Что такое тПБ?
Исследование, опубликованное в Наука развивается сообщениях[1] Совершенно новый материал — прозрачный картон (tPB). Изготовленный полностью из чистой целлюлозы, он решает вековую проблему непрозрачного картона и задаёт новый стандарт устойчивого развития: он полностью перерабатывается в замкнутом цикле и биоразлагается по всему океану — от мелководья до глубоководья.
Используя запатентованную технологию обработки бромистым литием в водной среде, исследователи придали целлюлозным гидрогелям различные практичные формы — от соломинок для питья до стаканчиков. Испытания показали, что материал tPB не уступает пластику по эксплуатационным характеристикам и может полностью биоразлагаться в течение 12 месяцев даже в условиях глубоководья. Благодаря покрытию из растительной смолы, его герметичность превосходит герметичность обычных бумажных стаканчиков.
1. Вдохновение и прорыв: когда картон становится «прозрачным»
Рисунок A
На изображениях слева направо показана трансформация материала:
Порошок/Текстиль → Раствор целлюлозы → Гидрогель → Конечный продукт (tPB, прозрачный полибиоматериал).
Порошок или текстильные отходы сначала перерабатываются в раствор целлюлозы;
Затем этот раствор гелируют, образуя целлюлозный гидрогель;
наконец, он перерабатывается в прозрачный заменитель пластика на биологической основе (например, показанный прозрачный стаканчик).
Рисунок B (Схема процесса)
Сырье:
Короткие хлопковые волокна (хлопковый линт, который невозможно спрясть в пряжу), получаемые из семян или коробочек хлопка, а также из бумажных или текстильных отходов.
Химическая обработка:
Целлюлозу растворяют с помощью растворителя LiBr (бромида лития) до образования геля.
Затем гель промывают, чтобы удалить растворитель, в результате чего получается гидрогель.
Утилизация отходов:
Растворитель LiBr восстанавливается путем конденсации (замкнутый цикл переработки), а вода также перерабатывается для повторного использования.
Материалы (например, использованные прозрачные стаканчики) можно измельчить и переработать обратно в порошок.
Формование и применение:
Гидрогель можно сушить, прессовать или формовать из него различные изделия, например, стаканчики, соломинки или прозрачные листы.
Конец жизни:
При попадании в природную среду (например, в океан) эти материалы могут подвергаться биологическому разложению под воздействием микроорганизмов, что предотвращает их долгосрочное накопление, в отличие от обычных пластиков.
Бумага и картон производятся из целлюлозы, содержащейся в древесине. Это многоразовые и биоразлагаемые материалы, альтернативные пластику, что делает их идеальными кандидатами на замену пластику. Но есть одна загвоздка: картон непрозрачен, поэтому он не может заменить прозрачный пластик в упаковке, где необходимо продемонстрировать содержимое (например, в коробках для еды, стаканчиках для напитков).
Почему так сложно добиться прозрачности? Виной всему рассеивание света. Крупные древесные волокна обычного картона рассеивают свет, делая его непрозрачным. До сих пор единственной коммерческой прозрачной плёнкой из чистой целлюлозы был целлофан, но этот метод не позволяет производить картон толщиной в миллиметр.
Японская группа пошла по другому пути. Они использовали водный раствор бромида лития (LiBr). Целлюлоза растворяется в нём при нагревании и снова превращается в гель при охлаждении. Путём прямой сушки этого плотного целлюлозного гидрогеля учёные получили прозрачный картон (tPB) толщиной в миллиметр и размером со смартфон — новую альтернативу пластиковой упаковке.
2. Выдающиеся свойства: прозрачность, прочность и изолирующие свойства
Высокая прозрачность. При толщине 0.7 мм tPB достигает ~87% общего светопропускания при мутности около 22%, поэтому удалённые объекты остаются чёткими. Даже при толщине 1.5 мм он остаётся визуально прозрачным, с лёгкой вуалью.
Превосходные механические свойства. Он сочетает в себе жёсткость картона и гибкость пластика. При испытаниях на изгиб он выдерживает значительные деформации, не ломаясь, чего не может сделать обычный картон.
Исключительная прочность во влажном состоянии. Материалы из чистой целлюлозы обычно теряют прочность в воде. Но после полного погружения в воду на 72 часа прочность на разрыв tPB по-прежнему в 5–15 раз выше, чем у стандартного картона. Он может стоять самостоятельно, не разрушаясь.
Естественная теплоизоляция. Благодаря анизотропной структуре нановолокон тепло распределяется по-разному вдоль плоскости и по толщине, обеспечивая внутреннюю изоляцию. В испытаниях с кипящей водой внешняя стенка стакана из tPB оставалась заметно холоднее, чем у стакана из полистирола (PS).
Рисунок Результаты – Характеристика tPB (прозрачного полибиоматериала)
А. Оптические свойства
Пропускание (Tt) и мутность как функция толщины. tPB сохраняет высокую прозрачность при слегка увеличении мутности по мере увеличения толщины.
Б. Свойства изгиба
Кривые изгибного напряжения-деформации показывают, что тПБ (на текстильной основе и на основе МЦК) проявляет более высокую прочность на изгиб и ударную вязкость по сравнению с обычными ПБ и ПК пластиками.
