Группа исследователей под руководством профессора Котоширо Номура из Токийского столичного университета создала новый тип полимеров на биологической основе, которые по прочности на растяжение превосходят традиционные полиолефины, а при выработке используют сырьё, непригодное в пищу. Эти материалы, относящиеся к классу полиэфирамидов, поддаются химической переработке, что позволяет включить их в замкнутый цикл производства, и уже продемонстрировали отличные характеристики в форме плёнок. Разработка ведётся в сотрудничестве со специалистами Осакского научно-исследовательского института промышленных наук и технологий, а также Университета префектуры Сига, а результаты работы опубликованы в профильном рецензируемом журнале. Новые полимеры получают из растительных масел, аминокислот и сахаров, что делает их экологически безопасной альтернативой нефтехимическим пластикам, которые сейчас доминируют на рынке. Подробное описание методики доступно на портале научных новостей по ссылке.

 

Состав и метод получения новых полимеров

Основное преимущество новых материалов перед большинством существующих биополимеров заключается в выборе сырья. Разработчики намеренно отказались от использования пищевых культур вроде кукурузы или сахарного тростника, чтобы не создавать дефицита продовольствия. В качестве масел используют отходы переработки технических культур, например, касторовое или тунговое масло, которые не применяют в пищевой промышленности.

В качестве базовых компонентов для синтеза полиэфирамидов используют:

• неделовые растительные масла, которые не подходят для употребления в пищу;
• природные аминокислоты, в том числе фенилаланин;
• сахара растительного происхождения.

Для получения высокомолекулярных полимеров применяют метод каталитической метатезисной полимеризации олефинов. Этот подход позволяет точно контролировать структуру материала, обеспечивая его высокую прочность и однородность. Отдельные образцы с добавлением фенилаланина дополнительно приобретают способность к быстрому самовосстановлению при комнатной температуре, что расширяет сферы их применения.

 

Превосходство механических характеристик над пластиками

Долгое время основной проблемой полимеров на биологической основе оставались низкие механические свойства. Большинство существующих аналогов уступали по прочности и эластичности традиционным нефтехимическим материалам, что ограничивало их использование в промышленности.

Новые полиэфирамиды преодолели это ограничение. При испытаниях в форме плёнок они показали результаты, превышающие характеристики полиэтилена и полипропилена по двум ключевым параметрам:

1. прочность на растяжение;
2. относительное удлинение при разрыве.

Прочность на растяжение у новых полимеров составляет до 50 мегапаскалей, что в полтора раза выше, чем у обычного полиэтилена низкого давления. На практике это позволяет производить из новых материалов изделия, которые не порвутся под той же нагрузкой, что разрушает обычный пластик, и при этом сохранят гибкость. Для сравнения: обычные биополимеры часто ломаются при небольшом изгибе, а полиэфирамиды на основе фенилаланина дополнительно могут «залечивать» мелкие царапины и порезы за считанные минуты при комнатной температуре. Такое сочетание свойств ранее не встречалось у материалов на биологической основе.

 

Особенности химической переработки новых полимеров

Ещё одним важным преимуществом новых полиэфирамидов является возможность полной химической переработки. В отличие от механической переработки пластика, которая снижает качество материала при каждом цикле, химический метод позволяет вернуть полимер к исходному состоянию мономеров.

Процесс деполимеризации проходит через реакцию переэтерификации со спиртами в присутствии катализаторов. Это позволяет количественно разорвать связи в полимерной цепи и получить исходные органические соединения, пригодные для повторного синтеза. Реакция проходит при умеренных температурах, не требуя нагрева до высоких значений, что снижает энергопотребление перерабатывающего предприятия. Ключевые особенности этого процесса включают:

• полное восстановление свойств материала после переработки;
• отсутствие побочных продуктов при правильном подборе катализатора;
• низкие энергозатраты по сравнению с переработкой нефтехимических пластиков.

Разработчики подчёркивают, что такая система идеально вписывается в концепцию циркулярной экономики, где отходы одного производства становятся сырьём для другого. Это позволяет сократить объёмы захоронения пластика и снизить зависимость от добычи нефти для производства полимеров.

 

Роль разработки в циркулярной экономике

Работа ведётся в рамках государственного проекта по продвижению стратегических исследований, цель которого — создание устойчивых материалов для замкнутого цикла производства. Японские учёные уже несколько лет работают над тем, чтобы снизить экологический след полимерной промышленности.

Традиционные полиолефины разлагаются в природе сотни лет, а их сжигание выделяет токсичные вещества. Биоразлагаемые аналоги часто требуют специальных условий для разложения, которые редко соблюдаются на обычных полигонах. Новые полиэфирамиды лишены этих недостатков: они поддаются переработке на стандартных химических предприятиях, а сырьё для них не требует вырубки лесов или распашки новых полей.

По оценкам исследователей, внедрение таких материалов в производство упаковки, медицинских изделий и строительных материалов позволит сократить выбросы парниковых газов на 30% по сравнению с нефтехимическими аналогами. В Японии уже действует программа по сокращению пластиковых отходов к 2030 году, и новые полимеры могут стать одним из инструментов для достижения этой цели. Пока разработка находится на стадии лабораторных испытаний, но учёные уже ведут переговоры с промышленными партнёрами для запуска пилотного производства.

 

Перспективы практического применения новых материалов

Благодаря сочетанию прочности, гибкости и способности к самовосстановлению, новые полимеры подходят для широкого круга отраслей. Особый интерес к материалу проявляют производители гибкой упаковки, которая сейчас почти полностью состоит из неперерабатываемых комбинированных материалов.

Самовосстановление происходит за счёт образования обратимых водородных связей в структуре полимера, которые разрываются при повреждении и снова соединяются при контакте поверхностей. Основные сферы применения полиэфирамидов на ближайшие годы включают:

1. пищевая и промышленная упаковка;
2. медицинские расходные материалы вроде хирургических нитей;
3. сельскохозяйственные плёнки для теплиц и мульчирования;
4. элементы электроники, устойчивые к механическим повреждениям.

Самовосстанавливающиеся свойства материала особенно полезны для медицинских изделий: хирургические нити из такого полимера смогут противостоять случайным повреждениям при наложении швов, а плёночные покрытия для имплантов будут дольше сохранять целостность. Использование неделового сырья гарантирует, что рост производства таких материалов не приведёт к повышению цен на продукты питания.

Работа японских исследователей демонстрирует, что полимеры на биологической основе могут быть не только экологически безопасными, но и превосходить традиционные пластики по эксплуатационным характеристикам. Отказ от пищевого сырья и возможность полной химической переработки делают эту разработку одной из самых перспективных в области устойчивых материалов. Переход на такие полимеры потребует перестройки производственных цепочек, но долгосрочная выгода для экологии и экономики полностью оправдывает эти усилия. Учёные планируют в ближайшие два года оптимизировать метод синтеза, чтобы снизить стоимость производства полиэфирамидов до уровня традиционных пластиков.