Запатентован новый способ изготовления автомобильных шин из травы и деревьев
Основной элемент природного каучука – изопрен. На основе его полимера получают и один из видов синтетического каучука. Именно на модернизации этого процесса и сосредоточилась команда исследователей во главе с Полом Дауэнхауэром (Paul Dauenhauer) из Университета Миннесоты.
Одним из главных промышленных способов получения изопрена является крекинг – высокотемпературная переработка нефти, в ходе которой происходит разрыв углеродных связей в углеводородах и образуется множество соединений с более низкой молекулярной массой, другими словами, более коротких. Затем следует процесс выделения и очищения фрагментов, после чего изопрен полимеризуют, то есть выстраивают в длинные цепи. В дальнейшем для получения резины полимер претерпевает ещё один классический процесс – вулканизизацию (буквально сшивку длинных нитей поперёк мостиками из атомов серы). Из итогового материала изготавливают автомобильные покрышки и многое другое.
Возможность ухода от переработки нефти в сторону использования какой-либо биомассы не даёт покоя производителям шин на протяжении нескольких последних лет. Изопрен неоднократно пытались получить более чистым путём из природных источников, таких как растительные сахара. Но разработанные методы были недостаточно хороши, чтобы удовлетворить огромную потребность мировой промышленности в каучуке.
Новая технология снова берёт за основу сахара, полученные из травы, деревьев и кукурузы. Исследователи предложили использовать гибридный трёхступенчатый процесс, сочетающий в себе обработку биомассы с помощью ферментов, производимых микроорганизмами и каталитическую переработку, похожую на аналогичную стадию при использовании нефти в качестве сырья.
Первым шагом является микробная ферментация сахаров, полученных из биомассы, до так называемой итаконовой кислоты. На втором этапе она вступает в реакцию с водородом для образования следующего химического соединения с труднопроизносимым названием метилтетрагидрофуран (метил-ТГФ). Секретом эффективности этой стадии стало использование уникального высокоэффективного металлического катализатора.
Но настоящий технологический прорыв был совершён на третьей стадии, которой стала дегидратация метил-ТГФ (отщепление воды) с получением изопрена. Здесь в качестве катализаторов были использованы фосфорсодержащие цеолиты, в том числе и недавно разработанный в Университете Миннесоты катализатор под названием P-SPP. Их действие имеет узкую направленность, а именно обладает 90-процентной селективностью в отношении диенов – соединений, к которым относится и изопрен. Причём на последний приходится 70 процентов этого показателя.
"Производительность цеолитных катализаторов была поразительной, — рассказывает Дауэнхауэр в пресс-релизе университета. – Этот новый класс твёрдых кислотных катализаторов обладает улучшенной каталитической активностью и является главной причиной тому, что использование возобновляемого сырья для получения изопрена возможно".
По результатам разработок исследователи опубликовали статью в журнале ACS Catalysis и оформили патент.
Авторы работы надеются, что их технология может оказаться вполне конкурентоспособной, и возобновляемые легкодоступные биологические источники сырья покажут потенциал для расширения внутреннего производства не только автомобильных шин, но и других изделий из искусственного каучука.