Egyre nyilvánvalóbb, hogy a fosszilis tüzelőanyagoktól való eltávolodás és a műanyagok környezetben való felhalmozódásának elkerülése kulcsfontosságú az éghajlatváltozás kihívásainak kezelésében. Ezzel összhangban jelentős erőfeszítések folynak az emberi fogyasztásra alkalmatlan – „lignocellulóz biomasszának” is nevezett – növényi anyagokból készült lebomló vagy újrahasznosítható polimerek kifejlesztésére.
Növényi alapú műanyag, mely erős, mint a PET, de a környezetben cukrokká bomlik
Természetesen a versenyképes biomassza alapú műanyagok előállítása nem egyszerű. Oka van annak, hogy a hagyományos műanyagok olyan széles körben elterjedtek, mivel egyesítik az alacsony költséget, a hőstabilitást, a mechanikai szilárdságot, a feldolgozhatóságot és a kompatibilitást –olyan tulajdonságokat, amelyeket minden alternatív műanyag helyettesítőnek meg kell felelnie vagy felül kell múlnia. Ez a feladat kihívást jelentett. De az EPFL kutatói szerint csak eddig. A műanyagok sokoldalú és strapabíró anyagok, ami nagyszerű, amikor használatban vannak, de sokkal kevésbé az, ha hulladékként a természetbe kerülnek. A svájci EPFL tudósai most kifejlesztettek egy új, PET-szerű műanyagot, amelyet növényi hulladékból állítanak elő, és amely kémiai úton újrahasznosítható, vagy a környezetbe kerülve ártalmatlan cukrokká bomlik.
A technika Jeremy Luterbacher és munkatársai által 2016-ban közzétett felfedezésen alapul, amely szerint egy aldehid hozzáadásával a növényi anyag bizonyos frakciói stabilizálhatók, és elkerülhető lenne azok tönkremenetele az extrakció során. Ennek találtak gyakorlati felhasználást abban, hogy egy új, hasznos, biológiai alapú anyagot állítsanak elő, mely műanyag prekurzorként szolgál.
Ez az új bioműanyag a hagyományos műanyaghoz hasonló szilárdságát a lignintől kapja: egy biopolimertől, amely a növényi sejtek kemény falát alkotja. Korábban az EPFL csapata már kifejlesztett egy módszert emberi fogyasztásra alkalmatlan növényi anyagok, például fa, fakéreg vagy mezőgazdasági hulladék főzésére olcsó vegyszerekben, amely kivonja a lignint, és stabilan tartja azt műanyag prekurzor anyag előállításához. Az új tanulmányban a kutatók másik, de rokon vegyszert használtak egy sokoldalúbb bioműanyag előállításához.
„Lényegében csak fát vagy más, emberi fogyasztásra alkalmatlan növényi anyagot, például mezőgazdasági hulladékot „főzünk meg” olcsó vegyszerekben, hogy egy lépésben előállítsuk a műanyag prekurzort” – mondja Luterbacher. „Azáltal, hogy a cukor szerkezetét érintetlenül tartjuk a műanyag molekulaszerkezetén belül, a kémia sokkal egyszerűbb, mint a jelenlegi alternatívák.”
„Ha egy másik aldehidet – formaldehid helyett glioxilsavat – használunk, egyszerűen „ragadós” csoportokat tehetünk a cukormolekulák mindkét oldalára, ami lehetővé teszi, hogy azok műanyag építőelemként működjenek” –mondta Lorenz Manker, a tanulmány első szerzője. „Ezzel az egyszerű technikával a mezőgazdasági hulladék tömegének akár 25 százalékát vagy a tisztított cukor 95 százalékát is műanyaggá tudjuk alakítani.”
Számos lehetőség kisebb környezetterheléssel
A kapott bioműanyag a hagyományos műanyagok sok kívánatos tulajdonságát mutatja. Akár 100 °C hőmérsékletnek is ellenáll, szakítószilárdsága elérheti a 77 MPa-t, merevsége a 2500 MPa-t, és erős gátat képez az oxigénnel és a vízgőzzel szemben.
Tulajdonságai ígéretes jelöltté teszik, hogy az élelmiszer vagy egyéb a csomagolástól, a textílián át, az orvostudományig és az elektronikáig terjedő alkalmazásokban is használhatólegyen.
Sokoldalúságát a kutatócsapat is bemutatta, és csomagolófóliát, 3D nyomtatáshoz szükséges filamenteket és textillé fonható szálakat is készítettek belőle.
Az anyagnak nemcsak az előállítása környezetbarát, de az ártalmatlanítása is zöld. Egyfelől kémiailag újrahasznosítható, másfelől, ha mégis a környezetbe kerülne, akkor nem mikroműanyagokká, hanem növényi cukrokká bomlik le.
Rengeteg növényi alapú bioműanyag áll fejlesztés alatt, és a nagyvállalatok –mint például a Lego és a Coca-Cola – már most is tesztelik ezeket bizonyos termékeikben. Mint minden ilyen fejlesztésnél, még mindig vannak akadályok, amelyeket le kell küzdeni, mielőtt a tömeggyártás elindulhat. De az EPFL csapata azt állítja, hogy az új bioműanyag előállításának kémiája egyszerűbb, mint másoké, és olyan, olcsó vegyszereket használ, amelyeket egyébként is széles körben alkalmaznak.