C. Свойства при растяжении
Кривые зависимости деформации от напряжения при растяжении показывают, что влажный ПБ сохраняет отличную механическую прочность, превосходя традиционный ПБ даже во влажных или водных условиях.
D. Шероховатость поверхности
Атомно-силовая микроскопия (АСМ) показывает среднеквадратичную шероховатость (СМК) ~15.4 нм, что свидетельствует о гладкой поверхности, подходящей для оптических применений.
E–F. Микроструктура
Снимки СЭМ/ТЭМ демонстрируют однородную микромасштабную морфологию и плотную наномасштабную сеть волокон целлюлозы, что объясняет превосходные механические свойства.
G. Рассеяние рентгеновских лучей (SAXS/WAXS)
Кольцевые дифракционные картины подтверждают упорядоченное расположение целлюлозных цепей и анизотропию внутри структуры.
H. Структурная модель
Схематические диаграммы (вид сверху и вид с ребра) иллюстрируют уложенную и ориентированную сеть целлюлозных цепей, связывающую структуру с производительностью.
I. Температуропроводность
Измерения теплопереноса демонстрируют анизотропное поведение: коэффициент диффузии в плоскости значительно выше, чем вне плоскости, что подтверждает направленную теплопроводность.
Резюме
Резюме: Полученные результаты подтверждают, что тПБ представляет собой прозрачный, механически прочный, гладкоповерхностный, биоразлагаемый материал на основе целлюлозы с упорядоченной наноструктурой и анизотропными термическими свойствами, что делает его перспективной альтернативой обычным пластикам.
3. Готовые к использованию альтернативы: формовка стаканчиков и соломинок
Используя эти свойства, исследователи изготовили из tPB прозрачные стаканчики и соломинки.
Революционное решение: эти целлюлозные стаканчики могут хранить горячую воду без пластиковой прокладки, не протекая и не размягчаясь. Это действительно экологичная альтернатива современным бумажно-пластиковым композитным стаканчикам.
Для длительного хранения жидкости достаточно нанесения на внутреннюю стенку сверхтонкого слоя солей жирных кислот на растительной основе (около 5–10 мкм), что обеспечивает дополнительную прочность при минимальном влиянии на устойчивость.
Рисунок – Функциональная оценка тПБ (прозрачного полибиоматериала)
А. Применение чашки:
Влажная гидрогелевая чашка высохла и превратилась в прозрачную чашку из tPB, способную эффективно удерживать жидкость.
B. Нанесение соломы:
Влажная гидрогелевая соломинка, высушенная в прозрачную соломинку из tPB, продемонстрирована в реальном применении для размешивания напитков.
C. Эффективность удержания воды:
Сравнение количества воды, удерживаемой в чашках с течением времени, для tPB, композитного tPB (c-tPB), бумаги и полистирола (PS).
Оба материала, tPB и c-tPB, сохраняют почти 100% водоудерживающую способность в течение длительного времени, в то время как бумажные стаканчики протекают.
D. Смачиваемость и прозрачность поверхности:
Измерения угла контакта показывают, что tPBtex более гидрофилен (~55.6°), тогда как c-tPBtex гидрофобен (~102.5°).
Обе пленки демонстрируют низкую мутность (~22–23%) и высокую светопропускаемость (~84%), что подтверждает хорошую прозрачность.
Е. Теплоизоляция:
Тепловизионное изображение чашек с горячей водой показывает более низкую внешнюю температуру для tPB (~61 °C) по сравнению с PB (~66 °C) и PS (~72 °C), что указывает на превосходную теплоизоляцию и более безопасное обращение.
Резюме
Резюме: Эти результаты показывают, что из тПБ можно изготавливать практичные изделия, такие как стаканчики и соломинки, обладающие превосходной водонепроницаемостью, регулируемыми свойствами поверхности, хорошей прозрачностью и превосходной теплоизоляцией по сравнению с обычными пластиками.
4. Максимальная устойчивость: замкнутый цикл переработки и биодеградация в масштабах океана
Замкнутый цикл переработки. В процессе производства происходит рекуперация растворителя LiBr и воды. Использованный тПБ можно измельчить, растворить и переработать в новый тПБ. Даже после нескольких циклов регенерированный материал сохраняет хорошую прозрачность и прочность — это гарантирует непрерывное использование.
Биоразлагается по всему океану. Образцы были отобраны на четырёх глубинах: от мелководья гавани (~2 м) до Тихоокеанского желоба (~5,552 м). Примечательно, что даже в холодных, высокобарических и низкокислородных глубинах tPB биоразлагался микробами со значительной скоростью (~20–50 мкг/см²/сут). Метагеномный и метатранскриптомный анализы показали, что на tPB образуются биоплёнки, продуцирующие целлюлазы, которые разлагают его на CO₂ и воду.
Другими словами, если тПБ когда-либо попадёт в океан, он не станет «вечным глубоководным реликтом», как многие виды пластика. Он тихо вернётся в природу.
