В поисках «хорошего пластика»

Центральной темой третьего в этом году номера Fraunhofer magazine - ежеквартального журнала, выпускаемого немецким Обществом Фраунгофера, - стал пластик. Это связано с планами ООН в ближайшее время подготовить международное соглашение по борьбе с пластиковым загрязнением (принятие резолюции намечено на конец будущего года). В аналитической работе, опубликованной в середине мая на сайте Программы ООН по окружающей среде (UNEP), утверждается, что общими усилиями к 2040 году можно будет уменьшить это загрязнение на 80%, и исследовательские институты по всему миру ищут подходы к решению проблемы. Институты Общества Фраунгофера - не исключение.

Общее количество пластикового мусора достигло к настоящему времени примерно пяти миллиардов тонн и продолжает расти. Хорошо бы обуздать этот рост. Сегодня в пластик перерабатывается около 5% всей добываемой нефти, и на данный процесс приходится 4,5% мировой атмосферной эмиссии (в пересчёте на углекислый газ) - хорошо бы сократить потребление ископаемого сырья и повысить энергоэфективность производства. Как этого добиться? Можно ли создать «хороший пластик», обладающий всеми достоинствами уже существующих полимеров - лёгкостью, прочностью, стойкостью (хотя она оборачивается недостатком, когда заходит речь об утилизации), низкой себестоимостью и так далее, - но не имеющий их отрицательных свойств? Универсального решения скорее всего нет, и исследования ведутся в разных направлениях; понятно, впрочем, что в производстве необходимо, насколько возможно, переходить на возобновляемое сырьё и переработку отслужившего пластика.

Какие же исследования по поиску «хорошего пластика» проходят в институтах Общества Фраунгофера?

Стеклопластик без стекла

Несколько фраунгоферовских институтов в содружестве с Университетом прикладных наук Циттау/Гёрлиц и рядом коммерческих компаний ищут альтернативу с меньшим «углеродным следом» для стеклопластика. Рассматриваются варианты композитного материала, армированного не стеклотканью, а полотном из натурального волокна. Например, пластик, усиленный паклей, уже опробован для изготовления внутренних панелей в пассажирских поездах. Он вполне сравним со стеклопластиком по таким характеристикам, как прочность, текучесть и огнестойкость, а его себестоимость ниже, поскольку пакля доступна в больших количествах по ничтожной цене (это побочный продукт переработки льна и конопли).

Ещё одно направление исследований - пластмассы с наполнителями из соломы, щепы, опилок и других волокнистых растительных отходов. «Мы, - рассказывает директор центра полимерных технологий при институте машин и технологий формовки Fraunhofer IWU (Оберлаузиц) профессор Себастьян Шольц, - экспериментируем с материалами и процессами, чтобы создать пластик, в котором наполнитель более чем на 50% состоял бы из отходов. Это снизит стоимость производства, повысит его устойчивость и на долгие годы свяжет CO₂, ведь такие изделия обычно используются десятилетиями».

В дармштадском институте Fraunhofer LBF, занимающемся вопросами долговечности и надежности конструкций и систем, реализуется родственный проект DuroBast, где наполнителем выступает древесный луб. Волокна луба очень прочны, но при этом гигроскопичны, и если они впитают влагу (например, через вызванные дефектом микротрещины), это приведет к ухудшению механических свойств изделия; хуже того, среда может оказаться подходящей для микроорганизмов, которые нанесут ещё больший вред. Чтобы предотвратить подобное развитие событий, исследователи подвергают луб предварительной обработке, заполняя промежутки между волокнами пластиком (биологического происхождения), и лишь после этого соединяют его с расплавленным термопластиком и штампуют заготовку. Несмотря на такое усложнение процесса, глава проекта доктор Рональд Кляйн настроен оптимистично и уверен, что проект завершится созданием высококачественного и экологичного материала.

В том же Fraunhofer LBF в рамках большого проекта с участием других институтов Общества Фраунгофера и отраслевых компаний исследуются добавки к пластикам, которые помогут сделать жизненный цикл изделий более контролируемым. В одних случаях желательно замедлить старение и разложение пластмасс, продлив срок их службы, в других этот процесс нужно, наоборот, ускорить и направить определённым образом, чтобы облегчить переработку. Предпочтение отдаётся биологическим добавкам, а среди изучаемых пластиков почётное место занимает PLA (полимолочная кислота, полилактид).

Сахар, крахмал, солома

Полимолочная кислота - самый популярный биопластик. В 2021 году она занимала в этой группе полимеров первое место по объёму потребления, хотя с массовыми материалами, такими как полиэтилен или полистирол, не может конкурировать из-за недостаточной универсальности. Возможно, исследователи из Fraunhofer LBF (или кто-то ещё) найдут способ изменить ситуацию, но пока этого нет, сфера применения PLA ограничена изделиями с коротким сроком службы: пищевая упаковка, одноразовая посуда, пакеты, различная тара, хирургические нити и др. Впрочем, это довольно обширная ниша.

Полилактид синтезируют из молочной кислоты, сырьём для производства которой могут служить кукурузные сиропы, сок сахарной свёклы, молочная сыворотка, глюкоза, крахмал и многое другое. Доктор Штефан Кабаски, отвечающий за стратегические проекты в области циклической (циркулярной) экономики в институте экологии, безопасности и энергетических технологий Fraunhofer UMSICHT, считает, что с экономической точки зрения лучше всего использовать сахар. Его потребление в пищу снижается, и это устойчивая тенденция, так как люди в заботе о здоровье стараются (вполне резонно) есть поменьше сладкого. Поэтому производители пластика смогут стать желанными покупателями невостребованной продукции сахарных заводов. Из килограмма сахара получается приблизительно 900 граммов полилактида.

В том же институте Fraunhofer UMSICHT разрабатывается упаковочный пенопласт на основе крахмала - предполагается запустить его в производство в 2025 году, чтобы крахмал заменил применяемые сегодня полистирол, полиэтилен и полиуретан. А институт технологий обработки и упаковки Fraunhofer IVV (Фрайзинг) участвует в проекте Евросоюза GLOPACK по созданию биополимерной (и биоразлагаемой) упаковки из растительных отходов - соломы, фруктовых косточек, кукурузных початков и так далее.

* * *

О переработке, как правило, говорят в связи с обычным, плохо разлагающимся, пластиком. Но не будем забывать, что даже биоразлагаемую упаковку из стопроцентно растительного сырья не стоит выбрасывать в компостный ящик вместе с пищевыми отходами - со временем она, безусловно, разложится, но ждать этого придётся слишком долго (иначе упаковка не могла бы защищать продукты). Перерабатываться должно всё, хотя и по-разному.

При подготовке статьи использованы материалы Fraunhofer Magazine.