Отрасль пластмасс переживает изменения, поскольку всё больше усилий направлено на замену материалов на основе нефти устойчивыми альтернативами. Но одной устойчивости недостаточно. Пластмассы на биологической основе должны быть более функциональными.
Флагманский проект SUBI²MA
В рамках флагманского проекта SUBI²MA несколько институтов Фраунгофера работают над ускорением разработки новых материалов, которые были бы не только экологически чистыми, но и функционально превосходили бы существующие. Они сосредоточены на трёх основных целях:
* дальнейшее развитие новых материалов на биологической основе;
* разработка новых биогибридных материалов;
* цифровая ускоренная разработка.
Материалы на биологической основе
В рамках проекта особое внимание уделяется Карамиду — новой полностью биоразлагаемой форме полиамида. Полиамиды — это высокоэффективные термопласты, и Карамид выводит весь класс на новый уровень. Он получен из 3-карена, терпена, который производится в больших количествах как побочный продукт производства целлюлозы.
Исследователи из филиала Института Фраунгофера в Штраубинге использовали 3-карен для разработки мономеров 3S-каралактина и 3R-каралактина, а также двух видов Карамида, полученных из них, около десяти лет назад.
«В проекте SUBI²MA совместная экспертиза шести институтов позволила нам принять новое мышление, масштабировать каралактины и оптимизировать Карамиды для конкретных применений», — объясняет Пол Штокманн из Института Фраунгофера IGB.
Благодаря своей особой химической структуре Карамид обладает необычными термическими свойствами, что делает его отличным кандидатом для различных применений: от шестерён в машиностроении до безопасного стекла, лёгких строительных панелей, пен, защитных тканей и хирургических шовных материалов.
«В ходе проекта мы обнаружили, что два каралактина приводят к получению Карамидов со значительными различиями в свойствах», — говорит Штокманн. «Первый, Карамид-S, имеет частично кристаллическую структуру, поэтому он хорош для волокон, а второй, Карамид-R, является аморфным, то есть имеет нерегулярную структуру, что делает его пригодным для пен».
Ещё одной характеристикой является хиральность — особое пространственное свойство молекул, при котором существуют два структурных варианта, являющихся зеркальными отражениями друг друга, но не совпадающих. Это может влиять на физические, химические или биологические функции материала. В случае Карамида хиральность позволяет точно настраивать свойства материала. Например, для конкретных применений в медицинской технике или датчиках.
«Включение компонентов на биологической основе в высокопроизводительные полимеры даёт функциональное преимущество. Дело не только в том, что Карамиды созданы на биологической основе. Они действительно предлагают лучшие характеристики, чем материалы на основе ископаемых», — говорит Штокманн.
Новые биогибридные материалы
Второй основной целью проекта является разработка новых биогибридных материалов. Внедрение функциональных биомолекул открывает новые возможности для использования обычных материалов. Существует множество различных областей применения: от биоразлагаемых антипиренов для материалов до добавок или ферментов, которые ускоряют разложение полиэтилентерефталата на основе нефти.
«Одной из важных особенностей, ставших возможной благодаря интеграции специфических белков, является водоотталкиваемость, которая достигается путём преднамеренного изменения поверхности материала так, чтобы она отталкивала воду», — объясняет Рубен Розенкранц, научный сотрудник Института Фраунгофера по прикладным полимерным исследованиям IAP. Такие материалы используются в средствах защиты на производстве, в текстиле для активного отдыха и в медицине, например, для замены вредных веществ, таких как PFAS.
Ускоренная разработка
Третьей целью проекта является ускоренная разработка. Для этого исследователи используют цифровые решения.
«Мы используем моделирование для создания всеобъемлющей, структурированной и цифровой базы данных в лаборатории», — говорит Франк Хуберт из Института Фраунгофера по механике материалов IWM. «В дальнейшем эта цифровая цепочка создания стоимости объединит методы, основанные на данных, и моделирование для оценки профилей свойств и устойчивости на более раннем этапе, что значительно ускорит сроки разработки как материалов, так и продуктов».
Конрад Штайнер из Института Фраунгофера по промышленной математике ITWM добавляет: «Использование цифровых демонстраторов для таких предметов, как защитные ткани и шины, позволяет нам пропустить этапы разработки и оценить влияние и производительность новых волокон Карамида на раннем этапе, не проходя через весь долгий и сложный процесс производства и тестирования ткани или всей шины».
Одним из важных факторов в процессе концептуального проектирования стало отличное междисциплинарное сотрудничество по проекту между шестью институтами Фраунгофера — Фраунгофером IGB, IAP, IWM, ITWM, LBF и ICT — вместе с внешним субподрядчиком. Например, это позволило партнёрам преодолеть серьёзное препятствие — масштабирование процессов синтеза. Теперь два мономера можно производить в килограммовых масштабах. Планируется предоставить мономеры партнёру по отрасли в ближайшем будущем, чтобы партнёр мог использовать своё оборудование и мощности для обработки исходного материала для конкретного применения.
«Это важный шаг в продвижении дальнейшей разработки Карамидов до стадии готовности к выходу на рынок», — подытоживает Штокманн. «Проект представляет собой новый взгляд на разработку передовых материалов, в котором используются вещества на биологической основе, полученные из побочных продуктов, наряду с цифровыми технологиями в рамках междисциплинарного подхода».
Предоставлено Fraunhofer-Gesellschaft.