Бамбуково-тростниковый стаканчик разложился наполовину за два месяца в земле

Работа опубликована в журнале Matter.

Чтобы исправить ситуацию с загрязнением одноразовой пластиковой посудой, ученые ищут новые материалы с такими же механическими и функциональными свойствами, как у пластика, но которые при этом могли бы разлагаться в природных условиях. Например, бумажные стаканчики в России не перерабатываются — на них нанесена пленка полиэтилена для водонепроницаемости. Однако в мире уже существуют примеры изготовления одноразовой посуды из вторичной макулатуры, но такая посуда менее прочная и в ней могут оставаться чернила, что считается небезопасным фактором. Также одноразовую посуду делают из первичной целлюлозы, но вырубать леса для изготовления одноразовых стаканчиков — нерационально.

Для одноразовых изделий также можно использовать отходы производства, что поможет снизить и бесполезные отходы, и количество пластиковых одноразовых изделий. Чао Лю (Chao Liu) с коллегами из Северо-восточного университета США предложил использовать для создания одноразовой посуды материал из отходов сахарного тростника — багассы. В мире ее довольно много: например, ежегодно Бразилия (крупнейший экспортер сахара) производит 171 миллион тонн багассы от сахарного тростника, большая часть которого используется в качестве горючего топлива. Существуют изделия и из багассы, однако они слишком хрупкие из-за сравнительно коротких волокон.

Фотография с оптического микроскопа

Chao Liu et al./ Matter, 2020

Чтобы укрепить конструкцию из багассы, ученые решили использовать длинные волокна бамбука. Для изготовления итогового материала нужно перемешать волокна тростника и бамбука в соотношении семь к трем, сформовать холодным способом и спрессовать при нагреве. По фотографиям со сканирующего электронного микроскопа ученые рассчитали распределение волокон по размерам: длинных бамбуковых волокон было больше, чем длинных тростниковых, но средняя длина их была меньше.

Схема получения прочной биоразлагаемой одноразовой посуды

Chao Liu et al./ Matter, 2020

Чтобы проверить биоразлагаемость материала, ученые закопали сделанный из него одноразовый стаканчик в землю. На двадцатый день захоронения на стаканчике обнаружили желтый грибок, а через месяц стаканчик стал терять свою форму. За 60 дней масса стаканчика уменьшилась с восьми до четырех граммов.

Затем инженеры решили проверить функциональные свойства посуды. С помощью оптической эмиссионной спектроскопии с индуктивно-связанной плазмой ученые оценили содержание свинца и мышьяка, содержание которых в пищевых контейнерах строго регулируется. Свинца оказалось 0,36 миллиграмма на килограмм стаканчиков, а мышьяка не обнаружили вовсе.

Так как одноразовая посуда не должна быть проницаемой или смачиваемой для воды или масла, к волокнам материала добавили алкилированный кетен димер: это позволило поменять гидрофильность целлюлозных волокон на гидрофобность. За десять минут горячее масло практически не проникло вглубь материала, тогда как фильтровальная бумага и вторичная бумага практически мгновенно впитали в себя масло. Даже за полчаса контакта с разогретым маслом (90 градусов Цельсия) оно не проникло внутрь материала.

Воду новый материал впитывает гораздо меньше аналогичных бумажных стаканчиков (всего 59 процентов, тогда как багассовый материал впитал 77 процентов, а вторичная бумага впитала 310 процентов по своей массе). Горячую воду при 90 градусах Цельсия тростниково-бамбуковый стаканчик выдержал более получаса без всякого проникновения.

Выдерживание стаканчика в растворе индиго кармина в течение 8 часов не привело к его размоканию

Chao Liu et al./ Matter, 2020

Горячее масло не впитывается в материал за десять минут (капля масла удалена хлопковой тряпочкой)

Chao Liu et al./ Matter, 2020

Также ученые проверили механические свойства материала в сухом и влажном состоянии. Оказалось, что тростниково-бамбуковые волокна более жесткие, чем распространенные полимеры, однако их критическая деформация гораздо меньше. Предел прочности составил 35 мегапаскаль, а модуль Юнга — 3,25 гигапаскаля. 

Выдерживание стаканчиком веса в 3 килограмма

Chao Liu et al./ Matter, 2020

Зависимость механического напряжения от деформации у тростниково-бамбукового материала и полистирола

Chao Liu et al./ Matter, 2020

Зависимость механического напряжения от деформации у мокрых бумажных материалов

Chao Liu et al./ Matter, 2020

Такая большая жесткость позволила бумажному стаканчику с массой в восемь граммов выдержать автоклав с массой в три килограмма (полистирольный стаканчик при такой нагрузке мгновенно сложился и лопнул). В мокром состоянии после восьми часов выдерживания в воде предел прочности составил 7,5 мегапаскаля, что все еще гораздо выше, чем у вторичной и тростниковой бумаги. При этом по стоимости новый материал сравним с полистирольными стаканчиками и в два раза дешевле, чем стаканчиками из полилактида.

В последнее время в мире все чаще отказываются от использования одноразового пластика, в том числе и на законодательном уровне: в Европе отказываются от посуды, трубочек, палочек для размешивания напитков, палочек для воздушных шаров и ватных палочек; в Вануату и Китайской провинции Хайнань — от пластиковой упаковки и посуди. А проверить свою экологическую грамотность вы можете в нашем материале «Зимой и летом одним цветом».