Теперь исследователи из Окриджской национальной лаборатории Министерства энергетики создали лучший термопласт, заменив стирол лигнином, хрупким, жестким полимером, который вместе с целлюлозой формирует стенки древесных клеток растений. При этом они изобрели производственный процесс без использования растворителей, который соединяет между собой равные части наноразмерного лигнина, диспергированного в матрице синтетического каучука, для производства плавкого, пластичного, пластичного материала, который как минимум в десять раз прочнее, чем АБС. Полученный термопласт, называемый ABL для акрилонитрила, бутадиена, лигнина, подлежит вторичной переработке, так как его можно плавить три раза и при этом сохранять хорошие характеристики. Результаты, опубликованные в журнале Advanced Functional Materials, могут дать более чистое и дешевое сырье различным производителям.
«Новый термопласт ORNL обладает лучшими характеристиками, чем товарный пластик, такой как ABS», — сказал старший автор отдела материаловедения и технологий ORNL Амит Наскар, который вместе с соавтором Чау Траном подал заявку на патент на процесс изготовления нового материала. «Мы можем назвать это экологически чистым продуктом, потому что 50 процентов его содержимого является возобновляемым, а технологии, позволяющие его коммерческое использование, сократят потребность в нефтехимии».В этой технологии можно использовать поток побочных продуктов биомассы, богатой лигнином, с заводов по переработке биопереработки и целлюлозно-бумажных комбинатов.
При падении цен на природный газ и нефть возобновляемые виды топлива не могут конкурировать с ископаемыми видами топлива, поэтому биоперерабатывающие заводы изучают возможности разработки других экономически жизнеспособных продуктов. Среди целлюлозы, гемицеллюлозы и лигнина, основных структурных компонентов растений, лигнин является наиболее коммерчески недоиспользуемым. Исследование ORNL было направлено на использование его для производства, с прицелом на коммерциализацию, возобновляемого термопласта со свойствами, не уступающими свойствам существующих альтернатив на основе нефти.Чтобы создать энергоэффективный метод синтеза и экструзии высокоэффективных термопластических эластомеров на основе лигнина, команде ORNL нужно было ответить на несколько вопросов: можно ли преодолеть различия в исходном сырье лигнина, чтобы получить продукт с превосходными характеристиками?
Может ли лигнин интегрироваться в мягкие полимерные матрицы? Можно ли понять химию и физику полимеров на основе лигнина, чтобы лучше контролировать их свойства? Можно ли разработать процесс производства полимеров на основе лигнина?«Лигнин — очень хрупкий природный полимер, поэтому его необходимо упрочнить», — пояснил Наскар, лидер группы ORNL Carbon and Composites.
Основная цель группы — производство промышленных полимеров, которые являются достаточно прочными и жесткими, чтобы их можно было деформировать без разрушения. «Нам необходимо химически соединить мягкое вещество с лигнином. Эта мягкая матрица будет пластичной, чтобы быть податливой или растяжимой.
Очень жесткие сегменты лигнина будут обеспечивать сопротивление деформации и, таким образом, обеспечивать жесткость».Не все лигнины одинаковы по термостабильности. Чтобы определить, из какого типа термопластов лучше всего получится сырье, ученые оценили лигнин из пшеничной соломы, хвойных пород, таких как сосна, и твердых пород, например дуба.
Они обнаружили, что лигнин из древесины лиственных пород является наиболее термостойким, а некоторые типы лигнина из древесины хвойных пород также устойчивы при плавлении.
Затем исследователям нужно было соединить лигнин с мягким веществом. Химики обычно добиваются этого, синтезируя полимеры в присутствии растворителей. Поскольку лигнин и синтетический каучук, содержащий акрилонитрил и бутадиен, называемый нитрильным каучуком, оба имеют химические группы, в которых электроны распределены неравномерно и, следовательно, могут взаимодействовать, Наскар и Чау Тран (которые проводили эксперименты по смешиванию расплава и характеристике) вместо этого попытались связать два в расплавленной фазе без растворителей.В обогреваемой камере с двумя роторами исследователи «замешивали» расплавленную смесь равных частей порошкообразного лигнина и нитрильного каучука.
Во время смешивания агломераты лигнина распадались на взаимопроникающие слои или листы толщиной от 10 до 200 нанометров, которые хорошо диспергировались в каучуке и взаимодействовали с ним. Без надлежащего выбора мягкой матрицы и условий смешивания агломераты лигнина по крайней мере в 10 раз больше, чем агломераты, полученные с помощью процесса ORNL. Образовавшийся продукт не обладал свойствами ни лигнина, ни каучука, а был чем-то средним, с сочетанием жесткости лигнина и эластичности нитрильного каучука.Изменяя количество акрилонитрила в мягкой матрице, исследователи надеялись еще больше улучшить механические свойства материала.
Они попробовали 33, 41 и 51 процент акрилонитрила и обнаружили, что 41 процент дает оптимальный баланс между ударной вязкостью и жесткостью.Затем исследователи хотели выяснить, может ли контроль условий обработки улучшить характеристики их полимерного сплава.
Например, при 33-процентном содержании акрилонитрила получился эластичный, но не прочный материал, который больше походил на резину, чем на пластик. Исследователи увидели, что при более высоких пропорциях акрилонитрила материалы становятся более прочными из-за эффективного взаимодействия между компонентами. Они также хотели знать, при какой температуре следует смешивать компоненты, чтобы оптимизировать свойства материала. Они обнаружили, что нагревательные элементы между 140 и 160 градусами Цельсия образуют желаемую гибридную фазу.
Используя ресурсы ORNL, в том числе Центр науки о нанофазных материалах и Центр научных исследований Министерства энергетики США, ученые проанализировали морфологию смесей. Сканирующая электронная микроскопия, выполненная Чау Траном, исследовала поверхности материалов. Цзихуа Чен и Тран охарактеризовали фазы мягкого вещества с помощью просвечивающей электронной микроскопии, поместив тонкий слой материала на пути электронного луча, чтобы выявить структуру через различия в контрасте в фазах лигнина и каучука. Малоугловое рассеяние рентгеновских лучей Джонг Кеум выявило повторяющиеся кластеры определенных размеров домена или слоя.
Инфракрасная спектроскопия с преобразованием Фурье позволила идентифицировать химические функциональные группы и их взаимодействия.В будущих исследованиях будет изучено различное сырье, особенно сырье биоперерабатывающего завода, а также взаимосвязь между условиями обработки, структурой материала и производительностью. Также планируется изучить характеристики нового термопласта ORNL в композитах, армированных углеродным волокном.«В будущем, вероятно, будет использоваться больше возобновляемых материалов», — сказал Наскар. «Я рад, что мы можем продолжить работу с возобновляемыми материалами не только для автомобильной промышленности, но и для использования в сырьевых товарах».
Статья называется «Новый класс возобновляемых термопластов с исключительными характеристиками на основе наноструктурированных лигнин-эластомеров».
