дослідники намагаються замінити традиційний пластик без шкоди для морських екосистем.

Прорив у біопластику

Тепер, після багатьох років випробувань, було виявлено, що нова версія CDA є біопластиковим матеріалом, що найшвидше розкладається, випробуваним у морській воді. Крім того, це перспективна заміна іншим пінопластам, таким як пінополістирол, який може залишатися в навколишньому середовищі протягом багатьох років. У новій статті, опублікованій сьогодні (17 жовтня) в ACS Sustainable Chemistry & Engineering, вчені WHOI Брайан Джеймс, Коллін Уорд, Кріс Редді, Янчен Сан і Калі Пате виявили, що додавання дрібних пор, що називається спінюванням, до матеріалу CDA призвело до його розкладання. У 15 разів швидше, ніж твердий CDA, і навіть перевершує папір.

«Що мене найбільше хвилює в цьому дослідженні, так це його трансляційний характер. Це дослідження є кульмінацією багаторічних досліджень, зосереджених на розумінні фундаментальних засобів контролю біодеградації CDA в океані», — сказав Уорд, старший автор дослідження. Він і команда WHOI співпрацювали з вченими з компанії  Eastman, що займається виробництвом біопластику, які надали фінансування, зробили внесок як співавтори та надали матеріали для дослідження.

«Ми перевели фундаментальні знання в дизайн нового матеріалу, який одночасно задовольняє потреби споживачів і розкладається в океані швидше, ніж будь-який інший відомий нам пластиковий матеріал, навіть швидше, ніж папір. Це чудова історія успіху в галузі, яка часто зосереджена на негативних аспектах пластикового забруднення, а не на роботі над розв’язанням проблеми», – додав Уорд.

Досягнення в матеріалознавстві

Дослідження включало моніторинг як спіненого CDA, так і твердого CDA в резервуарі безперервної течії морської води з Martha’s Vineyard Sound у спеціально розробленій лабораторії WHOI. Дослідники також контролюють температуру, освітленість та інші змінні середовища, щоб імітувати природне морське середовище. 

«Використання резервуарів з безперервною течією морської води дозволяє нам перенести динаміку мікробно активного океану в лабораторію. Океан постійно змінюється, і було важливо, щоб ми відтворили це середовище, поповнюючи мікроби та поживні речовини, створюючи набагато більш екологічно реалістичний експеримент», – пояснив провідний автор Джеймс. Через 36 тижнів команда виявила, що піни CDA втратили 65-70% своєї початкової маси. 

У попередньому дослідженні,  використовуючи їхній динамічний резервуар для морської води, дослідники протестували соломинки, виготовлені зі стандартного пластику, паперу, твердого CDA та спіненого CDA, і виявили, що тверді CDA та паперові соломинки зменшують масу найшвидше. Потім вчені порівняли дві соломинки, виготовлені з CDA, одну з твердого CDA, а іншу з спіненого CDA, і виявили, що швидкість деградації пінопласту була на 190% швидшою, ніж його твердого аналога, що призвело до коротшого прогнозованого терміну служби навколишнього середовища, ніж паперових соломинок. .

«Як матеріалознавцю та інженеру було цікаво продемонструвати, що пінопласти можуть бути матеріально ефективними, тобто вони досягають функціональності, використовуючи найменшу можливу кількість матеріалу, зменшуючи витрати та вплив на навколишнє середовище», — сказав Джеймс. «Крім того, коли вони виготовлені з біорозкладаного пластику, вони можуть бути одним із найменш стійких видів матеріалу».

Промисловість і вплив на навколишнє середовище

На думку авторів дослідження, заміна пінополістиролу та одноразового пластику, такого як контейнери для виносу, які регулярно потрапляють в океан і не піддаються біологічному розкладанню, є одним із найбільш термінових застосувань цього матеріалу. Продукти зі спіненого CDA вже виходять на ринок, коли компанія Eastman випускає  компостований легкий лоток зі спіненого CDA, призначений для заміни пластикових лотків, які використовуються в промисловій упаковці харчових продуктів. 

«Партнерство між промисловістю та академічними колами має важливе значення для прискорення вирішення найнагальніших глобальних проблем, коли академічні кола можуть надати унікальну інформацію, а галузеві партнери можуть використовувати цю інформацію для розробки рішень у масштабі», — сказав Джефф Карбек, віце-президент із корпоративних інновацій Eastman. . «Так працює наша співпраця з WHOI; вони значно розширили наше розуміння того, як деградують наші комерційні та розробні матеріали».

Карбек підкреслив, що це дослідження демонструє потенціал піни CDA для вирішення проблем, пов’язаних з одноразовою пластиковою упаковкою. «Властивості пінопласту ідеально підходять для багатьох видів упаковки та ізоляції, і це дослідження показує, що піни, виготовлені з біорозкладаних матеріалів, швидко розкладаються в морському середовищі, якщо вони випадково потраплять туди. Застосування біорозкладаних матеріалів для споживчих товарів є важливим кроком до збереження нашого навколишнього середовища, зменшення забруднення пластиком і сприяння стійкості для майбутніх поколінь», – сказав він.

«Одна з переваг співпраці з галузевим партнером полягає в тому, що ми можемо забезпечити масштабованість нової технології. Одним із критеріїв при розробці нового матеріалу було те, що він мав замінити пінополістирол «під ключ», а це означає, що компаніям, які перетворюють сирий CDA на біорозкладаний пінопласт, не потрібно інвестувати в нове обладнання», — пояснив Ворд. «Просування нових видів пластику, які не виготовляються з викопного палива, піддаються компостуванню та не зберігаються в навколишньому середовищі як забруднення, можуть стати виграшем для споживачів і навколишнього середовища».