„Az új műanyag nagyon izgalmas tulajdonságokkal rendelkezik, különösen az olyan alkalmazásokhoz, mint az élelmiszerek csomagolása” – mondta Jeremy Luterbacher. – „És ami igazán egyedivé teszi ezt a műanyagot, az az érintetlen cukorszerkezet. Így hihetetlenül egyszerű az előállítása, mert nem kell módosítania azt, amit a természet ad. A lebontása is egyszerű, mert egy olyan molekulává alakul vissza, amelyben eleve bővelkedik a természet” – magyarázta.
Hasonló fejlesztés Angliából
Több kutatás is zajlik a növényi alapú és biológiailag lebomló műanyagok területén. Például az angol Birminghami Egyetem és az amerikai Duke Universitykutatói cukoralapú újrahasznosítható műanyagok kifejlesztése terén értek el eredményeket: új polimercsaládot hoztak létre fenntartható forrásokból. Ezek a közönséges műanyagokkal közel megegyező tulajdonságokkal rendelkeznek, ugyanakkor lebomlanak, illetve mechanikusan is újrahasznosíthatók.
A tudósok petrolkémiai származékok helyett cukoralapú kiindulási anyagokat használtak két új polimer előállításához. Ezek közül az egyik rugalmas, mint a gumi, a másik pedig szívós, de alakítható, mint a legtöbb kereskedelmi műanyag.
A kutatók az új polimereket izoidid és izomannid építőelemek felhasználásával készítették. Mindkét vegyület cukoralkoholokból készül.
A kutatók azt találták, hogy az izoidid alapú polimer a szokásos műanyagokhoz hasonló merevséget és alakíthatóságot, valamint a kiváló minőségű műszaki műanyagokéhoz, például a Nylon-6-hoz hasonló szilárdságot mutatott. Az izoidid és az izomannid csak a sztereokémiának nevezett kötés 3D-s térbeli orientációjában különböznek egymástól. Ennek ellenére az izomannid alapú anyag hasonló szilárdsággal és szívóssággal rendelkezett, de nagy rugalmasságot is mutatott, és deformáció után visszanyerte az alakját. Az anyagok megőrizték kiváló mechanikai tulajdonságaikat a porítást és a hőkezelést követően, amely a műanyagok mechanikus újrahasznosításának szokásos módja.
Mik azok a cukoralkoholok?
A nevükkel ellentétben sem a hagyományos értelemben vett cukorhoz, sem pedig az alkoholhoz nem tartoznak. A cukoralkoholok a szénhidrátok redukciójából (a vegyületből oxigént vonnak el) képződő többértékű alkoholok. A természetben is megtalálhatók, például gyümölcsökben vagy más növényi anyagokban, de mesterségesen is előállíthatók. Ilyenek például a szorbit, a mannit, az eritrit, a xilit és a maltit. Jellemzően édesítőszerként használják őket, amit cukorbetegek és diétázók is fogyaszthatnak.
A térbeli szerkezet különbségei
A kutatók által elvégzett szimuláció megmutatta, hogy a polimer láncok hogyan lépnek kölcsönhatásba egymással, hogy ilyen eltérő anyagtulajdonságokat hozzanak létre. A cukorszármazékok egyedi 3D formái lehetővé teszik a hosszú láncok eltérő mozgását és egymásra hatását, ami a fizikai tulajdonságokban megfigyelhető óriási különbséget okozza.
Az izoidid és izomannid egységeket egyaránt tartalmazó kopolimerek létrehozásával a kutatók azt találták, hogy ezek egymástól függetlenül szabályozhatják a mechanikai tulajdonságokat és a lebomlási sebességet. Ennél fogva ez a rendszer megnyithatja az ajtót a cukrok egyedi formáinak felhasználása előtt, hogy a lebonthatóságot önállóan hangolják egy adott felhasználásra anélkül, hogy jelentősen megváltoztatnák az anyag tulajdonságait.
A cukoralapú újrahasznosítható műanyagok polimereinek kémiai hasonlósága azt jelenti, hogy sok jelenlegi műanyaggal ellentétben keverhetők egymással hasonló vagy jobb tulajdonságokkal rendelkező anyagok előállítására.
Andrew Dove professzor, a birminghami kutatócsoport vezetője megjegyezte. „Ez a tanulmány valóban megmutatja, mi lehetséges a fenntartható műanyagokkal. Többet kell még tennünk a költségek csökkentése és ezen anyagok lehetséges környezeti hatásainak tanulmányozása érdekében. Hosszú távon azonban lehetséges, hogy ezek az anyagok helyettesíthetik a petrolkémiai eredetű műanyagokat, amelyek közül jó néhány nehezen bomlik le a környezetben.”
Ahogy a fentiekből látható, több, egymástól független kutatócsoport is dolgozik szerte a világon a megújuló forrásokból származó, biológiailag lebomló, a környezetet kevésbé terhelő műanyagok fejlesztésén. Remélhetőleg mihamarabb találkozhatunk ezekkel a mindennapi életben is.
Csaba László és Csaba Péter Gábor
