Rosnące obawy dotyczące odpadów z tworzyw sztucznych wzmogły poszukiwania przyjaznych dla środowiska alternatyw dla konwencjonalnych tworzyw sztucznych. Do najbardziej obiecujących opcji należy polihydroksymaślan (PHB), biodegradowalne tworzywo sztuczne, które może naturalnie rozkładać się w środowisku i jest produkowane przez mikroorganizmy. Chociaż PHB oferuje istotne korzyści dla środowiska, jego szersze zastosowanie zostało ograniczone przez poważną wadę: jest naturalnie kruchy i brakuje mu elastyczności wymaganej w przypadku wielu opakowań i produktów medycznych. Nowe badania pokazują sposób na pokonanie tego wyzwania poprzez połączenie PHB z włóknami bawełny i starannie zaprojektowanymi modyfikacjami chemicznymi, tworząc mocniejszy i trwalszy materiał biodegradowalny.
Badania prowadził zespół profesora nadzwyczajnego Jin Zhanga na Uniwersytecie Nowej Południowej Walii, w skład którego wchodzili dr Yilin He, dr Vinod Kumar Kannaujiya, doktorant Linguangze Zhuo, we współpracy z profesorami Chun Wangiem i profesorem Cyrille Boyerem. Razem z Ecopha Biotech Pty. Ltd. zespół opracował nowy materiał kompozytowy, materiał powstały z połączenia różnych składników, który wzmacnia PHB włóknami bawełnianymi pokrytymi alkoholem poliwinylowym, powszechnie znanym jako PVA, przyjaznym dla wody materiałem powłokowym. A. Zespół prof. Zhanga ulepszył materiał, modyfikując PHB, tak aby mógł on skuteczniej wiązać się z włóknami. Wyniki ich badań opublikowano w recenzowanym czasopiśmie Advanced Sustainable Systems.
Opierając się na wcześniejszych wysiłkach na rzecz ulepszenia biodegradowalnych tworzyw sztucznych, profesor Zhang skupił się na rozwiązaniu długotrwałego problemu: pomaganiu włóknom naturalnym i PHB w skuteczniejszym sklejaniu się. A. Prof. Zhang zauważył: „To badanie zwiększyło wytrzymałość i plastyczność PHB poprzez wzmocnienie go włóknami bawełny pokrytymi alkoholem poliwinylowym (PVA) i dalszą poprawę wiązania międzyfazowego poprzez szczepienie bezwodnikiem maleinowym (MA). Plastyczność odnosi się do zdolności materiału do zginania i rozciągania bez pękania. Włókna bawełniane w naturalny sposób przyciągają wodę, podczas gdy PHB ma tendencję do jej odpychania, co utrudnia dobrą współpracę obu materiałów. Powlekając włókna i modyfikując PHB, zespół stworzył znacznie silniejsze połączenie między różnymi częściami materiału.
Zaobserwowano kilka ulepszeń. Dodanie nieobrobionych włókien bawełnianych już zwiększyło zarówno wytrzymałość, jak i elastyczność w porównaniu z czystym PHB. Jednakże największe korzyści osiągnięto stosując włókna powlekane. Przy najwyższej testowanej zawartości włókien materiał stał się prawie czterokrotnie mocniejszy niż oryginalne tworzywo sztuczne, a jednocześnie rozciągnął się znacznie dalej, zanim pękł. Wynik ten jest szczególnie ważny, ponieważ materiały często stają się mniej elastyczne, gdy są wzmacniane. W tym przypadku obie cechy poprawiły się jednocześnie. Zmodyfikowany materiał może również pochłonąć znacznie więcej energii przed pęknięciem, dzięki czemu jest znacznie twardszy i bardziej odporny na uszkodzenia.
