Naukowcy dokonali znaczącego przełomu w dziedzinie bioplastików dzięki nowej formie dioctanu celulozy (CDA), który rozkłada się 15 razy szybciej niż formy tradycyjne.
Testowany w realistycznych warunkach oceanicznych, spieniony CDA stanowi realny zamiennik styropianu w opakowaniach żywności, znacznie zmniejszając zanieczyszczenie środowiska tworzywami sztucznymi.
Badania nad tworzywami biodegradowalnymi
Naukowcy z Instytutu Oceanograficznego Wood Hole (WHOI) od lat prowadzą badania, aby dowiedzieć się, jakie rodzaje tworzyw sztucznych mają najkrótszą i najdłuższą żywotność w oceanach oraz jakie rodzaje produktów z tworzyw sztucznych, takie jak słomki i opakowania żywności, najczęściej przyczyniają się do zanieczyszczenie tworzywami sztucznymi. Wraz z opracowywaniem materiałów bardziej biodegradowalnych, takich jak dioctan celulozy (CDA)— przypominający tworzywo sztuczne polimer pochodzący z miazgi drzewnej — naukowcy ścigają się, czy będą w stanie zastąpić tradycyjne tworzywa sztuczne bez szkody dla ekosystemów morskich.
Przełom w biotworzywach
Teraz, po latach testów, odkryto, że nowa wersja CDA jest najszybciej rozkładającym się materiałem bioplastikowym testowanym w wodzie morskiej. Co więcej, jest obiecującym substytutem innych materiałów piankowych, takich jak styropian, które mogą zalegać w środowisku przez wiele lat. W nowym artykule opublikowanym dzisiaj (17 października) w ACS Zrównoważona chemia i inżynieriaNaukowcy z WHOI Bryan James, Collin Ward, Chris Reddy, Yanchen Sun i Kali Pate odkryli, że dodanie małych porów – zwanych spienianiem – do materiału CDA powoduje, że ulega on degradacji 15 razy szybciej niż stały CDA, a nawet przewyższa papier.
„To, co najbardziej ekscytuje mnie w tym badaniu, to jego translacyjny charakter. To badanie stanowi zwieńczenie wieloletnich badań skupiających się na zrozumieniu podstawowych mechanizmów kontroli biodegradacji CDA w oceanie” – powiedział Ward, starszy autor badania. On i zespół WHOI nawiązali współpracę z naukowcami z firmy produkującej bioplastiki Eastmanaktórzy zapewnili finansowanie, byli współautorami i dostarczyli materiały do badania.
„Przełożyliśmy podstawową wiedzę na projekt nowego materiału, który jednocześnie spełnia potrzeby konsumentów i rozkłada się w oceanie szybciej niż jakikolwiek inny znany nam materiał plastikowy, nawet szybciej niż papier. To wielka historia sukcesu w dziedzinie, która często skupia się na negatywnych aspektach zanieczyszczenia tworzywami sztucznymi, zamiast pracować nad rozwiązaniami problemu” – dodał Ward.
Postęp w nauce o materiałach
Badanie obejmowało monitorowanie zarówno spienionego, jak i stałego CDA w zbiorniku ze stale przepływającą wodą morską z Martha’s Vineyard Sound w specjalnie zaprojektowanym laboratorium w WHOI. Naukowcy kontrolują także temperaturę, ekspozycję na światło i inne zmienne środowiskowe, aby naśladować naturalne środowisko morskie.
„Dzięki zastosowaniu zbiorników z wodą morską o ciągłym przepływie możemy przenieść dynamikę aktywnego mikrobiologicznie oceanu do laboratorium. Ocean nieustannie się zmienia i ważne było, abyśmy odtworzyli to środowisko, uzupełniając mikroorganizmy i składniki odżywcze, dzięki czemu eksperyment był znacznie bardziej realistyczny pod względem środowiskowym” – wyjaśnił główny autor James. Po 36 tygodniach zespół stwierdził, że pianki CDA straciły 65–70% swojej pierwotnej masy.