Рисунок – Показатели переработки тПБ (прозрачного полибиоматериала)
А. Оптический вид и мутность:
Фотографии оригинальных пленок, пленок, переработанных с использованием растворителя, пленок из переработанных материалов и пленок, переработанных с использованием растворителя и материала.
Значения мутности составляют 21% (исходный), 16% (переработанный растворитель), 54% (переработанный материал) и 60% (переработанный растворитель + материал).
Переработка растворителей сохраняет прозрачность, тогда как переработка материалов увеличивает мутность.
B. Тест на пропускание и окрашивание:
Окрашенные жидкости (соки и чаи) использовались в качестве фона для оценки оптической прозрачности.
Пропускание остается высоким для исходных (86%) и переработанных растворителем (84%) пленок, в то время как пленки из переработанного материала и переработанного растворителя+материала демонстрируют несколько более низкие значения (~83–86%).
C. Свойства изгиба:
Кривые изгибного напряжения-деформации демонстрируют незначительную разницу между исходными и переработанными пленками.
Все образцы сохраняют высокую прочность на изгиб (~100 МПа), что свидетельствует о механической прочности после переработки.
D. Анализ молекулярной массы:
Средневесовая молекулярная масса (Mw) сохраняется в пленках, изготовленных из переработанного растворителя, но уменьшается в пленках, изготовленных из переработанного материала и смеси растворителя и материала, что отражает частичную деградацию целлюлозной цепи во время переработки.
E–F. Внешний вид переработанной пленки:
Переработанные пленки tPB по-прежнему демонстрируют значительную прозрачность, несмотря на повышенную мутность (60%) и немного меньшую светопропускаемость (89% и 76%).
Визуальный осмотр подтверждает сохранность пригодности к использованию после многократных циклов переработки.
Резюме
Резюме: Полученные результаты демонстрируют, что переработка растворителей сохраняет как оптические, так и механические свойства тПБ, в то время как переработка материала приводит к более сильному снижению мутности и молекулярной массы, сохраняя при этом хорошие механические характеристики. Это подтверждает возможность переработки тПБ в замкнутом цикле.
5. Взгляд в будущее: на пути к настоящей циклической экономике
Рисунок – Морская биодеградация tPB (прозрачного полибиоматериала)
А. Темпы деградации на различных морских участках:
Деградация измерена на PJM (2 м), BMS (757 м), BHT (855 м) и AMN (5552 м).
На мелководье (PJM) наблюдалась самая высокая скорость (~250 мкг/см²/день), тогда как на глубоководных участках наблюдалась более медленная деградация (~20–50 мкг/см²/день).
Вставка: чашка tPB до и после 5 месяцев на месте BHT.
Б. Образование биопленки:
Микроскопические изображения показывают микробную колонизацию на поверхности tPB, образующую биопленки.
Увеличенное изображение демонстрирует прикрепленные бактерии, подтверждающее участие микробов в деградации.
C. Состав микробного сообщества:
Метагеномный анализ выявляет доминирующие группы: Fibr1 (40%), Fibr2 (18.1%), Delt1 (8.6%), Delt2 (3.0%), Spir1 (2.8%), а также Alph1, Bact1 и Gamm1.
Центральную роль в этом процессе играют бактерии и анаэробы, разлагающие целлюлозу.
D. Функциональная экспрессия генов:
Тепловая карта показывает повышенную экспрессию целлюлаз, эндоглюканаз и β-глюкозидаз, а также генов, связанных с поглощением азота, гликолизом и путями ферментации.
Указывает на кооперативный метаболизм в микробном сообществе во время распада tPB.
E. Предлагаемый путь деградации:
Целлюлозные цепи в tPB гидролизуются целлюлазами Fibr1/Fibr2 в целлобиозу.
Delt1 и Delt2 перерабатывают метаболиты в H₂, лактат и формиат, тогда как Alph1, Bact1, Spir1 и Gamm1 способствуют окислительно-восстановительному балансу и вспомогательным путям.
В целом синергетическая микробная активность ускоряет морскую деградацию tPB.
Резюме
Полученные результаты подтверждают, что tPB биоразлагаем в морской среде, где ферментативные и метаболические процессы активируются образованием биопленки и разнообразными микробными консорциумами. Разложение происходит быстрее на мелководье, но возможно и в глубоководных условиях.
В лабораторных условиях производство tPB в настоящее время потребляет больше энергии, чем производство обычного картона. Однако исследователи утверждают, что при крупномасштабном непрерывном производстве, аналогичном современным бумажным фабрикам, энергопотребление может снизиться до уровня, сопоставимого с производством обычного картона.
Созданный природой и возвращающийся к природе, tPB является идеальным базовым материалом нового поколения, и ожидается, что он будет широко использоваться для замены пластиковой упаковки. Это экологически чистая упаковка без пластика , защищающая окружающую среду. Она может заменить многие одноразовые прозрачные пластиковые упаковки, которые трудно перерабатывать и которые склонны к протеканию в море, помогая решить проблему загрязнения морской среды пластиком на корню и поддерживая подлинно циклическую экономику.
Однажды прозрачная кофейная чашка в вашей руке может быть сделана из целлюлозного картона, способного «исчезнуть» в глубинах океана.