Dalsze korzyści pojawiły się, gdy PHB przeszedł dodatkowy etap modyfikacji. Dzięki tej obróbce tworzywo sztuczne utworzyło silniejsze połączenie zarówno z powłoką, jak i włóknami bawełny. W rezultacie materiał wykazał radykalny wzrost wytrzymałości, co oznacza jego odporność na pękanie i łamanie, a także znacznie lepszą odporność na warstwy rozdzielające się pod wpływem naprężeń. A. Prof. Zhang podkreślił to osiągnięcie, stwierdzając, że „szczepienie MA dodatkowo zwiększa wytrzymałość (wzrost dziewięciokrotny) i odporność na pękanie międzywarstwowe (wzrost dwukrotny), jednocześnie zmniejszając przenikanie helu do 60%. Przenikanie helu odnosi się do łatwości przejścia gazu przez materiał. Ulepszenia te sugerują, że materiał nie tylko staje się mocniejszy, ale także zyskuje lepsze właściwości ochronne, które są wysoce pożądane w zastosowaniach opakowaniowych.
Badania mikroskopowe i szczegółowe obrazowanie w skali zbyt małej, aby można było je dostrzec gołym okiem, pomogły wyjaśnić, dlaczego materiał sprawdza się tak dobrze. W kompozytach bez dodatkowej modyfikacji włókna często odrywały się od otaczającego tworzywa sztucznego, gdy materiał pękał, co wskazywało, że połączenie między nimi było stosunkowo słabe. Dla porównania, modyfikowane kompozyty wykazywały znacznie silniejsze połączenie włókien z tworzywem sztucznym, przy mniejszej liczbie oznak rozdzielenia. Dodatkowe testy potwierdziły, że zmiany skutecznie poprawiły jakość materiału przy jednoczesnym zachowaniu jego ogólnej stabilności. Zmodyfikowany plastik stał się również bardziej kompatybilny z powlekanymi włóknami, umożliwiając im skuteczniejszą współpracę.
Oprócz wytrzymałości i trwałości zespół zbadał także, jak dobrze materiał może blokować gazy. Właściwość ta jest szczególnie istotna w przypadku opakowań do żywności i wyrobów medycznych. Czysty PHB umożliwił najwyższy poziom ruchu gazu. Po dodaniu włókien bawełnianych i powłok ruch gazu znacznie się zmniejszył. Najlepsze rezultaty przyniosło połączenie powlekanych włókien bawełnianych i modyfikowanego PHB, redukując przepływ gazu o około czterdzieści procent w porównaniu z oryginalnym tworzywem sztucznym. Takie ulepszenia mogą pomóc produktom zachować dłużej świeżość, jednocześnie korzystając z opakowania przyjaznego dla środowiska.
Łącznie odkrycia A. Prof. Zhanga pokazują, że połączenie naturalnych włókien bawełnianych ze starannie zaprojektowanymi modyfikacjami może przekształcić PHB z kruchego, biodegradowalnego plastiku w materiał o znacznie zwiększonej wytrzymałości, trwałości, elastyczności i właściwościach ochronnych. Postępy te rozwiązują kilka ograniczeń, które spowalniają szersze przyjęcie PHB i pokrewnych biodegradowalnych tworzyw sztucznych. Poprawiając wydajność przy jednoczesnym zachowaniu zrównoważonego rozwoju, nowe podejście A. Prof. Zhang i jej zespołu może wesprzeć przyszłe zastosowanie w opakowaniach, produktach związanych z opieką zdrowotną i wielu innych zastosowaniach, w których poszukuje się alternatyw dla tworzyw sztucznych wytwarzanych z paliw kopalnych.
Odniesienie do czasopisma
He Y., Kannaujiya VK, Zhuo L., Ling W., Wang CH, Boyer C., Zhang J. „Zwiększenie właściwości mechanicznych naturalnie kruchego, biopochodnego i biodegradowalnego polimeru polihydroksymaślanowego (PHB) poprzez wzmocnienie włóknem bawełnianym i szczepienie międzyfazowe.” Zaawansowane systemy zrównoważonego rozwoju, 2025; 9: e00294. DOI: https://doi.org/10.1002/adsu.202500294