W poprzednim badaniu z wykorzystaniem dynamicznego zbiornika na wodę morską naukowcy przetestowali słomki wykonane ze standardowego plastiku, papieru, stałego CDA i spienionego CDA i odkryli, że stałe CDA i słomki papierowe najszybciej zmniejszały swoją masę. Następnie naukowcy porównali dwie słomki wykonane z CDA, jedną wykonaną ze stałego CDA, a drugą z piankowego CDA, i odkryli, że tempo degradacji słomki piankowej było o 190% szybsze niż jej stałej odpowiedniki, co skutkowało krótszym przewidywanym czasem życia dla środowiska niż słomki papierowe .
„Jako naukowiec i inżynier zajmujący się materiałami ekscytujące było wykazanie, że pianki mogą być efektywne pod względem materiałowym, co oznacza, że osiągają funkcjonalność przy użyciu najmniejszej możliwej ilości materiału, redukując koszty i wiele skutków dla środowiska” – powiedział James. „Ponadto, jeśli są wykonane z biodegradowalnych tworzyw sztucznych, mogą stanowić jedną z najmniej trwałych form materiału”.
Przemysł i wpływ na środowisko
Według autorów badania zastąpienie styropianu i tworzyw jednorazowego użytku, takich jak pojemniki na wynos, które rutynowo przedostają się do oceanu i nie ulegają biodegradacji, jest jednym z najpilniejszych zastosowań tego materiału. Produkty spienione CDA już wchodzą na rynek Wystrzelenie Eastmana kompostowalna, lekka tacka wykonana ze spienionego CDA, przeznaczona do zastąpienia tacek plastikowych stosowanych w istniejących przemysłowych opakowaniach żywności.
„Partnerstwa między przemysłem a środowiskiem akademickim są niezbędne do przyspieszenia znalezienia rozwiązań najpilniejszych globalnych wyzwań, w przypadku których środowisko akademickie może zapewnić unikalne spostrzeżenia, a partnerzy branżowi mogą wykorzystać te spostrzeżenia do opracowywania rozwiązań na dużą skalę” – powiedział Jeff Carbeck, wiceprezes ds. innowacji korporacyjnych w Eastman . „Tak wygląda nasza współpraca z WHOI; znacznie poszerzyły naszą wiedzę na temat degradacji naszych materiałów komercyjnych i rozwojowych”.
Carbeck podkreślił, że to badanie pokazuje potencjał, jaki kryje w sobie pianka CDA, pomagając stawić czoła wyzwaniom związanym z jednorazowymi opakowaniami z tworzyw sztucznych. „Właściwości pianek sprawiają, że idealnie nadają się do wielu zastosowań w zakresie opakowań i izolacji, a badania pokazują, że pianki wykonane z materiałów biodegradowalnych szybko ulegają degradacji w środowisku morskim, jeśli przypadkowo tam trafią. Wykorzystanie materiałów biodegradowalnych w towarach konsumpcyjnych to kluczowy krok w kierunku ochrony naszego środowiska, ograniczenia zanieczyszczeń tworzywami sztucznymi i wspierania zrównoważonego rozwoju dla przyszłych pokoleń” – powiedział.
„Jedną z zalet współpracy z partnerem branżowym jest to, że możemy zapewnić skalowalność nowej technologii. Jednym z kryteriów przy projektowaniu nowego materiału był fakt, że musiał on być natychmiastowym i gotowym zamiennikiem wyrobów styropianowych, co oznaczało, że firmy przetwarzające surowy CDA w biodegradowalną piankę nie muszą inwestować w nowy sprzęt – wyjaśnił Warda. „Postępowanie nad nowymi tworzywami sztucznymi, które nie są wytwarzane z paliw kopalnych, nadają się do kompostowania i nie zanieczyszczają środowiska, może być korzystne dla konsumentów i środowiska”.
Odniesienie: „Spienianie umożliwia uzyskanie wydajnych materiałowo produktów z bioplastików o minimalnej trwałości” 17 października 2024 r., ACS Zrównoważona chemia i inżynieria.
DOI: 10.1021/acssuschemeng.4c05822
